明確太陽能熱發(fā)電戰(zhàn)略定位促進技術(shù)發(fā)展

　　摘 要：太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有安全性高、電力品質(zhì)高、儲能規(guī)模大、可雙向連接電網(wǎng)的優(yōu)勢，在“碳達峰、碳中和” 倡議中具有不可替代的地位，在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中將發(fā)揮中堅作用。通過近20年的發(fā)展，我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)成熟度高，產(chǎn)業(yè)鏈完整，國內(nèi)已投運項目的設(shè)備國產(chǎn)化率超過90%，具備大規(guī)模應(yīng)用發(fā)展的條件。對太陽能熱發(fā)電科技引領(lǐng)突破，產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展大幅度降低成本，與光伏風電打捆參與電力市場促進太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面進行分析，并提出了建議。

　　關(guān)鍵詞：太陽能熱發(fā)電;碳達峰;碳中和;新型電力系統(tǒng);電力市場;倡議定位

　　志峰; 何雅玲; 康重慶; 王偉勝; 杜鳳麗， 華電技術(shù) 發(fā)表時間：2021-11-15

　　0 引言

　　太陽能熱發(fā)電是集光熱轉(zhuǎn)換發(fā)電、大規(guī)模儲熱和電網(wǎng)同步機特性于一身的可再生能源發(fā)電方式。太陽能熱發(fā)電具有長時間儲能能力且采用汽輪機同步發(fā)電機技術(shù)，可滿足現(xiàn)有交流同步電力系統(tǒng)的慣量、故障穿越、電壓/頻率響應(yīng)等技術(shù)要求，可為綠色低碳電力系統(tǒng)提供可靠的保障與支撐，將在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮中堅作用。國家主席習近平 2021 年 9 月 21 日出席第七十六屆聯(lián)合國大會一般性辯論并發(fā)表題為《堅定信心 共克時艱 共建更加美好的世界》的重要講話，指出：中國將力爭 2030 年前實現(xiàn)碳達峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和，這需要付出艱苦努力，但我們會全力以赴。中國將大力支持發(fā)展中國家能源綠色低碳發(fā)展，不再新建境外煤電項目。太陽能熱發(fā)電這種唯一具有穩(wěn)定可控特性的可再生能源發(fā)電將進入更加快速的發(fā)展期。

　　從“十五”期間開始，在科技部、國家發(fā)改委、財政部、國家能源局以及國家自然科學基金委等部委的支持下，我國在太陽能熱發(fā)電技術(shù)的科研與商業(yè)化推廣方面取得了長足的進步。截至 2020 年 12 月，我國太陽能熱發(fā)電已有 3座實驗電站、8座商業(yè)化電站建成并網(wǎng)發(fā)電，總裝機容量超過 500 MW。中國企業(yè)在國外總包建成和在建的電站裝機容量達到1 000 MW。我國太陽能熱發(fā)電核心技術(shù)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，關(guān)鍵設(shè)備部件已全部可國產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展蓄勢待發(fā)。隨著產(chǎn)業(yè)鏈基本形成和逐步穩(wěn)定，電價也逐步加快下降步伐。2020年年初，財政部、國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于促進非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》(財建〔2020〕4 號)提出，2021 年 12 月 31 日后新增太陽能熱發(fā)電項目不再納入中央財政補貼范圍。太陽能光熱產(chǎn)業(yè)面臨新的要求和挑戰(zhàn)，需要政府、行業(yè)和企業(yè)群策群力，共同研究和推進光熱技術(shù)和產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的措施。

　　1 太陽能熱發(fā)電在“雙碳”目標中的重要作用

　　“雙碳”倡議目標提出，到2060年前中國將實現(xiàn)碳中和，可再生能源占一次能源消費比達到 70%以上。風力發(fā)電和光伏發(fā)電具有“極熱無風”“晚峰無光”等特點和“大裝機、小電量”特征[1]，隨著“碳達峰”和“碳中和”的推進，高比例、間歇性和波動性的風電與光伏在電力系統(tǒng)中的比重不斷增加，在滿足電力系統(tǒng)電量需求的同時，也帶來較大的調(diào)峰壓力。2020年，時任國家電網(wǎng)總工程師陳國平在電力系統(tǒng)發(fā)展方向暨學術(shù)方向研討會的主旨報告《現(xiàn)代電力系統(tǒng)的問題、挑戰(zhàn)與發(fā)展方向》中指出：“電力系統(tǒng)發(fā)展需要重構(gòu)，應(yīng)大力發(fā)展具有傳統(tǒng)同步機新特性的光熱電源。”2019年，清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)研究院在《高比例可再生能源電力系統(tǒng)中光熱發(fā)電的價值發(fā)現(xiàn)》一文指出：“靈活可控的特點使得光熱發(fā)電并網(wǎng)既具有可再生能源效益又具有靈活性效益。發(fā)揮運行靈活性特性，可以實現(xiàn)光熱與風電、光伏及其他能源打捆的平滑效益，提升區(qū)內(nèi)消納和打捆外送中的可再生能源消納水平。高比例可再生能源并網(wǎng)下，太陽能熱發(fā)電的電力支撐效益顯著，有望成為部分地區(qū)主要的調(diào)節(jié)電源重要選項之一。” 可以起到“利用可再生能源消納可再生能源”作用。

　　1. 1 連續(xù)發(fā)電調(diào)節(jié)能力強

　　根據(jù)我國 2018 年投產(chǎn)的 3 座商業(yè)化太陽能熱發(fā)電示范項目的運行結(jié)果，太陽能熱發(fā)電機組調(diào)峰深度最大可達 80%;爬坡速度快，升降負荷速率可達每分鐘 3%~6% 額定功率，冷態(tài)啟動時間 1 h 左右、熱態(tài)啟動時間約 25 min，可 100% 參與電力平衡，可部分替代石化類常規(guī)發(fā)電機組，對保障高比例可再生能源電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要價值[2]。電力規(guī)劃設(shè)計總院以目前新疆電網(wǎng)為例進行過模擬計算，假定建設(shè)太陽能熱發(fā)電機組從 1 000~ 5 000 MW，可減少棄風棄光電量 10. 2%~37. 6%。太陽能熱發(fā)電也具有承擔基礎(chǔ)負荷的能力，且已被驗證。

　　西班牙有18座太陽能熱發(fā)電站不間斷運行達3 周，其中帶 15 h 儲能、裝機容量 20 MW 的 Gemasolar 電站實現(xiàn)連續(xù) 36 d全天候運行。在我國，裝機容量 50 MW 的中廣核德令哈太陽能熱發(fā)電站連續(xù)運行 32 d(772. 6 h)，青海中控德令哈50 MW光熱電站連續(xù)運行 12 d(292. 7 h)，首航高科敦煌 100 MW 光熱電站連續(xù)運行9 d(216. 0 h)[2]。

　　清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研究表明，如安裝 22 GW 光伏和 7 GW 風電，青海電網(wǎng)在豐水期可連續(xù) 3 d 全清潔能源供電(包括省內(nèi)負荷以及特高壓外送河南);如在此基礎(chǔ)上配置 4 GW 太陽能熱發(fā)電，青海省在豐水期可高達創(chuàng)世界紀錄的連續(xù) 30 d 全清潔能源供電。

　　1. 2 安全性高，適合大容量儲能使用

　　儲能安全性是大容量儲能的一個重要方面，帶有二元硝酸鹽的儲熱是一種安全水平較高的儲熱方式。目前，國內(nèi)單機容量最大的首航高科太陽能熱發(fā)電站儲電已達 1 700 MW·h，全球達到了 1 000 GW·h。自 1982 年 4 月美國加州 SOLAR ONE 建成以來，全球 6 690 MW 的裝機還未發(fā)生過類似鋰電爆炸等安全性事故，是一種高安全性的儲能方式。

　　1. 3 可雙向連接電網(wǎng)

　　太陽能熱發(fā)電的熔融鹽儲能系統(tǒng)，既可通過太陽能集熱系統(tǒng)給其充熱、儲熱，也可通過電加熱系統(tǒng)將網(wǎng)上的峰值電力轉(zhuǎn)化為熱能存儲發(fā)電。這樣的使用方式非常有利于電力系統(tǒng)的電力平衡，也能很好地參與電力市場交易。我國吉林省白城市太陽能熱發(fā)電與風電和光伏互補項目就鼓勵采用這種方式的太陽能熱發(fā)電。太陽能熱發(fā)電+可再生能源電力項目正在起步。2021 年 9 月 9 日，吉林省白城市人民政府發(fā)布“吉西基地魯固直流白城 140 萬千瓦外送項目入選推薦企業(yè)評優(yōu)結(jié)果公示”，風電 800 MW、光伏 400 MW、光熱 200 MW[3]。其中太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)熔融鹽儲罐中帶有可接納可再生能源電力的電加熱系統(tǒng)，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)形成雙向連接，達到靈活調(diào)節(jié)可再生能源電力的目的。2021年9月28日，青海省海南基地青豫直流二期3 400 MW外送項目、海西基地青豫直流二期1 900 MW 外送項目進行了中標候選人公示。其中，光伏項目規(guī)模 3 500 MW、風電項目規(guī)模 1 500 MW、光熱發(fā)電項目規(guī)模300 MW。

　　2 我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)基本成熟，具備加快發(fā)展的條件

　　太陽能熱發(fā)電技術(shù)已在西班牙、美國以及中東、北非等國家和地區(qū)取得了良好的應(yīng)用效果。 2020年全球累計裝機容量達到6 690 MW，分布在西班牙、美國、法國、意大利、以色列、摩洛哥、埃及、阿爾及利亞、南非、智利、阿聯(lián)酋和中國等。

　　2. 1 我國首批太陽能熱發(fā)電示范項目拉動了傳統(tǒng)電力行業(yè)綠色低碳升級

　　我國 2016 年啟動的首批太陽能熱發(fā)電示范項目對我國攻克首臺套關(guān)鍵技術(shù)裝備和若干“卡脖子”技術(shù)提供了關(guān)鍵支撐，為打造我國完整的產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)集成能力奠定了基礎(chǔ)，20個示范項目目前已有 8 個并網(wǎng)運行，所使用的材料和設(shè)備國產(chǎn)化率超過了 90%。太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈主要相關(guān)企業(yè)已超過 500 家，其中聚光器、吸熱器、曲面玻璃反射鏡、傳儲熱材料器件和換熱器企業(yè)總數(shù)超過300家。我國主要國有能源建設(shè)企業(yè)幾乎都參加了項目建設(shè)[2]。

　　2. 2 地方政府規(guī)劃太陽能熱發(fā)電基地情況

　　隨著首批示范項目的開展，我國各級政府部門、金融機構(gòu)和國家電網(wǎng)對太陽能熱發(fā)電的投資、財稅、土地、并網(wǎng)等政策有了逐步明確的支持思路。截至2020年，不少具備太陽能熱發(fā)電資源條件的地方政府組織編制了太陽能熱發(fā)電基地規(guī)劃，主要包括：甘肅玉門、阿克塞、敦煌市，青海海西州烏圖美仁光伏光熱園區(qū)，新疆哈密市，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團等總計約34 GW[2]。

　　2. 3 太陽能熱發(fā)電產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走向世界

　　雖起步晚，但技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)和裝備已走出國門。上海電氣集團設(shè)計、采購、施工(EPC)總包了阿聯(lián)酋 700 MW 太陽能熱發(fā)電站項目。摩洛哥太陽能發(fā)電園合計 350 MW的太陽能熱發(fā)電項目EPC承包方是中國電建集團聯(lián)合體[2]。在 2018 年，皇明公司 16 km 長的吸熱管出口法國SUNCNIM公司，應(yīng)用于eLLO 9MW菲涅爾式DSG熱發(fā)電站。2019年，中國能建和中控太陽能公司聯(lián)合體中標希臘MINOS項目，投資并承建希臘50 MW太陽能發(fā)電站。2019年，常州龍騰太陽能公司出口 6 000 根真空集熱管，應(yīng)用于印度 Meil 50 MW槽式電站。

　　3 通過適當市場調(diào)節(jié)和政策支持，太陽能熱發(fā)電電價可有效降低

　　國際能源署(International Energy Agency，IEA)預 測 2030 年 太 陽 能 熱 發(fā) 電 電 價 將 降 至 8. 6 美 分(/ kW·h)。 國 際 可 再 生 能 源 署(International Renewable Energy Agency，IRENA)預測，2030年G20 國家太陽能熱發(fā)電電價將降到8. 6 美分(/ kW·h)[1]。美國能源部目標：2030年帶有12 h儲能的太陽能熱發(fā)電電價降到5 美分(/ kW·h)。

　　按照國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新倡議聯(lián)盟、中國科學院電工研究所和克林頓基金會預測，若按我國現(xiàn)有太陽能熱發(fā)電設(shè)備和部件的產(chǎn)能計，每年新增一定容量，隨著產(chǎn)能擴大，技術(shù)發(fā)展，工程經(jīng)驗積累和新技術(shù)等的推動，預計太陽能熱發(fā)電電價發(fā)展情況為：2 年后可達 0. 85 元(/ kW·h)，5 年后可達 0. 60 元(/ kW·h)，10 年后可達 0. 35 元(/ kW·h)，15 年后可達0. 25元(/ kW·h)[4]。

　　如電網(wǎng)采用峰谷分時段電價模式確定發(fā)電側(cè)的上網(wǎng)電價，太陽能熱發(fā)電機組可以利用儲熱系統(tǒng)，將電量集中到電價高峰時段銷售。這樣能使太陽能熱發(fā)電機組的高品質(zhì)電力在市場中體現(xiàn)合理的價值，甚至在峰值時平價上網(wǎng)。正午前后 2 h 光伏出力最大，約占全天發(fā)電量的 70%，此時太陽能熱電站進入對儲熱容器充熱的運行模式。到電價晚高峰時段，光伏出力下降甚至為0，儲熱驅(qū)動熱發(fā)電電站滿負荷運行上網(wǎng)，所需補貼需求可大大降低。

　　4 發(fā)展和建議

　　電價政策對可再生能源發(fā)展至關(guān)重要。政府政策支持彌補了行業(yè)發(fā)展初期技術(shù)放大、商業(yè)模式不成熟及盈利能力較弱等核心問題，從而加速了科技創(chuàng)新和技術(shù)突破的步伐，發(fā)電成本得以大幅下降。截至 2020 年年底，我國風電累計補貼撥付約 3 000 億元，光伏累計撥付約 2 000 億元(含扶貧)。可以看到，經(jīng)過累計高達數(shù)千億元的補貼扶持，風電和光伏發(fā)電才發(fā)展到目前的電價水平。而對于太陽能熱發(fā)電，截至2020年年底全國累計補貼不足 1. 5億元。

　　太陽能熱發(fā)電是清潔、低碳、穩(wěn)定、安全、高效的靈活電源，對我國“碳中和、碳達峰”倡議目標實現(xiàn)，推動能源革命具有重大意義，為此建議如下。

　　(1)跟蹤總結(jié)已建成太陽能熱發(fā)電站的技術(shù)經(jīng)驗。我國目前已在不同地域建成了共 550 MW的不同類型獨立太陽能熱發(fā)電站，2021年又啟動了吉林白城和青海格爾木共計 500 MW與光伏風電互補的太陽能熱發(fā)電站建設(shè)，國家有關(guān)部委應(yīng)組織科研和產(chǎn)業(yè)化力量，打破企業(yè)界限，對這些電站的技術(shù)進行跟蹤總結(jié)，結(jié)合實際運行情況挖掘其中的科學技術(shù)難題，在此基礎(chǔ)上集中力量攻克關(guān)鍵技術(shù)，形成完整產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)集成能力，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，這對太陽能熱發(fā)電的技術(shù)進步將起到重要作用，也是國家設(shè)立示范項目的初衷。

　　(2)國家應(yīng)確立對太陽能熱發(fā)電原創(chuàng)性及核心技術(shù)的持續(xù)支持政策。在“雙碳”倡議目標下，對可再生能源高占比具有支撐作用的太陽能熱發(fā)電的電價降低和規(guī)模化發(fā)展需要更多 0—1 的原創(chuàng)性技術(shù)支撐，建議科技部在“十四五”及今后的科技發(fā)展規(guī)劃中加大對太陽能熱發(fā)電的支持力度，特別側(cè)重對原創(chuàng)性技術(shù)的支持，以期在聚光、光熱轉(zhuǎn)換材料和裝置、儲/放熱材料和裝備技術(shù)、發(fā)電工質(zhì)、電站控制等核心裝備，新型發(fā)電方式等方面有重大突破。而科技部目前的規(guī)劃和專項實施方案中對于太陽能熱發(fā)電技術(shù)的支持力度尚且不足。

　　(3)從可再生能源發(fā)展專項資金中安排資金，用于支持太陽能熱發(fā)電新技術(shù)研發(fā)和新技術(shù)示范工程初投資。2011 年 1 月，財政部、國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《可再生能源發(fā)展基金征收使用管理暫行辦法》(財綜〔2011〕115 號)。可再生能源發(fā)展基金包括國家財政公共預算安排的專項資金(以下簡稱可再生能源發(fā)展專項資金)和依法向電力用戶征收的可再生能源電價附加收入等。建議通過可再生能源發(fā)展專項資金安排相關(guān)資金用于支持太陽能熱發(fā)電新技術(shù)研發(fā)，或者用于對新技術(shù)示范工程初投資進行補貼。制定科學的電價退坡機制和價格形成機制促進該技術(shù)快速提高經(jīng)濟性，包括采用招標方式鼓勵技術(shù)先進、成本降低較快的技術(shù)路線發(fā)展。例如，超臨界二氧化碳熱發(fā)電技術(shù)，超超臨界太陽能熱發(fā)電技術(shù)，太陽能與火電聯(lián)合運行技術(shù)，太陽能高溫集熱和化學能耦合發(fā)電技術(shù)，太陽能熱發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，太陽能與風電及光伏聯(lián)合運行技術(shù)等。

　　(4)太陽能熱發(fā)電/光伏/風電等多能互補電站采用綜合電價政策。提升區(qū)內(nèi)消納和外送中的可再生能源消納水平，在對電源可調(diào)度性進行限定的前提下，可對該綜合電源采用招標方式確定整體電價并試點綜合能源基地儲能峰谷電價，這樣既帶來了電網(wǎng)友好型可再生能源電源，也得到了較低成本的可再生能源電價。在保障調(diào)峰和投資收益的條件下，太陽能熱發(fā)電和光伏的裝機功率比例、儲熱發(fā)電量和光伏發(fā)電量還需要通過實踐進一步研究。

　　5 結(jié)束語

　　實踐證明，太陽能熱發(fā)電不再單是新能源利用和電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的解決方案和手段，更是大型同步電力系統(tǒng)穩(wěn)定和大直流超遠距離輸送的必要支撐基礎(chǔ)，為電網(wǎng)尤其是風光富裕且遠離負荷中心的弱連接的區(qū)域電網(wǎng)提供必要的慣量、故障短路容量、電壓頻率支撐等。在“雙碳”倡議目標下，隨著新一代電力系統(tǒng)推進，需大力發(fā)展太陽能熱發(fā)電等具備儲能特性的電源，太陽能熱發(fā)電可以逐步替代火電等高碳能源，作為可再生能源的入網(wǎng)調(diào)節(jié)手段，作為可再生能源高占比電網(wǎng)的重要支撐。