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近日，第十二屆中國國際光熱大會(huì)暨CSPPLAZA年會(huì)在浙江杭州盛大召開，中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司副總工程師、科技創(chuàng)新中心總經(jīng)理趙曉輝出席會(huì)議并作主題報(bào)告《新一代光熱發(fā)電工程解決方案2025》，詳細(xì)對(duì)比了首批和第二批光熱示范項(xiàng)目的不同開發(fā)思路與特點(diǎn)，并結(jié)合行業(yè)當(dāng)下發(fā)展和新型電力系統(tǒng)建設(shè)需要提出2025版本的新一代光熱發(fā)電工程解決方案。

圖：趙曉輝

第一批光熱示范項(xiàng)目

項(xiàng)目定位與電價(jià)

趙曉輝認(rèn)為，國家能源局于2017年批準(zhǔn)的第一批光熱示范項(xiàng)目（以2017-2020建成為代表），旨在培育光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)和驗(yàn)證技術(shù)可行性，特點(diǎn)是電站發(fā)電不受電網(wǎng)調(diào)度限制，其1.15元/kWh的電價(jià)在當(dāng)時(shí)相對(duì)較高（其實(shí)與國家能源局2011年7月1日發(fā)布的光伏電價(jià)相同，但對(duì)比現(xiàn)在比較高），考慮到收益問題，項(xiàng)目的配置以“成本電價(jià)最低”為目標(biāo)。

技術(shù)路線豐富多樣

技術(shù)角度來看，參與第一批示范的項(xiàng)目技術(shù)路線比較多樣，包括導(dǎo)熱油槽式、導(dǎo)熱油碟式、多塔、二次反射、熔鹽菲涅爾、塔式等等。然而，部分項(xiàng)目因技術(shù)不成熟或成本等問題未能按計(jì)劃建設(shè)，最終通過時(shí)間洗禮與行業(yè)沉淀后，熔鹽塔式技術(shù)在全球范圍內(nèi)逐漸成為市場(chǎng)主流已是不爭(zhēng)的事實(shí)。

趙曉輝表示，雖然槽式光熱發(fā)電技術(shù)相對(duì)來說已較為成熟，全球已建成的槽式導(dǎo)熱油電站也很多，也經(jīng)過了國內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目的驗(yàn)證，但在國內(nèi)槽式技術(shù)相對(duì)更依賴國外，兩個(gè)在運(yùn)的導(dǎo)熱油槽式電站都依賴ET150技術(shù)，建設(shè)過程中也有外方技術(shù)支持。

西北院第一批光熱示范項(xiàng)目參與情況

第二批光熱示范項(xiàng)目

項(xiàng)目定位與功能轉(zhuǎn)變

2022年起建設(shè)的第二批光熱示范項(xiàng)目（2022-2025建設(shè)為代表）定位發(fā)生了顯著變化。一方面，沒有獨(dú)立電價(jià)，需遵循國家可再生能源相關(guān)政策；另一方面，其主要功能轉(zhuǎn)變?yōu)楂@取新能源指標(biāo)，但光熱電站的發(fā)電成本和價(jià)值不能較好地體現(xiàn)，不過也有其歷史意義，至少使光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了延續(xù)。

同時(shí)，為了保障整體項(xiàng)目收益，此類項(xiàng)目在成本控制上更為嚴(yán)格，光熱系統(tǒng)單位投資看上去大幅降低（如每千瓦造價(jià)從第一批30000左右降至12000元左右），但其實(shí)與技術(shù)進(jìn)步關(guān)系不大，主要因?yàn)殡娬九渲迷獾健伴幐睢?，而非像第一批示范?xiàng)目可以達(dá)到3000-4000小時(shí)的高利用小時(shí)數(shù)。

各地政策與配比方案

為了獲取新能源建設(shè)指標(biāo)，近年來各地就新能源與光熱配套陸續(xù)出臺(tái)了不同政策：

例如，2021年3月25日甘肅提出風(fēng)電光伏與儲(chǔ)熱型光熱發(fā)電配比為6:1；

2022年3月4日新疆鼓勵(lì)光伏與儲(chǔ)熱型光熱發(fā)電以9:1規(guī)模配建；

2022年11月9日青海規(guī)定光熱、光伏（風(fēng)電）配比不得低于1:6，年儲(chǔ)能時(shí)長不得低于2190小時(shí)，且光熱部分不參與市場(chǎng)化交易，電價(jià)按煤電標(biāo)桿電價(jià)上浮20%-30%執(zhí)行；

2024年8月11日內(nèi)蒙提出光熱發(fā)電、風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模按1:2:0、1:1.5:1或1:1:2三種方案配比，儲(chǔ)熱時(shí)長不小于6小時(shí)，鏡場(chǎng)面積不小于8平方米/千瓦?！灸壳安⑽撮_始實(shí)施】

具體如何配比收益率最好？趙曉輝以總裝機(jī)700MW（含光熱100MW）進(jìn)行了測(cè)算：

如上圖，根據(jù)甘肅地區(qū)現(xiàn)有政策，隨著一體化項(xiàng)目中光伏比例的增加，收益率逐漸下降，主要因?yàn)轱L(fēng)電利用小時(shí)數(shù)比光伏多，趙曉輝建議，在現(xiàn)有政策情況下，在一定程度上多配風(fēng)電有利于提升收益率。同時(shí)，不同地區(qū)最佳配比方案也存在差異，需具體分析。

整體來看，相較于第一批光熱示范項(xiàng)目，第二批光熱示范項(xiàng)目系統(tǒng)工藝沒有發(fā)生明顯變化，總體以總投資最低為目標(biāo)。

西北院參與的第二批光熱示范項(xiàng)目

新一代光熱發(fā)電工程解決方案

結(jié)合行業(yè)發(fā)展和西北院實(shí)際參與體會(huì)，趙曉輝介紹了新一代光熱發(fā)電工程（2025-……開始建設(shè)為代表）的具體發(fā)展方向：

1、多塔聚光集熱

以塔式電站為例，未來單機(jī)規(guī)?？隙〞?huì)更大，考慮到大氣衰減對(duì)大鏡場(chǎng)效率的影響，新一代光熱發(fā)電鏡場(chǎng)部分肯定要采用多塔聚光集熱方案。

以300兆瓦及以上等級(jí)的光熱電站為例，整場(chǎng)容量應(yīng)該比較經(jīng)濟(jì)性配置結(jié)合電力系統(tǒng)需求，按發(fā)電利用小時(shí)數(shù)2400小時(shí)左右測(cè)算，其鏡場(chǎng)面積應(yīng)在300萬平方米左右，因此一個(gè)鏡場(chǎng)肯定不行，而是需要3個(gè)鏡場(chǎng)，單塔聚光集熱面積可達(dá)110萬平方米，單塔吸熱功率430MW，搭配不規(guī)則鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)、無線控制及分布式供電等技術(shù)。

目前單鏡場(chǎng)最大應(yīng)該是在迪拜180萬平方米，據(jù)了解該項(xiàng)目所在地區(qū)的清潔度也不夠，疊加定位鏡的瞄準(zhǔn)、太陽追角等問題，該項(xiàng)目的光熱效率應(yīng)該會(huì)比52萬平方米的小鏡場(chǎng)更低。

此外，趙曉輝指出，經(jīng)過多種方案比較發(fā)現(xiàn)，廠區(qū)熔鹽供應(yīng)管道系統(tǒng)其實(shí)是挺復(fù)雜的，要綜合考慮保溫材料、儲(chǔ)罐投資以及泵的揚(yáng)程、泵的電耗等多方面因素并進(jìn)行鹽罐布置方案優(yōu)化、新型熔鹽管道補(bǔ)償器技術(shù)經(jīng)濟(jì)性論證、新型熔鹽儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究等多方面工作，經(jīng)過測(cè)算發(fā)現(xiàn)如采用最佳方案有望帶來4000-6000萬的成本節(jié)約，建議后續(xù)開發(fā)的項(xiàng)目各方應(yīng)對(duì)此更加重視。

多塔廠區(qū)熔鹽工藝設(shè)計(jì)

2、熔鹽槽式集熱器

技術(shù)優(yōu)勢(shì)（設(shè)計(jì)值待驗(yàn)證）：集熱溫度≥550℃（相比傳統(tǒng)導(dǎo)熱油方案提高160℃左右），朗肯循環(huán)效率≥42%（溫度越高發(fā)電效率越高，相比導(dǎo)熱油槽式高3%左右），儲(chǔ)熱系統(tǒng)成本相比導(dǎo)熱油槽式技術(shù)降低50%以上（1、熔鹽直接吸熱，省了導(dǎo)熱油系統(tǒng)存儲(chǔ)同樣能量的熱量；2、熔鹽用量也會(huì)??；3、溫度高帶來效率高最終實(shí)現(xiàn)低成本電價(jià)），熔鹽相比導(dǎo)熱油價(jià)格更低且更環(huán)保。

趙曉輝表示，經(jīng)過測(cè)算，與塔式電站相比，同樣面積的熔鹽槽式光熱電站年集熱量和發(fā)電量均更高，同時(shí)槽式（東西布置）比槽式（南北布置）表現(xiàn)略高一些。例如，95萬平米鏡場(chǎng)時(shí)，槽式年發(fā)電量約為塔式的1.14-1.16倍；140萬平米鏡場(chǎng)時(shí)，槽式年發(fā)電量約為塔式的1.27-1.30倍【詳見下表】。

參考北緯36°區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果，塔式和槽式（東西布置）光學(xué)效率分布比較平穩(wěn)，槽式（南北布置）光學(xué)效率夏季高、冬季低。光學(xué)效率總體呈現(xiàn)槽式（東西布置）＞槽式（南北布置）＞塔式【詳見下表】。

技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：運(yùn)維難度大（需防熔鹽凝凍），集熱場(chǎng)散熱損失大，高溫管道材料成本高，集熱管選擇性吸收涂層耐久性待驗(yàn)證。

3、大容量熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化：對(duì)比亞臨界與超臨界方案，超臨界參數(shù)熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)通過溫度校核分析輔助系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)，采用纏繞管式換熱器等新結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、成本更具競(jìng)爭(zhēng)力、運(yùn)維更便捷、啟停速度更快。

纏繞管式換熱器示意圖

參數(shù)分析：如上圖，橫坐標(biāo)為整個(gè)換熱過程中水溫度的變化，縱坐標(biāo)為整個(gè)換熱過程中鹽溫度的變化；比較了多種連接形式和傳統(tǒng)方案，可得出如下結(jié)論：

蒸汽發(fā)生器關(guān)鍵設(shè)備提高參數(shù)到22兆帕等級(jí)，回鹽溫度相對(duì)于14兆帕等級(jí)不會(huì)增加，可能還會(huì)略有降低，也是在300℃水平，因?yàn)橛杏^點(diǎn)認(rèn)為把壓力等級(jí)提上去以后回鹽溫度會(huì)高，其實(shí)不是這么回事，因?yàn)樵诔R界范圍內(nèi)，水的溫度特性是非線性變化，要通過計(jì)算重新算的，這樣鹽的用量不會(huì)增加，這是熱力系統(tǒng)上的參數(shù)，熱力系統(tǒng)參數(shù)則會(huì)影響熔鹽投資。

4、高參數(shù)汽輪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如上圖，柱狀圖顯示汽輪機(jī)的效率，藍(lán)色和橙色分別代表亞臨界和超臨界方案，可以看出超臨界方案從汽輪機(jī)熟悉的范圍內(nèi)講，效率并沒有明顯的變化，甚至在有些環(huán)節(jié)超臨界方案參數(shù)還低一些，但是整個(gè)電站效率不僅僅是集熱效率，我們要綜合考慮冷端損失還有放電效率等等，評(píng)估來看在更高的壓力等級(jí)下超臨界方案相對(duì)于亞臨界方案效率提高很可觀【詳見下圖】。

如上圖，最下邊的參數(shù)蒸汽溫度為550℃（基于常規(guī)二元熔鹽方案），但如果說熔鹽使用溫度能夠提高20到40℃，那么超臨界方案的循環(huán)效率提升就非?？捎^了，但問題是有沒有使用溫度可達(dá)600℃左右的可靠熔鹽產(chǎn)品，同時(shí)價(jià)格也比較合理，如果能開發(fā)出這種熔鹽材料對(duì)行業(yè)來說將是很大的貢獻(xiàn)。

參考上圖以橫坐標(biāo)主蒸汽壓力24MPa為例，550℃蒸汽溫度對(duì)應(yīng)循環(huán)效率約為45.25%，如果溫度能夠提升到600℃，循環(huán)效率就可以提升到46.75%，還是非常明顯的。其實(shí)這個(gè)圖就是想表達(dá)，新一代光熱發(fā)電工程解決方案特別關(guān)注制造商是否可生產(chǎn)出使用溫度可達(dá)到580-600℃同時(shí)成本也可以接受的熔鹽材料。

據(jù)趙曉輝介紹，廠用電率方面，光熱電站的并網(wǎng)廠用電率遠(yuǎn)大于離網(wǎng)廠用電率。此外，雖然相比亞臨界機(jī)組超臨界機(jī)組效率較高、發(fā)電量占優(yōu)，但同時(shí)廠用電量也較大，全年總廠用電率略有增加。

但從經(jīng)濟(jì)性方面來看，參考上圖，按照國內(nèi)的相關(guān)財(cái)務(wù)評(píng)定方法，按照高參數(shù)大容量、采用上述新型換熱器設(shè)計(jì)形式，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值角度分析，超臨界機(jī)組比亞臨界機(jī)組NPV高約13706萬元；從財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率分析，超臨界機(jī)組比亞臨界機(jī)組的IRR增加了43.26%；超臨界機(jī)組增加投資的回收期約為2.57年，遠(yuǎn)低于新能源及儲(chǔ)能行業(yè)平均水平。

趙曉輝表示，電力方案比選時(shí)一般認(rèn)為6年以內(nèi)的回收期都可以接受，4年以內(nèi)是優(yōu)秀的，很顯然拋開成熟性不談，上述方案從經(jīng)濟(jì)上來講是可取的。

新一代光熱發(fā)電技術(shù)展望

固體顆粒及其儲(chǔ)換熱技術(shù)&超臨界二氧化碳循環(huán)

目前國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也在研究固體顆粒儲(chǔ)熱介質(zhì)（如鈣基熱化學(xué)儲(chǔ)熱顆粒開發(fā)及制備方法研究、錳鐵金屬氧化物儲(chǔ)熱顆粒、惰性顆粒技術(shù)路線評(píng)估等）及對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)換熱技術(shù)（如流化床式換熱器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與仿真模擬、適用于固體顆粒的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、顆粒吸熱器的概念設(shè)計(jì)與聯(lián)合開發(fā)、熱力系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)與動(dòng)力循環(huán)比選等）。

利用上述新型儲(chǔ)熱介質(zhì)和儲(chǔ)換熱技術(shù)的系統(tǒng)工作溫度可以達(dá)到700℃左右，這就可以和二氧化碳循環(huán)相結(jié)合，以進(jìn)一步提升發(fā)電效率。

而超臨界二氧化碳(S-CO2)循環(huán)技術(shù)優(yōu)勢(shì)則主要體現(xiàn)在三方面，

1、高效：發(fā)電效率比傳統(tǒng)蒸汽機(jī)組高3-5個(gè)百分點(diǎn)；

2、靈活：調(diào)節(jié)速率是傳統(tǒng)蒸汽機(jī)組的3-4倍；

3、緊湊：透平體積是傳統(tǒng)蒸汽透平的1/10。

從與光熱發(fā)電結(jié)合較多來看，超臨界二氧化碳(S-CO2)循環(huán)，更高效、緊湊，且所需的溫度為500℃~700℃，恰好是太陽能光熱發(fā)電聚光集熱系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)的溫度。系統(tǒng)僅需要較低的熱量即可啟動(dòng)發(fā)電機(jī)、應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化調(diào)整迅速、支持快速啟停，同時(shí)還可以節(jié)約大量水資源，是太陽能熱發(fā)電在光照資源好但水資源緊缺的荒漠地區(qū)的理想選擇，是熱力發(fā)電領(lǐng)域的重要變革性技術(shù)。光熱超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)被評(píng)為“能源動(dòng)力領(lǐng)域十項(xiàng)重大工程技術(shù)難題”，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電裝備已列入“中國制造2025-能源裝備實(shí)施方案”。

但目前看，光熱超臨界二氧化碳發(fā)電商業(yè)化應(yīng)用成本仍較高。以50MW塔式光熱超臨界二氧化碳發(fā)電為例，光熱+S-CO2發(fā)電部分靜態(tài)投資約12億元，單位靜態(tài)投資約24000元/千瓦。

趙曉輝表示，成本降低后續(xù)可從以下幾方面入手：

1）加強(qiáng)與相關(guān)研究結(jié)構(gòu)、主機(jī)廠家的配合；可以預(yù)見當(dāng)前超臨界二氧化碳熔鹽儲(chǔ)能是首臺(tái)套新技術(shù)，設(shè)備采購成本較高；相關(guān)設(shè)備批量后，設(shè)備造價(jià)會(huì)有明顯降低。

2）采用新型換熱器技術(shù)，或者開發(fā)特殊的換熱器形式，降低投資；

3）熱力系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，特別是擴(kuò)大熔鹽的溫度參數(shù)范圍，減少熔鹽用量，降低投資。

趙曉輝最后總結(jié)表示，第三代光熱發(fā)電工程主要特點(diǎn)是服務(wù)新型電力系統(tǒng)，一定層面，一定區(qū)域緩解新能源滲透率過高區(qū)域的綠電消納。技術(shù)層面則基本沿襲之前的發(fā)電技術(shù)，目前尚沒有新的發(fā)電工藝得到應(yīng)用；而更高溫度的熔鹽（提高20-40℃）、熔鹽槽較為被工程應(yīng)用接受的技術(shù)需要盡快驗(yàn)證，以建立投資企業(yè)技術(shù)信心。至于超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電，顆粒吸熱儲(chǔ)熱，目前尚不具備建設(shè)200MW工程應(yīng)用的條件（5MW、10MW等級(jí)系統(tǒng)不在此討論范圍），主要在設(shè)備選型、裝備制造方面需要有實(shí)力的產(chǎn)業(yè)持續(xù)投入突破。