能源转型战略背景下中国太阳能热发电面临的机遇与挑战

2019-11-27北京国华电力公司太阳能热发电项目办公室胡振广金宗勇

太阳能 2019年11期

北京国华电力公司太阳能热发电项目办公室 ■ 胡振广金宗勇

0 引言

能源是现代化的基础动力，而煤炭和石油等传统能源的大规模开采和消费，引发了全球性的环境污染和气候变暖等问题，不仅严重影响了人们的生产和生活，更给人类的未来发展带来了严峻挑战。随着人类对高碳能源使用后果的科学认识不断提高，以及科学技术的快速发展，人们自觉地向低碳和可再生能源为主的能源结构转型，主要表现为开发利用可再生能源和建立低碳、可持续的能源供给与消费体系。

以可再生能源替代化石能源需满足2个基本条件：1)资源量充足且连续可控；2)价格可被市场接受。在当前快速发展的可再生能源利用方式中，光伏发电、风电因具有间歇、不稳定性，对电网的正常运行产生了不利影响；而水电的可开发资源也越来越少。在此背景下，太阳能热发电因具有与电网匹配性好、光电转换率高、发电稳定可调、生产过程绿色环保的优势脱颖而出。据中国科学院电工研究所的一项调研显示，我国的沙漠戈壁面积超过130万km2，其中，30万km2以上的面积适于建设太阳能热发电站[1]。若以首航敦煌二期项目(DNI为1700～1800 kWh/m2)为例进行计算，其占地面积为7.8 km2，年发电量为3.9亿kWh，则30万 km2沙漠戈壁全部建成太阳能热发电站，年发电量可达15万亿kWh(2017我国全年发电量约为6.5万亿kWh)。随着太阳能热发电技术的发展和成本下降，其将在一定范围内替代火力发电，承担电力基础和调峰负荷的作用。

本文通过对太阳能热发电产业的发展现状、成本构成及成本下降趋势进行分析，提出了我国太阳能热发电产业面临的机遇与挑战。

1 太阳能热发电产业的发展状况

1.1 全球产业现状

1984年在美国加利福尼亚州莫哈维沙漠(Mojave)建造的SEGS槽式太阳能热发电站是全球最早商业化运行的太阳能热发电站，其已成功运行30余年。随着技术的逐渐成熟，美国、西班牙等国大力发展太阳能热发电，目前，西班牙拥有装机容量为2.3 GW的正在运行的太阳能热发电站，位列全球首位；美国太阳能热发电站装机容量为1.7 GW，居第2位，受技术进步和政策(ITC和美国能源部贷款担保)影响，美国太阳能热发电市场历经数次起落。当前，摩洛哥、沙特阿拉伯、以色列、阿联酋、南非等重要的新兴市场正在快速崛起。据CSPPLAZA光热发电网的统计数据，截至2017年底，全球已建成的太阳能热发电站的装机容量达5133 MW。2018年，全球在建的大型太阳能热发电站有26个，总装机容量近3000 MW，主要分布在智利(1个，110 MW)、科威特(1个，50 MW)、摩洛哥(2个，共350 MW)、中国(13个，共750 MW)、南非(4个，共400 MW)、以色列(2个，共242 MW)、阿联酋(3个，共700 MW)和沙特阿拉伯(2个，共100 MW)。

表1 2018年新增太阳能热发电站统计[2]

1.2 我国国内太阳能热发电产业的发展情况

随着太阳能热发电技术逐渐成熟，我国国内众多能源企业纷纷涉足太阳能热发电领域。 2007年，国内第1座70 kW太阳能热发电站在南京通过验收。2010年，亚洲第1座塔式太阳能热发电站在北京延庆开工建设，并于2012年8月发电。2013年7月，青海中控德令哈10 MW太阳能热发电项目成功并网发电，标志着我国首个太阳能热发电项目投入商业运行；2016年8月，该项目完成熔盐改造工程，成为国内首座熔盐工质塔式太阳能热发电站。2016年12月，首航节能敦煌10 MW熔盐工质塔式太阳能热发电站并网发电。2018年6月底，中广核德令哈50 MW槽式太阳能热发电项目首次并网(首次并网时暂不带熔盐储热系统，联调后整体商业运行时间为2018年底)。中控德令哈50 MW塔式、首航敦煌100 MW塔式及玉门鑫能50 MW塔式二次反射式等太阳能热发电项目在2018年年底并网发电。以上项目都推动了我国国内太阳能热发电领域的技术进步和规模化发展。

我国太阳能热发电产业的特点主要体现在：1) 我国基本具备设备制造及供货能力；2)具备系统集成及设计能力；3)规模化发展有待验证；4)标准规范正在逐步完善。

1) 我国基本具备设备制造及供货能力。国内太阳能热发电产业链已经基本形成，装配制造业初具规模，关键技术和设备制造难点已基本掌握，并已初步形成拥有自主知识产权的核心技术和装备制造能力。整体设备和材料国产化率已达90%以上，但部分高精度产品，如熔盐泵、流量计、少数电控仪表、旋转接头及吸热器涂层等，由于国产化后的精度和稳定性等尚有欠缺，目前仍以进口为主。

2)具备系统集成及设计能力。国内出现多家具备系统集成和主设备供货能力的系统集成商，为推动产业发展，这些集成商纷纷投资建设太阳能热发电站。在国内首批太阳能热发电示范项目中，有近10家系统集成商在列。

3)规模化发展有待验证。虽然产业方向和发展趋势有利，国内厂商也已基本具备技术和系统集成能力，但是尚缺乏工程和管理经验，需要一些示范项目作为试点，以便控制规模化后的成本和风险。

4)标准规范正在逐步完善。目前太阳能热发电产业尚处于起步阶段，正在研究建立产业标准体系。2017年3月27日，国家标准化管理委员会正式批复设立了“全国太阳能热发电标准化技术委员会”，负责太阳能热发电技术和设备领域国家标准的制订与修订工作。在国际标准制订方面，我国正在深入参与甚至牵头太阳能热发电产业国际标准的编制，这将有利于我国及全球太阳能热发电产业的健康发展。

2 太阳能热发电的技术现状

按太阳能的采集方式不同，太阳能热发电技术主要有塔式、槽式、碟式和菲涅尔式4种技术路线，在此基础上还有一些变种技术出现，如塔式二次反射式、模块定日式等。根据集热方式不同，太阳能热发电还可以分为点聚焦和线聚焦2种方式。点聚焦以塔式和碟式技术路线为代表，线聚焦以槽式和菲涅尔式技术路线为代表。

2.1 塔式太阳能热发电系统[3]

图1 塔式太阳能热发电站系统流程示意图

塔式太阳热发电系统是利用定日镜群将太阳能反射到安装在高塔上的吸热器，集中加热吸热器中的传热介质，将太阳热能转换并储存在传热介质中(熔盐或水)，再利用高温介质加热水或直接产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。由于聚光器的聚光比高达1000倍以上，受材料和传热介质限制，目前塔式太阳能热发电系统一般工作温度为565 ℃，未来或可达800 ℃以上，属于高温太阳能热发电。

2.2 槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统是将太阳光聚焦反射到真空管吸热器上，加热真空管内的传热介质，通过多级串、并联的排列，使传热介质达到设计参数，最终通过换热产生蒸汽，推动汽轮机发电。该技术中聚光器的聚光比为50～100倍，介质温度通常低于400 ℃，属于中高温太阳能热发电。

图2 槽式太阳能热发电系统双工质流程示意图

2.3 碟式太阳能热发电系统[4]

碟式太阳能热发电是光电转换效率最高的一种太阳能热发电方式，它通过旋转抛物面碟形聚光器将太阳能聚集到接收器中，接收器将吸收的能量通过热电转换系统(如斯特林发电装置)最终转化为电能。该技术中，聚光器的聚光比可达1000～4000倍，接收器的接收温度可达800 ℃。国外已有采用此技术的示范项目投入运行。然而由于碟式系统配备储能较为困难，发电特点与光伏发电类似，但价格却远高于光伏发电，所以目前在无价格较低的储能系统之前，不建议规模化应用此技术。

2.4 菲涅尔式太阳能热发电系统

菲涅尔式太阳能热发电系统的工作原理与槽式太阳能热发电系统类似，只是该技术利用了菲涅尔透镜特性，采用众多单轴自动跟踪的反射镜组来代替槽式抛物面镜，将太阳光聚集到平行于镜场的线性聚光器内，加热聚光器钢管内流动的工质，从而产生高温高压的蒸汽，直接驱动后端的涡轮发电机发电。聚光器的聚光比为50～100倍，系统工作温度一般在280～400 ℃，属中高温太阳能热发电。

3 太阳能热发电系统的成本和电价分析

3.1 太阳能热发电系统的成本现状

随着太阳能热发电技术的不断成熟，太阳能热发电系统的度电成本有所下降。但从国际可再生能源署(IRENA)的统计报告可以看出，从2010年一直到2017年，在所有可再生能源发电类型中，太阳能热发电项目的度电成本仍是最高，具体如图3所示[5]。

图3 2010年和2017年各种可再生能源项目的度电成本变化情况

IRENA的报告显示，2014～2016年，太阳能热发电的度电项目成本为0.14～0.35美元/kWh，大部分项目的度电成本在0.3美元/kWh以下。2017年以来，太阳能热发电项目的度电成本出现明显的下降趋势，世界范围内招标的太阳能热发电项目(预计2020～2022年投运)的上网电价在0.06～0.10美元/kWh之间，比如迪拜的200 MW和700 MW太阳能热发电项目的上网电价分别为0.0945美元/kWh和0.073美元/kWh，南澳150 MW太阳能热发电项目的上网电价为0.06美元/kWh。

预计到2020年，在光照资源丰富地区，太阳能热发电项目的度电成本将达到甚至低于化石燃料的度电成本。

3.2 太阳能热发电项目的投资成本构成

太阳能热发电项目的成本与其规模、技术方案、储热时长及补燃等因素有重要关系。但对于规模化的太阳能热发电项目而言，聚光系统约占整个太阳能热发电站成本的40%～50%，聚光系统的成本几乎完全决定了太阳能热发电站的成本。图4为国内某100 MW太阳能热发电站的投资成本结构[6]图。

图4 某100 MW太阳能热发电项目的投资成本结构

3.3 太阳能热发电系统的成本趋势

1)度电成本的下降趋势。随着规模经济效应、供应链竞争力的提高、运维成本的下降及电站效率的提升等，太阳能热发电系统的度电成本将会有非常大的下降空间。按照IRENA的预测，到2025年，槽式和塔式太阳能热发电系统的度电成本将较2015年分别下降37%和43%。当DNI为2550 kWh/m2时，槽式太阳能热发电系统的度电成本在0.09～0.12美元/kWh之间，基准值为0.104美元/kWh；塔式太阳能热发电系统的度电成本在0.08～0.11美元/kWh之间，基准值为0.091美元/kWh，具体如图5所示。由于建设成本的比重不低于60%[7]，因此，建设成本的降低是太阳能热发电系统度电成本下降的最主要原因。

图5 槽式和塔式太阳能热发电系统度电成本趋势预测

2)建设成本下降趋势。建设成本降低主要是指太阳镜场组件、工程总承包(EPC)中的间接成本、建设单位成本及储热系统成本的下降。预计到2025年，太阳能热发电站的建设成本将下降33%～37%。据有关资料预测，1座配备9 h储热系统的150 MW塔式太阳能热发电站，其建设成本有望从约5700美元/kW降至3600美元/kW。

3.4 太阳能热发电的上网电价发展趋势(与光伏发电发展历程对比)

无论是从能源的来源，还是以开发过程来看，当前的太阳能热发电的发展都与光伏发电的发展具有相似之处。因此，按照光伏发电的成本下降过程和趋势来对比太阳能热发电，可以为我们揭示出太阳能热发电未来成本的状态。光伏发电上网电价的发展历程如图6所示。

图6 光伏发电上网电价的发展历程

纵观光伏发电的发展历程可以看出，一项新的可再生能源技术从初期到成熟应用，需要经过漫长的发展阶段。与光伏发电相比，太阳能热发电的初期示范阶段上网电价仅为1.15元/kWh，远低于光伏发电早期的上网电价4元/kWh，经过太阳能热发电示范项目的经验积累和规模化发展，未来的上网电价将非常具有竞争力。

4 太阳能热发电产业的发展前景、机遇与挑战

4.1 太阳能热发电产业的发展前景

根据国际能源署(IEA)的预测，全球太阳能热发电的装机规模将持续快速增长，其中，美国、中东、非洲、印度及中国的太阳能热发电在未来十几年将进入爆发期。预计至2050年，全球太阳能热发电的装机容量将达9.82亿kW，年发电量将达4.38万亿kWh，在全球发电量中的比重将达到11%，具体如图7所示。

图7 太阳能热发电技术发展路线图对太阳能热发电量的预测

我国太阳能热发电产业虽然起步相对较晚，但随着示范项目和标杆上网电价的出台，国内太阳能热发电同样迎来了广阔的发展前景——根据国家能源局发布的《电力发展“十三五”规划》，到2020年太阳能热发电装机规模要达到5 GW。

4.2 太阳能热发电面临的机遇

4.2.1 电源稳定性需求

带储热系统的太阳能热发电站能够保持稳定的电力输出，具备良好的调节性能，可作为调峰电源，有效缓解可再生能源发电的出力波动，减少弃风、弃光情况，提高电网消纳，满足电网调峰需求。典型的太阳能热发电站的储热和电力输出关系如图8所示。

图8 太阳能热发电站的储热和电力输出关系

4.2.2 温室气体减排需求

太阳能热发电清洁、环保，全生命周期内温室气体排放均值仅为27 gCO2eq/kWh，属于温室气体排放较低的可再生能源发电类型。因此，其作为电源基础负荷，有利于温室气体减排目标的实现，能够促进电力供应结构的转型优化。各种发电技术全生命周期内温室气体的排放情况如图9所示。

图9 各种发电技术全生命周期内温室气体的排放情况

4.2.3 环境效益显著

对于太阳能热发电项目所在的戈壁荒漠区域而言，不管采用何种技术方式，至少会在3个方面对地表环境有所改善：1)大部分阳光被定日镜反射，必然使地面蒸发量降低；2)聚集的镜场能够减缓风速，防风固沙；3)镜场定日镜的清洗水会渗入地表，改善土壤墒情。由此可知，太阳能热发电站在改善环境方面具有一定优势，比如，在国内某10 MW太阳能热发电站投运的5年时间里，厂址区域的植被环境得到了有效改善，如图10所示。

图10 某10 MW太阳能热发电站建成投运后植被的变化情况

4.2.4 产业带动效应明显

太阳能热发电的原理较为简单，并且投入的生产设备和材料全部来自传统产业(或对生产线进行简单的升级改造)，如此可有效化解过剩产能。随着技术的日趋成熟，规模化后的太阳能热发电站将推动我国钢材、水泥、玻璃等产业更好的发展。

4.3 太阳能热发电产业面临的挑战

1)技术有待突破。目前，与太阳能热发电技术相关的聚光、集热、储热、换热技术等都还有一定的研究空间，整个太阳能热发电产业还存在成本高、规模小、可靠性有待验证等问题，能否通过示范项目来提高电力供应的稳定性成为未来产业发展的一大关键。

2)项目开发、运营经验欠缺。由于大型商业化太阳能热发电项目较少且投运时间较短，太阳能热发电站的建设不仅需要在系统集成和运营方面积累经验，更要面对工程建设、调试运行、检修维护等方面的挑战。例如在大风、高寒、风沙、雾霾、缺水、结霜和冰雪的气候下如何保证项目的顺利开发和运维等。

3)来自其他能源的竞争压力。目前，光伏发电和风电的上网电价屡刷新低，平价上网正在试点进行中。而目前太阳能热发电的上网电价为1.15元/kWh，无论是短期内与其他清洁能源竞争，还是长期与火电等传统能源竞争，其都将承受巨大的成本压力。

4)水耗问题。由于采用水冷的太阳能热发电的耗水量高于燃煤发电的耗水量，所以目前太阳能热发电站主要采用空冷机组，这对太阳能热发电站的工作效率存在一些不利影响，而适合建设太阳能热发电站的地方又大多位于干旱、缺水地区。因此，如何有效节水成为太阳能热发电站需要解决的一大问题。

5 建议

现阶段太阳能热发电产业所面临的机遇和挑战并存：连续稳定的输出特性及规模化后的成本预期，都是其快速发展的有力保障；技术积累和实践经验不足，也是其面临的巨大挑战。

1)对于有志于从事太阳能热发电行业的企业而言，不仅应深入产业链上的各个环节，更应该发挥特长，主动向上、下游延伸；2)对于太阳能热发电站的开发企业，建议适当调整增利预期，积极投身示范项目，掌握前沿技术，储备经验，做能源转型的排头兵和引领者；3)集成制造企业要严控成本，建议考虑以产品入股方式参与项目开发，积累经验提高业绩；4)技术服务和工程施工企业，同样建议投入自身优势产品，入股项目建设，成为项目的投资方之一。