圖：美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的固體粒子光熱發(fā)電接收和儲熱技術(shù)

圖：美國桑迪亞的固體粒子實(shí)驗(yàn)裝置

圖：美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的熔鹽流體實(shí)驗(yàn)裝置

圖：美國布雷頓能源承擔(dān)的氣體傳熱實(shí)驗(yàn)裝置

2、美國光熱發(fā)電技術(shù)路線

2021年3月25日美國能源部（DOE）宣布了一項(xiàng)雄心勃勃的新目標(biāo)，即在未來十年內(nèi)將太陽能成本降低60%，即到2025年將目前每千瓦時4.6美分的成本降低到3美分/千瓦時，到2030年降低2美分/千瓦時。

此外還將投入近1.28億美元資金，以降低成本、提高性能和加快太陽能技術(shù)的部署。同日美國能源部太陽能技術(shù)辦公室公布2021財年光伏和集中太陽能熱電（FY21光伏和CSP）資助計劃，該計劃將進(jìn)一步推進(jìn)光伏和CSP研發(fā)（R&D），朝著2030年CSP電廠5美分/千瓦時的成本目標(biāo)邁進(jìn)。

2021年3月25日，美國能源部在對Gen3計劃前兩個階段的工作進(jìn)行廣泛審查后，決定選擇固體粒子傳熱技術(shù)作為主要技術(shù)選項(xiàng)。并提供2500萬元資金來建立一個新的實(shí)驗(yàn)裝置。

其理由是：

1）傳熱途徑的技術(shù)成熟和關(guān)鍵部件的開發(fā)。這項(xiàng)研究是由領(lǐng)導(dǎo)每個路徑設(shè)計的競爭團(tuán)隊與工業(yè)界合作完成的，以及由Gen3資助計劃第2主題和更廣泛的CSP研發(fā)資助項(xiàng)目完成情況。

2）傳熱通道的潛力，可通過商業(yè)工廠設(shè)計實(shí)現(xiàn)成本目標(biāo)，即到2030年0.05美元/千瓦時；CSP基本負(fù)荷配置12小時或更長時間的熱能存儲。

3）建議的三期建設(shè)和全面集成傳熱通道兆瓦級試驗(yàn)設(shè)施的質(zhì)量和成功可能性。

https://www.energy.gov/eere/solar/generation-3-concentrating-solar-power-systems-gen3-csp-phase-3-project-selection

美國能源部認(rèn)為，與液體和氣體傳熱系統(tǒng)相比，粒子系統(tǒng)需要的組件更少，操作更簡單，需要相對較少的高成本材料來收集和傳輸熱能，這些因素提高工廠的可用性和可靠性，并實(shí)現(xiàn)更簡單的工廠建設(shè)和調(diào)試。審查意見還認(rèn)為，與其他兩種途徑不同，陶瓷、砂狀顆?？梢猿惺艹^800°攝氏度的溫度，因此它們可用于電力生產(chǎn)和其他太陽能熱熱應(yīng)用，包括工業(yè)過程熱、熱化學(xué)儲能和太陽能燃料生產(chǎn)。

3、歐盟光熱發(fā)電技術(shù)路線

2020年初，歐盟委員會提出啟動“綠色協(xié)議”的建議，為此，Next-CSP歐盟太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)合倡議：“從綠色交易到綠色復(fù)蘇，認(rèn)為歐洲的太陽能產(chǎn)業(yè)不能局限于光伏行業(yè)而拋棄大量的光熱發(fā)電CSP資產(chǎn)?！?/p>

歐盟資助“CSP2計劃”，也即由法國承擔(dān)的塔式固體粒子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用橄欖石即鎂硅酸鹽陶瓷顆粒作為傳熱儲熱流體，接收器采用并排的金屬管道來傳輸橄欖石顆粒，其中包括對固體顆粒換熱裝置的實(shí)驗(yàn)和超臨界二氧化碳發(fā)電。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目現(xiàn)已結(jié)題。

下一步擬建立150兆瓦塔式光熱發(fā)電裝置。

圖：由法國承擔(dān)的固體顆粒金屬管道傳熱流體示意圖

圖：由法國承擔(dān)的固體顆粒金屬管道傳熱流體接收器

圖：由法國承擔(dān)的固體顆粒金屬管道傳熱流體接收器

圖：由法國承擔(dān)的固體顆粒金屬管道傳熱流體接收器

3、塔式光熱發(fā)電嘗試PV和CSP互補(bǔ)

摩洛哥Noor Midelt的800兆瓦太陽能混合發(fā)電項(xiàng)目，擬充分利用PV白天的電力加熱CSP存儲介質(zhì)，以保證夜間發(fā)電。首個混合互補(bǔ)存儲項(xiàng)目計劃以每千瓦時7美分的價格提供可調(diào)度的太陽能電力。

4、槽式光熱發(fā)電嘗試電儲熱途徑

Abengoa計劃將光伏或風(fēng)電電加熱存儲技術(shù)“嫁接”到西班牙早期沒有存儲設(shè)備的槽式CSP工廠中。該電加熱器采用串聯(lián)模式，光熱發(fā)電為第一級換熱，光伏電力加熱為第二級換熱，將熔鹽溫度由370度提升至560度，為避免光照連續(xù)不足還需要配置電網(wǎng)輔助電加熱系統(tǒng)，或配置燃?xì)庋a(bǔ)熱裝置。

三、光熱發(fā)電技術(shù)在我國面臨競爭和挑戰(zhàn)

1、光熱發(fā)電面臨光伏技術(shù)競爭

光伏采購和投資成本逐年下降。

4月29日，華電公布2021年第一批7GW單晶硅光伏組件及組串式逆變器集采情況。

按照7GW投標(biāo)總?cè)萘坑嬎悖雵?家企業(yè)最低折合單價1.553元/W，最高折合單價1.731元/W。

5月7日，廣東省能源集團(tuán)2021光伏組件集中采購項(xiàng)目公布，最低折合單價1.71元/W。

2019年，全國光伏的年均利用小時數(shù)為1169小時，光伏電站建設(shè)成本4.5元/W，度電成本在0.4元至0.5元之間。

2、光熱發(fā)電面臨風(fēng)電技術(shù)競爭

風(fēng)電投資成本下降明顯。

2019年陸上風(fēng)電平均造價是7000元/千瓦，部分地區(qū)達(dá)到5500元/千瓦。預(yù)計2025陸上風(fēng)電投資可降至5000至7000元/千瓦。

2019年海上風(fēng)電平均造價15000元/千瓦。

2021年大唐云南三個風(fēng)電場共6個風(fēng)電項(xiàng)目，規(guī)模共計1980MW，風(fēng)電主機(jī)最低報價每千瓦2252元，最高每千瓦2768元。

3、政策推動，鼓勵多能互補(bǔ)

國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，國家能源局印發(fā)《關(guān)于報送“十四五”電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展工作方案的通知》，明確“堅持清潔低碳、堅定安全為本，強(qiáng)化主動調(diào)節(jié)、減輕系統(tǒng)壓力，明確清晰界面、統(tǒng)籌運(yùn)行調(diào)節(jié)，均等權(quán)利義務(wù)、實(shí)現(xiàn)共享共贏”的總基調(diào)，以系統(tǒng)性、多元化的思維統(tǒng)籌推進(jìn)源網(wǎng)荷儲深度融合和多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)發(fā)展，為確保安全前提下提升電力工業(yè)清潔低碳水平和系統(tǒng)總體效率指明了方向。

光熱發(fā)電具有低成本多能互補(bǔ)儲熱優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲一體化，通過延長發(fā)電時數(shù)，實(shí)現(xiàn)平價發(fā)電。

4、光熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)對挑戰(zhàn)途徑

時不我待，應(yīng)對挑戰(zhàn)。

1）降低初始投資，單位投資力爭降低至每千瓦1.2萬元以內(nèi)，與核電和海上風(fēng)電持平。

2）增加發(fā)電時數(shù)，設(shè)計值應(yīng)大于5000小時/年。

3）力爭單位發(fā)電成本在0.4-0.5元/千瓦時。

技術(shù)路線選擇：

1）光熱發(fā)電與光伏和風(fēng)電進(jìn)行一體化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，同時降低初始投資。

2）借助自主創(chuàng)新的電儲熱技術(shù)，將不穩(wěn)定的風(fēng)電和光伏電力作為光熱發(fā)電儲熱來源。

3）選擇與純氧燃?xì)獍l(fā)電互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)零碳發(fā)電。

4）與氫化工技術(shù)相結(jié)合，延長太陽能、風(fēng)能產(chǎn)業(yè)鏈。

推薦燃?xì)?、風(fēng)電互補(bǔ)儲熱技術(shù)

適用塔式、槽式、菲涅爾光熱電站

推薦光熱電站配置風(fēng)電、光伏設(shè)備

2016年國家發(fā)改委能源局公布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃》和路線圖，提出“50MW級儲熱光伏、光熱、風(fēng)電互補(bǔ)的混合發(fā)電示范應(yīng)用”，但未見國內(nèi)實(shí)施。

自主設(shè)計塔式電站陶瓷接收器

設(shè)計要點(diǎn)：采用耐高溫選擇性熱吸收技術(shù)；借助熱惰性發(fā)揮陶瓷接收器墻體和固體粒子傳熱儲熱優(yōu)勢，提高熱吸收率，降低熱損失。

建議接收器采用陶瓷材料制作，以模塊方式組裝，模塊外表層涂敷耐高溫的選擇性熱吸收涂料，模塊中心為固體粒子或粉煤灰的熱輻照通道，在密閉通道經(jīng)輻射熱獲得高溫。電站鏡場選擇三面體設(shè)計，避免和減少鏡場無效投資。

固體粒子接收器與鏡場布局

接收器采用帶固體粒子通道的陶瓷模塊構(gòu)筑接收器墻體，墻體外表面涂敷耐高溫低發(fā)射率選擇性熱吸收涂層，可大大減少熱輻射損失；陶瓷墻體模塊包裹陶瓷管道，通過陶瓷模塊借助熱惰性和儲熱功能應(yīng)對不穩(wěn)定的光照和焦斑跳變。

接收塔可借鑒南非Khi Solar One 50兆瓦DSG塔式光熱電站設(shè)計模式，固體粒子接收器采用三面體布置，定日鏡鏡場相應(yīng)為三個扇形鏡場，分別對應(yīng)三個固體粒子接收墻體。且定日鏡面積由遠(yuǎn)及近為50平米至20平米，以兼顧不同遠(yuǎn)近定日鏡的輻射強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)均衡。通過優(yōu)化鏡場布局，降低初始投資。

光熱發(fā)電儲能技術(shù)多樣化

儲熱蓄電相結(jié)合可提高槽式太陽能熱發(fā)電作為基荷電源的能力；儲熱蓄電的核心是鈉氯化物熔鹽電池堆和單體電池的制備，有待技術(shù)突破。

借助塔式懸浮粒子高溫特性結(jié)合半閉式超臨界二氧化碳布雷頓純氧燃?xì)獍l(fā)電優(yōu)勢，利用太陽能和風(fēng)能電力電解制氫，借助二氧化碳加氫甲烷化儲能，可開辟光熱發(fā)電儲能新途徑。

終極目標(biāo)：用太陽能等可再生能源與高效純氧燃?xì)獍l(fā)電結(jié)合，實(shí)現(xiàn)零碳排放電力。

槽式太陽能儲熱蓄電發(fā)電

圖：鈉氯化物高溫熔鹽電池堆

適合我國自然地理環(huán)境的槽式太陽能儲熱蓄電發(fā)電系統(tǒng)簡介：

1）本裝置選用高溫硅油做傳熱介質(zhì)，工況溫度400度，無低溫冷凝結(jié)晶疑慮；

2）儲熱罐采用單罐固體儲熱介質(zhì)填充技術(shù)，替代價格昂貴的熔鹽；

3）蓄電裝置采用鈉氯化物高溫熔鹽電池堆，中心工況溫度300度；

4）蓄電來源主要吸納風(fēng)電、光伏和電網(wǎng)超負(fù)荷過載電力；

5）本裝置參與電網(wǎng)削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓任務(wù)，目標(biāo)為電網(wǎng)基荷電源。

塔式太陽能風(fēng)能與燃?xì)饣パa(bǔ)聯(lián)合制氫制甲烷循環(huán)熱發(fā)電示意圖

結(jié)合塔式懸浮粒子光熱發(fā)電高溫特性，與半閉式超臨界二氧化碳燃?xì)獠祭最D熱發(fā)電進(jìn)行互補(bǔ)，并聯(lián)合風(fēng)電等電解制氫，輔之二氧化碳加氫甲烷化制備，甲烷純氧燃燒混合超臨界二氧化碳循環(huán)熱發(fā)電，開辟光熱發(fā)電儲能新紀(jì)元。

利用可再生能源電力與半閉式超臨界二氧化碳燃?xì)獍l(fā)電互補(bǔ)

借助風(fēng)電光伏等可再生能源以及電網(wǎng)超負(fù)荷過剩電能電解水制氫制氧，并與半閉式超臨界二氧化碳燃?xì)獠祭最D熱發(fā)電技術(shù)互補(bǔ)，通過二氧化碳加氫甲烷化儲能發(fā)電，不僅可實(shí)現(xiàn)二氧化碳循環(huán)利用，也可以解我國棄風(fēng)棄光燃眉之急。鑒于半閉式燃?xì)鉁u輪透平出口溫度在700度以上，因此可為槽式熱發(fā)電儲熱系統(tǒng)提供輔助熱源。

可再生能源與氫結(jié)合副產(chǎn)綠色化肥

全世界5%的天然氣用于生產(chǎn)氨，大多采用哈伯法工藝，每生產(chǎn)一噸氨則排放三噸二氧化碳，可謂二氧化碳排放大戶。如果借助太陽能或風(fēng)能等可再生能源電力通過空分設(shè)備制取氧氣，利用副產(chǎn)的氮?dú)馀c電解水制取的氫氣混合制備“綠色氨，”再與燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)回收的二氧化碳混合生產(chǎn)碳酸氫氨、尿素等化工產(chǎn)品。

四、結(jié)語

光熱發(fā)電當(dāng)務(wù)之急是制定平價發(fā)電路線圖和時間表。

技術(shù)方案與經(jīng)濟(jì)目標(biāo)相結(jié)合，重點(diǎn)探討和研究以光熱發(fā)電為主體的源網(wǎng)荷一體化互補(bǔ)儲能可行方案。

以建立長時儲能和基荷能源目標(biāo)，選擇實(shí)現(xiàn)平價發(fā)電的多種技術(shù)方案。

對于前沿性技術(shù)，建議早開題，早預(yù)研。

作者愿意為企業(yè)提供相關(guān)專利技術(shù)支持。

2021年5月11日

注：本文作者系太陽能熱發(fā)電技術(shù)資深學(xué)者張建城（如需聯(lián)系交流，請?zhí)砑游⑿盘朿spswd）。