能源轉型戰略背景下中國太陽能熱發電面臨的機遇與挑戰

北京國華電力公司太陽能熱發電項目辦公室 ■ 胡振廣 金宗勇

0 引言

能源是現代化的基礎動力，而煤炭和石油等傳統能源的大規模開采和消費，引發了全球性的環境污染和氣候變暖等問題，不僅嚴重影響了人們的生產和生活，更給人類的未來發展帶來了嚴峻挑戰。隨著人類對高碳能源使用后果的科學認識不斷提高，以及科學技術的快速發展，人們自覺地向低碳和可再生能源為主的能源結構轉型，主要表現為開發利用可再生能源和建立低碳、可持續的能源供給與消費體系。

以可再生能源替代化石能源需滿足2個基本條件：1)資源量充足且連續可控；2)價格可被市場接受。在當前快速發展的可再生能源利用方式中，光伏發電、風電因具有間歇、不穩定性，對電網的正常運行產生了不利影響；而水電的可開發資源也越來越少。在此背景下，太陽能熱發電因具有與電網匹配性好、光電轉換率高、發電穩定可調、生產過程綠色環保的優勢脫穎而出。據中國科學院電工研究所的一項調研顯示，我國的沙漠戈壁面積超過130萬km2，其中，30萬km2以上的面積適于建設太陽能熱發電站[1]。若以首航敦煌二期項目(DNI為1700～1800 kWh/m2)為例進行計算，其占地面積為7.8 km2，年發電量為3.9億kWh，則30萬 km2沙漠戈壁全部建成太陽能熱發電站，年發電量可達15萬億kWh(2017我國全年發電量約為6.5萬億kWh)。隨著太陽能熱發電技術的發展和成本下降，其將在一定范圍內替代火力發電，承擔電力基礎和調峰負荷的作用。

本文通過對太陽能熱發電產業的發展現狀、成本構成及成本下降趨勢進行分析，提出了我國太陽能熱發電產業面臨的機遇與挑戰。

1 太陽能熱發電產業的發展狀況

1.1 全球產業現狀

1984年在美國加利福尼亞州莫哈維沙漠(Mojave)建造的SEGS槽式太陽能熱發電站是全球最早商業化運行的太陽能熱發電站，其已成功運行30余年。隨著技術的逐漸成熟，美國、西班牙等國大力發展太陽能熱發電，目前，西班牙擁有裝機容量為2.3 GW的正在運行的太陽能熱發電站，位列全球首位；美國太陽能熱發電站裝機容量為1.7 GW，居第2位，受技術進步和政策(ITC和美國能源部貸款擔保)影響，美國太陽能熱發電市場歷經數次起落。當前，摩洛哥、沙特阿拉伯、以色列、阿聯酋、南非等重要的新興市場正在快速崛起。據CSPPLAZA光熱發電網的統計數據，截至2017年底，全球已建成的太陽能熱發電站的裝機容量達5133 MW。2018年，全球在建的大型太陽能熱發電站有26個，總裝機容量近3000 MW，主要分布在智利(1個，110 MW)、科威特(1個，50 MW)、摩洛哥(2個，共350 MW)、中國(13個，共750 MW)、南非(4個，共400 MW)、以色列(2個，共242 MW)、阿聯酋(3個，共700 MW)和沙特阿拉伯(2個，共100 MW)。

表1 2018年新增太陽能熱發電站統計[2]

1.2 我國國內太陽能熱發電產業的發展情況

隨著太陽能熱發電技術逐漸成熟，我國國內眾多能源企業紛紛涉足太陽能熱發電領域。 2007年，國內第1座70 kW太陽能熱發電站在南京通過驗收。2010年，亞洲第1座塔式太陽能熱發電站在北京延慶開工建設，并于2012年8月發電。2013年7月，青海中控德令哈10 MW太陽能熱發電項目成功并網發電，標志著我國首個太陽能熱發電項目投入商業運行；2016年8月，該項目完成熔鹽改造工程，成為國內首座熔鹽工質塔式太陽能熱發電站。2016年12月，首航節能敦煌10 MW熔鹽工質塔式太陽能熱發電站并網發電。2018年6月底，中廣核德令哈50 MW槽式太陽能熱發電項目首次并網(首次并網時暫不帶熔鹽儲熱系統，聯調后整體商業運行時間為2018年底)。中控德令哈50 MW塔式、首航敦煌100 MW塔式及玉門鑫能50 MW塔式二次反射式等太陽能熱發電項目在2018年年底并網發電。以上項目都推動了我國國內太陽能熱發電領域的技術進步和規模化發展。

我國太陽能熱發電產業的特點主要體現在：1) 我國基本具備設備制造及供貨能力；2)具備系統集成及設計能力；3)規模化發展有待驗證；4)標準規范正在逐步完善。

1) 我國基本具備設備制造及供貨能力。國內太陽能熱發電產業鏈已經基本形成，裝配制造業初具規模，關鍵技術和設備制造難點已基本掌握，并已初步形成擁有自主知識產權的核心技術和裝備制造能力。整體設備和材料國產化率已達90%以上，但部分高精度產品，如熔鹽泵、流量計、少數電控儀表、旋轉接頭及吸熱器涂層等，由于國產化后的精度和穩定性等尚有欠缺，目前仍以進口為主。

2)具備系統集成及設計能力。國內出現多家具備系統集成和主設備供貨能力的系統集成商，為推動產業發展，這些集成商紛紛投資建設太陽能熱發電站。在國內首批太陽能熱發電示范項目中，有近10家系統集成商在列。

3)規模化發展有待驗證。雖然產業方向和發展趨勢有利，國內廠商也已基本具備技術和系統集成能力，但是尚缺乏工程和管理經驗，需要一些示范項目作為試點，以便控制規模化后的成本和風險。

4)標準規范正在逐步完善。目前太陽能熱發電產業尚處于起步階段，正在研究建立產業標準體系。2017年3月27日，國家標準化管理委員會正式批復設立了“全國太陽能熱發電標準化技術委員會”，負責太陽能熱發電技術和設備領域國家標準的制訂與修訂工作。在國際標準制訂方面，我國正在深入參與甚至牽頭太陽能熱發電產業國際標準的編制，這將有利于我國及全球太陽能熱發電產業的健康發展。

2 太陽能熱發電的技術現狀

按太陽能的采集方式不同，太陽能熱發電技術主要有塔式、槽式、碟式和菲涅爾式4種技術路線，在此基礎上還有一些變種技術出現，如塔式二次反射式、模塊定日式等。根據集熱方式不同，太陽能熱發電還可以分為點聚焦和線聚焦2種方式。點聚焦以塔式和碟式技術路線為代表，線聚焦以槽式和菲涅爾式技術路線為代表。

2.1 塔式太陽能熱發電系統[3]

圖1 塔式太陽能熱發電站系統流程示意圖

塔式太陽熱發電系統是利用定日鏡群將太陽能反射到安裝在高塔上的吸熱器，集中加熱吸熱器中的傳熱介質，將太陽熱能轉換并儲存在傳熱介質中(熔鹽或水)，再利用高溫介質加熱水或直接產生蒸汽，驅動汽輪發電機組發電。由于聚光器的聚光比高達1000倍以上，受材料和傳熱介質限制，目前塔式太陽能熱發電系統一般工作溫度為565 ℃，未來或可達800 ℃以上，屬于高溫太陽能熱發電。

2.2 槽式太陽能熱發電系統

槽式太陽能熱發電系統是將太陽光聚焦反射到真空管吸熱器上，加熱真空管內的傳熱介質，通過多級串、并聯的排列，使傳熱介質達到設計參數，最終通過換熱產生蒸汽，推動汽輪機發電。該技術中聚光器的聚光比為50～100倍，介質溫度通常低于400 ℃，屬于中高溫太陽能熱發電。

圖2 槽式太陽能熱發電系統雙工質流程示意圖

2.3 碟式太陽能熱發電系統[4]

碟式太陽能熱發電是光電轉換效率最高的一種太陽能熱發電方式，它通過旋轉拋物面碟形聚光器將太陽能聚集到接收器中，接收器將吸收的能量通過熱電轉換系統(如斯特林發電裝置)最終轉化為電能。該技術中，聚光器的聚光比可達1000～4000倍，接收器的接收溫度可達800 ℃。國外已有采用此技術的示范項目投入運行。然而由于碟式系統配備儲能較為困難，發電特點與光伏發電類似，但價格卻遠高于光伏發電，所以目前在無價格較低的儲能系統之前，不建議規模化應用此技術。

2.4 菲涅爾式太陽能熱發電系統

菲涅爾式太陽能熱發電系統的工作原理與槽式太陽能熱發電系統類似，只是該技術利用了菲涅爾透鏡特性，采用眾多單軸自動跟蹤的反射鏡組來代替槽式拋物面鏡，將太陽光聚集到平行于鏡場的線性聚光器內，加熱聚光器鋼管內流動的工質，從而產生高溫高壓的蒸汽，直接驅動后端的渦輪發電機發電。聚光器的聚光比為50～100倍，系統工作溫度一般在280～400 ℃，屬中高溫太陽能熱發電。

3 太陽能熱發電系統的成本和電價分析

3.1 太陽能熱發電系統的成本現狀

隨著太陽能熱發電技術的不斷成熟，太陽能熱發電系統的度電成本有所下降。但從國際可再生能源署(IRENA)的統計報告可以看出，從2010年一直到2017年，在所有可再生能源發電類型中，太陽能熱發電項目的度電成本仍是最高，具體如圖3所示[5]。

圖3 2010年和2017年各種可再生能源項目的度電成本變化情況

IRENA的報告顯示，2014～2016年，太陽能熱發電的度電項目成本為0.14～0.35美元/kWh，大部分項目的度電成本在0.3美元/kWh以下。2017年以來，太陽能熱發電項目的度電成本出現明顯的下降趨勢，世界范圍內招標的太陽能熱發電項目(預計2020～2022年投運)的上網電價在0.06～0.10美元/kWh之間，比如迪拜的200 MW和700 MW太陽能熱發電項目的上網電價分別為0.0945美元/kWh和0.073美元/kWh，南澳150 MW太陽能熱發電項目的上網電價為0.06美元/kWh。

預計到2020年，在光照資源豐富地區，太陽能熱發電項目的度電成本將達到甚至低于化石燃料的度電成本。

3.2 太陽能熱發電項目的投資成本構成

太陽能熱發電項目的成本與其規模、技術方案、儲熱時長及補燃等因素有重要關系。但對于規模化的太陽能熱發電項目而言，聚光系統約占整個太陽能熱發電站成本的40%～50%，聚光系統的成本幾乎完全決定了太陽能熱發電站的成本。圖4為國內某100 MW太陽能熱發電站的投資成本結構[6]圖。

圖4 某100 MW太陽能熱發電項目的投資成本結構

3.3 太陽能熱發電系統的成本趨勢

1)度電成本的下降趨勢。隨著規模經濟效應、供應鏈競爭力的提高、運維成本的下降及電站效率的提升等，太陽能熱發電系統的度電成本將會有非常大的下降空間。按照IRENA的預測，到2025年，槽式和塔式太陽能熱發電系統的度電成本將較2015年分別下降37%和43%。當DNI為2550 kWh/m2時，槽式太陽能熱發電系統的度電成本在0.09～0.12美元/kWh之間，基準值為0.104美元/kWh；塔式太陽能熱發電系統的度電成本在0.08～0.11美元/kWh之間，基準值為0.091美元/kWh，具體如圖5所示。由于建設成本的比重不低于60%[7]，因此，建設成本的降低是太陽能熱發電系統度電成本下降的最主要原因。

圖5 槽式和塔式太陽能熱發電系統度電成本趨勢預測

2)建設成本下降趨勢。建設成本降低主要是指太陽鏡場組件、工程總承包(EPC)中的間接成本、建設單位成本及儲熱系統成本的下降。預計到2025年，太陽能熱發電站的建設成本將下降33%～37%。據有關資料預測，1座配備9 h儲熱系統的150 MW塔式太陽能熱發電站，其建設成本有望從約5700美元/kW降至3600美元/kW。

3.4 太陽能熱發電的上網電價發展趨勢(與光伏發電發展歷程對比)

無論是從能源的來源，還是以開發過程來看，當前的太陽能熱發電的發展都與光伏發電的發展具有相似之處。因此，按照光伏發電的成本下降過程和趨勢來對比太陽能熱發電，可以為我們揭示出太陽能熱發電未來成本的狀態。光伏發電上網電價的發展歷程如圖6所示。

圖6 光伏發電上網電價的發展歷程

縱觀光伏發電的發展歷程可以看出，一項新的可再生能源技術從初期到成熟應用，需要經過漫長的發展階段。與光伏發電相比，太陽能熱發電的初期示范階段上網電價僅為1.15元/kWh，遠低于光伏發電早期的上網電價4元/kWh，經過太陽能熱發電示范項目的經驗積累和規模化發展，未來的上網電價將非常具有競爭力。

4 太陽能熱發電產業的發展前景、機遇與挑戰

4.1 太陽能熱發電產業的發展前景

根據國際能源署(IEA)的預測，全球太陽能熱發電的裝機規模將持續快速增長，其中，美國、中東、非洲、印度及中國的太陽能熱發電在未來十幾年將進入爆發期。預計至2050年，全球太陽能熱發電的裝機容量將達9.82億kW，年發電量將達4.38萬億kWh，在全球發電量中的比重將達到11%，具體如圖7所示。

圖7 太陽能熱發電技術發展路線圖對太陽能熱發電量的預測

我國太陽能熱發電產業雖然起步相對較晚，但隨著示范項目和標桿上網電價的出臺，國內太陽能熱發電同樣迎來了廣闊的發展前景——根據國家能源局發布的《電力發展“十三五”規劃》，到2020年太陽能熱發電裝機規模要達到5 GW。

4.2 太陽能熱發電面臨的機遇

4.2.1 電源穩定性需求

帶儲熱系統的太陽能熱發電站能夠保持穩定的電力輸出，具備良好的調節性能，可作為調峰電源，有效緩解可再生能源發電的出力波動，減少棄風、棄光情況，提高電網消納，滿足電網調峰需求。典型的太陽能熱發電站的儲熱和電力輸出關系如圖8所示。

圖8 太陽能熱發電站的儲熱和電力輸出關系

4.2.2 溫室氣體減排需求

太陽能熱發電清潔、環保，全生命周期內溫室氣體排放均值僅為27 gCO2eq/kWh，屬于溫室氣體排放較低的可再生能源發電類型。因此，其作為電源基礎負荷，有利于溫室氣體減排目標的實現，能夠促進電力供應結構的轉型優化。各種發電技術全生命周期內溫室氣體的排放情況如圖9所示。

圖9 各種發電技術全生命周期內溫室氣體的排放情況

4.2.3 環境效益顯著

對于太陽能熱發電項目所在的戈壁荒漠區域而言，不管采用何種技術方式，至少會在3個方面對地表環境有所改善：1)大部分陽光被定日鏡反射，必然使地面蒸發量降低；2)聚集的鏡場能夠減緩風速，防風固沙；3)鏡場定日鏡的清洗水會滲入地表，改善土壤墑情。由此可知，太陽能熱發電站在改善環境方面具有一定優勢，比如，在國內某10 MW太陽能熱發電站投運的5年時間里，廠址區域的植被環境得到了有效改善，如圖10所示。

圖10 某10 MW太陽能熱發電站建成投運后植被的變化情況

4.2.4 產業帶動效應明顯

太陽能熱發電的原理較為簡單，并且投入的生產設備和材料全部來自傳統產業(或對生產線進行簡單的升級改造)，如此可有效化解過剩產能。隨著技術的日趨成熟，規模化后的太陽能熱發電站將推動我國鋼材、水泥、玻璃等產業更好的發展。

4.3 太陽能熱發電產業面臨的挑戰

1)技術有待突破。目前，與太陽能熱發電技術相關的聚光、集熱、儲熱、換熱技術等都還有一定的研究空間，整個太陽能熱發電產業還存在成本高、規模小、可靠性有待驗證等問題，能否通過示范項目來提高電力供應的穩定性成為未來產業發展的一大關鍵。

2)項目開發、運營經驗欠缺。由于大型商業化太陽能熱發電項目較少且投運時間較短，太陽能熱發電站的建設不僅需要在系統集成和運營方面積累經驗，更要面對工程建設、調試運行、檢修維護等方面的挑戰。例如在大風、高寒、風沙、霧霾、缺水、結霜和冰雪的氣候下如何保證項目的順利開發和運維等。

3)來自其他能源的競爭壓力。目前，光伏發電和風電的上網電價屢刷新低，平價上網正在試點進行中。而目前太陽能熱發電的上網電價為1.15元/kWh，無論是短期內與其他清潔能源競爭，還是長期與火電等傳統能源競爭，其都將承受巨大的成本壓力。

4)水耗問題。由于采用水冷的太陽能熱發電的耗水量高于燃煤發電的耗水量，所以目前太陽能熱發電站主要采用空冷機組，這對太陽能熱發電站的工作效率存在一些不利影響，而適合建設太陽能熱發電站的地方又大多位于干旱、缺水地區。因此，如何有效節水成為太陽能熱發電站需要解決的一大問題。

5 建議

現階段太陽能熱發電產業所面臨的機遇和挑戰并存：連續穩定的輸出特性及規模化后的成本預期，都是其快速發展的有力保障；技術積累和實踐經驗不足，也是其面臨的巨大挑戰。

1)對于有志于從事太陽能熱發電行業的企業而言，不僅應深入產業鏈上的各個環節，更應該發揮特長，主動向上、下游延伸；2)對于太陽能熱發電站的開發企業，建議適當調整增利預期，積極投身示范項目，掌握前沿技術，儲備經驗，做能源轉型的排頭兵和引領者；3)集成制造企業要嚴控成本，建議考慮以產品入股方式參與項目開發，積累經驗提高業績；4)技術服務和工程施工企業，同樣建議投入自身優勢產品，入股項目建設，成為項目的投資方之一。

6 結論

太陽能熱發電是朝陽產業，未來電力能源發展的主要方向之一[9]，本文分析了國內外太陽能熱發電產業當前的發展現狀、面臨的機遇與挑戰，并對今后的發展方向給出了建議，以期為太陽能熱發電產業發展預測及項目開發提供參考。