淺談國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

李 堯

（中國(guó)鋁業(yè)幾內(nèi)亞有限公司，幾內(nèi)亞共和國(guó) 科納克里科雷亞3201）

截至2020 年底，我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)9.34 億kW，占發(fā)電總裝機(jī)的42.5%，風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電、生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)分別達(dá)到2.8 億、2.5 億、3.4 億、0.3億kW，連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。

我國(guó)承諾CO2排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》明確2030 年風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億kW以上，非化石能源消費(fèi)占比達(dá)到25%左右。光熱電站作為太陽能發(fā)電的應(yīng)用之一，具有利用光照時(shí)間長(zhǎng)，連續(xù)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)調(diào)峰等優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來化石燃料發(fā)電可靠的替代者。

1 光熱電站的工作原理

目前光熱電站主要有槽式、碟式、菲涅爾式、塔式4種。

1.1 槽式光熱電站

槽式光熱電站主要由太陽島、熱傳和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、儲(chǔ)熱島、發(fā)電島4大部分組成。

太陽島由集熱器陣列構(gòu)成，集熱器由反射鏡、真空集熱管、鋼結(jié)構(gòu)支架、跟蹤驅(qū)動(dòng)裝置組成。集熱器根據(jù)太陽的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過拋物面反光鏡，將太陽光反射并聚集到集熱管上，加熱集熱管上的導(dǎo)熱流體，把熱量源源不斷地收集起來。通過蒸汽發(fā)生器把水變成水蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，同時(shí)部分能量通過熔熱換熱器進(jìn)入儲(chǔ)熱罐。儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要由儲(chǔ)熱罐、儲(chǔ)熱介質(zhì)、熔巖泵、換熱器組成，當(dāng)光照不足時(shí)，儲(chǔ)貯的熱量繼續(xù)發(fā)電。

1.2 菲涅爾式光熱電站

菲涅爾式聚焦工作原理與槽式光熱發(fā)電類似，它采用菲涅爾結(jié)構(gòu)的聚光鏡代替拋面鏡，集熱管具有二次反射功能，二次聚光過程起到加大聚光比，同時(shí)對(duì)集熱器的選擇性涂層進(jìn)行隔離作業(yè)。這種技術(shù)的聚光效率是常規(guī)拋物面型集熱器的3倍。

1.3 塔式光熱電站

塔式光熱電站利用眾多定日鏡陣列形成光場(chǎng)，將太陽熱輻射反射到光場(chǎng)中央接收塔的頂部接收器上，產(chǎn)生400～800 ℃的高溫，加熱接收器內(nèi)的工質(zhì)（通常為熔鹽）。通過工質(zhì)吸收儲(chǔ)存熱量，再利用儲(chǔ)存的熱量加熱水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)具有聚光比、集熱溫度高，裝機(jī)容量大，熱損耗少，系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 碟式光熱電站

碟式光熱電站是利用碟狀拋物面聚光集熱器，將太陽光聚焦到碟狀鏡中心的吸熱器表面上，通過熱電轉(zhuǎn)換裝置，例如朗肯循環(huán)熱機(jī)等，將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能。通過聚光碟系統(tǒng)的聚光比可以達(dá)到2000 以上，加熱器表面工作溫度維持在600～750 ℃，系統(tǒng)峰值光-電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到25%以上。

2 光熱電站的優(yōu)點(diǎn)和瓶頸

2.1 光熱電站的優(yōu)點(diǎn)

光熱電站具備持續(xù)發(fā)電能力。光熱發(fā)電可配置低成本的儲(chǔ)能設(shè)施，不僅具有良好的可持續(xù)電力輸出能力，同時(shí)可提供風(fēng)電、光伏發(fā)電等波動(dòng)性電源所不具備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和無功支撐。國(guó)內(nèi)5萬kW的中廣核德令哈光熱發(fā)電站連續(xù)運(yùn)行32天（773 h），青海中控德令哈光熱電站連續(xù)運(yùn)行12天（293 h）。

光熱發(fā)電可儲(chǔ)可調(diào)，可與風(fēng)電、光伏形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有利于“三北”大型風(fēng)光基地就地消納和外送消納。光熱發(fā)電儲(chǔ)調(diào)能力強(qiáng)，且提高儲(chǔ)調(diào)能力的邊際成本低，機(jī)組調(diào)峰深度最大可達(dá)80%，爬坡和啟停速度優(yōu)于燃煤機(jī)組，可與燃?xì)獍l(fā)電相當(dāng)。

光熱發(fā)電可以有效承接我國(guó)煤電裝備產(chǎn)業(yè)。我國(guó)已經(jīng)宣布不再新建境外煤電項(xiàng)目，同時(shí)近中期將控制煤電裝機(jī)規(guī)模，長(zhǎng)期來看將逐步退出市場(chǎng)。煤電在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平和從業(yè)人數(shù)上形成了完備的體系。除了產(chǎn)熱方式不同外，光熱發(fā)電和煤電發(fā)電的原理相同。煤電產(chǎn)業(yè)如何實(shí)現(xiàn)順利轉(zhuǎn)型是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要課題。

2.2 光熱電站的發(fā)展瓶頸

光熱發(fā)電成本依然較高。通過企業(yè)調(diào)研，當(dāng)前新建光熱發(fā)電成本約0.9～1.0 元/kWh，仍遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電和光伏發(fā)電。初始投資高昂是光熱發(fā)電成本高的主要原因。以當(dāng)前主流的10 萬kW 裝機(jī)、12 h儲(chǔ)熱塔式光熱電站為例，造價(jià)為2.5萬～3萬元/kW。聚光、吸熱、儲(chǔ)換熱系統(tǒng)占據(jù)初始投資的主要部分，約占整個(gè)電站成本77%。

光熱發(fā)電的部分設(shè)備尚依賴進(jìn)口。如熔鹽泵、熔鹽閥、熔鹽流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)接頭等設(shè)備，在光熱電站中需求量有限，成本中占比低，但其工況環(huán)境嚴(yán)苛，技術(shù)參數(shù)要求高，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)不高，以進(jìn)口為主，國(guó)內(nèi)廠商解決這些問題需要一定時(shí)間。此外，通過使用溫度更高、成本更低的吸熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)，采用超臨界CO2透平技術(shù)等實(shí)現(xiàn)更高效率的發(fā)電技術(shù)方面，仍有較長(zhǎng)的路要走。

光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展嚴(yán)重依賴國(guó)家補(bǔ)貼。根據(jù)國(guó)家2020年出臺(tái)的政策，2021年底前并網(wǎng)的光熱示范項(xiàng)目納入國(guó)家補(bǔ)貼范圍，能夠享受1.15元/kWh的電價(jià)；對(duì)于2020年及之后的新增項(xiàng)目，政策規(guī)定將光熱發(fā)電電價(jià)補(bǔ)貼支持由中央轉(zhuǎn)到地方，因此“十四五”時(shí)期或是光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)十分艱難的時(shí)期。

3 光熱電站未來的發(fā)展前景

國(guó)外在光熱發(fā)電的材料、設(shè)計(jì)、工藝及理論方面已經(jīng)開展50 多年的研究，并已得到商業(yè)化應(yīng)用，2020年全球累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)669萬kW。我國(guó)光熱發(fā)電起步較晚，但是在國(guó)內(nèi)示范項(xiàng)目的帶動(dòng)下，已初步建立了較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，部分產(chǎn)品出口國(guó)外。

國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)處于試點(diǎn)示范階段。2016年，我國(guó)安排了首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目建設(shè)共20個(gè)項(xiàng)目，134.9萬kW裝機(jī)，分布在北方5個(gè)省區(qū)，電價(jià)1.15元/kWh。同時(shí)，國(guó)家鼓勵(lì)地方相關(guān)部門對(duì)光熱企業(yè)采取稅費(fèi)減免、財(cái)政補(bǔ)貼、綠色信貸、土地優(yōu)惠等措施，多措并舉促進(jìn)光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。截至2021年底，我國(guó)光熱發(fā)電裝機(jī)容量約為59萬kW，共12 個(gè)項(xiàng)目，主要分布在甘肅（21 萬kW）、青海（21萬kW）、內(nèi)蒙古（10萬kW）和新疆（5萬kW），另有2萬kW分布在其他省。

目前我國(guó)太陽能光熱發(fā)電還處在起步階段，但國(guó)家十分重視太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。太陽能光熱發(fā)電有條件逐步成為我國(guó)新能源發(fā)展的“重頭戲”。