太阳能热发电系列19——太阳能热发电发展面临的挑战及对策
昨天和大家分享了太阳能热发电系列的第十八部分：太阳能热发电站全生命周期碳排放
今天和大家分享第十九部分：太阳能热发电发展面临的挑战及对策
太阳能热发电易于配置大容量、长周期、更安全低碳的储能系统，且采用常规汽轮发电机组，系统具有转动惯量和电网同步机特性，是一种灵活性调节电源，非常符合当前高比例不稳定可再生能源电源并网情境下电网安全稳定运行对快速调峰电源的迫切需要，能够为构建新能源为主体的新型电力系统奠定安全稳定的基础。
目前太阳能热发电大规模发展面临的最主要的障碍是一次投资过大、发电成本相对较高。如何降低太阳能热发电成本是产业进一步发展面临的重大挑战。
美国能源部在其官网公开表示，降低太阳能成本对于加快部署并实现美国拜登 - 哈里斯政府到 2035 年实现 100％清洁电力的气候目标至关重要。
根据国际能源署（IEA）曾公布的一种计算可再生能源系统发电成本的简化公式：
总投资、运维费用和电站年净发电量（年发电量减去厂用电量）是关键指标。降低太阳能热发电站的总投资和运维费用，同时提高太阳能热发电站的年净发电量是降低太阳能热发电成本的有效途径。
初始投资成本的降低可通过各子系统和关键部件的成本来实现。太阳能热发电站的年发电量与系统年均效率、投射在镜场上的年太阳直射辐照量相关，在相同的太阳辐照条件下，系统年均效率越高，电站的年发电量就越多。年净发电量的提高可通过提高系统效率，降低厂用电来实现。
1、降低总投资和运维成本
在太阳能热发电站总投资中，聚光、吸热和储热系统成本所占比例较高。在塔式电站中，设备购置费约占总投资的 73%，安装费约占 12%，建筑工程约占 9%，其他约占 6%。
太阳能热发电设备购置部分成本下降途径：
根据国际经验，技术进步对太阳能热发电成本降低的贡献率约 42%，规模化的贡献率约 37%，批量生产的贡献率约 21%。
据我国企业的测算，在理想情况下，由于规模化发展带来的电站总投资整体下降可达 18.42~27.56%。
通过分析西班牙 PS10 和 PS20 塔式电站（这两座电站采用了同样的技术，只是容量不同，PS10 为 10MW，PS20 为 20MW）发现：电站容量大小和单位投资成本有一定关系。
在同样技术条件下，机组容量越大，单位千瓦投资成本和年运行费用越低；同时，机组容量较大时，机组本身的运行效率明显提高，电站辅助设备及管道系统的效率也较高，则电站综合效率明显提高。然而电站容量的翻倍并不会导致投资成本增长的翻倍。
根据 Kistner 研究，随着电站容量的翻倍，一些部件的相对成本增加的并不多，但有一些却呈现出了规模效应。
当电站容量从 50MW 增加到 100MW 时，下列部件的成本降低甚微：集热场：97.5%；传热介质：92.2%。下列部件的成本降低显著：发电系统：81.1%；电站平衡系统：76.6%；并网：65.0%。
另外，还有一些费用的相对权重在运行期间保持稳定，例如储热系统、土木工程以及用水。
最后， 最能体现规模效应的方面包括项目管理和项目开发，其成本以绝对数值的形式带有固定性。
根据国际可再生能源机构（IRENA）的报告（2018 年），因为没有化石燃料的成本支出，太阳能热发电站的运维成本主要包括两大类：保险（这部分每年的费用约占初始资本支出的 0.5 ～ 1%）和维护（主要包括反射镜清洗和更换）。
因此，国外光热电站业主降低运维费用的方式侧重在维护；对于运营商来说，一种降低维护费用的方法就是采用预测分析工具，另一种方法就是以最小化清洁成本的方式设计电站。
一些新的研究表明，在太阳能热发电站的设计和建设中提前进行良好决策和计划，可持久性地降低其后期的运维成本，从而提高盈利能力。国际上槽式太阳能光热电站平均运维成本约合人民币 0.15~0.211 元 /kWh，塔式光热电站约合人民币 0.211~0.282 元 /kWh。
华北电力大学的一份研究报告指出，如果运维成本下降 20%，塔式、槽式、线菲太阳能热发电站的内部收益率将分别从 12.33%、11.72% 和 11.43 增加至 13.41%、12.79% 和 12.49%。
我国某 50MW 光热电站运行费用大约在 0.05 元 /kWh，主要包括人工成本、检修费用、备品备件费用、外购电、水费、材料费等；其中人工成本占比最高。随着运行经验的提升，预计未来几年运维成本将会显著下降；而且随着装机规模的提高，人工成本上升幅度不大。
2、提高效率
太阳能热发电的基本过程涉及聚光、传热和热功转换等方面，太阳能通过热的形式转换成电能需要经过多个能量转换和传输过程。
从光—热—功转化过程来看，太阳能热发电主要包括以下 3 个过程：
1）光的聚集与转换过程；
2）热量的吸收、蓄存与传递过程；
3）热功转换过程。
熔融盐传热介质太阳能热发电站系统示意图：
而电站的年效率则反映一个电站技术水平的先进程度，太阳能热发电站年效率越高说明太阳能到电能的转化能力越强。太阳能热发电站年效率是一年中太阳能热发电站的发电量与投射至聚光场采光面积上太阳法向直射辐照量之比，其与装机容量、设计点太阳直射辐照度、汽轮机入口参数、蓄热系统容量、年日照时数、辅助能源所占百分比等诸多因素有关。
热力学、传热学、光学、材料学等多个学科以及这些学科的交叉是太阳能热发电技术的理论基础。各能量传递与转换环节的热传递机理及热流特性、光 - 热 - 功转换系统的集成理论和关键材料及技术等是太阳能热发电技术中需要重视和解决的基础问题。
典型太阳能热发电系统各环节效率及能量损失情况：
由图可见，聚光、吸热及热功转换过程是构成系统能量和效率损失的主要部分，约占总损失的 97%，因此提高太阳能热发电效率关键在于提高聚光、吸热及热功转换过程的效率。国内外的研究也大都集中于这两个过程及非稳态条件下的系统热力学循环特性以求得到稳定的运行技术。
在现有熔盐塔式技术路线体系下，通过以下各部分的优化，光电转换效率可提升 12~27%。
工程角度建议的熔盐塔式技术优化项：
3、太阳能热发电技术和产业发展建议
未来，我国太阳能热发电产业需要围绕以下八个部分开展工作：
1）太阳能热发电站集成
摸索太阳能热发电站运行工艺，建立太阳能热发电站设计和运行规范。已建成的太阳能热发电系统在系统运行、系统改进、系统分析方面进行扎实的工作。通过改进，优化系统的安全性和可靠性，提升系统效率，得出运行操作规范、系统设计规范和事故处理大纲。对系统中各设备的参数进行详细分析，提出各个设备技术规格书，总结出一批行业和国家标准。
2）高温集热储热换热
储热是太阳能热发电连续性的一个重要因素。储热问题涉及到材料和热学的耦合，需要对低成本储热材料和系统，具有固有安全性的熔融盐吸热储热系统设计方法等进行研究。
3）聚光器
通过已建成电站数据发现，聚光器成本约占整个光热电站投资的 50%。我国太阳能热发电聚光器的技术指标与国外相比差别不大，单位面积重量等经济指标与国外相比也相差无几。未来应侧重减少溢出损失，提高聚光比等聚光方式探索，以及目前槽式聚光器和塔式定日镜的可靠性改进。
4）吸热器
吸热器种类较多，目前常用的槽式吸热器和塔式吸热器。碟式以及菲涅尔聚光器目前应用较少。吸热器的安全性是吸热器最重要的指标，吸热器每天在高温、非均匀和非稳定热流边界条件下工作，需具备一定的抗疲劳寿命。需要对吸热器的用材以及运行相关的力学和传热特性进行探索，研制固有安全性和长寿命的太阳能吸热器，效率和工作温度均比目前提高。
5）太阳能部件生产线专用设备
太阳能关键部件生产线技术在我国发展缓慢。我国目前在玻璃镜、吸热管、聚光器、专用透平等生产线方面的研究成果还不足以支撑大规模工业化的需要。需要在规模化实践中完善产品的质量控制技术和工艺，建立聚光，吸热和传热部件的生产线和生产工艺。
6）核心材料、装备和系统性能检测平台
开发或研制大型高能流密度测量系统、聚光器聚光精度测量和评价、核心材料和装备可靠性和热性能测试仪器和方法、关键系统性能检测平台等。
7）技术规范和标准
建立太阳能热发电核心材料、装备和系统性能评价的规范和标准。通过对新型聚光形式、聚光系统优化设计、适应于不同形式热发电技术、不同工质类型和运行温度的吸热器技术、储热材料与储热系统、高效热电转化技术等领域持续地研发和关注，推动我国太阳能热发电技术向高参数——高效率——低成本——基础负荷方向发展。
8）超临界二氧化碳太阳能热发电技术
提高吸热器工质温度到 800℃，研究提高颗粒与二氧化碳换热器换热系数的方法，采用超临界二氧化碳做发电工质，高效发电。
免费服务：
（在公众号发送以下关键字可以查看相关系列的内容）
国际碳市场，中国碳市场，碳市场展望，中国碳价调查，碳交易，碳资产，大宗商品碳关税，碳关税专家交流，欧盟碳关税计算，碳减排制度，发达国家碳排放政策，ISO14064-1，碳计量，碳排放，低碳供应链，可持续发展案例，可持续发展调研，循环经济，ESG，钢铁ESG，乡村振兴
CCER制度，CCER项目减排效益测算，林业碳汇，林业碳汇项目开发，碳汇造林方法学，林业碳汇专家交流，绿色金融
碳中和，电力碳中和，水泥碳中和，玻璃碳中和，化工碳中和，钢铁碳中和，电子制造业碳中和，CCUS，氢能，抽水蓄能
智慧园区碳中和，零碳智慧园区案例，华为零碳智慧园区，工业互联网双碳园区，智慧建筑碳中和，商业建筑碳中和，房地产碳评估，智慧交通碳中和，数据中心碳中和
汽车碳中和，汽车行业碳中和，中国乘用车双积分，广东汽车碳足迹，汽车左B柱LCA，汽车白车身LCA，废旧轮胎再生橡胶LCA，新能源汽车人才供需
绿电，绿电专家交流，电价政策，电力市场政策，澳洲电力危机解析，新型储能政策专家交流，户用储能，户用储能成本与收益计算，欧洲户用储能专家交流，国内储能项目进展，虚拟电厂
锂电池，电池回收，动力电池，动力电池发展趋势，动力电池市场回顾，传统车企电动化战略，动力电池全球市场格局，锂电材料专家交流，磷酸铁锂专家交流，磷酸铁，石墨化专家交流，4680、麒麟电池专家交流，电池隔膜行业竞争壁垒，磷酸锰铁锂
付费服务（零碳工厂、零碳园区）：
1、个人和企业层面的碳排放管理、碳资产管理培训
2、上市企业、各类园区的组织层面碳盘查、产品层面碳足迹、碳中和规划、碳配额资产托管、国内外碳信用申请和交易（CCER、林业碳汇、VCS、GS等）
