中國儲能網訊：在我國積極踐行“雙碳”目標的戰(zhàn)略大背景下，新能源領域迎來了前所未有的發(fā)展機遇。其中，以風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。2種能源形式憑借其清潔無污染、資源可再生的顯著特性，在推動全球能源結構轉型和應對氣候變化的過程中扮演著舉足輕重的角色。然而，風電和光伏能源的生產高度依賴于自然條件，如風速、風向的變化以及日照強度隨時間的波動。這不可避免地導致了電力輸出的間歇性和不穩(wěn)定性問題，進而對電力系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定供電構成了嚴峻挑戰(zhàn)。
在此背景下，聚光太陽能熱發(fā)電，通常簡稱為光熱發(fā)電（Concentrating Solar Power, CSP）作為一種創(chuàng)新實用的新能源方式，逐漸受到業(yè)界關注。CSP不僅綠色低碳，還是電網友好型電源，兼具調峰和儲能功能，與風電、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)提供長周期調峰能力。在我國部分地區(qū)，CSP具備作為調峰和基礎性電源的潛力，是新能源安全可靠替代傳統(tǒng)能源的有效手段，對于加快構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)的獨特性質，以及穩(wěn)定、壽命長、換熱難度低等顯著優(yōu)勢，成為光熱發(fā)電系統(tǒng)中理想的儲能介質。熔融鹽能夠在吸收太陽能轉換而來的熱能后將其高效存儲，在發(fā)電需求產生時，將存儲的熱能精準釋放給工作介質，進而驅動發(fā)電設備運行，實現(xiàn)了太陽能的高效轉換與存儲，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，隨著光熱發(fā)電技術和熔融鹽材料技術的協(xié)同進步，熔融鹽儲熱技術在光熱發(fā)電領域的應用價值日益凸顯，吸引了眾多科研力量和企業(yè)的投入，推動其在塔式、菲涅爾式等光熱發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應用。通過對熔融鹽材料組成與性能的優(yōu)化、儲能系統(tǒng)結構與設計的改進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)的整體性能和經濟性得以提升，還為該技術在其他領域的拓展提供了寶貴經驗。文章將系統(tǒng)總結熔融鹽儲熱技術在光熱發(fā)電領域中的應用，從發(fā)展概述、工程現(xiàn)狀、與其他儲能方式對比和未來發(fā)展趨勢等多方面展開分析，為光熱發(fā)電技術的持續(xù)發(fā)展和廣泛商業(yè)化應用提供有力的理論支撐與實踐參考。
熔融鹽儲熱發(fā)電概述
● 熔融鹽儲熱發(fā)電技術原理與應用
CSP技術通過聚光集熱裝置將太陽輻射能集中到熱能接收器上，加熱熔融鹽儲熱介質，實現(xiàn)能量初次轉化。加熱后的儲熱介質通過熱泵及管道送至換熱系統(tǒng)，轉化為水的內能產生蒸汽，推動汽輪機發(fā)電，完成二次轉化。其主要遵循能源轉換過程為“光能-熱能-機械能-電能”的能量轉化過程。若有多余的熱能，還可以將其儲存于高溫蓄熱罐內，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個部分組成，包括聚光集熱系統(tǒng)、熱能接受轉化系統(tǒng)、儲蓄熱系統(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、接收器和跟蹤機構等組件，吸收并轉化太陽輻射為熱能；聚光系統(tǒng)追蹤太陽軌跡，將能量聚焦至吸熱塔頂?shù)奈鼰崞?，實現(xiàn)太陽能聚集；吸熱系統(tǒng)加熱內部介質，高效轉換太陽能為熱能；儲換熱系統(tǒng)儲存熱能，并在需要時通過熔融鹽與水熱交換產生高溫高壓蒸汽；最終，發(fā)電系統(tǒng)利用蒸汽驅動汽輪發(fā)電機組生成電能。
熔融鹽儲熱技術在CSP系統(tǒng)中扮演著極為關鍵的角色，其原理與應用涉及多方面的關鍵技術細節(jié)。
熔融鹽的熱物性
熔融鹽具有獨特的熱物性，這是其能在儲熱技術中廣泛應用的基礎。常見的用于儲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。其熔點相對較低，約為220℃，這種混合鹽在光熱發(fā)電中被廣泛應用。其具有良好的熱穩(wěn)定性和較高的熱容量，能夠在290～565℃的溫度范圍內有效工作。比熱容通常在1.5～2.0J/g/℃范圍內，意味著在溫度變化時能夠吸收或釋放大量的熱量，從而具備較高的儲熱能力。導熱系數(shù)在0.5～0.8W/m/℃，雖然相比一些金屬材料較低，但在儲熱系統(tǒng)的整體設計中，通過優(yōu)化傳熱結構可以有效彌補這一不足。熱穩(wěn)定性方面，其在一定的溫度范圍內（如低于550℃），能夠保持良好的化學穩(wěn)定性，減少分解與變質的風險，確保長時間穩(wěn)定儲熱。
儲熱系統(tǒng)的設計參數(shù)
（1）儲熱容量設計
儲熱系統(tǒng)的儲熱容量需緊密結合CSP發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模與發(fā)電時長需求確定。以某一典型的100MWCSP電站為例，若要實現(xiàn)夜間8小時連續(xù)發(fā)電，根據電站的發(fā)電功率、熔融鹽的比熱容（取值1.8J/g/℃）以及運行溫度范圍（假設高溫罐500℃，低溫罐250℃），通過能量平衡方程Q=mcΔT（Q為熱量，m為質量，c為比熱容，ΔT為溫度變化）計算可得，儲熱罐總體積為1200～1500m3。在實際工程中，儲熱容量與發(fā)電功率的比例關系一般在3～5小時發(fā)電功率對應的儲熱量之間，具體數(shù)值受當?shù)靥柲苜Y源波動、系統(tǒng)成本控制等多種因素影響。
（2）溫度參數(shù)設計
儲熱系統(tǒng)的高溫蓄熱罐內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工程實踐數(shù)據總結以及對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℃，是為了保證在儲換熱過程中有足夠的溫差驅動力，同時確保熔融鹽在低溫下仍處于液態(tài)且性能穩(wěn)定。
實際工程中的技術挑戰(zhàn)和解決方案
（1）腐蝕問題
熔融鹽在高溫下對金屬材料存在腐蝕風險。在實際工程中，常選用不銹鋼316等耐腐蝕材料制作儲罐、管道和換熱器等部件；同時，采用陶瓷涂層等表面處理技術增強抗腐蝕能力；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發(fā)生的鈍化膜。一般來說，緩蝕劑的添加量需根據具體的熔融鹽體系以及運行工況進行精確調配，通常在熔融鹽總質量的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)
熔融鹽導熱系數(shù)較低影響傳熱效率。一方面，采用高效換熱器結構，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%（質量分數(shù)），可使導熱系數(shù)提高10%～20%，從而提升整體傳熱效率，促進熱能的高效交換與利用。
● 熔融鹽儲熱的主要介質材料
熔融鹽是一種兼具蓄熱與傳熱功能的介質，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，已成為國內外學術界研究的焦點，并引發(fā)了廣泛的研究興趣。在熔融鹽儲熱技術領域，該技術被劃分為顯熱蓄熱與潛熱蓄熱（或稱相變蓄熱）兩大類別，其中顯熱蓄熱技術因其廣泛的應用范圍及較高的技術成熟度，在太陽能發(fā)電等中高溫蓄熱應用場景中占據了主導地位。
在熔融儲熱技術領域，當前研究的熔融介質涵蓋了碳酸鹽、氯化鹽、氟化鹽及硝酸鹽等多種類型，這些介質因配比差異而展現(xiàn)出多樣化的特性。各類熔融鹽的熔點范圍寬廣，介于142～854℃之間，普遍遵循硝酸鹽熔點最低、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℃），其高熔點特性卻限制了其在熱解反應中的應用潛力；硝酸鹽則在溫度超過350℃時易于氧化，導致熱穩(wěn)定性降低；氯化鹽熔點差異顯著，尤其是經濟型的KCl和NaCl，其高熔點（大于750℃）成為另一關注點。
目前，學術界已經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，隨著材料科學和化學工程技術的不斷進步，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，即較低的熔點與相對較低的腐蝕性，在熔鹽儲熱材料領域中占據了顯著地位，成為備受學術界和工業(yè)界關注的焦點。例如，中電建青海共和實施的50兆瓦光熱發(fā)電項目所采用的二元熔鹽Solar Salt（由60%硝酸鈉與40%硝酸鉀組成），因其熔點為220℃且最高工作溫度可達600℃，已成為當前眾多光熱發(fā)電站首選的傳熱與儲熱介質。
● 熔融鹽儲熱介質的存儲方式
熔鹽儲罐在儲熱技術中至關重要，儲熱系統(tǒng)主要分為單罐、雙罐及多罐3類，均依賴熔鹽儲罐為核心設備。單罐系統(tǒng)結構相對簡單，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，根據實際需求，可選擇單罐、雙罐或多罐熔鹽系統(tǒng)。每種系統(tǒng)都有其獨特的運作機制和適用場景，共同推動著儲熱技術的發(fā)展和應用。
單罐儲熱系統(tǒng)
單罐儲熱系統(tǒng)通過一個熔鹽儲罐同時完成加熱和換熱過程，是一種緊湊且成本效益較高的儲熱方案。該系統(tǒng)在小型或實驗性光熱電站以及特定應用場景下，具有占地面積小、結構相對簡單、成本較低的優(yōu)點，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。德國航天航空研究中心（DLR）正開發(fā)一種創(chuàng)新的單罐儲熱技術，該技術利用可移動的機械分隔壁，將一個儲罐巧妙地分隔為兩個區(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，并使整個控制流程更加簡便高效。東莞理工學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)設計基于斜溫層蓄熱理念，確保高低溫熔融鹽液在同一單罐內分隔，增加蓄熱容量并簡化結構，并初步實驗驗證了其有效蓄熱量及斜溫層穩(wěn)定性。上海電氣集團股份有限公司研發(fā)出一套單罐熔鹽儲熱系統(tǒng)，并已將其應用于實際的示范項目中。該系統(tǒng)的設計極大地簡化了操作流程，同時，相較于雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)，其投資成本顯著降低。單罐儲熱系統(tǒng)也存在一定的局限性，特別是斜溫層問題，這會導致蓄熱效率降低，影響系統(tǒng)的整體性能。盡管單罐儲熱系統(tǒng)擁有成本低廉和構造簡單等優(yōu)勢，然而，其在蓄熱效率方面的欠缺仍是當前面臨的一個關鍵技術障礙。
雙罐儲熱系統(tǒng)
雙罐蓄熱技術已發(fā)展至成熟階段，成為熔融鹽蓄熱中最受歡迎的應用形式，其核心構成包括高溫熔融鹽儲罐、低溫熔融鹽儲罐、熱交換裝置以及熔融鹽循環(huán)泵等。在光熱電站的儲熱設計中，雙罐儲熱系統(tǒng)憑借其獨特的高溫與低溫熔鹽罐分離設計，實現(xiàn)了冷熱熔鹽的高效隔離與管理。這不僅大幅增強了儲熱系統(tǒng)的效能，還有效減少了儲熱與放熱過程中的技術挑戰(zhàn)，成功規(guī)避了因罐內溫差可能引發(fā)的各類問題。
在雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)中，低溫熔鹽與高溫熔鹽分別儲存于獨立的低溫儲熱罐與高溫儲熱罐內，確保了冷熱熔鹽的有效隔離與系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為確保系統(tǒng)持續(xù)運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，罐內熔鹽溫度需維持在凝固點250℃以上，這對雙罐系統(tǒng)提出了更高要求。盡管當前熔鹽儲罐在保溫方面仍面臨熔鹽高溫分解、儲罐腐蝕等挑戰(zhàn)，但雙罐儲熱系統(tǒng)憑借高效的儲熱能力和卓越的穩(wěn)定性，在大型或商業(yè)化光熱電站中得到了廣泛應用，成為當前大規(guī)模太陽能光熱發(fā)電的主流儲熱方法。美國內華達州的Crescent Dunes項目和我國的中電建共和50兆瓦光熱發(fā)電項目等多個光熱項目均采用了雙罐儲熱系統(tǒng)。然而，雙罐系統(tǒng)也伴隨著較高的儲熱介質需求和維護成本的問題。
多罐儲熱系統(tǒng)
多罐儲熱系統(tǒng)是在雙罐儲熱系統(tǒng)基礎上的進一步優(yōu)化與創(chuàng)新，通過增加儲罐數(shù)量，顯著提升了系統(tǒng)的儲熱量，從而增強光熱電站的發(fā)電能力和儲能效率。這種系統(tǒng)配置不僅提高了機組的可靠性和靈活性，還能夠更好地應對光照不足或陰雨天氣等不利條件，確保電站的穩(wěn)定運行。我國哈密50兆瓦熔鹽塔式光熱發(fā)電項目就首創(chuàng)性地采用了雙熱罐、一冷罐的系統(tǒng)配置，這不僅優(yōu)化了儲熱過程，還提升了電站的整體性能。
● 熔融鹽儲熱發(fā)電的主要技術路線
CSP技術根據太陽能集熱方式的不同，將發(fā)電系統(tǒng)細分為塔式、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，分別采用點聚焦和線聚焦。
截至2023年底，國家太陽能光熱聯(lián)盟對國內外太陽能熱發(fā)電技術路線的統(tǒng)計結果顯示，我國并網光熱電站中，熔鹽塔式（塔式）占比最高，約為64.9%，導熱油槽式（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%。在兆瓦級規(guī)模以上光熱發(fā)電累計裝機容量中，塔式、槽式和線性菲涅爾式的占比分別為63.1%、25.5%、11.4%。各類太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的運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的塔式技術，因其高效且穩(wěn)定的特點，已成為當前太陽能熱發(fā)電領域的主流技術。本節(jié)將重點分析采用熔融鹽儲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能發(fā)電技術。其構想最初由蘇聯(lián)的科學家們提出，并于1950年設計并成功建造了全球首座功率達到50千瓦的塔式太陽能熱發(fā)電實驗裝置，這為太陽能熱發(fā)電技術奠定了基礎。該技術利用大型反射鏡-定日鏡，通過精確的光學設計和跟蹤機構，將大面積的陽光反射并集中至高塔頂部的接收器，實現(xiàn)超過1000倍的聚光倍率，從而將太陽光能高效轉化為熱能。這些熱能隨后傳遞給工質，經過蓄熱環(huán)節(jié)，最終驅動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。塔式太陽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)等多個部分組成。聚光子系統(tǒng)由眾多定日鏡組成，每臺定日鏡都配備有先進的跟蹤機構，以確保太陽光能夠精確反射至接收器。集熱子系統(tǒng)則負責將接收器上吸收的熱能傳遞給工質，進而轉化為可用于發(fā)電的熱能。蓄熱子系統(tǒng)則用于儲存熱能，以實現(xiàn)晝夜連續(xù)發(fā)電。最后，發(fā)電子系統(tǒng)利用汽輪機將熱能轉化為電能，并通過發(fā)電機輸出電力。塔式光熱發(fā)電被視為太陽能光熱發(fā)電技術未來進步的一個主要趨勢，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?。迄今為止，世界各地已有多國及地區(qū)成功建造并正在運行多個塔式光熱發(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日成功并網發(fā)電，成為我國首批20個光熱示范項目之一，同時也是新疆維吾爾自治區(qū)唯一投運的光熱發(fā)電項目。該電站共安裝了14500個定日鏡，每個定日鏡的面積達到48m2，通過精確的跟蹤和反射機制，將太陽光高效地集中至接收器上。同時，該電站還配備了先進的熔鹽儲熱系統(tǒng)，實現(xiàn)了晝夜連續(xù)發(fā)電的目標。
線性菲涅爾式光熱發(fā)電
線性菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，是太陽能光熱發(fā)電領域的一種先進技術，其命名源自法國物理學家奧古斯汀·菲涅爾。該系統(tǒng)主要由菲涅爾集熱器、高低溫熔鹽儲罐、蒸汽發(fā)生器及汽輪發(fā)電機組等關鍵部件構成。如下圖所示，菲涅爾集熱場采用獨特的雙聚光設計，即由一次聚光器和二次聚光器協(xié)同工作，通過精密的自動跟蹤機制，將太陽直射輻射高效匯聚至真空吸熱管表面。在此過程中，太陽光首先被緊湊布置的多列反射鏡構成的類弧面結構所捕獲，并經由一次聚光器反射至上方的二次聚光器，最終實現(xiàn)太陽輻射的雙重聚焦。聚焦后的高強度光熱能量加熱了吸熱管內的熔鹽工質，這些高溫熔鹽隨后被存儲于高溫熔鹽儲罐中，以備后續(xù)發(fā)電使用。
盡管熔鹽線性菲涅爾技術在國際上已有初步應用，如西班牙的實驗性電站，但均未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運營。然而，中國在這一技術領域取得突破。2024年9月，由中國核工業(yè)集團有限公司玉門新奧新能源有限公司投資，中國能建中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司EPC總承包的全球裝機規(guī)模最大的熔鹽線性菲涅爾光熱儲能項目-中核集團新華發(fā)電玉門“光熱+”示范項目成功并網發(fā)電。該項目總裝機容量達到100兆瓦，是國內首個“光熱儲能+光伏+風電”多能互補項目的全容量投產實例，總裝機規(guī)模高達700兆瓦，年均可提供上網電量約1.735太瓦時。該項目通過光熱電站、光伏電站和風電場的聯(lián)合運行，有效解決了可再生能源發(fā)電對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
● 國外工程現(xiàn)狀
自20世紀80年代美國率先在太陽二號（Solar Two）項目中引入熔鹽作為儲熱與傳熱介質以來，該技術已成為光熱發(fā)電領域的一大創(chuàng)新亮點，并在全球范圍內得到了廣泛應用與驗證。從全球范圍來看，熔融鹽儲熱發(fā)電技術的應用已呈現(xiàn)出多元化的趨勢。截至2023年底，全球光熱發(fā)電累計裝機容量中，槽式技術占比高達75.5%，顯示出其在該領域的主導地位；塔式技術占比約為20.9%，在特定應用場景中發(fā)揮著重要作用；而線性菲涅爾式技術則占比3.6%，雖然份額相對較小，但其獨特的聚光與儲熱機制也為光熱發(fā)電領域帶來了新的可能。
↑ 國外典型光熱電站案例
如上表所示，全球光熱發(fā)電領域的發(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，塔式太陽能熱發(fā)電技術的理論框架最早由蘇聯(lián)科學家提出，并于1950年成功設計實施了全球首座50千瓦規(guī)模的實驗性塔式太陽能熱發(fā)電裝置。隨后，法國在1976年實現(xiàn)了技術上的重要跨越，不僅建成并運行了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能熱發(fā)電系統(tǒng)。1982年，美國成功建設了“Solar One”塔式太陽能電站。1996年，基于“Solar One”的經驗，建成了“Solar Two”塔式電站，并創(chuàng)新性地將傳熱介質由水改為硝酸鹽。該電站配備了當時最先進的儲熱系統(tǒng)，并成功運行至1999年。其間，“Solar Two”首次應用熔鹽技術并實現(xiàn)穩(wěn)定運行，有力推動了太陽能塔式光熱電站的商業(yè)化進程。進入21世紀，Ivanpah電站于2014年正式投入商業(yè)運行，作為目前全球最大的塔式太陽能電站，其總裝機容量高達392兆瓦，由美國Bright Source、Google及NRG公司聯(lián)合打造。2007年，西班牙設計建造了裝機容量為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太陽能塔式電站在PSl0電站的基礎上建造完成。近年來，拉丁美洲也迎來了光熱發(fā)電領域的突破性進展，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，成為該地區(qū)首個光熱發(fā)電項目，總投資額高達10億美元。
● 國內工程現(xiàn)狀
熔融鹽儲熱發(fā)電技術作為太陽能熱發(fā)電領域的重要組成部分，近年來在國內得到了快速發(fā)展，但相較于國際先進水平，其仍處于起步階段，建設及應用規(guī)模相對較小。截至2023年底，我國并網運行的光熱電站主要仍為國家能源局首批太陽能熱發(fā)電示范項目，這一現(xiàn)狀凸顯了我國在熔融鹽儲熱發(fā)電領域仍處于探索與示范階段。
↑ 近年來光熱發(fā)電累計裝機容量及預測
如上圖所示，截至2023年底，我國兆瓦級規(guī)模以上光熱發(fā)電機組累計裝機容量達588兆瓦，其中并網容量為570兆瓦，涉及11座電站，主要以熔融鹽為儲熱介質，最大裝機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，我國太陽能光熱發(fā)電并網規(guī)模已增至688兆瓦，且在建項目達31個，總裝機容量約2.9吉瓦，顯示出光熱發(fā)電領域的快速發(fā)展勢頭。這表明我國光熱發(fā)電產業(yè)正在加速擴張，未來有望實現(xiàn)更大規(guī)模的應用與發(fā)展。
值得注意的是，自2018－2023年，中國光電發(fā)熱項目累計裝機容量穩(wěn)步攀升，這主要歸因于首批示范項目的成功并網發(fā)電，而非大量新增項目的快速推進。2023年，我國光熱發(fā)電機組未出現(xiàn)新增并網現(xiàn)象，揭示了熔融鹽儲熱發(fā)電領域存在的技術障礙、高昂成本及市場需求疲軟等挑戰(zhàn)。然而，據相關機構預測，至2024年底，中國光熱發(fā)電累計裝機容量有望增至3.948吉瓦，預示著2022－2024年間，光熱發(fā)電年均復合增速或高達159%。此外，預計到2030年，中國的光熱發(fā)電裝機容量有望實現(xiàn)顯著增長，達到約10吉瓦的里程碑。而根據國際能源署（IEA）的權威預測，這一增長趨勢將持續(xù)加速，到2030年，中國光熱發(fā)電市場的裝機容量或將攀升至29吉瓦；至2040年，該數(shù)字將翻倍至88吉瓦；而在2050年，中國光熱發(fā)電的總裝機容量有望達到118吉瓦。
據國家太陽能光熱產業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計數(shù)據，截至2023年底，我國各省市自治區(qū)范圍內正在建設及計劃建設（已納入政府項目清單）的光熱發(fā)電項目共計約43個，總裝機容量高達4.8吉瓦。這些項目的投資主體涵蓋了眾多企業(yè)，包括國家能源集團、國家電力投資集團、中國能源建設集團、中國三峽集團、中國電力建設集團以及中國廣核集團等。截至2023年底，我國在運光電發(fā)熱項目如下表所示。
↑ 截至2023年底我國在運光熱發(fā)電項目（熔融鹽儲熱介質）
從在運光熱發(fā)電項目的情況來看，我國光電項目裝機容量普遍較小，最大規(guī)模僅為100兆瓦。這一現(xiàn)狀限制了熔融鹽儲熱發(fā)電技術在電網中的調度能力和儲能效率，也影響了其在大規(guī)模應用中的經濟性和可靠性。此外，由于熔融鹽儲熱發(fā)電技術涉及高溫熔融鹽材料的儲存、運輸和循環(huán)利用等多個環(huán)節(jié)，其技術復雜性和安全風險也相對較高，需要進一步加強技術研發(fā)和安全管理。
從分布區(qū)域來看，我國在運光熱發(fā)電項目主要分布在青海、甘肅、新疆等光熱資源優(yōu)異的地區(qū)。這些地區(qū)擁有豐富的太陽能資源，布局了大量集中式光伏電站，但由于電網結構、水資源等條件的限制，急需配備儲能項目以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在此背景下，熔融鹽儲熱發(fā)電項目因其高效、穩(wěn)定、環(huán)保等特點，成為這些地區(qū)最適合的儲能方式之一。然而，由于技術、成本和市場等方面的限制，目前熔融鹽儲熱發(fā)電項目在這些地區(qū)的推廣和應用仍面臨諸多困難。
● 典型熔融鹽光熱發(fā)電電站
美國新月沙丘光熱電站
美國新月沙丘光熱電站（Crescent Dunes CSP project）是全球首個實現(xiàn)百兆瓦級規(guī)模、采用熔鹽作為傳熱和儲熱介質的塔式光熱電站，其裝機容量高達110兆瓦。該電站位于美國內華達州托諾帕附近，距離拉斯維加斯西北部約225公里，總占地面積達到1600英畝，是當時全球最大的塔式熔鹽電站。新月沙丘光熱電站的建設得到了美國能源部的大力支持，獲得了7.37億美元的貸款擔保，總投資額約為10億美元。電站于2015年正式投入商業(yè)化運行，并與內華達州NVEnergy能源公司簽訂了為期25年的購售電協(xié)議，價格定為0.135美元/千瓦時。
然而，盡管作為開拓性的能源技術項目備受矚目，新月沙丘光熱電站也經歷了不少波折，甚至一度停運。目前，該電站采取了一種特殊的運行模式，即在白天收集太陽能熱量并將其儲存在熔鹽儲罐中，然后在晚上利用這些熱量發(fā)電上網。這種運行模式不僅確保了電站的穩(wěn)定運行，也充分利用了熔鹽儲熱技術的優(yōu)勢，實現(xiàn)了熱能的高效利用和存儲。
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，是我國首座商業(yè)化運營且具備規(guī)模化儲能系統(tǒng)的光熱電站，同時也是全球第三座投運的具備規(guī)模化儲能系統(tǒng)的塔式光熱電站，見下圖。該電站裝機規(guī)模為10兆瓦，采用塔式熔鹽技術路線，鏡場由21500臺2m2和1000臺20m2的定日鏡組成，采光面積達63000m2。
甘肅玉門100兆瓦光熱電站
中核集團新華發(fā)電玉門“光熱+”示范項目（100兆瓦）于2024年9月20日成功并網發(fā)電，這是全球裝機規(guī)模最大的熔鹽線性菲涅爾光熱儲能項目，標志著國內首個“光熱儲能+光伏+風電”綜合能源系統(tǒng)實現(xiàn)全容量投產。該項目位于甘肅省玉門市，總裝機容量700兆瓦，年發(fā)電量約1.735太瓦時，系國家首批“沙戈荒”大型風光基地配套項目及甘肅省首批“光熱+”一體化示范項目之一，亦為中核集團首個同類示范項目。
該項目采用熔鹽線性菲涅爾技術，通過動態(tài)跟蹤的一次反射鏡與二次反射鏡系統(tǒng)，高效聚集太陽輻射至真空集熱管，加熱吸熱流體，驅動熱力循環(huán)發(fā)電。該方案有效融合了光熱、光伏與風電，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。該項目的成功實施，對于構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)具有重要的技術示范與實踐意義，展現(xiàn)了熔鹽線性菲涅爾光熱儲能技術在可再生能源領域的應用潛力。
● 成本分析
太陽能光熱電站的成本構成相當復雜，涵蓋了從建設到運營的多方面因素，塔式光熱電站即為典型。其成本主要包括電站建造成本、日常運營維護成本、與年發(fā)電量直接相關的成本、財務成本以及稅金等。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)、儲熱換熱系統(tǒng)、熱力發(fā)電系統(tǒng)及配套公輔設施等各項開支。尤其是設備購置成本占據了建造成本的很大比例，特別是聚光集熱系統(tǒng)、儲熱換熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)等高技術含量設備的采購，這些設備不僅技術門檻高，而且需要大面積的土地資源用于安裝布置，這進一步增加了初始投資費用。聚光系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、儲換熱系統(tǒng)（包括儲熱系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)）的投資占整個電站投資的近70%，這表明這些系統(tǒng)在決定電站成本中的主導地位。此外，電站規(guī)模對單位千瓦投資成本也有顯著影響。當光熱電站裝機規(guī)模由100兆瓦增加至200兆瓦時，單位千瓦投資成本下降明顯，這是由于規(guī)模效應帶來的成本攤薄效應。然而，當裝機規(guī)模進一步由200兆瓦上升到300兆瓦時，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配置，增加了吸熱系統(tǒng)部分的單位投資以及增設了兩塔之間的并鹽管道等額外投資。
在運營維護成本方面，塔式光熱電站的運行成本包括人員成本、補燃系統(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，尤其是太陽能輻照條件好的大型電站，其運維成本甚至可以降低一半。然而，盡管運維成本隨著規(guī)模增加而降低，但初始投資成本仍然占據主導地位，導致光熱電站的度電成本相對較高。
熔融鹽作為光熱發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵儲熱介質，其性能直接影響系統(tǒng)的效率和成本。高溫熔融鹽對管道與儲熱罐內部存在一定的腐蝕，因此對材料要求比較高，這增加了熔融鹽系統(tǒng)的成本。同時，熔融鹽的購置成本占據了建造成本的很大比例，尤其是聚光集熱系統(tǒng)、儲熱換熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)等高技術含量設備的采購。在光熱電站的總成本中，熔融鹽儲能系統(tǒng)占據了相當一部分比例。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1.72萬元/千瓦，而整個電站的單位千瓦投資成本在2.5萬元～3.5萬元之間。根據《中國可再生能源工程造價管理報告2023年度》的預測，2030年熔鹽儲能單位功率投資約為240元/千瓦，儲能單位容量投資約為200元/千瓦時。
根據可勝技術在青海省德令哈市的項目數(shù)據，模擬采用雙塔一機配置、裝機容量300兆瓦的塔式光熱電站度電成本約為0.6981元/千瓦時。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%。這主要得益于單機規(guī)模的擴大帶來的汽輪機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電量和經濟效益。然而，與國際可再生能源署（IRENA）2023年發(fā)布的報告相比，如表3所示，光熱發(fā)電路線的總裝機成本和度電成本仍然高達6589美元/千瓦和0.117美元/千瓦時，遠高于同期的光伏、風電和水電的相關成本。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)和吸熱儲熱系統(tǒng)成本占比過大，導致整個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，但與早期項目相比，其單位造價已顯著降低。國際可再生能源署的報告指出，自2010年以來，光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本已下降約70%。
《中國可再生能源工程造價管理報告2023年度》顯示，2023年光熱項目的單位千瓦總投資平均約為1.85萬元/千瓦，波動范圍在1.35萬元/千瓦～2.3萬元/千瓦之間。在相同條件下，熔鹽塔式光熱發(fā)電項目的造價更具優(yōu)勢，100兆瓦規(guī)模的熔鹽塔式、導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1.72萬元/千瓦、2.1萬元/千瓦及2.3萬元/千瓦。值得注意的是，裝機規(guī)模的擴大有助于降低項目總體單位造價。當裝機規(guī)模從100兆瓦增至200兆瓦時，單位造價明顯下降；然而，當規(guī)模增至300兆瓦時，由于需采用“雙塔一機”配置，增加了吸熱系統(tǒng)和并鹽管道等投資，造價水平與200兆瓦項目基本持平。相關研究表明，光熱發(fā)電領域正處于規(guī)?；瘮U展與技術迅猛發(fā)展的階段。隨著生產規(guī)模擴大帶來的成本降低以及發(fā)電效率的不斷提升，采用熔鹽儲能技術的光熱發(fā)電的度電成本預計將呈現(xiàn)進一步下降趨勢。至2026年，塔式光熱電站的度電成本有望進一步優(yōu)化至0.5287～0.5312元/千瓦時（含運維優(yōu)化成本）。2040－2050年，光熱發(fā)電的度電成本預計將實現(xiàn)顯著削減，降至0.35～0.45元/千瓦時區(qū)間內。
熔融鹽儲熱與其他儲能方式對比
熔融鹽儲熱技術是光熱發(fā)電領域的主流儲熱技術，能夠實現(xiàn)光熱發(fā)電的高效、穩(wěn)定運行。隨著全球光熱發(fā)電市場的快速發(fā)展，熔融鹽儲熱技術的市場需求將持續(xù)增長。熔融鹽儲熱作為熱儲能的一種，相較于機械儲能、化學儲能、電化學儲能和電儲能，其獨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實現(xiàn)高效、大規(guī)模的熱能儲存與釋放，尤其適用于光熱發(fā)電、工業(yè)余熱回收等領域，具有成本低、壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)勢。相較于其他儲能技術，如抽水蓄能、電化學儲能、壓縮空氣儲能和氫儲能等，熔融鹽儲熱在很多方面也表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。盡管其初始投資規(guī)模較大，且應用受限于特定的熱能發(fā)電場景，無法直接儲存電能，需要完成“電能-熱能-電能”的轉換，效率相對較低，但其在熱能儲存領域的獨特優(yōu)勢仍不容忽視。與電化學儲能相比，熔融鹽儲熱的成本更低；同時，熔融鹽儲熱還支持從幾十兆瓦到更大規(guī)模的裝機需求，靈活性和適應性強。此外，熔融鹽儲熱系統(tǒng)還具有較高的安全性，這對于儲能系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行至關重要。
↑ 熔融鹽儲熱與其他儲能方式性能對比
熔融鹽儲熱技術在光熱發(fā)電領域的發(fā)展趨勢
熔鹽儲熱技術，作為清潔能源領域的一項重要創(chuàng)新解決方案，正日益受到政策扶持和技術進步的雙重推動。這項技術的核心在于利用熔鹽的高儲能密度和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，實現(xiàn)能量的高效儲存與釋放。隨著全球對節(jié)能減排和可再生能源利用的關注度不斷提升，熔鹽儲熱技術因其獨特的優(yōu)勢而備受矚目。政策方面，各國政府紛紛出臺相關政策，加大對熔鹽儲熱等清潔能源技術的研發(fā)和應用支持力度，推動其商業(yè)化進程。與此同時，技術進步也為熔鹽儲熱技術的發(fā)展提供了有力支撐。材料科學、熱力學、控制技術等領域的不斷突破，使得熔鹽儲熱系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和經濟性得到了顯著提升。未來，隨著國家政策支持力度加大、技術的進一步成熟和成本的進一步降低，熔鹽儲熱技術有望在清潔能源領域發(fā)揮更加重要的作用。
● 政策支持力度加大
2023年，中國政府密集出臺了一系列政策，全力推動光熱發(fā)電行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。2023年國家能源局發(fā)布《關于推動光熱發(fā)電規(guī)?；l(fā)展有關事項的通知》，明確力爭在“十四五”期間每年新增光熱發(fā)電開工規(guī)模達到3吉瓦左右。并要求結合沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)新能源基地建設，盡快落地一批光熱發(fā)電項目。光熱發(fā)電規(guī)模暫按內蒙古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年國務院發(fā)布的意見中也強調了光熱發(fā)電的重要性。這預示著未來幾年內，隨著大型風光基地的開發(fā)建設，光熱發(fā)電將迎來新的發(fā)展高潮。
甘肅省、青海省和內蒙古自治區(qū)等地也積極響應國家號召，分別發(fā)布了相關政策，推動光熱發(fā)電的發(fā)展。甘肅省人民政府在《甘肅省碳達峰實施方案》中提出探索光熱發(fā)電新模式，并謀劃實施“光熱+風光電”一體化項目；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目的競爭性配置條件，包括光熱配比、鏡儲配置、調峰調頻能力等多個方面，原則上新能源與光熱的最高配比為6∶1；內蒙古自治區(qū)人民政府辦公廳則提出，到2030年，內蒙古光熱發(fā)電裝機將達到1吉瓦。
未來三年，隨著光熱發(fā)電項目的逐步推進，各地將結合實際情況，進一步明確光熱發(fā)電項目開發(fā)建設的新要求，以確保政策的有效落地和執(zhí)行，從而推動我國光熱發(fā)電行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。
● 行業(yè)規(guī)?；翱萍及l(fā)展促進成本下降
目前，光熱發(fā)電已展現(xiàn)出顯著的規(guī)模效應，即隨著發(fā)電規(guī)模的擴大，單位成本呈現(xiàn)遞減趨勢。這種規(guī)模效應不僅促進了上下游供應鏈的完善與穩(wěn)定，還通過批量化采購主要設備及原材料，有效降低了供應成本。同時，規(guī)模化后的市場競爭機制進一步推動了行業(yè)成本優(yōu)化，激勵供應商探索低成本、高品質的材料替代方案，并加速了關鍵設備及材料的國產化進程，顯著提升了國產設備的先進性、可靠性，進而實現(xiàn)了光熱發(fā)電的降本增效。此外，隨著開發(fā)商及各參與方經驗的積累，風險管理和試錯成本得到有效控制，設計與建設周期顯著縮短。熔鹽儲熱技術已在太陽能光熱發(fā)電、火電機組靈活性改造、供暖及余熱回收等領域得到廣泛應用，并取得了一系列代表性示范成果，但在關鍵技術領域仍有待進一步突破。
隨著科研人員對熔鹽儲能技術的持續(xù)深入研究，未來熔鹽材料成本有望大幅降低，儲熱密度將顯著提升。同時，熔鹽儲熱系統(tǒng)的關鍵設備將形成標準化的制造流程，系統(tǒng)集成也將建立規(guī)范化的評價體系，確保各應用場景下的技術配套一致性。新型儲熱材料和系統(tǒng)設計的不斷優(yōu)化，將進一步增強系統(tǒng)性能，拓寬其適應的氣候與地理范圍，推動熔鹽儲熱技術實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用，成為新型電力系統(tǒng)中不可或缺的成熟儲能技術之一。
● 熔鹽儲熱市場將迎來快速增長新時代
熔鹽儲熱技術，憑借其獨有的優(yōu)勢與廣闊的應用前景，正逐步成為推動能源轉型與可持續(xù)發(fā)展的重要驅動力。當前，已投運的熔鹽儲熱項目主要聚焦于光熱發(fā)電領域，但隨著技術的不斷革新與成本的持續(xù)下降，其應用范圍有望進一步擴大。在光熱發(fā)電領域，企業(yè)正積極推動光伏+光熱或“風光熱儲”一體化項目建設，同時，熔鹽儲熱技術在火電靈活性改造、供熱、余熱利用等領域也展現(xiàn)出巨大潛力，多個示范項目已成功投運，商業(yè)模式日趨成熟。
光熱電站項目的增多，不僅提升了行業(yè)議價能力，還吸引了更多產業(yè)鏈參與者，顯著降低了設備投資成本。線性菲涅爾式光熱電站因其施工難度低、集熱場工程量小，設備投資占總投資的75%左右。集熱系統(tǒng)設備國產化率高，模塊化、批量化生產降低了成本。隨著市場規(guī)模的擴大，大宗材料采購價格及條件也進一步優(yōu)化。此外，首批示范項目的成功建設，不僅促進了關鍵設備廠家的增多與市場活躍度的提升，還為我國光熱行業(yè)培養(yǎng)了一批技術研發(fā)、系統(tǒng)設計、建設施工及調試運行的專業(yè)人才。
通過擴大單機規(guī)模、行業(yè)規(guī)?；l(fā)展、持續(xù)技術創(chuàng)新與系統(tǒng)優(yōu)化，以及政策與電力市場的支持，光熱發(fā)電成本將持續(xù)下降。預計至2025年，單機規(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/千瓦時以內，項目經濟性顯著提升。
熔融鹽儲熱技術基于特定的熱傳遞與存儲原理，通過合適的介質、存儲方式及技術路線，能有效存儲熱能并在光熱發(fā)電系統(tǒng)中實現(xiàn)能量的穩(wěn)定供應與轉化。其普遍性體現(xiàn)在已在全球多個大型光熱電站如美國新月沙丘光熱電站、中國青海中控德令哈光熱電站及甘肅玉門光熱電站等成功應用且商業(yè)化運營，表明在光熱發(fā)電領域該技術可廣泛適用于不同地理環(huán)境與工程條件下的能源存儲與轉化需求
目前我國在熔融鹽儲熱發(fā)電領域尚處于起步階段，雖技術不斷進步、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)定性的進一步提升、與當?shù)仉娋W適配性優(yōu)化等尚待深入研究解決的問題，且對于一些特殊工況下的長期運行效果還缺乏足夠數(shù)據支撐。與以往研究相比，相同點在于都認可熔融鹽儲熱技術對光熱發(fā)電的重要性與基礎應用原理。不同點在于本文結合了更新的國內外工程現(xiàn)狀及典型案例，如對近年新建的一些光熱電站案例進行深入剖析，更精準地展示了其在能源轉化效率提升、連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電及能源轉型推動方面的優(yōu)勢，且對未來發(fā)展前景與戰(zhàn)略意義的闡述結合了當下技術進步與成本變化趨勢等新因素。理論上豐富了光熱發(fā)電儲能技術體系，為能源存儲與轉化理論提供更多實踐依據。實用上可提高光熱電站能源轉化效率，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，助力全球能源轉型，盡管我國處于起步階段但已展現(xiàn)出未來大規(guī)模應用與商業(yè)化推廣潛力，對緩解能源供需矛盾、提升清潔能源占比有著極為重要的意義與價值。
進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）加強與電網系統(tǒng)協(xié)同研究以提升適配性；（3）建立長期運行監(jiān)測數(shù)據庫以便更精準評估技術可靠性；（4）探索與其他新能源技術融合應用模式以拓展其在能源綜合利用領域的潛力。
