張寧1 余揚(yáng)昊1 杜爾順2 康重慶1
（1.清華大學(xué)電機(jī)系；2.清華大學(xué)低碳實(shí)驗(yàn)室）
在我國(guó)能源安全與碳減排壓力下，風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)還將繼續(xù)快速增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)逐步走向高比例可再生能源并網(wǎng)的新時(shí)代，高比例風(fēng)電和光伏發(fā)電出力的強(qiáng)波動(dòng)性與隨機(jī)性將對(duì)電力系統(tǒng)靈活性提出更高要求，其通過(guò)電力電子裝置并網(wǎng)也將帶來(lái)系統(tǒng)低慣量與安全穩(wěn)定問(wèn)題，電力系統(tǒng)為消納高比例可再生能源將付出成本。光熱發(fā)電技術(shù)集發(fā)電與大容量?jī)?chǔ)能為一身，是具有靈活調(diào)節(jié)能力的可再生能源。在高比例風(fēng)電光伏并網(wǎng)下能夠發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻、備用等作用，同時(shí)其通過(guò)同步機(jī)并網(wǎng)，同火電一樣能夠在高比例電力電子并網(wǎng)的電力系統(tǒng)中承擔(dān)“壓艙石”的角色，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于現(xiàn)有其他技術(shù)選擇。未來(lái)光熱發(fā)電應(yīng)作為電力系統(tǒng)重要的清潔靈活調(diào)節(jié)電源，成為高比例可再生能源基地不可或缺的技術(shù)選擇。
一、背景
（一）我國(guó)碳減排承諾以及可再生能源戰(zhàn)略
習(xí)近平總書記2020年9月22日在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，提出“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的碳排放目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)了生態(tài)文明建設(shè)和綠色低碳發(fā)展。2060碳中和目標(biāo)，具體落實(shí)在電力行業(yè)，就是要加快促進(jìn)電能生產(chǎn)的低碳轉(zhuǎn)型，充分發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電的裝機(jī)潛力，向高比例可再生能源以及零碳排放電力系統(tǒng)邁進(jìn)。
2019年我國(guó)電源總裝機(jī)20.1億千瓦，非化石能源發(fā)電裝機(jī)占比42%，其中風(fēng)力發(fā)電占比10.4%，太陽(yáng)能發(fā)電占比10.1%，裝機(jī)容量雙雙突破2億千瓦。2019年全國(guó)總發(fā)電量7.3萬(wàn)億千瓦時(shí)，非化石能源發(fā)電量占比32%。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布的《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016-2030）》（發(fā)改基礎(chǔ)〔2016〕2795號(hào)），提出到2030年非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重力爭(zhēng)要達(dá)到50%。預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到21.6億千瓦，占比達(dá)到41%，風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到14.4億千瓦，占比27%1。未來(lái)的幾十年內(nèi)，我國(guó)的風(fēng)電光伏總裝機(jī)容量及其占比都將有顯著提升，對(duì)系統(tǒng)靈活性、安全穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性等都提出了全新的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為：（1）電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足引起大量棄風(fēng)棄光；（2）風(fēng)電光伏通過(guò)電力電子裝置并網(wǎng)帶來(lái)系統(tǒng)低慣量以及諧振穩(wěn)定性等問(wèn)題；（3）風(fēng)電光伏間歇性降低了輸電線路以及常規(guī)機(jī)組利用小時(shí)數(shù)，發(fā)輸電資源投資效率逐漸降低。
（二）光熱發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)
太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)是光伏發(fā)電之外的另一種太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。光熱電站一般由聚光集熱環(huán)節(jié)、儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)以及發(fā)電環(huán)節(jié)三個(gè)部分構(gòu)成，中間通過(guò)導(dǎo)熱油等工質(zhì)進(jìn)行能量的傳遞。
光熱發(fā)電首先通過(guò)聚光集熱環(huán)節(jié)中的鏡場(chǎng)反射太陽(yáng)光至太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行熱能的采集，進(jìn)而加熱導(dǎo)熱工質(zhì)，再通過(guò)換熱裝置利用集中的熱能形成高壓過(guò)熱蒸汽，以推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。光熱電站一般還會(huì)同時(shí)建設(shè)大容量的儲(chǔ)熱裝置，既保證了熱能的高效接收與集中存儲(chǔ)，同時(shí)也使得光熱電站本身具有了儲(chǔ)能的特性。光熱電站在本身實(shí)現(xiàn)收集太陽(yáng)輻照進(jìn)行可再生能源出力的同時(shí)，又可以進(jìn)行熱能的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，為自身提供出力可調(diào)節(jié)性，應(yīng)對(duì)光照資源的間歇性與不確定性，并為電網(wǎng)提供靈活性調(diào)節(jié)空間。
二、光熱發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)：以靈活可再生能源消納間歇性可再生能源
（一）光熱發(fā)電靈活性促進(jìn)高比例可再生能源消納
光熱發(fā)電通過(guò)大規(guī)模儲(chǔ)熱能夠促進(jìn)風(fēng)電光伏的消納。裝備十余小時(shí)的大容量?jī)?chǔ)熱的光熱發(fā)電不僅能夠?qū)崿F(xiàn)其自身的平穩(wěn)發(fā)電，還能夠?yàn)楦弑壤L(fēng)電光伏進(jìn)行調(diào)峰。靈活的光熱出力將很好地平抑新能源出力的波動(dòng)，通過(guò)削峰填谷，大大增強(qiáng)可再生能源消納能力，降低棄風(fēng)棄光。光熱電站與風(fēng)電光伏等可再生能源的打捆能夠?qū)崿F(xiàn)100%可再生能源穩(wěn)定出力，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源西電東送具有重要意義。
光熱發(fā)電為風(fēng)電光伏出力不確定性提供備用。風(fēng)電光伏出力的不確定性使其對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生額外的備用需求，隨著電站裝機(jī)容量的逐年增長(zhǎng)，系統(tǒng)的備用需求也將日益增長(zhǎng)。目前風(fēng)電光伏的不確定性主要是依靠火電、水電或者儲(chǔ)能提供備用，在未來(lái)高比例可再生能源電力系統(tǒng)的場(chǎng)景下，新建火電機(jī)組來(lái)匹配日益增長(zhǎng)的可再生能源備用需求不再具有可持續(xù)性。相較之下，光熱發(fā)電能夠提供同步旋轉(zhuǎn)備用，進(jìn)而降低全系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)備用電源的總體需求。
光熱電站能夠參與調(diào)頻輔助服務(wù)。與火電機(jī)組類似，光熱電站的發(fā)電環(huán)節(jié)是通過(guò)蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，具有較強(qiáng)的短時(shí)出力調(diào)節(jié)能力，可以參與電力系統(tǒng)一次與二次調(diào)頻。光熱發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間、爬坡能力等性能都近似甚至優(yōu)于燃煤機(jī)組，另外儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)使得其出力調(diào)節(jié)范圍更廣，參與輔助服務(wù)的能力更強(qiáng)。光熱電站可以在未滿出力的運(yùn)行狀況下，提供調(diào)頻輔助服務(wù)，并在將來(lái)逐步開(kāi)放輔助服務(wù)市場(chǎng)，或者提供輔助服務(wù)補(bǔ)償時(shí)，獲取輔助服務(wù)收益。
光熱發(fā)電在連續(xù)多日無(wú)風(fēng)無(wú)光的場(chǎng)景下能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供緊急備用，降低常規(guī)機(jī)組需求。高比例可再生能源電力系統(tǒng)中連續(xù)的極端氣候條件可能使得系統(tǒng)出現(xiàn)較大的功率缺額。此時(shí)光熱發(fā)電機(jī)組可以作為應(yīng)急保障發(fā)電機(jī)組使用天然氣發(fā)電。要實(shí)現(xiàn)這種發(fā)電方式，只需要具備天然氣供給條件并配置備用的天然氣加熱爐即可，改造成本低。通過(guò)光熱電站配合燃?xì)饧訜崽峁┚o急時(shí)段的備用，可以降低對(duì)緊急備用機(jī)組容量的需求，從系統(tǒng)層面降低裝機(jī)備用。
（二）光熱發(fā)電技術(shù)紓解低慣量電力系統(tǒng)穩(wěn)定性難題
光熱發(fā)電的發(fā)電環(huán)節(jié)工作原理是通過(guò)高壓過(guò)熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，其物理本質(zhì)仍然是同步發(fā)電機(jī)，為系統(tǒng)提供了可靠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。常規(guī)風(fēng)電光伏并網(wǎng)所使用的電力電子裝置與同步機(jī)組的特性差別較大，將會(huì)帶來(lái)較大的慣量缺額，隨之而來(lái)的就是電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)功率不平衡的調(diào)節(jié)能力下滑，并帶來(lái)一系列的頻率穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定問(wèn)題。目前系統(tǒng)的慣量主要是由常規(guī)火電等同步機(jī)組提供支撐，隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中的占比逐年上升，系統(tǒng)慣量大幅降低，為系統(tǒng)穩(wěn)定帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。盡管目前已有針對(duì)虛擬慣量方面的研究，但是同步機(jī)組帶來(lái)的真實(shí)物理慣量對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定是不可或缺的。隨著常規(guī)機(jī)組的占比降低，高比例可再生能源電力系統(tǒng)亟需同步機(jī)組提供慣量支撐，兼具可再生能源出力與同步電機(jī)并網(wǎng)的光熱電站能夠提供理想解決方案。在配備大容量?jī)?chǔ)熱裝置的情形下，光熱電站可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)24小時(shí)穩(wěn)定出力，在光熱大規(guī)模裝機(jī)的情況下，具有承擔(dān)電網(wǎng)基本負(fù)荷的潛力。
（三）光熱發(fā)電具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)
目前，光熱發(fā)電的裝機(jī)成本相比光伏與風(fēng)電更高，這也是制約現(xiàn)階段光熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。然而光熱電站還具有靈活調(diào)節(jié)能力，如果把光熱電站看作發(fā)電與儲(chǔ)能相結(jié)合的整體，要比同時(shí)投建風(fēng)電/光伏與電化學(xué)儲(chǔ)能更有技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，單純因?yàn)槠渫顿Y成本高昂而放棄光熱投建未免過(guò)于片面。
將光熱發(fā)電與光伏發(fā)電進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，同一地點(diǎn)相同容量的光熱發(fā)電機(jī)組（儲(chǔ)熱13小時(shí)）的年發(fā)電量約是光伏發(fā)電的2.5倍2，同時(shí)，光熱發(fā)電可以提供可靠的電力保障，即100%參與電力平衡，不需要電力系統(tǒng)額外配套建設(shè)儲(chǔ)能電站。光伏要成為系統(tǒng)中的可靠電源，參與電力平衡，則必須配置至少6小時(shí)的儲(chǔ)能電站，以實(shí)現(xiàn)日內(nèi)及日間的平穩(wěn)出力，由此來(lái)看光伏配套的電化學(xué)儲(chǔ)能的成本并不低。經(jīng)過(guò)電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬分析，在同樣的年發(fā)電量條件下，配備13小時(shí)儲(chǔ)熱的光熱發(fā)電平準(zhǔn)化度電成本約為1.048元/千瓦時(shí)。而對(duì)應(yīng)的光伏+電化學(xué)儲(chǔ)能場(chǎng)景下，其平準(zhǔn)化度電成本將達(dá)到1.233元/千瓦時(shí)3。在清潔能源基地的大規(guī)模建設(shè)場(chǎng)景下，光熱的參與將可以充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，得到整體可再生能源綜合效益的提升。
光熱電站本身還有較強(qiáng)的可改造性，經(jīng)濟(jì)效益有進(jìn)一步的提升空間。通過(guò)建設(shè)低成本的電制熱模塊，光熱電站就可以兼具儲(chǔ)能電站的性能，按照電-熱-電的能量轉(zhuǎn)換方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)需依靠光照資源的大容量?jī)?chǔ)能，進(jìn)一步提高電站的運(yùn)行靈活性，提高收益。此外，通過(guò)建設(shè)熱交換裝置，還可以實(shí)現(xiàn)光熱電站的集中供熱供冷，其熱能來(lái)源包括儲(chǔ)熱罐中的熱量通過(guò)熱交換裝置的直接供熱、汽輪機(jī)的乏汽供熱等。通過(guò)光熱電站的熱電聯(lián)供，在綜合能源系統(tǒng)的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能資源的優(yōu)化配置，也可以提升其綜合效益。
（四）光熱發(fā)電支撐高比例風(fēng)電光伏并網(wǎng)優(yōu)勢(shì)明顯
綜上所述，相比光伏+儲(chǔ)能的配置而言，光熱本身的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益更高。在系統(tǒng)層面上，光熱電站具有極佳的外部效益。除了其可再生能源發(fā)電效益外，光熱發(fā)電機(jī)組還具備良好的調(diào)節(jié)特性，可迅速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求，快速調(diào)節(jié)機(jī)組的出力，可參與電網(wǎng)一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，同時(shí)還可以提供備用和爬坡等服務(wù)，并為系統(tǒng)提供足夠的慣量支撐。將來(lái)隨著光熱的發(fā)展還可以發(fā)掘出光熱電站的熱電聯(lián)供、提供緊急備用、維持電力系統(tǒng)基本負(fù)荷等潛力。這些系統(tǒng)層面的效益目前還沒(méi)有政策支持與商業(yè)模式能夠充分反映到光熱發(fā)電的電價(jià)中，但是可以確定的是：有了光熱，未來(lái)高比例可再生能源電力系統(tǒng)將付出較少的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)光的消納。
三、我國(guó)光熱行業(yè)發(fā)展展望與建議
（一）明確光熱在未來(lái)高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的定位
目前對(duì)光熱發(fā)電的定位僅停留在“一種成本較高的可再生能源發(fā)電方式”并不完全科學(xué)。光熱發(fā)電作為新興的發(fā)電技術(shù)，不僅僅是一種清潔能源發(fā)電方式，相比風(fēng)電與光伏發(fā)電，還額外具備儲(chǔ)能特性，具有容量效益、提供備用與調(diào)峰等靈活性服務(wù)的效益等。光熱發(fā)電在未來(lái)應(yīng)定位為“電力系統(tǒng)重要的清潔靈活性資源”，是電力系統(tǒng)邁向更高比例可再生能源并網(wǎng)的不可或缺的發(fā)電形式。
目前光熱發(fā)電的角色定位需要在政府與產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)生更廣泛的共識(shí)。隨著光熱產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，光熱發(fā)電工程投資將會(huì)得到顯著的下降，發(fā)電成本將可以進(jìn)一步降低。另一方面，通過(guò)對(duì)靈活性、輔助服務(wù)等補(bǔ)償機(jī)制的完善，光熱的技術(shù)經(jīng)濟(jì)潛力將被充分發(fā)掘，在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)力將不斷擴(kuò)大。
（二）保持光熱電價(jià)補(bǔ)貼，支持光熱產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展
我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電進(jìn)行電價(jià)補(bǔ)貼已經(jīng)超過(guò)10年，對(duì)兩者的標(biāo)桿電價(jià)補(bǔ)貼也持續(xù)了5至10年才開(kāi)始逐漸退坡。正是由于政府對(duì)風(fēng)電光伏的大力支持，我國(guó)才形成產(chǎn)學(xué)研的持續(xù)發(fā)力、風(fēng)光裝機(jī)快速增長(zhǎng)的發(fā)展局面。風(fēng)電光伏產(chǎn)業(yè)鏈快速成熟，制造成本逐步下降，有力支撐了我國(guó)高比例可再生能源電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，未來(lái)也即將具備平價(jià)上網(wǎng)的條件。
光熱發(fā)電的技術(shù)特性優(yōu)于光伏+儲(chǔ)能，且在高比例可再生能源電力系統(tǒng)當(dāng)中具有更優(yōu)秀的表現(xiàn)，目前已有8座示范電站建成并網(wǎng)發(fā)電，總裝機(jī)僅為500兆瓦。由于產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，光熱造價(jià)仍然較高，對(duì)光熱的標(biāo)桿電價(jià)補(bǔ)貼退坡不應(yīng)操之過(guò)急，參考風(fēng)電與光伏電價(jià)補(bǔ)貼的退坡軌跡，在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)維持補(bǔ)貼水平，長(zhǎng)線布局，緩慢退坡，支持我國(guó)光熱產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。
（三）健全輔助服務(wù)市場(chǎng)模式與價(jià)格機(jī)制，充分反映光熱發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)
目前受限于較高的投資成本，光熱電站大規(guī)模發(fā)展存在一定困難。無(wú)論是電網(wǎng)公司還是電力用戶，都需要穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)靈活的電力供應(yīng)，而目前我國(guó)按照電源投資的基準(zhǔn)收益率確定上網(wǎng)電價(jià)，這種定價(jià)方式并不能反映電力品質(zhì)的優(yōu)劣，也無(wú)法反映出市場(chǎng)需求。隨著我國(guó)風(fēng)電和光伏在系統(tǒng)中的占比增大，這一矛盾將更加突出，這使得包括光熱在內(nèi)的參與調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)的機(jī)組容易出現(xiàn)虧損。
正如前文所述，如果充分考慮光熱的全方面技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，需要對(duì)光熱在電力系統(tǒng)中的貢獻(xiàn)進(jìn)行合理補(bǔ)償，釋放促進(jìn)靈活性電源發(fā)展的良好信號(hào)，進(jìn)而保障光熱發(fā)電投資回收。
在目前已經(jīng)開(kāi)展電力市場(chǎng)試點(diǎn)工作的地區(qū)，可以通過(guò)輔助服務(wù)市場(chǎng)的方式，使光熱發(fā)電在輔助服務(wù)市場(chǎng)獲得收益。通過(guò)輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，直觀地反映出各類型電源的電力品質(zhì)優(yōu)劣，突出靈活性機(jī)組在可再生能源消納、電力可靠供應(yīng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性保障等方面做出巨大貢獻(xiàn)，進(jìn)而彌補(bǔ)其較高裝機(jī)成本帶來(lái)的缺陷。
1.周孝信：《能源轉(zhuǎn)型中構(gòu)建我國(guó)新一代電力系統(tǒng)報(bào)告》
2.Ershun Du,Ning Zhang,Bri-Mathias Hodge,Chongqing Kang,Benjamin Kroposki and Qing Xia.Economic justification of concentrating solar power in high renewable energy penetrated power systems,Applied Energy,2018,222:649-661.
3.采用第一批光熱發(fā)電特許權(quán)項(xiàng)目投資成本以及同時(shí)期光伏與磷酸鐵鋰電儲(chǔ)能投資成本測(cè)算
原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2020年10月16日第40期
