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圖：美國桑迪亞實驗室承擔的固體粒子光熱發電接收和儲熱技術

圖：美國(guo)桑迪亞的固體粒子實驗(yan)裝置

圖：美國可(ke)再生能(neng)源實驗室承(cheng)擔的熔鹽流體實驗裝置

圖：美國布雷頓(dun)能源(yuan)承擔的(de)氣體(ti)傳熱實驗裝(zhuang)置

2、美國光熱發電技術路線

2021年(nian)(nian)3月25日(ri)美(mei)國能源部（DOE）宣布(bu)了一(yi)項雄心勃(bo)勃(bo)的新目標，即在未來(lai)十年(nian)(nian)內將太(tai)陽能成本降低(di)60%，即到2025年(nian)(nian)將目前每千(qian)(qian)瓦(wa)時(shi)(shi)4.6美(mei)分(fen)的成本降低(di)到3美(mei)分(fen)/千(qian)(qian)瓦(wa)時(shi)(shi)，到2030年(nian)(nian)降低(di)2美(mei)分(fen)/千(qian)(qian)瓦(wa)時(shi)(shi)。

此外還將投入近1.28億美(mei)元資金，以降低(di)成(cheng)本(ben)、提高性能和(he)加快(kuai)太陽能技術(shu)(shu)的部(bu)署。同日美(mei)國能源部(bu)太陽能技術(shu)(shu)辦公室(shi)公布2021財年光(guang)伏(fu)和(he)集中太陽能熱(re)電(dian)（FY21光(guang)伏(fu)和(he)CSP）資助計劃，該(gai)計劃將進一步推進光(guang)伏(fu)和(he)CSP研(yan)發（R&D），朝著2030年CSP電(dian)廠5美(mei)分(fen)/千(qian)瓦時(shi)的成(cheng)本(ben)目標(biao)邁進。

2021年3月(yue)25日，美國能源(yuan)部在對Gen3計劃前兩個階(jie)段的工作進行廣(guang)泛審查后，決定選擇固體粒子(zi)傳熱(re)技(ji)術(shu)(shu)作為主要(yao)技(ji)術(shu)(shu)選項。并提供2500萬(wan)元資(zi)金來建(jian)立(li)一個新的實驗裝(zhuang)置。

其理由是：

1）傳熱途(tu)徑(jing)的(de)技(ji)術成熟和(he)(he)關鍵部件的(de)開(kai)發。這項研究是由領導每個路徑(jing)設計的(de)競爭團(tuan)隊與工業界合作完成的(de)，以及由Gen3資助計劃第2主題和(he)(he)更廣泛的(de)CSP研發資助項目完成情況(kuang)。

2）傳熱通道的潛力，可通過(guo)商業工廠設計實現成本目(mu)標，即到2030年0.05美(mei)元/千瓦時；CSP基本負荷配置(zhi)12小時或(huo)更長(chang)時間(jian)的熱能(neng)存儲(chu)。

3）建議(yi)的三期建設(she)和全面(mian)集成(cheng)傳熱通道兆(zhao)瓦級試驗設(she)施的質量和成(cheng)功可能性。

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

美國(guo)能(neng)源部認(ren)為，與液體(ti)和(he)氣體(ti)傳(chuan)(chuan)熱系(xi)(xi)統相比(bi)，粒(li)子系(xi)(xi)統需(xu)(xu)要的組件更(geng)(geng)少(shao)，操作更(geng)(geng)簡單(dan)，需(xu)(xu)要相對較少(shao)的高(gao)成本材料來收集(ji)和(he)傳(chuan)(chuan)輸(shu)熱能(neng)，這些因素提高(gao)工廠的可(ke)用(yong)(yong)性(xing)和(he)可(ke)靠性(xing)，并實現更(geng)(geng)簡單(dan)的工廠建設(she)和(he)調(diao)試(shi)。審查意見還認(ren)為，與其(qi)他兩種途徑不同，陶瓷、砂狀(zhuang)顆(ke)粒(li)可(ke)以承受超(chao)過800°攝(she)氏度的溫(wen)度，因此它們可(ke)用(yong)(yong)于電(dian)力生(sheng)產(chan)和(he)其(qi)他太陽能(neng)熱熱應用(yong)(yong)，包(bao)括工業(ye)過程熱、熱化學儲能(neng)和(he)太陽能(neng)燃(ran)料生(sheng)產(chan)。

3、歐盟光熱發電技術路線

2020年初，歐(ou)盟委員會(hui)提出啟(qi)動“綠(lv)色(se)協議(yi)(yi)(yi)”的建議(yi)(yi)(yi)，為此，Next-CSP歐(ou)盟太(tai)陽(yang)(yang)能產業(ye)聯合倡議(yi)(yi)(yi)：“從綠(lv)色(se)交易到綠(lv)色(se)復(fu)蘇，認為歐(ou)洲的太(tai)陽(yang)(yang)能產業(ye)不能局(ju)限于光(guang)(guang)伏行業(ye)而拋(pao)棄大量的光(guang)(guang)熱發電CSP資產。”

歐盟資助“CSP2計劃”，也即(ji)由法國(guo)承擔的(de)塔式固體粒子實驗項(xiang)目。該項(xiang)目采用橄欖(lan)石即(ji)鎂硅(gui)酸(suan)鹽陶(tao)瓷顆粒作為傳(chuan)熱(re)儲熱(re)流(liu)體，接(jie)收器采用并(bing)排的(de)金屬管道來(lai)傳(chuan)輸橄欖(lan)石顆粒，其中包括(kuo)對固體顆粒換熱(re)裝置(zhi)的(de)實驗和(he)超臨界二氧(yang)化碳發電。實驗項(xiang)目現已結題。

下一步(bu)擬建(jian)立150兆瓦塔式光熱發(fa)電裝置。

圖：由法國承(cheng)擔的固體(ti)顆粒金屬管道傳熱流體(ti)示意(yi)圖

圖(tu)：由(you)法國承擔(dan)的固體顆粒金屬管道(dao)傳熱流(liu)體接收器

圖：由(you)法(fa)國承擔的固體(ti)顆粒金屬管道(dao)傳(chuan)熱(re)流體(ti)接收器(qi)

圖：由法國(guo)承擔的固體顆粒金(jin)屬管道傳熱流體接收(shou)器

3、塔式光熱發電嘗試PV和CSP互補

摩洛哥Noor Midelt的(de)800兆(zhao)瓦太陽(yang)能(neng)混合發(fa)電項目，擬充分利用PV白天的(de)電力加(jia)熱CSP存儲介質，以保證夜(ye)間發(fa)電。首個混合互補存儲項目計劃以每千瓦時7美分的(de)價(jia)格提供可調度(du)的(de)太陽(yang)能(neng)電力。

4、槽式光熱發電嘗試電儲熱途徑

Abengoa計劃將(jiang)光(guang)(guang)伏(fu)(fu)或(huo)風電(dian)(dian)電(dian)(dian)加(jia)熱(re)存儲技(ji)術“嫁接”到西(xi)班牙早期(qi)沒有存儲設備的槽式(shi)CSP工廠中。該電(dian)(dian)加(jia)熱(re)器采用(yong)串聯模式(shi)，光(guang)(guang)熱(re)發電(dian)(dian)為第一級換熱(re)，光(guang)(guang)伏(fu)(fu)電(dian)(dian)力加(jia)熱(re)為第二級換熱(re)，將(jiang)熔鹽溫度由370度提升至560度，為避免(mian)光(guang)(guang)照連續不足還需要(yao)配置(zhi)電(dian)(dian)網輔助(zhu)電(dian)(dian)加(jia)熱(re)系(xi)統，或(huo)配置(zhi)燃氣補熱(re)裝置(zhi)。

三、光熱發電技術在我國面臨競爭和挑戰

1、光熱發電面臨光伏技術競爭

光(guang)伏采購(gou)和投資(zi)成本逐年下降(jiang)。

4月29日，華(hua)電公布(bu)2021年第一批7GW單(dan)晶硅(gui)光伏(fu)組件(jian)及組串式逆變器(qi)集采情況。

按照(zhao)7GW投標總容量(liang)計算，入圍(wei)5家(jia)企業最低折合單價1.553元(yuan)/W，最高折合單價1.731元(yuan)/W。

5月(yue)7日，廣東(dong)省能源集(ji)團2021光伏組件集(ji)中采購(gou)項目公布，最低(di)折(zhe)合單價1.71元/W。

2019年，全(quan)國光(guang)伏的年均利用(yong)小時(shi)數為1169小時(shi)，光(guang)伏電(dian)(dian)站建設成本(ben)4.5元(yuan)(yuan)/W，度電(dian)(dian)成本(ben)在0.4元(yuan)(yuan)至(zhi)0.5元(yuan)(yuan)之間。

2、光熱發電面臨風電技術競爭

風(feng)電投資(zi)成(cheng)本下降(jiang)明顯。

2019年陸上風電(dian)(dian)平(ping)均造(zao)價是7000元(yuan)/千(qian)瓦，部分地區達到5500元(yuan)/千(qian)瓦。預計(ji)2025陸上風電(dian)(dian)投資(zi)可降至5000至7000元(yuan)/千(qian)瓦。

2019年海上(shang)風電平均造價15000元/千(qian)瓦。

2021年大(da)唐(tang)云南三個風電場共6個風電項目，規(gui)模共計1980MW，風電主機(ji)最(zui)低(di)報價每千瓦2252元，最(zui)高每千瓦2768元。

3、政策推動，鼓勵多能互補

國家發(fa)展(zhan)改革委、國家能(neng)源(yuan)(yuan)局聯合(he)(he)印發(fa)《關于推進(jin)電(dian)力(li)(li)源(yuan)(yuan)網荷儲一體化和多(duo)(duo)能(neng)互補發(fa)展(zhan)的指導意見》，國家能(neng)源(yuan)(yuan)局印發(fa)《關于報送(song)“十四(si)五”電(dian)力(li)(li)源(yuan)(yuan)網荷儲一體化和多(duo)(duo)能(neng)互補發(fa)展(zhan)工作(zuo)方(fang)案的通知(zhi)》，明確“堅持清(qing)潔低碳(tan)、堅定安(an)全為本，強化主動(dong)調節、減輕系統壓力(li)(li)，明確清(qing)晰界面、統籌運行調節，均等權利(li)義務、實現共(gong)享共(gong)贏”的總基調，以系統性(xing)、多(duo)(duo)元化的思維統籌推進(jin)源(yuan)(yuan)網荷儲深度融合(he)(he)和多(duo)(duo)能(neng)互補協調發(fa)展(zhan)，為確保安(an)全前(qian)提(ti)下提(ti)升電(dian)力(li)(li)工業(ye)清(qing)潔低碳(tan)水平和系統總體效率指明了方(fang)向。

光熱發電具有低成本多能互(hu)補儲熱優勢(shi)，可實(shi)現(xian)源網荷(he)儲一體化，通過延長(chang)發電時數，實(shi)現(xian)平價發電。

4、光熱發電技術應對挑戰途徑

時(shi)不我待，應(ying)對挑戰。

1）降(jiang)低初始投資(zi)，單位投資(zi)力爭降(jiang)低至(zhi)每(mei)千瓦1.2萬(wan)元以內，與核電(dian)和海上風(feng)電(dian)持平。

2）增加發電(dian)時數，設計(ji)值應(ying)大(da)于5000小時/年。

3）力爭單位發(fa)電(dian)成本在0.4-0.5元/千瓦時。

技術路線選擇：

1）光(guang)熱發電與光(guang)伏和風電進行(xing)一(yi)體化設計，實現(xian)多能互補，同時降低初始(shi)投資(zi)。

2）借(jie)助自主創新(xin)的電儲熱技術，將不穩定的風電和光(guang)伏電力(li)作為光(guang)熱發電儲熱來源。

3）選擇與純氧燃氣(qi)發(fa)電(dian)互(hu)補，實現零碳發(fa)電(dian)。

4）與(yu)氫化工(gong)技術相結合(he)，延(yan)長太陽(yang)能(neng)、風能(neng)產業鏈。

推薦燃氣、風電互補儲熱技術

適用塔式(shi)、槽(cao)式(shi)、菲涅爾光熱電站

推薦光熱電站配置風電、光伏設備

2016年國家發改(gai)委能源局公布《能源技(ji)術革命創新行動計劃(hua)》和路線圖，提出“50MW級(ji)儲熱光伏、光熱、風電(dian)互(hu)補的混合(he)發電(dian)示范應用”，但(dan)未見國內實施(shi)。

自主設計塔式電站陶瓷接收器

設計(ji)要點：采用耐高溫選擇性熱(re)吸收(shou)技術；借助(zhu)熱(re)惰性發揮陶瓷接收(shou)器墻體和固(gu)體粒子傳(chuan)熱(re)儲熱(re)優勢，提(ti)高熱(re)吸收(shou)率(lv)，降低熱(re)損(sun)失(shi)。

建議接收器采用陶瓷材料制作，以模(mo)塊(kuai)方(fang)式(shi)組(zu)裝，模(mo)塊(kuai)外表(biao)層涂敷耐高溫(wen)的(de)選(xuan)擇性(xing)熱(re)吸收涂料，模(mo)塊(kuai)中心為固體粒子或粉煤灰的(de)熱(re)輻照通道(dao)，在(zai)密閉通道(dao)經輻射熱(re)獲(huo)得高溫(wen)。電(dian)站鏡場(chang)選(xuan)擇三面(mian)體設(she)計，避(bi)免和減少鏡場(chang)無效投資。

固體粒子接收器與鏡場布局

接收(shou)器采用(yong)帶(dai)固體(ti)(ti)粒子通(tong)道(dao)的陶(tao)瓷(ci)(ci)模塊構筑接收(shou)器墻體(ti)(ti)，墻體(ti)(ti)外(wai)表面涂(tu)敷(fu)耐高(gao)溫(wen)低發射率選擇(ze)性(xing)熱(re)吸收(shou)涂(tu)層，可大(da)大(da)減少熱(re)輻(fu)射損失；陶(tao)瓷(ci)(ci)墻體(ti)(ti)模塊包裹(guo)陶(tao)瓷(ci)(ci)管(guan)道(dao)，通(tong)過陶(tao)瓷(ci)(ci)模塊借助熱(re)惰性(xing)和儲(chu)熱(re)功能應對(dui)不穩定的光(guang)照和焦斑跳變(bian)。

接收(shou)(shou)塔(ta)可借鑒南非Khi Solar One 50兆(zhao)瓦DSG塔(ta)式(shi)光(guang)熱電站(zhan)設計模式(shi)，固(gu)體粒(li)子接收(shou)(shou)器采(cai)用(yong)三(san)面體布置，定日鏡鏡場相應為三(san)個(ge)扇形鏡場，分別對應三(san)個(ge)固(gu)體粒(li)子接收(shou)(shou)墻體。且定日鏡面積由遠(yuan)(yuan)及近為50平米至20平米，以兼(jian)顧不同遠(yuan)(yuan)近定日鏡的輻射強度(du)，實現(xian)均(jun)衡。通(tong)過優(you)化鏡場布局(ju)，降低初始投資。

光熱發電儲能技術多樣化

儲熱蓄電相結合(he)可(ke)提高(gao)槽式(shi)太(tai)陽能(neng)熱發電作(zuo)為基荷電源的能(neng)力；儲熱蓄電的核心是(shi)鈉氯化物熔鹽(yan)電池(chi)堆和單體電池(chi)的制備，有待技術(shu)突破。

借(jie)助塔式懸(xuan)浮粒(li)子高(gao)溫(wen)特性結(jie)合半閉式超(chao)臨界(jie)二(er)氧化碳(tan)布雷頓純(chun)氧燃氣發(fa)電優(you)勢(shi)，利(li)用太(tai)陽能和(he)風能電力(li)電解制氫，借(jie)助二(er)氧化碳(tan)加氫甲烷化儲能，可開(kai)辟(pi)光(guang)熱(re)發(fa)電儲能新(xin)途徑。

終極目標：用太陽能等可再(zai)生能源與高效純(chun)氧(yang)燃(ran)氣(qi)發(fa)電(dian)結合，實現零碳(tan)排放電(dian)力(li)。

槽式太陽能儲熱蓄電發電

圖：鈉氯化物高(gao)溫熔鹽電池(chi)堆

適合(he)我國自然地理環境的槽式太(tai)陽能(neng)儲熱蓄(xu)電發電系統簡介：

1）本(ben)裝(zhuang)置選用高(gao)溫(wen)硅油做傳熱介質(zhi)，工況溫(wen)度400度，無低溫(wen)冷凝結晶疑慮(lv)；

2）儲熱(re)罐采用(yong)單罐固體儲熱(re)介質填充技(ji)術，替代價格昂貴的熔鹽；

3）蓄電裝置采用(yong)鈉氯化(hua)物高溫(wen)熔鹽電池堆，中(zhong)心工況溫(wen)度(du)(du)300度(du)(du)；

4）蓄電來(lai)源主要吸(xi)納風電、光伏和(he)電網超負荷過載電力(li)；

5）本(ben)裝置參與電(dian)網削峰填谷、調(diao)(diao)頻調(diao)(diao)壓(ya)任務，目(mu)標(biao)為電(dian)網基荷電(dian)源。

塔式太陽能風能與燃氣互補聯合制氫制甲烷循環熱發電示意圖

結合塔式(shi)懸浮粒(li)子光(guang)熱發(fa)(fa)電(dian)(dian)高溫特(te)性(xing)，與半閉式(shi)超臨(lin)界二(er)(er)氧(yang)化碳燃(ran)氣(qi)布雷頓(dun)熱發(fa)(fa)電(dian)(dian)進行互補，并聯(lian)合風(feng)電(dian)(dian)等電(dian)(dian)解制氫，輔之二(er)(er)氧(yang)化碳加氫甲烷化制備，甲烷純氧(yang)燃(ran)燒混合超臨(lin)界二(er)(er)氧(yang)化碳循(xun)環熱發(fa)(fa)電(dian)(dian)，開辟光(guang)熱發(fa)(fa)電(dian)(dian)儲能(neng)新紀元(yuan)。

利用可再生能源電力與半閉式超臨界二氧化碳燃氣發電互補

借助(zhu)風電光(guang)伏(fu)等可再生能(neng)源以(yi)及(ji)電網超負荷過剩電能(neng)電解水(shui)制(zhi)氫制(zhi)氧(yang)(yang)，并與半(ban)閉式(shi)(shi)超臨界(jie)二氧(yang)(yang)化碳燃氣(qi)(qi)布(bu)雷頓熱(re)發(fa)(fa)電技術互補，通過二氧(yang)(yang)化碳加氫甲烷化儲能(neng)發(fa)(fa)電，不僅可實現(xian)二氧(yang)(yang)化碳循環利用，也(ye)可以(yi)解我(wo)國棄風棄光(guang)燃眉之急。鑒于半(ban)閉式(shi)(shi)燃氣(qi)(qi)渦輪透平出(chu)口溫度在700度以(yi)上，因此可為槽式(shi)(shi)熱(re)發(fa)(fa)電儲熱(re)系統提供輔(fu)助(zhu)熱(re)源。

可再生能源與氫結合副產綠色化肥

全世界5%的(de)天然(ran)氣(qi)用于生(sheng)產(chan)氨(an)，大(da)多采用哈伯法工(gong)藝，每生(sheng)產(chan)一噸氨(an)則排放三噸二(er)氧化(hua)碳(tan)，可(ke)謂二(er)氧化(hua)碳(tan)排放大(da)戶。如果借助(zhu)太(tai)陽能或風能等(deng)可(ke)再生(sheng)能源電力通過空分設(she)備(bei)制(zhi)取氧氣(qi)，利用副(fu)產(chan)的(de)氮氣(qi)與電解水制(zhi)取的(de)氫(qing)氣(qi)混合(he)制(zhi)備(bei)“綠(lv)色氨(an)，”再與燃氣(qi)發電系統回收的(de)二(er)氧化(hua)碳(tan)混合(he)生(sheng)產(chan)碳(tan)酸氫(qing)氨(an)、尿素(su)等(deng)化(hua)工(gong)產(chan)品。

四、結語

光熱(re)發(fa)電(dian)當務之(zhi)急是制定平價發(fa)電(dian)路(lu)線(xian)圖和時間表。

技術方案(an)與經(jing)濟目標相結合，重點探討和研(yan)究(jiu)以光熱(re)發電為(wei)主體的(de)源網荷一體化互補(bu)儲能可行方案(an)。

以建立長時儲能和(he)基(ji)荷(he)能源(yuan)目標，選擇(ze)實現(xian)平價(jia)發電的多種技術方案。

對于(yu)前(qian)沿(yan)性技術，建議早(zao)開(kai)題，早(zao)預研。

作者愿(yuan)意為企業(ye)提(ti)供相關專利技術支(zhi)持。

2021年5月11日

注(zhu)：本文(wen)作者(zhe)系(xi)(xi)太陽能(neng)熱發電技(ji)術資深學(xue)者(zhe)張建城（如需聯系(xi)(xi)交流，請添加微(wei)信號cspswd）。