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近日，第十二屆中國國際光熱大會暨CSPPLAZA年會在浙江杭州盛大召開，中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司副總工程師、科技創(chuàng)新中心總經(jīng)理趙曉輝出席會議并作主題報告《新一代光熱發(fā)電工程解決方案2025》，詳細對比了首批和第二批光熱示范項目的不同開發(fā)思路與特點，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

第一批光熱示范項目

項目定位與電價

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

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，部分項目因技術(shù)不成熟或成本等問題未能按計劃建設(shè)，最終通過時間洗禮與行業(yè)沉淀后，熔鹽塔式技術(shù)在全球范圍內(nèi)逐漸成為市場主流已是不爭的事實。

趙曉輝表示，雖然槽式光熱發(fā)電技術(shù)相對來說已較為成熟，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)項目的驗證，但在國內(nèi)槽式技術(shù)相對更依賴國外，兩個在運的導(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目參與情況

第二批光熱示范項目

項目定位與功能轉(zhuǎn)變

2022年起建設(shè)的第二批光熱示范項目（2022-2025建設(shè)為代表）定位發(fā)生了顯著變化。一方面，沒有獨立電價，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，但光熱電站的發(fā)電成本和價值不能較好地體現(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，為了保障整體項目收益，此類項目在成本控制上更為嚴格，光熱系統(tǒng)單位投資看上去大幅降低（如每千瓦造價從第一批30000左右降至12000元左右），但其實與技術(shù)進步關(guān)系不大，主要因為電站配置遭到“閹割”，而非像第一批示范項目可以達到3000-4000小時的高利用小時數(shù)。

各地政策與配比方案

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

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

2022年3月4日新疆鼓勵光伏與儲熱型光熱發(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，年儲能時長不得低于2190小時，且光熱部分不參與市場化交易，電價按煤電標桿電價上浮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)電裝機規(guī)模按1:2:0、1:1.5:1或1:1:2三種方案配比，儲熱時長不小于6小時，鏡場面積不小于8平方米/千瓦。【目前并未開始實施】

具體如何配比收益率最好？趙曉輝以總裝機700MW（含光熱100MW）進行了測算：

如上圖，根據(jù)甘肅地區(qū)現(xiàn)有政策，隨著一體化項目中光伏比例的增加，收益率逐漸下降，主要因為風(fēng)電利用小時數(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，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目，第二批光熱示范項目系統(tǒng)工藝沒有發(fā)生明顯變化，總體以總投資最低為目標。

西北院參與的第二批光熱示范項目

新一代光熱發(fā)電工程解決方案

結(jié)合行業(yè)發(fā)展和西北院實際參與體會，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，未來單機規(guī)模肯定會更大，考慮到大氣衰減對大鏡場效率的影響，新一代光熱發(fā)電鏡場部分肯定要采用多塔聚光集熱方案。

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

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

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)其實是挺復(fù)雜的，要綜合考慮保溫材料、儲罐投資以及泵的揚程、泵的電耗等多方面因素并進行鹽罐布置方案優(yōu)化、新型熔鹽管道補償器技術(shù)經(jīng)濟性論證、新型熔鹽儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計研究等多方面工作，經(jīng)過測算發(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)的項目各方應(yīng)對此更加重視。

多塔廠區(qū)熔鹽工藝設(shè)計

2、熔鹽槽式集熱器

技術(shù)優(yōu)勢（設(shè)計值待驗證）：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)存儲同樣能量的熱量；2、熔鹽用量也會小；3、溫度高帶來效率高最終實現(xiàn)低成本電價），熔鹽相比導(dǎo)熱油價格更低且更環(huán)保。

趙曉輝表示，經(jīng)過測算，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，95萬平米鏡場時，槽式年發(fā)電量約為塔式的1.14-1.16倍；140萬平米鏡場時，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：運維難度大（需防熔鹽凝凍），集熱場散熱損失大，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，采用纏繞管式換熱器等新結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)更簡單、成本更具競爭力、運維更便捷、啟停速度更快。

纏繞管式換熱器示意圖

參數(shù)分析：如上圖，橫坐標為整個換熱過程中水溫度的變化，縱坐標為整個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，回鹽溫度相對于14兆帕等級不會增加，可能還會略有降低，也是在300℃水平，因為有觀點認為把壓力等級提上去以后回鹽溫度會高，其實不是這么回事，因為在超臨界范圍內(nèi)，水的溫度特性是非線性變化，要通過計算重新算的，這樣鹽的用量不會增加，這是熱力系統(tǒng)上的參數(shù)，熱力系統(tǒng)參數(shù)則會影響熔鹽投資。

4、高參數(shù)汽輪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

如上圖，柱狀圖顯示汽輪機的效率，藍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，評估來看在更高的壓力等級下超臨界方案相對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)效率提升就非常可觀了，但問題是有沒有使用溫度可達600℃左右的可靠熔鹽產(chǎn)品，同時價格也比較合理，如果能開發(fā)出這種熔鹽材料對行業(yè)來說將是很大的貢獻。

參考上圖以橫坐標主蒸汽壓力24MPa為例，550℃蒸汽溫度對應(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。其實這個圖就是想表達，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)出使用溫度可達到580-600℃同時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)廠用電率遠大于離網(wǎng)廠用電率。此外，雖然相比亞臨界機組超臨界機組效率較高、發(fā)電量占優(yōu)，但同時廠用電量也較大，全年總廠用電率略有增加。

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

趙曉輝表示，電力方案比選時一般認為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)研究機構(gòu)也在研究固體顆粒儲熱介質(zhì)（如鈣基熱化學(xué)儲熱顆粒開發(fā)及制備方法研究、錳鐵金屬氧化物儲熱顆粒、惰性顆粒技術(shù)路線評估等）及對應(yīng)的儲換熱技術(shù)（如流化床式換熱器的實驗驗證與仿真模擬、適用于固體顆粒的儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計、顆粒吸熱器的概念設(shè)計與聯(lián)合開發(fā)、熱力系統(tǒng)概念設(shè)計與動力循環(huán)比選等）。

利用上述新型儲熱介質(zhì)和儲換熱技術(shù)的系統(tǒng)工作溫度可以達到700℃左右，這就可以和二氧化碳循環(huán)相結(jié)合，以進一步提升發(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)蒸汽機組高3-5個百分點；

2、靈活：調(diào)節(jié)速率是傳統(tǒng)蒸汽機組的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)即可實現(xiàn)的溫度。系統(tǒng)僅需要較低的熱量即可啟動發(fā)電機、應(yīng)對負荷變化調(diào)整迅速、支持快速啟停，同時還可以節(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)被評為“能源動力領(lǐng)域十項重大工程技術(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）加強與相關(guān)研究結(jié)構(gòu)、主機廠家的配合；可以預(yù)見當(dāng)前超臨界二氧化碳熔鹽儲能是首臺套新技術(shù)，設(shè)備采購成本較高；相關(guān)設(shè)備批量后，設(shè)備造價會有明顯降低。

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)進一步優(yōu)化，特別是擴大熔鹽的溫度參數(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，顆粒吸熱儲熱，目前尚不具備建設(shè)200MW工程應(yīng)用的條件（5MW、10MW等級系統(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力的產(chǎn)業(yè)持續(xù)投入突破。