淺談國內光熱發電技術的應用

李 堯

（中國鋁業幾內亞有限公司，幾內亞共和國 科納克里科雷亞3201）

截至2020 年底，我國可再生能源發電裝機達9.34 億kW，占發電總裝機的42.5%，風電、光伏發電、水電、生物質發電裝機分別達到2.8 億、2.5 億、3.4 億、0.3億kW，連續多年穩居世界第一。

我國承諾CO2排放力爭于2030 年前達到峰值、2060 年前實現碳中和，《“十四五”可再生能源發展規劃》明確2030 年風電和太陽能發電總裝機容量達到12億kW以上，非化石能源消費占比達到25%左右。光熱電站作為太陽能發電的應用之一，具有利用光照時間長，連續運行，可實現調峰等優點，有望成為未來化石燃料發電可靠的替代者。

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、熱傳和蒸汽發生系統、儲熱島、發電島4大部分組成。

太陽島由集熱器陣列構成，集熱器由反射鏡、真空集熱管、鋼結構支架、跟蹤驅動裝置組成。集熱器根據太陽的轉動，通過拋物面反光鏡，將太陽光反射并聚集到集熱管上，加熱集熱管上的導熱流體，把熱量源源不斷地收集起來。通過蒸汽發生器把水變成水蒸汽，推動汽輪機發電，同時部分能量通過熔熱換熱器進入儲熱罐。儲熱系統主要由儲熱罐、儲熱介質、熔巖泵、換熱器組成，當光照不足時，儲貯的熱量繼續發電。

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電類似，它采用菲涅爾結構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，同時對集熱器的選擇性涂層進行隔離作業。這種技術的聚光效率是常規拋物面型集熱器的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，將太陽熱輻射反射到光場中央接收塔的頂部接收器上，產生400～800 ℃的高溫，加熱接收器內的工質（通常為熔鹽）。通過工質吸收儲存熱量，再利用儲存的熱量加熱水產生蒸汽，驅動汽輪機發電機組發電。

塔式光熱發電系統具有聚光比、集熱溫度高，裝機容量大，熱損耗少，系統穩定等優點。

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，通過熱電轉換裝置，例如朗肯循環熱機等，將熱能直接轉換成電能。通過聚光碟系統的聚光比可以達到2000 以上，加熱器表面工作溫度維持在600～750 ℃，系統峰值光-電轉化效率可達到25%以上。

2 光熱電站的優點和瓶頸

2.1 光熱電站的優點

光熱電站具備持續發電能力。光熱發電可配置低成本的儲能設施，不僅具有良好的可持續電力輸出能力，同時可提供風電、光伏發電等波動性電源所不具備的轉動慣量和無功支撐。國內5萬kW的中廣核德令哈光熱發電站連續運行32天（773 h），青海中控德令哈光熱電站連續運行12天（293 h）。

光熱發電可儲可調，可與風電、光伏形成優勢互補，有利于“三北”大型風光基地就地消納和外送消納。光熱發電儲調能力強，且提高儲調能力的邊際成本低，機組調峰深度最大可達80%，爬坡和啟停速度優于燃煤機組，可與燃氣發電相當。

光熱發電可以有效承接我國煤電裝備產業。我國已經宣布不再新建境外煤電項目，同時近中期將控制煤電裝機規模，長期來看將逐步退出市場。煤電在產業規模、技術水平和從業人數上形成了完備的體系。除了產熱方式不同外，光熱發電和煤電發電的原理相同。煤電產業如何實現順利轉型是關系國計民生的重要課題。

2.2 光熱電站的發展瓶頸

光熱發電成本依然較高。通過企業調研，當前新建光熱發電成本約0.9～1.0 元/kWh，仍遠高于陸上風電和光伏發電。初始投資高昂是光熱發電成本高的主要原因。以當前主流的10 萬kW 裝機、12 h儲熱塔式光熱電站為例，造價為2.5萬～3萬元/kW。聚光、吸熱、儲換熱系統占據初始投資的主要部分，約占整個電站成本77%。

光熱發電的部分設備尚依賴進口。如熔鹽泵、熔鹽閥、熔鹽流量計、旋轉接頭等設備，在光熱電站中需求量有限，成本中占比低，但其工況環境嚴苛，技術參數要求高，國內產品質量相對不高，以進口為主，國內廠商解決這些問題需要一定時間。此外，通過使用溫度更高、成本更低的吸熱和儲熱介質，采用超臨界CO2透平技術等實現更高效率的發電技術方面，仍有較長的路要走。

光熱發電產業發展嚴重依賴國家補貼。根據國家2020年出臺的政策，2021年底前并網的光熱示范項目納入國家補貼范圍，能夠享受1.15元/kWh的電價；對于2020年及之后的新增項目，政策規定將光熱發電電價補貼支持由中央轉到地方，因此“十四五”時期或是光熱發電產業十分艱難的時期。

3 光熱電站未來的發展前景

國外在光熱發電的材料、設計、工藝及理論方面已經開展50 多年的研究，并已得到商業化應用，2020年全球累計裝機容量達669萬kW。我國光熱發電起步較晚，但是在國內示范項目的帶動下，已初步建立了較完整的產業鏈，部分產品出口國外。

國內光熱發電項目建設處于試點示范階段。2016年，我國安排了首批光熱發電示范項目建設共20個項目，134.9萬kW裝機，分布在北方5個省區，電價1.15元/kWh。同時，國家鼓勵地方相關部門對光熱企業采取稅費減免、財政補貼、綠色信貸、土地優惠等措施，多措并舉促進光熱發電產業發展。截至2021年底，我國光熱發電裝機容量約為59萬kW，共12 個項目，主要分布在甘肅（21 萬kW）、青海（21萬kW）、內蒙古（10萬kW）和新疆（5萬kW），另有2萬kW分布在其他省。

目前我國太陽能光熱發電還處在起步階段，但國家十分重視太陽能光熱發電產業的發展。太陽能光熱發電有條件逐步成為我國新能源發展的“重頭戲”。