昨天和大家分享了太陽能熱發(fā)電系列的第十八部分：太陽能熱發(fā)電站全生命周期碳排放

今天和大家分享第十九部分：太陽能熱發(fā)電發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及對策

太陽能熱發(fā)電易于配置大容量、長周期、更安全低碳的儲能系統(tǒng)，且采用常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)動慣量和電網(wǎng)同步機(jī)特性，是一種靈活性調(diào)節(jié)電源，非常符合當(dāng)前高比例不穩(wěn)定可再生能源電源并網(wǎng)情境下電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行對快速調(diào)峰電源的迫切需要，能夠?yàn)闃?gòu)建新能源為主體的新型電力系統(tǒng)奠定安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

目前太陽能熱發(fā)電大規(guī)模發(fā)展面臨的最主要的障礙是一次投資過大、發(fā)電成本相對較高。如何降低太陽能熱發(fā)電成本是產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。

美國能源部在其官網(wǎng)公開表示，降低太陽能成本對于加快部署并實(shí)現(xiàn)美國拜登 - 哈里斯政府到 2035 年實(shí)現(xiàn) 100％清潔電力的氣候目標(biāo)至關(guān)重要。?

根據(jù)國際能源署（IEA）曾公布的一種計算可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的簡化公式：

總投資、運(yùn)維費(fèi)用和電站年凈發(fā)電量（年發(fā)電量減去廠用電量）是關(guān)鍵指標(biāo)。降低太陽能熱發(fā)電站的總投資和運(yùn)維費(fèi)用，同時提高太陽能熱發(fā)電站的年凈發(fā)電量是降低太陽能熱發(fā)電成本的有效途徑。

初始投資成本的降低可通過各子系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的成本來實(shí)現(xiàn)。太陽能熱發(fā)電站的年發(fā)電量與系統(tǒng)年均效率、投射在鏡場上的年太陽直射輻照量相關(guān)，在相同的太陽輻照條件下，系統(tǒng)年均效率越高，電站的年發(fā)電量就越多。年凈發(fā)電量的提高可通過提高系統(tǒng)效率，降低廠用電來實(shí)現(xiàn)。

1、降低總投資和運(yùn)維成本

在太陽能熱發(fā)電站總投資中，聚光、吸熱和儲熱系統(tǒng)成本所占比例較高。在塔式電站中，設(shè)備購置費(fèi)約占總投資的 73%，安裝費(fèi)約占 12%，建筑工程約占 9%，其他約占 6%。

太陽能熱發(fā)電設(shè)備購置部分成本下降途徑：

根據(jù)國際經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)進(jìn)步對太陽能熱發(fā)電成本降低的貢獻(xiàn)率約 42%，規(guī)?；呢暙I(xiàn)率約 37%，批量生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率約 21%。

據(jù)我國企業(yè)的測算，在理想情況下，由于規(guī)?；l(fā)展帶來的電站總投資整體下降可達(dá) 18.42~27.56%。

通過分析西班牙 PS10 和 PS20 塔式電站（這兩座電站采用了同樣的技術(shù)，只是容量不同，PS10 為 10MW，PS20 為 20MW）發(fā)現(xiàn)：電站容量大小和單位投資成本有一定關(guān)系。

在同樣技術(shù)條件下，機(jī)組容量越大，單位千瓦投資成本和年運(yùn)行費(fèi)用越低；同時，機(jī)組容量較大時，機(jī)組本身的運(yùn)行效率明顯提高，電站輔助設(shè)備及管道系統(tǒng)的效率也較高，則電站綜合效率明顯提高。然而電站容量的翻倍并不會導(dǎo)致投資成本增長的翻倍。

根據(jù) Kistner 研究，隨著電站容量的翻倍，一些部件的相對成本增加的并不多，但有一些卻呈現(xiàn)出了規(guī)模效應(yīng)。

當(dāng)電站容量從 50MW 增加到 100MW 時，下列部件的成本降低甚微：集熱場：97.5%；傳熱介質(zhì)：92.2%。下列部件的成本降低顯著：發(fā)電系統(tǒng)：81.1%；電站平衡系統(tǒng)：76.6%；并網(wǎng)：65.0%。

另外，還有一些費(fèi)用的相對權(quán)重在運(yùn)行期間保持穩(wěn)定，例如儲熱系統(tǒng)、土木工程以及用水。

最后， 最能體現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)的方面包括項目管理和項目開發(fā)，其成本以絕對數(shù)值的形式帶有固定性。

根據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）的報告（2018 年），因?yàn)闆]有化石燃料的成本支出，太陽能熱發(fā)電站的運(yùn)維成本主要包括兩大類：保險（這部分每年的費(fèi)用約占初始資本支出的 0.5 ～ 1%）和維護(hù)（主要包括反射鏡清洗和更換）。

因此，國外光熱電站業(yè)主降低運(yùn)維費(fèi)用的方式側(cè)重在維護(hù)；對于運(yùn)營商來說，一種降低維護(hù)費(fèi)用的方法就是采用預(yù)測分析工具，另一種方法就是以最小化清潔成本的方式設(shè)計電站。

一些新的研究表明，在太陽能熱發(fā)電站的設(shè)計和建設(shè)中提前進(jìn)行良好決策和計劃，可持久性地降低其后期的運(yùn)維成本，從而提高盈利能力。國際上槽式太陽能光熱電站平均運(yùn)維成本約合人民幣 0.15~0.211 元 /kWh，塔式光熱電站約合人民幣 0.211~0.282 元 /kWh。

華北電力大學(xué)的一份研究報告指出，如果運(yùn)維成本下降 20%，塔式、槽式、線菲太陽能熱發(fā)電站的內(nèi)部收益率將分別從 12.33%、11.72% 和 11.43 增加至 13.41%、12.79% 和 12.49%。

我國某 50MW 光熱電站運(yùn)行費(fèi)用大約在 0.05 元 /kWh，主要包括人工成本、檢修費(fèi)用、備品備件費(fèi)用、外購電、水費(fèi)、材料費(fèi)等；其中人工成本占比最高。隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的提升，預(yù)計未來幾年運(yùn)維成本將會顯著下降；而且隨著裝機(jī)規(guī)模的提高，人工成本上升幅度不大。

2、提高效率

太陽能熱發(fā)電的基本過程涉及聚光、傳熱和熱功轉(zhuǎn)換等方面，太陽能通過熱的形式轉(zhuǎn)換成電能需要經(jīng)過多個能量轉(zhuǎn)換和傳輸過程。

從光—熱—功轉(zhuǎn)化過程來看，太陽能熱發(fā)電主要包括以下 3 個過程：

1）光的聚集與轉(zhuǎn)換過程；

2）熱量的吸收、蓄存與傳遞過程；

3）熱功轉(zhuǎn)換過程。

熔融鹽傳熱介質(zhì)太陽能熱發(fā)電站系統(tǒng)示意圖：

而電站的年效率則反映一個電站技術(shù)水平的先進(jìn)程度，太陽能熱發(fā)電站年效率越高說明太陽能到電能的轉(zhuǎn)化能力越強(qiáng)。太陽能熱發(fā)電站年效率是一年中太陽能熱發(fā)電站的發(fā)電量與投射至聚光場采光面積上太陽法向直射輻照量之比，其與裝機(jī)容量、設(shè)計點(diǎn)太陽直射輻照度、汽輪機(jī)入口參數(shù)、蓄熱系統(tǒng)容量、年日照時數(shù)、輔助能源所占百分比等諸多因素有關(guān)。

熱力學(xué)、傳熱學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)等多個學(xué)科以及這些學(xué)科的交叉是太陽能熱發(fā)電技術(shù)的理論基礎(chǔ)。各能量傳遞與轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的熱傳遞機(jī)理及熱流特性、光 - 熱 - 功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的集成理論和關(guān)鍵材料及技術(shù)等是太陽能熱發(fā)電技術(shù)中需要重視和解決的基礎(chǔ)問題。?

典型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率及能量損失情況：

由圖可見，聚光、吸熱及熱功轉(zhuǎn)換過程是構(gòu)成系統(tǒng)能量和效率損失的主要部分，約占總損失的 97%，因此提高太陽能熱發(fā)電效率關(guān)鍵在于提高聚光、吸熱及熱功轉(zhuǎn)換過程的效率。國內(nèi)外的研究也大都集中于這兩個過程及非穩(wěn)態(tài)條件下的系統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)特性以求得到穩(wěn)定的運(yùn)行技術(shù)。

在現(xiàn)有熔鹽塔式技術(shù)路線體系下，通過以下各部分的優(yōu)化，光電轉(zhuǎn)換效率可提升 12~27%。

工程角度建議的熔鹽塔式技術(shù)優(yōu)化項：

3、太陽能熱發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

未來，我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)需要圍繞以下八個部分開展工作：

1）太陽能熱發(fā)電站集成

摸索太陽能熱發(fā)電站運(yùn)行工藝，建立太陽能熱發(fā)電站設(shè)計和運(yùn)行規(guī)范。已建成的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)改進(jìn)、系統(tǒng)分析方面進(jìn)行扎實(shí)的工作。通過改進(jìn)，優(yōu)化系統(tǒng)的安全性和可靠性，提升系統(tǒng)效率，得出運(yùn)行操作規(guī)范、系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范和事故處理大綱。對系統(tǒng)中各設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，提出各個設(shè)備技術(shù)規(guī)格書，總結(jié)出一批行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)。?

2）高溫集熱儲熱換熱

儲熱是太陽能熱發(fā)電連續(xù)性的一個重要因素。儲熱問題涉及到材料和熱學(xué)的耦合，需要對低成本儲熱材料和系統(tǒng)，具有固有安全性的熔融鹽吸熱儲熱系統(tǒng)設(shè)計方法等進(jìn)行研究。?

3）聚光器

通過已建成電站數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，聚光器成本約占整個光熱電站投資的 50%。我國太陽能熱發(fā)電聚光器的技術(shù)指標(biāo)與國外相比差別不大，單位面積重量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與國外相比也相差無幾。未來應(yīng)側(cè)重減少溢出損失，提高聚光比等聚光方式探索，以及目前槽式聚光器和塔式定日鏡的可靠性改進(jìn)。?

4）吸熱器

吸熱器種類較多，目前常用的槽式吸熱器和塔式吸熱器。碟式以及菲涅爾聚光器目前應(yīng)用較少。吸熱器的安全性是吸熱器最重要的指標(biāo)，吸熱器每天在高溫、非均勻和非穩(wěn)定熱流邊界條件下工作，需具備一定的抗疲勞壽命。需要對吸熱器的用材以及運(yùn)行相關(guān)的力學(xué)和傳熱特性進(jìn)行探索，研制固有安全性和長壽命的太陽能吸熱器，效率和工作溫度均比目前提高。?

5）太陽能部件生產(chǎn)線專用設(shè)備

太陽能關(guān)鍵部件生產(chǎn)線技術(shù)在我國發(fā)展緩慢。我國目前在玻璃鏡、吸熱管、聚光器、專用透平等生產(chǎn)線方面的研究成果還不足以支撐大規(guī)模工業(yè)化的需要。需要在規(guī)?；瘜?shí)踐中完善產(chǎn)品的質(zhì)量控制技術(shù)和工藝，建立聚光，吸熱和傳熱部件的生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝。

6）核心材料、裝備和系統(tǒng)性能檢測平臺

開發(fā)或研制大型高能流密度測量系統(tǒng)、聚光器聚光精度測量和評價、核心材料和裝備可靠性和熱性能測試儀器和方法、關(guān)鍵系統(tǒng)性能檢測平臺等。?

7）技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

建立太陽能熱發(fā)電核心材料、裝備和系統(tǒng)性能評價的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。通過對新型聚光形式、聚光系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、適應(yīng)于不同形式熱發(fā)電技術(shù)、不同工質(zhì)類型和運(yùn)行溫度的吸熱器技術(shù)、儲熱材料與儲熱系統(tǒng)、高效熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)等領(lǐng)域持續(xù)地研發(fā)和關(guān)注，推動我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)向高參數(shù)——高效率——低成本——基礎(chǔ)負(fù)荷方向發(fā)展。?

8）超臨界二氧化碳太陽能熱發(fā)電技術(shù)

提高吸熱器工質(zhì)溫度到 800℃，研究提高顆粒與二氧化碳換熱器換熱系數(shù)的方法，采用超臨界二氧化碳做發(fā)電工質(zhì)，高效發(fā)電。

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