光熱發(fā)電技術的原理

光熱發(fā)電技術，是不同于光伏發(fā)電的全新的新能源應用技術。它是一個將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的過程。利用聚光鏡等聚熱器采集的太陽熱能，將傳熱介質(zhì)加熱到幾百度的高溫，傳熱介質(zhì)經(jīng)過換熱器后產(chǎn)生高溫蒸汽，從而帶動汽輪機產(chǎn)生電能。此處的傳熱介質(zhì)多為導熱油與熔鹽。通常我們將整個的光熱發(fā)電系統(tǒng)分成四部分：集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱與熱交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。

集熱系統(tǒng)：集熱系統(tǒng)包括聚光裝置、接收器、跟蹤機構(gòu)等部件。如果說集熱系統(tǒng)是整個光熱發(fā)電的核心，那么聚光裝置就是集熱系統(tǒng)的核心。聚光裝置即為聚光鏡或者定日鏡等。其反射率、焦點偏差等均能影響發(fā)電效率。目前國內(nèi)生產(chǎn)的聚光鏡，效率可以達到94%，與國外生產(chǎn)的聚光鏡效率相差不大。集熱系統(tǒng)采集太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。

熱傳輸系統(tǒng)：熱傳輸系統(tǒng)主要是傳輸集熱系統(tǒng)收集起來的熱能。利用傳熱介質(zhì)將熱能輸送給蓄熱系統(tǒng)。傳熱介質(zhì)多為導熱油和熔鹽。理論上，熔鹽比導熱油溫度高，發(fā)電效率大，也更安全。熱傳輸系統(tǒng)一般有預熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器等組成。熱傳輸系統(tǒng)的基本要求是：傳熱管道損耗小、輸送傳熱介質(zhì)的泵功率小、熱量傳輸?shù)某杀镜?。在熱傳輸過程中，傳熱管道越短，熱損耗就越小。

蓄熱與熱交換系統(tǒng)：個人認為，光熱發(fā)電技術在蓄熱與熱交換系統(tǒng)中充分體現(xiàn)了對比光伏發(fā)電技術的優(yōu)勢。即將太陽熱能儲存起來。可以在夜間發(fā)電，也可以根據(jù)當?shù)氐挠秒娯摵桑m應電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電。蓄熱裝置常由真空絕熱或以絕熱材料包覆的蓄熱器構(gòu)成。蓄熱系統(tǒng)中對儲熱介質(zhì)的要求為：儲能密度大，來源豐富且價格低廉，性能穩(wěn)定，無腐蝕性，安全性好，傳熱面積大，熱交換器導熱性能好，儲熱介質(zhì)具有較好的黏性。目前我國正在研究蓄熱的各種新技術新材料，更有專家提出用陶瓷等價格低廉的固體蓄熱，以達到降低發(fā)電成本的效果。

發(fā)電系統(tǒng)：用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機有汽輪機、燃氣輪機、低沸點工質(zhì)汽輪機、斯特林發(fā)電機等。這些發(fā)電裝置，可根據(jù)汽輪機入口熱能的溫度等級及熱量、蒸汽壓力等情況進行選擇。對于大型光熱發(fā)電系統(tǒng)，由于其溫度等級與火力發(fā)電系統(tǒng)基本相同，可選用常規(guī)的汽輪機；工作溫度在800℃以上時，可選用燃氣輪機；對于小功率或者低溫的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，則可選用低沸點工質(zhì)汽輪機或斯特林發(fā)動機。目前使用的汽輪機，空冷居多。雖然光熱技術的發(fā)電系統(tǒng)類似于火力發(fā)電系統(tǒng)，但是還是有一定的區(qū)別，這樣就要要求汽輪機具有頻繁啟停、快速啟動、低負荷運行、高效性等特點。

太陽能熱發(fā)電主要技術和代表性電站介紹

1.太陽能熱發(fā)電主要技術

太陽能熱發(fā)電，通常叫做聚光式太陽能發(fā)電，通過聚集太陽輻射獲得熱能，將熱能轉(zhuǎn)化成高溫蒸汽，蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電。采用太陽能熱發(fā)電技術，避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電成本。而且，這種形式的太陽能利用還有一個其他形式的太陽能轉(zhuǎn)換所無法比擬的優(yōu)勢，即太陽能所加熱的水可以儲存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個小時仍能夠帶動汽輪機發(fā)電。當前太陽能熱發(fā)電按照太陽能采集方式主要可劃分為槽式發(fā)電、塔式發(fā)電和菲涅爾式發(fā)電等。

粗略統(tǒng)計，截至2016年2月，在全球建成和在建的太陽能光熱發(fā)電站中，槽式電站數(shù)量最多，約占建成和在建光熱電站總數(shù)的80%，塔式電站占比超過11%，菲涅爾式電站最少，占比不足9%。

由于塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)綜合效率高，更適合于大規(guī)模、大容量商業(yè)化應用，在規(guī)劃建設的光熱電站項目中，塔式所占的比例已經(jīng)超出了槽式技術。綜合判斷，未來塔式光熱發(fā)電技術可能是光熱發(fā)電的主要技術流派。

2.代表性電站

（1）西班牙Andasol太陽能光熱發(fā)電站

Andasol太陽能光熱發(fā)電站位于西班牙陽光資源豐富的Andalusia的Guadix附近，是歐洲第一個商業(yè)運行的太陽能槽式導熱油電站，由三個50MW裝機的項目組成。Andasol1號電站開建于2006年7月，2009年3月實現(xiàn)并網(wǎng)投運；Andasol2號電站開建于2007年2月，2009年中期建成；3號電站則開建于2008年8月，2011年9月建成投運。Andasol1&2號電站的開發(fā)商為ACSCobra（75%）和太陽千年（25%），太陽千年破產(chǎn)后轉(zhuǎn)為ACSCobra全資持有。3號電站的開發(fā)商為Ferrostaal/SolarMillennium/RWE/RheinE./SWM五家德國公司組成的聯(lián)合體。

Andasol槽式電站的經(jīng)典意義在于，其是全球首個配置了大規(guī)模熔鹽儲熱系統(tǒng)的商業(yè)化光熱電站，通過增加7.5小時的儲熱系統(tǒng)，電站的年發(fā)電小時數(shù)大大增加，容量因子達到了38.8%。此后西班牙很多槽式電站的儲熱容量設置都和Andasol一樣為7.5小時。

（2）西班牙Gemasolar太陽能光熱發(fā)電站

Gemasolar太陽能光熱發(fā)電站位于西班牙塞維利亞附近的FuentesdeAndalucía，是TorresolEnergy旗下的標志性發(fā)電站，裝機容量達19.9MW，于2011年5月開始試運行。

Gemasolar采用創(chuàng)新的熔鹽傳熱技術，儲熱系統(tǒng)可在沒有陽光的情況下持續(xù)發(fā)電15小時，幫助避免供電波動，電站能夠在一年中的多個月份實現(xiàn)24小時不間斷發(fā)電，即使是在黑夜或日照不足的冬季。作為全球首個將塔式系統(tǒng)和熔鹽傳熱儲熱介質(zhì)結(jié)合的商業(yè)化光熱電站，Gemasolar的運行成為熔鹽型塔式光熱發(fā)電技術發(fā)展的重要里程碑。

（3）美國Solana太陽能光熱發(fā)電站

Solana太陽能光熱發(fā)電站位于美國亞利桑那州鳳凰城西南70英里的GilaBend附近，于2010年底開始建設，2013年完工，是當時世界上最大的槽式電站，也是美國第一個帶熔鹽儲熱的太陽能光熱發(fā)電站。

電站由西班牙AbengoaSolar公司建設，裝機總?cè)萘?80MW，年發(fā)電量高達9.44億kWh，可滿足7萬個家庭的用電需求。電站總投資額高達20億美元，美國能源部貸款擔保提供14.5億美元融資支持。亞利桑那州最大的電力公司APS為該項目的PPA簽約方，簽約電價為14美分/kWh，承購期為30年，30年內(nèi)的總售電收入可達40億美元。

（4）美國Ivanpah太陽能光熱發(fā)電站

Ivanpah太陽能光熱發(fā)電站位于美國加利福尼亞的Mojave沙漠，洛杉磯西南64千米處，項目由BrightSource能源公司開發(fā)，2014年2月投產(chǎn)，總規(guī)劃容量為392MW，由三座裝機分別為133MW、133MW和126MW的塔式電站構(gòu)成，占當時美國總投運光熱電站裝機容量的30%左右，也是全球目前最大規(guī)模裝機的光熱電站。

項目總計投資達22億美元，獲得美國能源部16億美元的貸款擔保。科技巨頭Google投資1.68億美元，NRG太陽能公司投資3億美元。這也使其成為歷史上投資額度最大的光熱發(fā)電項目。Ivanpah光熱電站與太平洋燃氣和電力公司（PGE）以及南加州愛迪生電力公司（SCE）簽訂了PPA購電協(xié)議，1號電站裝機126MW，2號和3號電站各裝機133MW.1號電站和3號電站所發(fā)電能由PGE收購，2號電站所發(fā)電能由SCE收購。

（5）美國CrescentDunes太陽能光熱發(fā)電站

CrescentDunes太陽能光熱發(fā)電站位于美國內(nèi)華達州的托諾帕，裝機容量110MW，是全球第一個大規(guī)模采用熔鹽塔式光熱發(fā)電技術的電站。電站由SolarReserve公司負責開發(fā)運營，2015年投運，可以滿足7.5萬個家庭的用電需求。

該項目的投運證明塔式熔鹽技術在100MW級大型電站上應用的可靠性，是熔鹽型塔式光熱發(fā)電技術發(fā)展中跨越性的一步。

（6）摩洛哥Noor系列太陽能光熱發(fā)電站

Noor系列太陽能光熱發(fā)電站位于摩洛哥南部地區(qū)，是摩洛哥首個大型商業(yè)化光熱發(fā)電項目，光熱發(fā)電總裝機容量高達510MW。裝機160MW的一期工程Noor1槽式電站已于2016年2月正式投運，而后續(xù)項目Noor2（200MW，槽式）和Noor3（150MW，塔式）電站正在建設中，整體投運后產(chǎn)生的電能將足夠滿足100萬個摩洛哥家庭的用電需求。上述三個光熱電站均配置了熔鹽儲熱系統(tǒng)，其中Noor1項目儲熱時長為3小時，Noor2項目儲熱時長為7小時，Noor3項目儲熱時長為8小時，可以滿足太陽落山之后的電力需求。

光熱發(fā)電總體發(fā)展現(xiàn)狀

目前，常規(guī)可再生能源水電、光伏發(fā)電、風力發(fā)電等發(fā)電技術都存在季節(jié)性、間歇性、穩(wěn)定性的問題。光熱發(fā)電與儲熱系統(tǒng)或火力發(fā)電結(jié)合，可實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，具有可調(diào)節(jié)性，易于并網(wǎng)，并且全生命周期內(nèi)環(huán)境影響較小。光熱無需無功補償、電能質(zhì)量高。故近十年來光熱發(fā)電發(fā)展步伐迅速，尤其以太陽能資源豐富的美國、西班牙兩國，無論在技術上還是商業(yè)化進程，都在全球位列前茅?？稍偕茉凑?a target="_blank">網(wǎng)絡發(fā)布了全球可再生能源2014年現(xiàn)狀報告，對光熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀進行了研究與分析。報告顯示截止2013年底，全球光熱發(fā)電實現(xiàn)已投產(chǎn)裝機容量與2012年相比新增近90萬千瓦，增幅達36%，光熱發(fā)電已投產(chǎn)裝機總?cè)萘砍^340萬千瓦。十年間光熱發(fā)電的投產(chǎn)裝機容量增長了近10倍。從2008年底到2013年底的5年間，全球光熱發(fā)電裝機容量年均增速保持在50%左右。

典型國家光熱發(fā)電電價政策分析

光熱發(fā)電政策主要包括上網(wǎng)電價、可再生能源配額制、凈計量電價、財政稅收支持政策以及綠色電力價格等，其中上網(wǎng)電價與配額制應用最為普遍。上網(wǎng)電價機制（FIT），即政府強制要求電網(wǎng)企業(yè)在一定期限內(nèi)按照一定電價收購電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可再生能源發(fā)電量。上網(wǎng)電價形式通常包括固定電價和浮動電價。西班牙是第一個采用FIT補貼機制促進光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國家。PPA即購電協(xié)議，該協(xié)議定義了電力公司（一般為公共事業(yè)單位）以何種價格和規(guī)則收購可再生能源發(fā)電量。作為全球光熱電站裝機總?cè)萘康诙拿绹?，大部分光熱電站采取與電網(wǎng)公司簽訂長期購電協(xié)議（PPA）。美國建設最早規(guī)模最大的槽式光熱電站SEGS電站就是與當?shù)仉娋W(wǎng)公司簽訂為期30年的長期購電協(xié)議，上網(wǎng)電價13～14美分/千瓦時。而全球裝機容量最大的電站——39.2萬千瓦的美國Ivanpah光熱電站與太平洋燃氣和電力公司（PG&E）以及南加州愛迪生電力公司（SCE）簽訂了為期25年的PPA購電協(xié)議，1號12.6萬千瓦電站和3號13.3萬千瓦電站所發(fā)電能由PG&E收購，2號13.3萬千瓦電站所發(fā)電能由SCE收購。

（一）西班牙

據(jù)西班牙電網(wǎng)運營商REE發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示：

2013年度光熱發(fā)電滿足全國電力總需求的1.8%。2014年前4個月，西班牙光熱發(fā)電滿足了該國1.6%的電力需求，5月份，西班牙光熱發(fā)電更是滿足了該國電力需求的3.7%。西班牙2013年光熱發(fā)電新增裝機35.0萬千瓦，增速18%，至2013年底已投產(chǎn)總裝機容量達到230萬千瓦，高居全球第一。西班牙更是投建全球首個實現(xiàn)連續(xù)24小時持續(xù)發(fā)電的Gemasolar光熱電站，配置高達15小時儲熱系統(tǒng)。這是光伏發(fā)電無法比擬的。

1.電價政策

西班牙在光熱發(fā)電政策方面主要通過FIT補貼機制，主要分兩種電價方式，可二選一：

（1）固定電價：前25年內(nèi)0.27歐元/千瓦時，25年后0.22歐元/千瓦時（皇家法案661/2007號）。

（2）可調(diào)電價：普通電價+額外補貼（最高不超過0.3673歐元/千瓦時，最低不低于0.2712歐元/千瓦時（皇家法案661/2007號）。

（3）皇家法案661/2009號又對上述政策進行了修訂，固定電價：前25年內(nèi)0.28歐元/千瓦時，25年后0.23歐元/千瓦時；可調(diào)電價：普通電價+額外補貼（最高不超過0.36歐元/千瓦時，最低不低于0.26歐元/千瓦時）。

（4）2012年取消對新建光熱電站的電價補貼，對原有電站的輔助燃氣發(fā)電部分也取消了電價補貼，同時要求征7%能源稅。

2.政策解析

西班牙是第一個采用FIT補貼機制促進光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國家，2002年規(guī)定的光熱發(fā)電上網(wǎng)電價補貼為0.12歐元/千瓦時，2007年其又將該額度上調(diào)至約0.27歐元/千瓦時。得益于該FIT補貼政策的實施，光熱發(fā)電項目開發(fā)在西班牙成為可顯著盈利的可再生能源項目，電站的融資和部署得以快速實現(xiàn)，短期內(nèi)西班牙光熱發(fā)電裝機容量獲得跳躍式大幅度增長，總裝機容量長期占據(jù)全球第一。然而近幾年西班牙的發(fā)展已明顯心有余而力不足，一些早前宣布將要建設的光熱電站被迫中止。這其中就包括了裝機容量5萬千瓦的Andasol4光熱電站，Bogaris的兩個5萬千瓦電站，還有4個大約20萬千瓦的光熱電站項目。原因在于因FIT補貼政策造成的國家財政支付危機，迫使西班牙政府2012年取消了對新建光熱電站的電價補貼，對原有電站的輔助燃氣發(fā)電部分也取消了電價補貼，同時加征7%能源稅。

較高的固定FIT補貼機制的缺陷在于難以促進光熱發(fā)電技術的長期發(fā)展和成本的持續(xù)下跌，因為如果現(xiàn)有技術水平已經(jīng)可以保障項目顯著收益率的情況下，開發(fā)商對推動技術革新就不積極。所以西班牙FIT補貼機制未能很好地引導產(chǎn)業(yè)向更低電價成本的方向發(fā)展，2012年底西班牙政府迫于財政危機終止了FIT政策機制。最近西班牙政府宣布或?qū)⒉扇⌒碌难a貼機制，并將對此前FIT政策的實施進行追溯性替代，具體是設定光熱發(fā)電項目回報率大約在7.4%，比政府原先提議的7.5%略低一些。但該政策尚未最終確定。

（二）美國

美國是最早建設太陽能熱發(fā)電站的國家，早在20世紀80年代初，Luz公司就開發(fā)了槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的關鍵部件，并進行了測試。隨后在1983年到1991年的8年間，Luz公司在美國加利福尼亞州Mojave沙漠相繼建成了9座槽式太陽能熱發(fā)電電站SEGSI～SEGSIX，總裝機容量達35.38萬千瓦，并入加州愛迪生電網(wǎng)運營至今，充分證明了光熱發(fā)電無論是商業(yè)化還是技術上都是可行的。隨著全球裝機容量最大的光熱電站Ivanpah電站正式投運，截至2014年3月底，美國已投產(chǎn)光熱發(fā)電總裝機容量達到143.5萬千瓦，居全球第二。美國可再生能源咨詢公司BernardChabot日前發(fā)布一份最新關于加州可再生能源的分析報告，報告顯示2014年5月份光熱發(fā)電滿足了加州電力需求的0.6%。

1.電價政策

美國在光熱發(fā)電政策方面比較特殊，不采用項目招標方式來開發(fā)光熱電站項目，也不像西班牙那樣有明確的統(tǒng)一的上網(wǎng)電價激勵政策，而是通過對光熱電站的融資推行貸款擔保制度、聯(lián)邦投資稅收抵免（ITC）及可再生能源配額制政策。如美國聯(lián)邦能源投資稅收抵免政策對太陽能電站建設成本給予最高30%的稅收優(yōu)惠，并使這一計劃的有效期持續(xù)8年，到2016年年底到期。

2.政策解析

到目前為止，美國能源部的貸款擔保計劃共支持了5個光熱發(fā)電項目，總計獲支持額度為58.35億美元，總支持裝機容量達128.2萬千瓦。Solana槽式電站與Ivanpah塔式電站就分別得到美國能源部14.46億美元和16億美元的貸款擔保。這些貸款擔保計劃為后續(xù)大規(guī)模意義重大的光熱發(fā)電項目樹立成功的融資案例。貸款擔保計劃既可降低投資風險，使項目得以完成，又可加快新興技術盡快進入商業(yè)化進程。但是想要得到貸款擔保支持很難，只有少量具有重大意義的才能獲得貸款擔保支持。同時貸款擔保計劃也存在無法追回債務的風險，2011年光伏創(chuàng)新企業(yè)Solyndra的破產(chǎn)導致美國能源部5億多美元債務無法追回，從而導致可再生能源項目的貸款擔保支持計劃當年被迫中止。30%投資稅收抵免的ITC政策也即將于2016年到期，這都將給如火如荼的的美國光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來不確定性因素。

中國光熱發(fā)電形勢政策分析

和國外相比，雖然缺乏有效的激勵政策，中國的光熱發(fā)電市場尚未啟動、投資前景不甚明朗，然而在國家發(fā)展新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的框架下，隨著可再生能源配額制的實施，幾大發(fā)電集團及數(shù)個民營企業(yè)已開始布局，數(shù)個數(shù)十兆瓦級的商業(yè)化光熱發(fā)電項目在西北、西南地區(qū)相繼確立。目前國內(nèi)已基本可生產(chǎn)太陽能熱發(fā)電的主要裝備，一些部件具備了商業(yè)化生產(chǎn)條件，太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈初步形成。國家發(fā)改委、國家能源局和國家科技部持續(xù)關注和支持太陽能熱發(fā)電項目。2006年科技部頒布實施的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》、2007年國家發(fā)展與改革委員會頒布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》和2011年國家能源局頒布的《國家能源科技“十二五”規(guī)劃》中均把太陽能熱發(fā)電明確列為重點和優(yōu)先發(fā)展方向。但是國內(nèi)光熱發(fā)電的商業(yè)化進程還顯得滯后。目前國內(nèi)已建成投產(chǎn)的總裝機量只有區(qū)區(qū)十幾兆瓦，加上在建的也沒有達到10萬千瓦，遠遠沒有達到《太陽能熱發(fā)電“十二五”規(guī)劃》要求的100萬千瓦。究其原因，大致可歸于：①電價政策遲遲未能出臺，投資收益無保障，無法實質(zhì)深入推進；②各大央企欲在光熱發(fā)電市場爆發(fā)之前搶先圈占資源；③項目實施面臨的技術等各方面的困難遠遠大于規(guī)劃之初的設想，難以按預期推進。

在光熱發(fā)電政策方面，應認真反思美國、西班牙及印度等光熱發(fā)電政策教訓，西班牙FIT電價政策和美國的能源投資稅收抵免、貸款擔保等政策應有效結(jié)合起來，同時避免印度那樣設置過低的上限電價導致的無序競爭，這樣可更大程度上有利于促進發(fā)展光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)。因此不要只選擇其中一種方式，F(xiàn)IT和貸款擔保都是推進光熱發(fā)電發(fā)展的不錯手段。貸款擔?？梢院芎玫卮龠M項目前期快速啟動，F(xiàn)IT可以在投產(chǎn)后保障該項目收益率。但是FIT應該設置在合理的標準之上，需要考慮行業(yè)遠期發(fā)展目標，符合市場預期并引導其向更好的方向發(fā)展。貸款擔保政策則需要謹慎評估項目的風險性，避免類似美國能源部無法追回債務的風險。

自從上世紀80年代全球第一座光熱電站美國SEGS電站投產(chǎn)開始，光熱發(fā)電發(fā)展至今已有30多年，技術依然有較大創(chuàng)新優(yōu)化空間，LCOE（每度電成本）也有大幅度的下降幅度。光熱發(fā)電作為一種政策導向型產(chǎn)業(yè)，應基于中國實際情況，制定發(fā)展光熱發(fā)電本土化政策，對中國光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的長期有序發(fā)展無疑具有決定性作用。