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国家宏观政策
公用事业规模的光伏发电成本极其低廉,仅次于陆上风电。光伏发电的度电成本上限为43~53 美元/MWh。太阳能发电增长了3000 万t油当量,仅低于风电(3200 万t 油当量),并贡献了超过40% 的可再生能源增长。图3 为2018年全球各类能源的消费情况,从图中可看出,在全球范围内,亚太地区的可再生能源发展最快,其中中国的贡献最大。我国在宏观政策层面对可再生能源的支持力度是不言而喻的。
能源生产与消费革命
自2015 年起,可再生能源的新增装机量首次超过化石能源的新增装机量,且可再生能源装机量超过了所有化石能源发电的装机量总和,全球电力系统发生了结构性转变。由于太阳能资源的广泛性,其在我国电力结构中具有举足轻重的地位。图4 为我国电力结构中各种能源贡献的现状和发展态势,从图中可知,未来太阳能的贡献最大。
其他可再生能源电力的联合发展
太阳能热发电系统由于带有储能装置,因此其可与风电和光伏发电组合,以增加可再生能源电力的上网比例。
根据中国电力科学研究院新能源研究所的研究成果,风电和光伏发电与太阳能热发电相结合的发电方式,可显著降低电站的弃风、弃光率。表2 为电力系统中弃风、弃光率,以及太阳能热发电站与风电和光伏发电结合后的弃风、弃光情况。从表中的数据可以看出,当400 MW 的风电装机量与200 MW 的光伏发电装机量及50 MW的太阳能热发电装机量相配合时,其外送通道容量占比较单一的风电或光伏电站有大幅提高,弃风、弃光率也有大幅下降。
目前,全球已实施和正在实施的“光伏发电+ 太阳能热发电”项目中,摩洛哥总装机量为580 MW 的Noor Ouarzazate 项目为全球最大。该项目的第1 期Noor 1 槽式太阳能热发电站(160MW) 已于2016 年开始运行,第2 期 Noor 2 槽式太阳能热发电站(200 MW) 及第3 期Noor 3 的塔式太阳能热发电站(150 MW) 先后于2018 年并网。
摩洛哥Noor Midelt“光伏发电+ 太阳能热发电”项目的第1 期总装机量为825 MW,其中包含300 MW 的太阳能热发电及525 MW 的光伏发电。Noor Midelt 项目的第2 期也同样将采用此发电形式,并已于2019 年7 月9 日发布了招标公告,Noor Midelt 项目两期的总装机量高达1030 MW。
迪拜太阳能主题公园项目由迪拜水电局(DEWA) 实施,总投资达33 亿美元。该项目的电量结构采用“光伏发电+ 太阳能热发电”方案,总装机量为1100 MW,其中包括1 座100 MW的塔式太阳能热发电站和3 座200 MW 的槽式太阳能热发电站,太阳能热发电总装机量为700MW,每座太阳能热发电站均配置11~15 h 的储热系统。在电量结构中,太阳能热发电的占比为88%,光伏发电的占比为12%。电价体现了太阳能热发电的储能调峰优势和价值:在为期7 个月的夏季时间段的10:00~16:00,购电方收购的太阳能热发电电价为29 美元/MWh,在其他时间段的电价为92 美元/MWh。
鲁能集团实施的海西州多能互补集成优化示范工程是国家能源局于2017 年1 月25 日公布的首批23 个多能互补集成优化示范工程之一[8]。该项目包括50 MW的太阳能热发电、200 MW的光伏发电、400 MW 的风电及50 MWh 的磷酸铁锂电池储能电站,项目已于2019 年9 月全部完成。
该项目中采用的技术可对风电、光伏发电、太阳能热发电、储电等组合方案进行实时柔性控制和智能调控,能最大限度地减少弃光、弃风率。华源电力有限公司、绿巨人新能源有限公司和张北县瑞凯新能源有限公司共同实施开发的张家口张北县风光热储输多能互补集成优化示范项目也属于国家能源局的首批多能互补集成优化示范工程之一,工程总装机量为475 MW,包括50MW 的太阳能热发电、250 MW 的光伏发电及25MWh 的蓄电池储能电站。
与自身产业链建设的关系
随着2016 年我国启动太阳能热发电示范项目建设,太阳能热发电产业链逐步形成,截至目前,该产业链已经成熟。图5 和图6 为民营企业、央企和国企在太阳能热发电产业链上的分布情况。从图中可以看出,我国各类企业侧重点不同,但民企、央企和国企的结合构成了我国太阳能热发电产业完整的产业链,这个链条为我国的太阳能热发电产业发展提供了至关重要的基础,是国家启动首批太阳能热发电示范项目的重大成果。未来在更多项目的拉动下,在这些已经形成的基础上,我国太阳能热发电产业的发展会更加迅猛,会使度电成本下幅度更大。镜场在太阳能热发电站投资中的占比近50%,因此未来太阳能热发电站度电成本下降的突破口在于聚光器的总体设计,主要包括降低用钢量和降低传动成本两方面。
能源的梯级利用带来的效率和成本优化
将太阳能热发电的余热用于采暖及海水淡化可大幅提高太阳能热发电系统的综合能源利用效率。将我国采暖负荷区与太阳能资源情况进行对比可以发现,太阳能资源丰富地区一般也是冬季需要进行采暖的地区。
在太阳能海水淡化方面包括太阳能热发电的电水联产,美国能源部(DOE) 启动了 2100 万美元的科技项目支持太阳能海水淡化,旨在加快太阳能热发电海水淡化技术的创新突破,降低海水淡化的成本,将大容量、低盐度的海水淡化处理成本降至0.5 美元/m3。项目的具体内容包括4 方面:
1) 太阳能热发电海水淡化技术创新;
2) 低成本的;太阳热能收集和存储技术;
3) 集成的太阳能热发电海水淡化系统;
4) 太阳能热发电海水淡化过程中分析工具的开发。以上研究对推动太阳能热发电的电水联产技术进步有明显推动作用。
06结论
通过首批太阳能热发电示范项目的建设,我国建立了太阳能热发电的全产业链。然而由于逾期投产的示范项目将实施的电价政策,以及国家对于太阳能热发电产业的后续支持政策一直悬而未决,导致整个太阳能热发电产业处于“沉寂”状态,2019 年成为我国太阳能热发电产业发展的低迷期。我们期待在多方因素驱动下,关于太阳能热发电产业发展的相关规划、政策能够逐步明晰;如果相关激励政策出台,2022 年将是我国太阳能热发电大规模产业化发展的起始年。
未来非水可再生能源发电装机量占高比例的电力系统必须要有更多可靠、灵活的电源和储能电站提供电力保障。太阳能热发电是集发电和储能为一体的可再生能源发电方式,其可与风电和光伏发电组合,以解决目前大规模风电和光伏发电并网带来的消纳和安全运行问题。希望政府相关职能部门能够关注太阳能热发电的电力品质,充分发挥太阳能热发电站作为调峰电源且兼具储能功能的优势,尽快出台相关的支持政策。
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