中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在我國(guó)積極踐行“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略大背景下，新能源領(lǐng)域迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。其中，以風(fēng)電和光伏為代表的可再生能源呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。2種能源形式憑借其清潔無(wú)污染、資源可再生的顯著特性，在推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化的過程中扮演著舉足輕重的角色。然而，風(fēng)電和光伏能源的生產(chǎn)高度依賴于自然條件，如風(fēng)速、風(fēng)向的變化以及日照強(qiáng)度隨時(shí)間的波動(dòng)。這不可避免地導(dǎo)致了電力輸出的間歇性和不穩(wěn)定性問題，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定供電構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
在此背景下，聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電，通常簡(jiǎn)稱為光熱發(fā)電（Concentrating Solar Power, CSP）作為一種創(chuàng)新實(shí)用的新能源方式，逐漸受到業(yè)界關(guān)注。CSP不僅綠色低碳，還是電網(wǎng)友好型電源，兼具調(diào)峰和儲(chǔ)能功能，與風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電形式相得益彰，能有效解決新能源發(fā)電的間歇性問題，為電力系統(tǒng)提供長(zhǎng)周期調(diào)峰能力。在我國(guó)部分地區(qū)，CSP具備作為調(diào)峰和基礎(chǔ)性電源的潛力，是新能源安全可靠替代傳統(tǒng)能源的有效手段，對(duì)于加快構(gòu)建新型能源體系具有重要意義。而熔融鹽以其在高溫下呈液態(tài)的獨(dú)特性質(zhì)，以及穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、換熱難度低等顯著優(yōu)勢(shì)，成為光熱發(fā)電系統(tǒng)中理想的儲(chǔ)能介質(zhì)。熔融鹽能夠在吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的熱能后將其高效存儲(chǔ)，在發(fā)電需求產(chǎn)生時(shí)，將存儲(chǔ)的熱能精準(zhǔn)釋放給工作介質(zhì)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的高效轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，極大地提升了光熱發(fā)電系統(tǒng)的靈活性與可靠性。近年來(lái)，隨著光熱發(fā)電技術(shù)和熔融鹽材料技術(shù)的協(xié)同進(jìn)步，熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯，吸引了眾多科研力量和企業(yè)的投入，推動(dòng)其在塔式、菲涅爾式等光熱發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。通過對(duì)熔融鹽材料組成與性能的優(yōu)化、儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的改進(jìn)以及高效熱交換與管理系統(tǒng)的開發(fā)，不僅使光熱發(fā)電系統(tǒng)的整體性能和經(jīng)濟(jì)性得以提升，還為該技術(shù)在其他領(lǐng)域的拓展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。文章將系統(tǒng)總結(jié)熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在光熱發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用，從發(fā)展概述、工程現(xiàn)狀、與其他儲(chǔ)能方式對(duì)比和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等多方面展開分析，為光熱發(fā)電技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和廣泛商業(yè)化應(yīng)用提供有力的理論支撐與實(shí)踐參考。
熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電概述
● 熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電技術(shù)原理與應(yīng)用
CSP技術(shù)通過聚光集熱裝置將太陽(yáng)輻射能集中到熱能接收器上，加熱熔融鹽儲(chǔ)熱介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量初次轉(zhuǎn)化。加熱后的儲(chǔ)熱介質(zhì)通過熱泵及管道送至換熱系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，完成二次轉(zhuǎn)化。其主要遵循能源轉(zhuǎn)換過程為“光能-熱能-機(jī)械能-電能”的能量轉(zhuǎn)化過程。若有多余的熱能，還可以將其儲(chǔ)存于高溫蓄熱罐內(nèi)，以供發(fā)電系統(tǒng)在夜間使用，從而確保連續(xù)發(fā)電。CSP系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成，包括聚光集熱系統(tǒng)、熱能接受轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、儲(chǔ)蓄熱系統(tǒng)以及熱發(fā)電系統(tǒng)。集熱系統(tǒng)是光熱發(fā)電系統(tǒng)的核心，利用聚光裝置、接收器和跟蹤機(jī)構(gòu)等組件，吸收并轉(zhuǎn)化太陽(yáng)輻射為熱能；聚光系統(tǒng)追蹤太陽(yáng)軌跡，將能量聚焦至吸熱塔頂?shù)奈鼰崞鳎瑢?shí)現(xiàn)太陽(yáng)能聚集；吸熱系統(tǒng)加熱內(nèi)部介質(zhì)，高效轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能為熱能；儲(chǔ)換熱系統(tǒng)儲(chǔ)存熱能，并在需要時(shí)通過熔融鹽與水熱交換產(chǎn)生高溫高壓蒸汽；最終，發(fā)電系統(tǒng)利用蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組生成電能。
熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在CSP系統(tǒng)中扮演著極為關(guān)鍵的角色，其原理與應(yīng)用涉及多方面的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)。
熔融鹽的熱物性
熔融鹽具有獨(dú)特的熱物性，這是其能在儲(chǔ)熱技術(shù)中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。常見的用于儲(chǔ)熱的熔融鹽有硝酸鹽類混合物，如二元硝酸鈉-硝酸鉀（60∶40）混合鹽。其熔點(diǎn)相對(duì)較低，約為220℃，這種混合鹽在光熱發(fā)電中被廣泛應(yīng)用。其具有良好的熱穩(wěn)定性和較高的熱容量，能夠在290～565℃的溫度范圍內(nèi)有效工作。比熱容通常在1.5～2.0J/g/℃范圍內(nèi)，意味著在溫度變化時(shí)能夠吸收或釋放大量的熱量，從而具備較高的儲(chǔ)熱能力。導(dǎo)熱系數(shù)在0.5～0.8W/m/℃，雖然相比一些金屬材料較低，但在儲(chǔ)熱系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu)可以有效彌補(bǔ)這一不足。熱穩(wěn)定性方面，其在一定的溫度范圍內(nèi)（如低于550℃），能夠保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性，減少分解與變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，確保長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定儲(chǔ)熱。
儲(chǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)
（1）儲(chǔ)熱容量設(shè)計(jì)
儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱容量需緊密結(jié)合CSP發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模與發(fā)電時(shí)長(zhǎng)需求確定。以某一典型的100MWCSP電站為例，若要實(shí)現(xiàn)夜間8小時(shí)連續(xù)發(fā)電，根據(jù)電站的發(fā)電功率、熔融鹽的比熱容（取值1.8J/g/℃）以及運(yùn)行溫度范圍（假設(shè)高溫罐500℃，低溫罐250℃），通過能量平衡方程Q=mcΔT（Q為熱量，m為質(zhì)量，c為比熱容，ΔT為溫度變化）計(jì)算可得，儲(chǔ)熱罐總體積為1200～1500m3。在實(shí)際工程中，儲(chǔ)熱容量與發(fā)電功率的比例關(guān)系一般在3～5小時(shí)發(fā)電功率對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱量之間，具體數(shù)值受當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源波動(dòng)、系統(tǒng)成本控制等多種因素影響。
（2）溫度參數(shù)設(shè)計(jì)
儲(chǔ)熱系統(tǒng)的高溫蓄熱罐內(nèi)熔融鹽溫度通常維持在350～500℃，這一溫度范圍的確定是基于大量CSP工程實(shí)踐數(shù)據(jù)總結(jié)以及對(duì)熔融鹽熱物性與蒸汽發(fā)生系統(tǒng)匹配性研究。低溫蓄熱罐溫度一般在250～300℃，是為了保證在儲(chǔ)換熱過程中有足夠的溫差驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)確保熔融鹽在低溫下仍處于液態(tài)且性能穩(wěn)定。
實(shí)際工程中的技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案
（1）腐蝕問題
熔融鹽在高溫下對(duì)金屬材料存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際工程中，常選用不銹鋼316等耐腐蝕材料制作儲(chǔ)罐、管道和換熱器等部件；同時(shí)，采用陶瓷涂層等表面處理技術(shù)增強(qiáng)抗腐蝕能力；此外，還向熔融鹽中添加適量的緩蝕劑，如稀土元素化合物（如鈰、鑭的氧化物等）或一些有機(jī)緩蝕劑。這些緩蝕劑可以吸附在金屬表面，形成一層抑制腐蝕反應(yīng)發(fā)生的鈍化膜。一般來(lái)說(shuō)，緩蝕劑的添加量需根據(jù)具體的熔融鹽體系以及運(yùn)行工況進(jìn)行精確調(diào)配，通常在熔融鹽總質(zhì)量的0.1%～0.5%，就能起到較為明顯的緩蝕效果。
（2）傳熱效率提升挑戰(zhàn)
熔融鹽導(dǎo)熱系數(shù)較低影響傳熱效率。一方面，采用高效換熱器結(jié)構(gòu)，如螺旋纏繞管式換熱器，其傳熱系數(shù)相比傳統(tǒng)換熱器可提高20%～30%。另一方面，在熔融鹽中添加納米顆粒，如納米氧化鋁顆粒，添加量為1%～3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），可使導(dǎo)熱系數(shù)提高10%～20%，從而提升整體傳熱效率，促進(jìn)熱能的高效交換與利用。
● 熔融鹽儲(chǔ)熱的主要介質(zhì)材料
熔融鹽是一種兼具蓄熱與傳熱功能的介質(zhì)，憑借其卓越的性能特征，包括高操作溫度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、較高的比熱容、高效的對(duì)流傳熱特性、低黏度、低的飽和蒸汽壓以及成本效益，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn)，并引發(fā)了廣泛的研究興趣。在熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)領(lǐng)域，該技術(shù)被劃分為顯熱蓄熱與潛熱蓄熱（或稱相變蓄熱）兩大類別，其中顯熱蓄熱技術(shù)因其廣泛的應(yīng)用范圍及較高的技術(shù)成熟度，在太陽(yáng)能發(fā)電等中高溫蓄熱應(yīng)用場(chǎng)景中占據(jù)了主導(dǎo)地位。
在熔融儲(chǔ)熱技術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)前研究的熔融介質(zhì)涵蓋了碳酸鹽、氯化鹽、氟化鹽及硝酸鹽等多種類型，這些介質(zhì)因配比差異而展現(xiàn)出多樣化的特性。各類熔融鹽的熔點(diǎn)范圍寬廣，介于142～854℃之間，普遍遵循硝酸鹽熔點(diǎn)最低、氯化鹽次之、碳酸鹽略高、氟化物最高的規(guī)律。盡管氟化鹽體系具有高熱穩(wěn)定性（常高于700℃），其高熔點(diǎn)特性卻限制了其在熱解反應(yīng)中的應(yīng)用潛力；硝酸鹽則在溫度超過350℃時(shí)易于氧化，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低；氯化鹽熔點(diǎn)差異顯著，尤其是經(jīng)濟(jì)型的KCl和NaCl，其高熔點(diǎn)（大于750℃）成為另一關(guān)注點(diǎn)。
目前，學(xué)術(shù)界已經(jīng)展開了大量的研究工作，研究涉及熔融鹽的種類和配比等。此外，隨著材料科學(xué)和化學(xué)工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型熔融鹽材料的開發(fā)也成了可能。這些新型材料不僅可能具備更高的儲(chǔ)能密度和更優(yōu)的熱穩(wěn)定性，還可能通過降低腐蝕性和提高可回收性，進(jìn)一步降低光熱發(fā)電系統(tǒng)的整體成本。而在眾多光熱電站中，目前普遍采用的是硝酸鹽的混合物作為關(guān)鍵材料，尤其是硝酸鈉與硝酸鉀的組合尤為常見。硝酸鹽憑借其優(yōu)異的物理特性，即較低的熔點(diǎn)與相對(duì)較低的腐蝕性，在熔鹽儲(chǔ)熱材料領(lǐng)域中占據(jù)了顯著地位，成為備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。例如，中電建青海共和實(shí)施的50兆瓦光熱發(fā)電項(xiàng)目所采用的二元熔鹽Solar Salt（由60%硝酸鈉與40%硝酸鉀組成），因其熔點(diǎn)為220℃且最高工作溫度可達(dá)600℃，已成為當(dāng)前眾多光熱發(fā)電站首選的傳熱與儲(chǔ)熱介質(zhì)。
● 熔融鹽儲(chǔ)熱介質(zhì)的存儲(chǔ)方式
熔鹽儲(chǔ)罐在儲(chǔ)熱技術(shù)中至關(guān)重要，儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要分為單罐、雙罐及多罐3類，均依賴熔鹽儲(chǔ)罐為核心設(shè)備。單罐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，雙罐系統(tǒng)通過冷熱熔鹽分離提升效率，多罐系統(tǒng)則提供更大的靈活性和容量。在光熱電站中，根據(jù)實(shí)際需求，可選擇單罐、雙罐或多罐熔鹽系統(tǒng)。每種系統(tǒng)都有其獨(dú)特的運(yùn)作機(jī)制和適用場(chǎng)景，共同推動(dòng)著儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)
單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)通過一個(gè)熔鹽儲(chǔ)罐同時(shí)完成加熱和換熱過程，是一種緊湊且成本效益較高的儲(chǔ)熱方案。該系統(tǒng)在小型或?qū)嶒?yàn)性光熱電站以及特定應(yīng)用場(chǎng)景下，具有占地面積小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的雙罐熔鹽蓄熱系統(tǒng)相比，可降低20%～37%的投資成本。德國(guó)航天航空研究中心（DLR）正開發(fā)一種創(chuàng)新的單罐儲(chǔ)熱技術(shù)，該技術(shù)利用可移動(dòng)的機(jī)械分隔壁，將一個(gè)儲(chǔ)罐巧妙地分隔為兩個(gè)區(qū)域，分別用于存放高溫與低溫熔鹽。這種做法旨在降低熱量的散失，并使整個(gè)控制流程更加簡(jiǎn)便高效。東莞理工學(xué)院則提出了一種熔融鹽斜溫層混合蓄熱單罐系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于斜溫層蓄熱理念，確保高低溫熔融鹽液在同一單罐內(nèi)分隔，增加蓄熱容量并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，并初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效蓄熱量及斜溫層穩(wěn)定性。上海電氣集團(tuán)股份有限公司研發(fā)出一套單罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，并已將其應(yīng)用于實(shí)際的示范項(xiàng)目中。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化了操作流程，同時(shí)，相較于雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，其投資成本顯著降低。單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)也存在一定的局限性，特別是斜溫層問題，這會(huì)導(dǎo)致蓄熱效率降低，影響系統(tǒng)的整體性能。盡管單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)擁有成本低廉和構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，然而，其在蓄熱效率方面的欠缺仍是當(dāng)前面臨的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)障礙。
雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)
雙罐蓄熱技術(shù)已發(fā)展至成熟階段，成為熔融鹽蓄熱中最受歡迎的應(yīng)用形式，其核心構(gòu)成包括高溫熔融鹽儲(chǔ)罐、低溫熔融鹽儲(chǔ)罐、熱交換裝置以及熔融鹽循環(huán)泵等。在光熱電站的儲(chǔ)熱設(shè)計(jì)中，雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)憑借其獨(dú)特的高溫與低溫熔鹽罐分離設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了冷熱熔鹽的高效隔離與管理。這不僅大幅增強(qiáng)了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的效能，還有效減少了儲(chǔ)熱與放熱過程中的技術(shù)挑戰(zhàn)，成功規(guī)避了因罐內(nèi)溫差可能引發(fā)的各類問題。
在雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，低溫熔鹽與高溫熔鹽分別儲(chǔ)存于獨(dú)立的低溫儲(chǔ)熱罐與高溫儲(chǔ)熱罐內(nèi)，確保了冷熱熔鹽的有效隔離與系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為確保系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行及停工期間熔鹽保持熔融狀態(tài)，特別是采用二元鹽的電站，罐內(nèi)熔鹽溫度需維持在凝固點(diǎn)250℃以上，這對(duì)雙罐系統(tǒng)提出了更高要求。盡管當(dāng)前熔鹽儲(chǔ)罐在保溫方面仍面臨熔鹽高溫分解、儲(chǔ)罐腐蝕等挑戰(zhàn)，但雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)憑借高效的儲(chǔ)熱能力和卓越的穩(wěn)定性，在大型或商業(yè)化光熱電站中得到了廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)前大規(guī)模太陽(yáng)能光熱發(fā)電的主流儲(chǔ)熱方法。美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的Crescent Dunes項(xiàng)目和我國(guó)的中電建共和50兆瓦光熱發(fā)電項(xiàng)目等多個(gè)光熱項(xiàng)目均采用了雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)。然而，雙罐系統(tǒng)也伴隨著較高的儲(chǔ)熱介質(zhì)需求和維護(hù)成本的問題。
多罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)
多罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)是在雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步優(yōu)化與創(chuàng)新，通過增加儲(chǔ)罐數(shù)量，顯著提升了系統(tǒng)的儲(chǔ)熱量，從而增強(qiáng)光熱電站的發(fā)電能力和儲(chǔ)能效率。這種系統(tǒng)配置不僅提高了機(jī)組的可靠性和靈活性，還能夠更好地應(yīng)對(duì)光照不足或陰雨天氣等不利條件，確保電站的穩(wěn)定運(yùn)行。我國(guó)哈密50兆瓦熔鹽塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目就首創(chuàng)性地采用了雙熱罐、一冷罐的系統(tǒng)配置，這不僅優(yōu)化了儲(chǔ)熱過程，還提升了電站的整體性能。
● 熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電的主要技術(shù)路線
CSP技術(shù)根據(jù)太陽(yáng)能集熱方式的不同，將發(fā)電系統(tǒng)細(xì)分為塔式、槽式、線性菲涅爾式和蝶式4種類型。其中聚光比是影響發(fā)電效率的關(guān)鍵因素，聚光比越大，集熱溫度越高，系統(tǒng)發(fā)電效率的提升空間也就越大。在這4種類型中，蝶式的聚光比最大，塔式次之，槽式和線性菲涅爾則相對(duì)較低。其中塔式和線性菲涅爾式系統(tǒng)主要采用熔融鹽作為傳熱介質(zhì)，分別采用點(diǎn)聚焦和線聚焦。
截至2023年底，國(guó)家太陽(yáng)能光熱聯(lián)盟對(duì)國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)路線的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國(guó)并網(wǎng)光熱電站中，熔鹽塔式（塔式）占比最高，約為64.9%，導(dǎo)熱油槽式（槽式）占比約26.3%，熔鹽線性菲涅爾式（線性菲涅爾式）占比約8.8%。在兆瓦級(jí)規(guī)模以上光熱發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量中，塔式、槽式和線性菲涅爾式的占比分別為63.1%、25.5%、11.4%。各類太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理因傳熱流體和聚光方式的不同而各有特色。特別是以熔鹽為傳熱介質(zhì)的塔式技術(shù)，因其高效且穩(wěn)定的特點(diǎn)，已成為當(dāng)前太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域的主流技術(shù)。本節(jié)將重點(diǎn)分析采用熔融鹽儲(chǔ)熱的塔式和線性菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)。
塔式光熱發(fā)電是一種高效的集熱式太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。其構(gòu)想最初由蘇聯(lián)的科學(xué)家們提出，并于1950年設(shè)計(jì)并成功建造了全球首座功率達(dá)到50千瓦的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置，這為太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。該技術(shù)利用大型反射鏡-定日鏡，通過精確的光學(xué)設(shè)計(jì)和跟蹤機(jī)構(gòu)，將大面積的陽(yáng)光反射并集中至高塔頂部的接收器，實(shí)現(xiàn)超過1000倍的聚光倍率，從而將太陽(yáng)光能高效轉(zhuǎn)化為熱能。這些熱能隨后傳遞給工質(zhì)，經(jīng)過蓄熱環(huán)節(jié)，最終驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。塔式太陽(yáng)能光熱電站作為集中式光熱發(fā)電系統(tǒng)的代表，主要由聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)以及發(fā)電子系統(tǒng)等多個(gè)部分組成。聚光子系統(tǒng)由眾多定日鏡組成，每臺(tái)定日鏡都配備有先進(jìn)的跟蹤機(jī)構(gòu)，以確保太陽(yáng)光能夠精確反射至接收器。集熱子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將接收器上吸收的熱能傳遞給工質(zhì)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可用于發(fā)電的熱能。蓄熱子系統(tǒng)則用于儲(chǔ)存熱能，以實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)發(fā)電。最后，發(fā)電子系統(tǒng)利用汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為電能，并通過發(fā)電機(jī)輸出電力。塔式光熱發(fā)電被視為太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)未來(lái)進(jìn)步的一個(gè)主要趨勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?。迄今為止，世界各地已有多?guó)及地區(qū)成功建造并正在運(yùn)行多個(gè)塔式光熱發(fā)電站。
以中電工程新疆哈密50兆瓦熔鹽塔式光熱發(fā)電站為例，該電站于2019年12月29日成功并網(wǎng)發(fā)電，成為我國(guó)首批20個(gè)光熱示范項(xiàng)目之一，同時(shí)也是新疆維吾爾自治區(qū)唯一投運(yùn)的光熱發(fā)電項(xiàng)目。該電站共安裝了14500個(gè)定日鏡，每個(gè)定日鏡的面積達(dá)到48m2，通過精確的跟蹤和反射機(jī)制，將太陽(yáng)光高效地集中至接收器上。同時(shí)，該電站還配備了先進(jìn)的熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了晝夜連續(xù)發(fā)電的目標(biāo)。
線性菲涅爾式光熱發(fā)電
線性菲涅爾太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，是太陽(yáng)能光熱發(fā)電領(lǐng)域的一種先進(jìn)技術(shù)，其命名源自法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀·菲涅爾。該系統(tǒng)主要由菲涅爾集熱器、高低溫熔鹽儲(chǔ)罐、蒸汽發(fā)生器及汽輪發(fā)電機(jī)組等關(guān)鍵部件構(gòu)成。如下圖所示，菲涅爾集熱場(chǎng)采用獨(dú)特的雙聚光設(shè)計(jì)，即由一次聚光器和二次聚光器協(xié)同工作，通過精密的自動(dòng)跟蹤機(jī)制，將太陽(yáng)直射輻射高效匯聚至真空吸熱管表面。在此過程中，太陽(yáng)光首先被緊湊布置的多列反射鏡構(gòu)成的類弧面結(jié)構(gòu)所捕獲，并經(jīng)由一次聚光器反射至上方的二次聚光器，最終實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射的雙重聚焦。聚焦后的高強(qiáng)度光熱能量加熱了吸熱管內(nèi)的熔鹽工質(zhì)，這些高溫熔鹽隨后被存儲(chǔ)于高溫熔鹽儲(chǔ)罐中，以備后續(xù)發(fā)電使用。
盡管熔鹽線性菲涅爾技術(shù)在國(guó)際上已有初步應(yīng)用，如西班牙的實(shí)驗(yàn)性電站，但均未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。然而，中國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域取得突破。2024年9月，由中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司玉門新奧新能源有限公司投資，中國(guó)能建中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司EPC總承包的全球裝機(jī)規(guī)模最大的熔鹽線性菲涅爾光熱儲(chǔ)能項(xiàng)目-中核集團(tuán)新華發(fā)電玉門“光熱+”示范項(xiàng)目成功并網(wǎng)發(fā)電。該項(xiàng)目總裝機(jī)容量達(dá)到100兆瓦，是國(guó)內(nèi)首個(gè)“光熱儲(chǔ)能+光伏+風(fēng)電”多能互補(bǔ)項(xiàng)目的全容量投產(chǎn)實(shí)例，總裝機(jī)規(guī)模高達(dá)700兆瓦，年均可提供上網(wǎng)電量約1.735太瓦時(shí)。該項(xiàng)目通過光熱電站、光伏電站和風(fēng)電場(chǎng)的聯(lián)合運(yùn)行，有效解決了可再生能源發(fā)電對(duì)單一資源的過度依賴問題，顯著提升了間歇性可再生能源的供電能力和綜合效益。這一創(chuàng)新性的能源配置方案，為減少新能源棄電問題提供了新的解決路徑。
光熱發(fā)電工程現(xiàn)狀
● 國(guó)外工程現(xiàn)狀
自20世紀(jì)80年代美國(guó)率先在太陽(yáng)二號(hào)（Solar Two）項(xiàng)目中引入熔鹽作為儲(chǔ)熱與傳熱介質(zhì)以來(lái)，該技術(shù)已成為光熱發(fā)電領(lǐng)域的一大創(chuàng)新亮點(diǎn)，并在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用與驗(yàn)證。從全球范圍來(lái)看，熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用已呈現(xiàn)出多元化的趨勢(shì)。截至2023年底，全球光熱發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量中，槽式技術(shù)占比高達(dá)75.5%，顯示出其在該領(lǐng)域的主導(dǎo)地位；塔式技術(shù)占比約為20.9%，在特定應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用；而線性菲涅爾式技術(shù)則占比3.6%，雖然份額相對(duì)較小，但其獨(dú)特的聚光與儲(chǔ)熱機(jī)制也為光熱發(fā)電領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能。
↑ 國(guó)外典型光熱電站案例
如上表所示，全球光熱發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展格局呈現(xiàn)出顯著的多元化特征，歐美、中東及非洲等地區(qū)成為其主要發(fā)展陣地。追溯歷史，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的理論框架最早由蘇聯(lián)科學(xué)家提出，并于1950年成功設(shè)計(jì)實(shí)施了全球首座50千瓦規(guī)模的實(shí)驗(yàn)性塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置。隨后，法國(guó)在1976年實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的重要跨越，不僅建成并運(yùn)行了64千瓦的同類裝置，還同步完成了全球首座100千瓦功率的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。1982年，美國(guó)成功建設(shè)了“Solar One”塔式太陽(yáng)能電站。1996年，基于“Solar One”的經(jīng)驗(yàn)，建成了“Solar Two”塔式電站，并創(chuàng)新性地將傳熱介質(zhì)由水改為硝酸鹽。該電站配備了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，并成功運(yùn)行至1999年。其間，“Solar Two”首次應(yīng)用熔鹽技術(shù)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，有力推動(dòng)了太陽(yáng)能塔式光熱電站的商業(yè)化進(jìn)程。進(jìn)入21世紀(jì)，Ivanpah電站于2014年正式投入商業(yè)運(yùn)行，作為目前全球最大的塔式太陽(yáng)能電站，其總裝機(jī)容量高達(dá)392兆瓦，由美國(guó)Bright Source、Google及NRG公司聯(lián)合打造。2007年，西班牙設(shè)計(jì)建造了裝機(jī)容量為11兆瓦PS10塔式光熱電站，該電站是歐洲首座商業(yè)化塔式電站。2013年，PS20太陽(yáng)能塔式電站在PSl0電站的基礎(chǔ)上建造完成。近年來(lái)，拉丁美洲也迎來(lái)了光熱發(fā)電領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，2021年，智利北部阿塔卡馬沙漠的Cerro Dominador塔式光熱發(fā)電站成功并網(wǎng)，成為該地區(qū)首個(gè)光熱發(fā)電項(xiàng)目，總投資額高達(dá)10億美元。
● 國(guó)內(nèi)工程現(xiàn)狀
熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電技術(shù)作為太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域的重要組成部分，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到了快速發(fā)展，但相較于國(guó)際先進(jìn)水平，其仍處于起步階段，建設(shè)及應(yīng)用規(guī)模相對(duì)較小。截至2023年底，我國(guó)并網(wǎng)運(yùn)行的光熱電站主要仍為國(guó)家能源局首批太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目，這一現(xiàn)狀凸顯了我國(guó)在熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電領(lǐng)域仍處于探索與示范階段。
↑ 近年來(lái)光熱發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量及預(yù)測(cè)
如上圖所示，截至2023年底，我國(guó)兆瓦級(jí)規(guī)模以上光熱發(fā)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)588兆瓦，其中并網(wǎng)容量為570兆瓦，涉及11座電站，主要以熔融鹽為儲(chǔ)熱介質(zhì)，最大裝機(jī)100兆瓦，最小10兆瓦。盡管已有一定規(guī)模，但與傳統(tǒng)能源和光伏發(fā)電相比，熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電規(guī)模仍較小，難以滿足大規(guī)模商業(yè)化需求。然而，截至2024年10月6日，我國(guó)太陽(yáng)能光熱發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模已增至688兆瓦，且在建項(xiàng)目達(dá)31個(gè)，總裝機(jī)容量約2.9吉瓦，顯示出光熱發(fā)電領(lǐng)域的快速發(fā)展勢(shì)頭。這表明我國(guó)光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在加速擴(kuò)張，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的應(yīng)用與發(fā)展。
值得注意的是，自2018－2023年，中國(guó)光電發(fā)熱項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)容量穩(wěn)步攀升，這主要?dú)w因于首批示范項(xiàng)目的成功并網(wǎng)發(fā)電，而非大量新增項(xiàng)目的快速推進(jìn)。2023年，我國(guó)光熱發(fā)電機(jī)組未出現(xiàn)新增并網(wǎng)現(xiàn)象，揭示了熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電領(lǐng)域存在的技術(shù)障礙、高昂成本及市場(chǎng)需求疲軟等挑戰(zhàn)。然而，據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，至2024年底，中國(guó)光熱發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量有望增至3.948吉瓦，預(yù)示著2022－2024年間，光熱發(fā)電年均復(fù)合增速或高達(dá)159%。此外，預(yù)計(jì)到2030年，中國(guó)的光熱發(fā)電裝機(jī)容量有望實(shí)現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，達(dá)到約10吉瓦的里程碑。而根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的權(quán)威預(yù)測(cè)，這一增長(zhǎng)趨勢(shì)將持續(xù)加速，到2030年，中國(guó)光熱發(fā)電市場(chǎng)的裝機(jī)容量或?qū)⑴噬?9吉瓦；至2040年，該數(shù)字將翻倍至88吉瓦；而在2050年，中國(guó)光熱發(fā)電的總裝機(jī)容量有望達(dá)到118吉瓦。
據(jù)國(guó)家太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2023年底，我國(guó)各省市自治區(qū)范圍內(nèi)正在建設(shè)及計(jì)劃建設(shè)（已納入政府項(xiàng)目清單）的光熱發(fā)電項(xiàng)目共計(jì)約43個(gè)，總裝機(jī)容量高達(dá)4.8吉瓦。這些項(xiàng)目的投資主體涵蓋了眾多企業(yè)，包括國(guó)家能源集團(tuán)、國(guó)家電力投資集團(tuán)、中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)、中國(guó)三峽集團(tuán)、中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)以及中國(guó)廣核集團(tuán)等。截至2023年底，我國(guó)在運(yùn)光電發(fā)熱項(xiàng)目如下表所示。
↑ 截至2023年底我國(guó)在運(yùn)光熱發(fā)電項(xiàng)目（熔融鹽儲(chǔ)熱介質(zhì)）
從在運(yùn)光熱發(fā)電項(xiàng)目的情況來(lái)看，我國(guó)光電項(xiàng)目裝機(jī)容量普遍較小，最大規(guī)模僅為100兆瓦。這一現(xiàn)狀限制了熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電技術(shù)在電網(wǎng)中的調(diào)度能力和儲(chǔ)能效率，也影響了其在大規(guī)模應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。此外，由于熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電技術(shù)涉及高溫熔融鹽材料的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和循環(huán)利用等多個(gè)環(huán)節(jié)，其技術(shù)復(fù)雜性和安全風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較高，需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和安全管理。
從分布區(qū)域來(lái)看，我國(guó)在運(yùn)光熱發(fā)電項(xiàng)目主要分布在青海、甘肅、新疆等光熱資源優(yōu)異的地區(qū)。這些地區(qū)擁有豐富的太陽(yáng)能資源，布局了大量集中式光伏電站，但由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、水資源等條件的限制，急需配備儲(chǔ)能項(xiàng)目以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在此背景下，熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電項(xiàng)目因其高效、穩(wěn)定、環(huán)保等特點(diǎn)，成為這些地區(qū)最適合的儲(chǔ)能方式之一。然而，由于技術(shù)、成本和市場(chǎng)等方面的限制，目前熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電項(xiàng)目在這些地區(qū)的推廣和應(yīng)用仍面臨諸多困難。
● 典型熔融鹽光熱發(fā)電電站
美國(guó)新月沙丘光熱電站
美國(guó)新月沙丘光熱電站（Crescent Dunes CSP project）是全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)百兆瓦級(jí)規(guī)模、采用熔鹽作為傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)的塔式光熱電站，其裝機(jī)容量高達(dá)110兆瓦。該電站位于美國(guó)內(nèi)華達(dá)州托諾帕附近，距離拉斯維加斯西北部約225公里，總占地面積達(dá)到1600英畝，是當(dāng)時(shí)全球最大的塔式熔鹽電站。新月沙丘光熱電站的建設(shè)得到了美國(guó)能源部的大力支持，獲得了7.37億美元的貸款擔(dān)保，總投資額約為10億美元。電站于2015年正式投入商業(yè)化運(yùn)行，并與內(nèi)華達(dá)州NVEnergy能源公司簽訂了為期25年的購(gòu)售電協(xié)議，價(jià)格定為0.135美元/千瓦時(shí)。
然而，盡管作為開拓性的能源技術(shù)項(xiàng)目備受矚目，新月沙丘光熱電站也經(jīng)歷了不少波折，甚至一度停運(yùn)。目前，該電站采取了一種特殊的運(yùn)行模式，即在白天收集太陽(yáng)能熱量并將其儲(chǔ)存在熔鹽儲(chǔ)罐中，然后在晚上利用這些熱量發(fā)電上網(wǎng)。這種運(yùn)行模式不僅確保了電站的穩(wěn)定運(yùn)行，也充分利用了熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了熱能的高效利用和存儲(chǔ)。
青海中控德令哈10兆瓦光熱電站
青海中控德令哈10兆瓦塔式光熱電站位于青海省海西州德令哈市，是我國(guó)首座商業(yè)化運(yùn)營(yíng)且具備規(guī)?；瘍?chǔ)能系統(tǒng)的光熱電站，同時(shí)也是全球第三座投運(yùn)的具備規(guī)模化儲(chǔ)能系統(tǒng)的塔式光熱電站，見下圖。該電站裝機(jī)規(guī)模為10兆瓦，采用塔式熔鹽技術(shù)路線，鏡場(chǎng)由21500臺(tái)2m2和1000臺(tái)20m2的定日鏡組成，采光面積達(dá)63000m2。
甘肅玉門100兆瓦光熱電站
中核集團(tuán)新華發(fā)電玉門“光熱+”示范項(xiàng)目（100兆瓦）于2024年9月20日成功并網(wǎng)發(fā)電，這是全球裝機(jī)規(guī)模最大的熔鹽線性菲涅爾光熱儲(chǔ)能項(xiàng)目，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)首個(gè)“光熱儲(chǔ)能+光伏+風(fēng)電”綜合能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全容量投產(chǎn)。該項(xiàng)目位于甘肅省玉門市，總裝機(jī)容量700兆瓦，年發(fā)電量約1.735太瓦時(shí)，系國(guó)家首批“沙戈荒”大型風(fēng)光基地配套項(xiàng)目及甘肅省首批“光熱+”一體化示范項(xiàng)目之一，亦為中核集團(tuán)首個(gè)同類示范項(xiàng)目。
該項(xiàng)目采用熔鹽線性菲涅爾技術(shù)，通過動(dòng)態(tài)跟蹤的一次反射鏡與二次反射鏡系統(tǒng)，高效聚集太陽(yáng)輻射至真空集熱管，加熱吸熱流體，驅(qū)動(dòng)熱力循環(huán)發(fā)電。該方案有效融合了光熱、光伏與風(fēng)電，解決了單一資源依賴問題，顯著提升了間歇性可再生能源的發(fā)電效率與綜合效益，為減少新能源棄電提供了創(chuàng)新路徑。該項(xiàng)目的成功實(shí)施，對(duì)于構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)具有重要的技術(shù)示范與實(shí)踐意義，展現(xiàn)了熔鹽線性菲涅爾光熱儲(chǔ)能技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
● 成本分析
太陽(yáng)能光熱電站的成本構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜，涵蓋了從建設(shè)到運(yùn)營(yíng)的多方面因素，塔式光熱電站即為典型。其成本主要包括電站建造成本、日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本、與年發(fā)電量直接相關(guān)的成本、財(cái)務(wù)成本以及稅金等。在這些成本中，電站的建造成本起到了決定性的作用，包括集熱系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)、熱力發(fā)電系統(tǒng)及配套公輔設(shè)施等各項(xiàng)開支。尤其是設(shè)備購(gòu)置成本占據(jù)了建造成本的很大比例，特別是聚光集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)等高技術(shù)含量設(shè)備的采購(gòu)，這些設(shè)備不僅技術(shù)門檻高，而且需要大面積的土地資源用于安裝布置，這進(jìn)一步增加了初始投資費(fèi)用。聚光系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、儲(chǔ)換熱系統(tǒng)（包括儲(chǔ)熱系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)）的投資占整個(gè)電站投資的近70%，這表明這些系統(tǒng)在決定電站成本中的主導(dǎo)地位。此外，電站規(guī)模對(duì)單位千瓦投資成本也有顯著影響。當(dāng)光熱電站裝機(jī)規(guī)模由100兆瓦增加至200兆瓦時(shí)，單位千瓦投資成本下降明顯，這是由于規(guī)模效應(yīng)帶來(lái)的成本攤薄效應(yīng)。然而，當(dāng)裝機(jī)規(guī)模進(jìn)一步由200兆瓦上升到300兆瓦時(shí)，單位千瓦投資成本下降不再明顯，這主要是由于采用了雙塔一機(jī)配置，增加了吸熱系統(tǒng)部分的單位投資以及增設(shè)了兩塔之間的并鹽管道等額外投資。
在運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本方面，塔式光熱電站的運(yùn)行成本包括人員成本、補(bǔ)燃系統(tǒng)燃料成本、鏡面清理用水成本及冷凝器冷卻成本等。這些成本隨著電站規(guī)模的增加而逐漸降低，尤其是太陽(yáng)能輻照條件好的大型電站，其運(yùn)維成本甚至可以降低一半。然而，盡管運(yùn)維成本隨著規(guī)模增加而降低，但初始投資成本仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致光熱電站的度電成本相對(duì)較高。
熔融鹽作為光熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵儲(chǔ)熱介質(zhì)，其性能直接影響系統(tǒng)的效率和成本。高溫熔融鹽對(duì)管道與儲(chǔ)熱罐內(nèi)部存在一定的腐蝕，因此對(duì)材料要求比較高，這增加了熔融鹽系統(tǒng)的成本。同時(shí)，熔融鹽的購(gòu)置成本占據(jù)了建造成本的很大比例，尤其是聚光集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)等高技術(shù)含量設(shè)備的采購(gòu)。在光熱電站的總成本中，熔融鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)占據(jù)了相當(dāng)一部分比例。例如，100兆瓦規(guī)模熔鹽塔式光熱電站的單位千瓦投資成本約為1.72萬(wàn)元/千瓦，而整個(gè)電站的單位千瓦投資成本在2.5萬(wàn)元～3.5萬(wàn)元之間。根據(jù)《中國(guó)可再生能源工程造價(jià)管理報(bào)告2023年度》的預(yù)測(cè)，2030年熔鹽儲(chǔ)能單位功率投資約為240元/千瓦，儲(chǔ)能單位容量投資約為200元/千瓦時(shí)。
根據(jù)可勝技術(shù)在青海省德令哈市的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，模擬采用雙塔一機(jī)配置、裝機(jī)容量300兆瓦的塔式光熱電站度電成本約為0.6981元/千瓦時(shí)。與100兆瓦規(guī)模電站相比，300兆瓦規(guī)模電站的度電成本下降了17.7%。這主要得益于單機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大帶來(lái)的汽輪機(jī)額定效率提高和廠用電率下降，從而顯著提升了電站的上網(wǎng)電量和經(jīng)濟(jì)效益。然而，與國(guó)際可再生能源署（IRENA）2023年發(fā)布的報(bào)告相比，如表3所示，光熱發(fā)電路線的總裝機(jī)成本和度電成本仍然高達(dá)6589美元/千瓦和0.117美元/千瓦時(shí)，遠(yuǎn)高于同期的光伏、風(fēng)電和水電的相關(guān)成本。這主要是由于光熱電站的初始投資成本過高，尤其是大面積的聚光系統(tǒng)和吸熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)成本占比過大，導(dǎo)致整個(gè)電站的成本居高不下。
↑ 不同發(fā)電方式成本比較
盡管光熱發(fā)電項(xiàng)目在成本上相較于光伏發(fā)電等新能源形式仍偏高，但與早期項(xiàng)目相比，其單位造價(jià)已顯著降低。國(guó)際可再生能源署的報(bào)告指出，自2010年以來(lái)，光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本已下降約70%。
《中國(guó)可再生能源工程造價(jià)管理報(bào)告2023年度》顯示，2023年光熱項(xiàng)目的單位千瓦總投資平均約為1.85萬(wàn)元/千瓦，波動(dòng)范圍在1.35萬(wàn)元/千瓦～2.3萬(wàn)元/千瓦之間。在相同條件下，熔鹽塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目的造價(jià)更具優(yōu)勢(shì)，100兆瓦規(guī)模的熔鹽塔式、導(dǎo)熱油槽式及熔鹽線性菲涅爾式的單位千瓦總投資分別約為1.72萬(wàn)元/千瓦、2.1萬(wàn)元/千瓦及2.3萬(wàn)元/千瓦。值得注意的是，裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大有助于降低項(xiàng)目總體單位造價(jià)。當(dāng)裝機(jī)規(guī)模從100兆瓦增至200兆瓦時(shí)，單位造價(jià)明顯下降；然而，當(dāng)規(guī)模增至300兆瓦時(shí)，由于需采用“雙塔一機(jī)”配置，增加了吸熱系統(tǒng)和并鹽管道等投資，造價(jià)水平與200兆瓦項(xiàng)目基本持平。相關(guān)研究表明，光熱發(fā)電領(lǐng)域正處于規(guī)?；瘮U(kuò)展與技術(shù)迅猛發(fā)展的階段。隨著生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大帶來(lái)的成本降低以及發(fā)電效率的不斷提升，采用熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)的光熱發(fā)電的度電成本預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)進(jìn)一步下降趨勢(shì)。至2026年，塔式光熱電站的度電成本有望進(jìn)一步優(yōu)化至0.5287～0.5312元/千瓦時(shí)（含運(yùn)維優(yōu)化成本）。2040－2050年，光熱發(fā)電的度電成本預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)顯著削減，降至0.35～0.45元/千瓦時(shí)區(qū)間內(nèi)。
熔融鹽儲(chǔ)熱與其他儲(chǔ)能方式對(duì)比
熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)是光熱發(fā)電領(lǐng)域的主流儲(chǔ)熱技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)光熱發(fā)電的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。隨著全球光熱發(fā)電市場(chǎng)的快速發(fā)展，熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的市場(chǎng)需求將持續(xù)增長(zhǎng)。熔融鹽儲(chǔ)熱作為熱儲(chǔ)能的一種，相較于機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電儲(chǔ)能，其獨(dú)特之處在于利用熔融鹽的高熱穩(wěn)定性和高比熱容特性，能夠在中高溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效、大規(guī)模的熱能儲(chǔ)存與釋放，尤其適用于光熱發(fā)電、工業(yè)余熱回收等領(lǐng)域，具有成本低、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。相較于其他儲(chǔ)能技術(shù)，如抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能等，熔融鹽儲(chǔ)熱在很多方面也表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。盡管其初始投資規(guī)模較大，且應(yīng)用受限于特定的熱能發(fā)電場(chǎng)景，無(wú)法直接儲(chǔ)存電能，需要完成“電能-熱能-電能”的轉(zhuǎn)換，效率相對(duì)較低，但其在熱能儲(chǔ)存領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)仍不容忽視。與電化學(xué)儲(chǔ)能相比，熔融鹽儲(chǔ)熱的成本更低；同時(shí)，熔融鹽儲(chǔ)熱還支持從幾十兆瓦到更大規(guī)模的裝機(jī)需求，靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)。此外，熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)還具有較高的安全性，這對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。
↑ 熔融鹽儲(chǔ)熱與其他儲(chǔ)能方式性能對(duì)比
熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在光熱發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)
熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)，作為清潔能源領(lǐng)域的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新解決方案，正日益受到政策扶持和技術(shù)進(jìn)步的雙重推動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)的核心在于利用熔鹽的高儲(chǔ)能密度和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)能量的高效儲(chǔ)存與釋放。隨著全球?qū)?jié)能減排和可再生能源利用的關(guān)注度不斷提升，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而備受矚目。政策方面，各國(guó)政府紛紛出臺(tái)相關(guān)政策，加大對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱等清潔能源技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用支持力度，推動(dòng)其商業(yè)化進(jìn)程。與此同時(shí)，技術(shù)進(jìn)步也為熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展提供了有力支撐。材料科學(xué)、熱力學(xué)、控制技術(shù)等領(lǐng)域的不斷突破，使得熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性得到了顯著提升。未來(lái)，隨著國(guó)家政策支持力度加大、技術(shù)的進(jìn)一步成熟和成本的進(jìn)一步降低，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)有望在清潔能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。
● 政策支持力度加大
2023年，中國(guó)政府密集出臺(tái)了一系列政策，全力推動(dòng)光熱發(fā)電行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。2023年國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)光熱發(fā)電規(guī)?；l(fā)展有關(guān)事項(xiàng)的通知》，明確力爭(zhēng)在“十四五”期間每年新增光熱發(fā)電開工規(guī)模達(dá)到3吉瓦左右。并要求結(jié)合沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)新能源基地建設(shè)，盡快落地一批光熱發(fā)電項(xiàng)目。光熱發(fā)電規(guī)模暫按內(nèi)蒙古800兆瓦，甘肅700兆瓦，青海1吉瓦，寧夏100兆瓦，新疆200兆瓦配置。而2024年國(guó)務(wù)院發(fā)布的意見中也強(qiáng)調(diào)了光熱發(fā)電的重要性。這預(yù)示著未來(lái)幾年內(nèi)，隨著大型風(fēng)光基地的開發(fā)建設(shè)，光熱發(fā)電將迎來(lái)新的發(fā)展高潮。
甘肅省、青海省和內(nèi)蒙古自治區(qū)等地也積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，分別發(fā)布了相關(guān)政策，推動(dòng)光熱發(fā)電的發(fā)展。甘肅省人民政府在《甘肅省碳達(dá)峰實(shí)施方案》中提出探索光熱發(fā)電新模式，并謀劃實(shí)施“光熱+風(fēng)光電”一體化項(xiàng)目；青海省能源局等五部門則聯(lián)合發(fā)布通知，明確了光熱一體化項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)性配置條件，包括光熱配比、鏡儲(chǔ)配置、調(diào)峰調(diào)頻能力等多個(gè)方面，原則上新能源與光熱的最高配比為6∶1；內(nèi)蒙古自治區(qū)人民政府辦公廳則提出，到2030年，內(nèi)蒙古光熱發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到1吉瓦。
未來(lái)三年，隨著光熱發(fā)電項(xiàng)目的逐步推進(jìn)，各地將結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)一步明確光熱發(fā)電項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)的新要求，以確保政策的有效落地和執(zhí)行，從而推動(dòng)我國(guó)光熱發(fā)電行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。
● 行業(yè)規(guī)模化及科技發(fā)展促進(jìn)成本下降
目前，光熱發(fā)電已展現(xiàn)出顯著的規(guī)模效應(yīng)，即隨著發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大，單位成本呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。這種規(guī)模效應(yīng)不僅促進(jìn)了上下游供應(yīng)鏈的完善與穩(wěn)定，還通過批量化采購(gòu)主要設(shè)備及原材料，有效降低了供應(yīng)成本。同時(shí)，規(guī)?；蟮氖袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制進(jìn)一步推動(dòng)了行業(yè)成本優(yōu)化，激勵(lì)供應(yīng)商探索低成本、高品質(zhì)的材料替代方案，并加速了關(guān)鍵設(shè)備及材料的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，顯著提升了國(guó)產(chǎn)設(shè)備的先進(jìn)性、可靠性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了光熱發(fā)電的降本增效。此外，隨著開發(fā)商及各參與方經(jīng)驗(yàn)的積累，風(fēng)險(xiǎn)管理和試錯(cuò)成本得到有效控制，設(shè)計(jì)與建設(shè)周期顯著縮短。熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)已在太陽(yáng)能光熱發(fā)電、火電機(jī)組靈活性改造、供暖及余熱回收等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了一系列代表性示范成果，但在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域仍有待進(jìn)一步突破。
隨著科研人員對(duì)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)的持續(xù)深入研究，未來(lái)熔鹽材料成本有望大幅降低，儲(chǔ)熱密度將顯著提升。同時(shí)，熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備將形成標(biāo)準(zhǔn)化的制造流程，系統(tǒng)集成也將建立規(guī)范化的評(píng)價(jià)體系，確保各應(yīng)用場(chǎng)景下的技術(shù)配套一致性。新型儲(chǔ)熱材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，將進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能，拓寬其適應(yīng)的氣候與地理范圍，推動(dòng)熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，成為新型電力系統(tǒng)中不可或缺的成熟儲(chǔ)能技術(shù)之一。
● 熔鹽儲(chǔ)熱市場(chǎng)將迎來(lái)快速增長(zhǎng)新時(shí)代
熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)，憑借其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)與廣闊的應(yīng)用前景，正逐步成為推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)前，已投運(yùn)的熔鹽儲(chǔ)熱項(xiàng)目主要聚焦于光熱發(fā)電領(lǐng)域，但隨著技術(shù)的不斷革新與成本的持續(xù)下降，其應(yīng)用范圍有望進(jìn)一步擴(kuò)大。在光熱發(fā)電領(lǐng)域，企業(yè)正積極推動(dòng)光伏+光熱或“風(fēng)光熱儲(chǔ)”一體化項(xiàng)目建設(shè)，同時(shí)，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在火電靈活性改造、供熱、余熱利用等領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大潛力，多個(gè)示范項(xiàng)目已成功投運(yùn)，商業(yè)模式日趨成熟。
光熱電站項(xiàng)目的增多，不僅提升了行業(yè)議價(jià)能力，還吸引了更多產(chǎn)業(yè)鏈參與者，顯著降低了設(shè)備投資成本。線性菲涅爾式光熱電站因其施工難度低、集熱場(chǎng)工程量小，設(shè)備投資占總投資的75%左右。集熱系統(tǒng)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率高，模塊化、批量化生產(chǎn)降低了成本。隨著市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，大宗材料采購(gòu)價(jià)格及條件也進(jìn)一步優(yōu)化。此外，首批示范項(xiàng)目的成功建設(shè)，不僅促進(jìn)了關(guān)鍵設(shè)備廠家的增多與市場(chǎng)活躍度的提升，還為我國(guó)光熱行業(yè)培養(yǎng)了一批技術(shù)研發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)施工及調(diào)試運(yùn)行的專業(yè)人才。
通過擴(kuò)大單機(jī)規(guī)模、行業(yè)規(guī)?；l(fā)展、持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新與系統(tǒng)優(yōu)化，以及政策與電力市場(chǎng)的支持，光熱發(fā)電成本將持續(xù)下降。預(yù)計(jì)至2025年，單機(jī)規(guī)模300兆瓦以上的熔鹽線性菲涅爾式光熱電站度電成本將降至600元/千瓦時(shí)以內(nèi)，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性顯著提升。
熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)基于特定的熱傳遞與存儲(chǔ)原理，通過合適的介質(zhì)、存儲(chǔ)方式及技術(shù)路線，能有效存儲(chǔ)熱能并在光熱發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)能量的穩(wěn)定供應(yīng)與轉(zhuǎn)化。其普遍性體現(xiàn)在已在全球多個(gè)大型光熱電站如美國(guó)新月沙丘光熱電站、中國(guó)青海中控德令哈光熱電站及甘肅玉門光熱電站等成功應(yīng)用且商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，表明在光熱發(fā)電領(lǐng)域該技術(shù)可廣泛適用于不同地理環(huán)境與工程條件下的能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化需求
目前我國(guó)在熔融鹽儲(chǔ)熱發(fā)電領(lǐng)域尚處于起步階段，雖技術(shù)不斷進(jìn)步、成本逐漸降低，但仍面臨一些如在極端氣候條件下熔融鹽性能穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升、與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)適配性優(yōu)化等尚待深入研究解決的問題，且對(duì)于一些特殊工況下的長(zhǎng)期運(yùn)行效果還缺乏足夠數(shù)據(jù)支撐。與以往研究相比，相同點(diǎn)在于都認(rèn)可熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)對(duì)光熱發(fā)電的重要性與基礎(chǔ)應(yīng)用原理。不同點(diǎn)在于本文結(jié)合了更新的國(guó)內(nèi)外工程現(xiàn)狀及典型案例，如對(duì)近年新建的一些光熱電站案例進(jìn)行深入剖析，更精準(zhǔn)地展示了其在能源轉(zhuǎn)化效率提升、連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電及能源轉(zhuǎn)型推動(dòng)方面的優(yōu)勢(shì)，且對(duì)未來(lái)發(fā)展前景與戰(zhàn)略意義的闡述結(jié)合了當(dāng)下技術(shù)進(jìn)步與成本變化趨勢(shì)等新因素。理論上豐富了光熱發(fā)電儲(chǔ)能技術(shù)體系，為能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化理論提供更多實(shí)踐依據(jù)。實(shí)用上可提高光熱電站能源轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，助力全球能源轉(zhuǎn)型，盡管我國(guó)處于起步階段但已展現(xiàn)出未來(lái)大規(guī)模應(yīng)用與商業(yè)化推廣潛力，對(duì)緩解能源供需矛盾、提升清潔能源占比有著極為重要的意義與價(jià)值。
進(jìn)一步深入研究本課題的建議：（1）深入開展極端氣候條件下熔融鹽性能優(yōu)化研究；（2）加強(qiáng)與電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)同研究以提升適配性；（3）建立長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)以便更精準(zhǔn)評(píng)估技術(shù)可靠性；（4）探索與其他新能源技術(shù)融合應(yīng)用模式以拓展其在能源綜合利用領(lǐng)域的潛力。
