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大 卫 与 露 茜 儿 派 克 德 基 金 会 威 廉 与 弗 洛 拉 休 利 特 基 金 会 合 盟 气 候 工 作 基 金 会 能 源 基 金 会 中 国 太 阳 能 集 热 发 电 的 可 行 性 及 政 策 研 究 报 告 中 国 科 学 院 清 洁 能 源 技 术 发 展 中 心 二 零 零 九 年 十 二 月

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项 目 参 加 人 员 : 李 德 贵, 中 国 科 学 院 清 洁 能 源 技 术 发 展 中 心 (CCET, CAS) 龚 思 源, 中 国 科 学 院 清 洁 能 源 技 术 发 展 中 心 (CCET, CAS) 田 丰, 中 国 科 学 院 清 洁 能 源 技 术 发 展 中 心 (CCET, CAS) 赵 丽 凤, 中 国 科 学 院 工 程 热 物 理 研 究 所 (IET, CAS) 肖 飞, 中 国 科 学 院 清 洁 能 源 技 术 发 展 中 心 (CCET, CAS) 满 燕 微, 上 海 联 和 投 资 有 限 公 司 (SAIL) 专 家 顾 问 : 肖 云 汉, 中 国 科 学 院 高 技 术 研 究 与 发 展 局 (BHT, CAS) 王 志 峰, 中 国 科 学 院 电 工 研 究 所 (IEE, CAS) I

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致 谢 感 谢 美 国 能 源 基 金 会 (The Energy Foundation) 中 国 可 持 续 发 展 能 源 项 目 (The China Sustainable Energy Program) 对 于 本 项 目 所 提 供 的 资 助 特 别 感 谢 Ryan Wiser,Ric O Connell,Wen Zhang 等 专 家, 在 项 目 过 程 中 所 给 予 的 无 私 的 合 作 与 分 享, 感 谢 你 们 对 项 目 所 做 出 的 一 切 极 富 价 值 的 极 其 出 色 的 贡 献 与 建 议 同 时 感 谢 美 国 能 源 基 金 会 北 京 办 事 处 的 管 理 和 工 作 人 员, 王 万 兴, 芦 红, 王 曼 等 对 于 项 目 的 协 调 帮 助 和 支 持 正 是 你 们 共 同 的 帮 助 和 努 力, 使 得 这 个 项 目 得 以 顺 利 与 成 功 进 行 此 外, 感 谢 中 国 科 学 院 电 工 所 的 王 志 峰 博 士 的 研 究 团 队, 以 及 其 它 各 位 专 家, 对 于 项 目 所 做 出 的 工 作, 以 及 提 出 的 富 有 建 设 性 的 意 见 III

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摘 要 本 项 目 由 能 源 基 金 会 中 国 可 持 续 能 源 项 目 (CSEP) 委 托 进 行, 旨 在 研 究 CSP 在 中 国 发 展 的 可 行 性, 并 为 政 府 制 定 CSP 激 励 政 策 提 出 建 议 太 阳 能 集 热 发 电 (Concentrating Solar Power, CSP) 是 一 种 可 集 中 进 行 规 模 化 发 电 的 清 洁 能 源 方 式 上 个 世 纪 70 年 代 暴 发 的 石 油 危 机 使 得 CSP 发 电 作 为 一 种 替 代 能 源 方 式 得 到 各 国 政 府 的 重 视, 最 早 一 批 商 业 化 的 CSP 电 厂 由 此 得 以 兴 建, 并 运 行 至 今 这 些 电 站 的 成 功 运 行 验 证 了 CSP 技 术 上 的 可 行 性 虽 然 目 前 CSP 发 电 的 成 本 仍 高 于 传 统 化 石 能 源 发 电, 但 未 来 随 着 技 术 的 成 熟 和 规 模 化 的 应 用, CSP 发 电 的 成 本 有 望 降 低 到 和 传 统 化 石 能 源 相 当 的 水 平 ( 本 项 目 中 通 过 对 CSP 电 站 模 型 的 经 济 性 分 析 对 此 进 行 了 说 明 ) 作 为 一 个 化 石 能 源 相 对 贫 乏 的 国 家, 发 展 CSP 对 中 国 有 着 重 要 的 意 义 本 项 目 对 中 国 集 热 发 电 的 资 源 潜 力 和 技 术 发 展 情 况 作 了 分 析 我 们 借 助 BLACK&VEATCH 协 助 本 项 目 所 做 的 一 个 简 化 的 地 理 信 息 系 统 分 析 (Geographic Information System, GIS), 对 中 国 的 太 阳 能 集 热 发 电 潜 力 进 行 了 估 算 中 国 符 合 太 阳 能 集 热 发 电 基 本 条 件 ( 即 DNI 5kWh/m2-day, 坡 度 小 于 3%) 的 太 阳 能 集 热 发 电 可 装 机 容 量 约 有 16000GW, 与 美 国 相 近, 远 超 过 西 班 牙 以 年 发 电 量 来 讲, 中 国 潜 在 的 太 阳 能 集 热 可 发 电 量 为 42000TWh/ 年, 远 大 于 目 前 的 年 用 电 需 求 3427TWh/ 年 在 技 术 方 面, 虽 然 我 国 太 阳 能 热 发 电 技 术 的 实 际 应 用 尚 在 起 步, 但 国 家 从 七 五 期 间 就 已 经 开 始 设 立 有 关 太 阳 能 集 热 发 电 技 术 项 目 以 对 其 进 行 技 术 跟 踪 因 而 在 太 阳 能 集 热 发 电 的 单 元 技 术 和 人 才 培 养 上, 积 累 了 一 定 的 基 础 我 国 科 学 家 目 前 已 经 掌 握 了 一 批 太 阳 能 热 发 电 的 关 键 技 术 例 如, 中 科 院 电 工 所 建 立 在 北 京 延 庆 的 太 阳 能 热 发 电 技 术 及 系 统 示 范 项 目 是 目 前 国 内 乃 至 亚 洲 唯 一 的 一 座 兆 瓦 级 的 太 阳 能 热 发 电 示 范 项 目 该 电 站 中 的 所 有 技 术 和 装 备 都 将 是 完 全 自 主 知 识 产 权, 已 申 请 专 利 34 项 本 项 目 还 研 究 了 在 推 进 大 规 模 CSP 发 电 中 可 能 会 遇 到 的 障 碍 因 素, 如 高 额 初 始 投 资 太 阳 能 发 电 的 间 歇 性 土 地 要 求 电 网 输 送 政 策 风 险 等 等 从 我 国 V

太 阳 能 资 源 的 分 布 来 看, 我 国 最 适 合 建 设 CSP 电 站 的 地 方 多 半 集 中 在 西 部 人 口 稀 少 的 地 区, 因 此 土 地 使 用 成 本 相 对 较 低 由 于 中 国 太 阳 能 资 源 的 分 布 不 均 匀 远 离 用 电 中 心 的 特 性, 电 力 传 输 必 然 造 成 成 本 增 加, 对 未 来 中 国 CSP 的 发 展 可 能 会 造 成 一 定 的 障 碍 虽 然 在 电 力 输 送 方 面, 中 国 电 网 基 本 属 于 国 家 管 理, 不 像 国 外 完 全 由 私 人 企 业 分 割 控 制, 在 统 一 规 划 上 会 具 有 一 定 的 优 势 我 国 未 来 还 将 建 设 全 国 性 的 智 能 电 网, 解 决 新 能 源 发 电 的 间 歇 性 问 题 本 项 目 还 结 合 CSP 在 中 国 的 发 展 情 况 提 出 了 中 国 CSP 阶 段 性 发 展 的 路 线 图, 分 析 了 CSP 在 中 国 的 发 展 前 景 目 前 CSP 技 术 发 展 还 不 成 熟, 因 此 其 发 电 成 本 仍 远 高 于 传 统 化 石 能 源 发 电 再 加 上 建 设 CSP 电 站 初 始 投 资 过 高, 因 此 CSP 发 电 在 实 现 大 规 模 应 用 和 自 由 市 场 化 发 展 之 前, 仍 需 要 政 府 相 关 政 策 的 引 导 和 支 持 在 报 告 后 半 部 分, 我 们 参 考 了 世 界 各 国 的 新 能 源 激 励 政 策, 分 析 了 中 国 现 有 的 政 策 基 础, 最 后 结 合 我 们 提 出 的 中 国 CSP 阶 段 性 发 展 的 路 线 图, 为 政 府 制 定 CSP 相 关 的 激 励 政 策 提 出 了 建 议 VI

目 录 第 一 章 背 景...1 第 二 章 资 源 潜 力...4 第 三 章 太 阳 能 集 热 发 电 技 术 发 展 概 况...10 第 四 章 太 阳 能 集 热 发 电 的 商 业 化...17 第 五 章 太 阳 能 集 热 发 电 的 驱 动 因 素 以 及 障 碍 风 险 分 析...27 第 六 章 CSP 的 成 本 与 电 价 分 析...33 第 七 章 光 热 与 光 伏 商 业 化 的 竞 争 分 析...45 第 八 章 中 国 太 阳 能 集 热 发 电 的 技 术 及 装 备 制 造 水 平 概 况...48 第 九 章 中 国 太 阳 能 热 发 电 的 成 本 研 究...55 第 十 章 北 京 延 庆 八 达 岭 1MW 塔 式 发 电 示 范 项 目...61 第 十 一 章 中 国 太 阳 能 集 热 发 电 发 展 的 路 线 图...64 第 十 二 章 国 外 的 可 再 生 能 源 政 策 分 析...74 第 十 三 章 中 国 现 有 的 政 策 基 础 和 分 析...78 第 十 四 章 政 策 建 议...84 参 考 文 献...89 VII

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表 格 索 引 表 1 中 国 可 再 生 能 源 的 资 源 可 开 发 量...4 表 2 中 国 美 国 和 西 班 牙 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 资 源 总 潜 力...7 表 3 按 DNI 值 分 类, 中 国 各 省 份 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 资 源 分 布...8 表 4. SEGS 电 站 的 历 史 和 运 行 参 数...20 表 5 用 来 分 析 的 槽 式 电 站 的 基 本 数 据...34 表 6 槽 式 支 架 成 本 比 较...34 表 7 槽 式 的 吸 热 器 成 本 比 较...35 表 8 槽 式 聚 光 镜 的 造 价 比 较...35 表 9 太 阳 能 其 它 辅 助 设 施 的 成 本 比 较...36 表 10 电 站 发 电 部 分 的 成 本 比 较...37 表 11 双 罐 式 热 储 存 系 统 成 本 明 细...37 表 12 热 储 存 成 本 比 较...38 表 13 槽 式 太 阳 能 热 发 电 电 站 的 的 固 定 资 产 成 本 投 资 的 比 较...38 表 14 槽 式 太 阳 能 热 电 站 的 年 运 行 和 维 护 费 用 ( O&M ) 比 较...39 表 15 槽 式 电 站 的 LCOE 比 较 (crf:9.37%)...39 表 16 太 阳 能 塔 式 发 电 的 固 定 成 本 比 较...40 表 17 塔 式 运 行 和 维 护 成 本 的 比 较...41 表 18 太 阳 能 塔 式 热 发 电 的 平 准 化 成 本 LCOE 的 比 较 ( crf: 9.37% )...42 表 19 Sargent&Lundy 对 太 阳 能 集 热 发 电 技 术 的 LCOE 的 预 测...43 表 20 内 蒙 古 与 德 国 Solar Millennium AG 合 资 50MW 槽 式 项 目 的 预 期 国 产 化 比 例...53 IX

表 21 CSP 投 资 成 本 中 相 关 产 品 与 服 务 价 格 的 对 比...55 表 22 中 国 槽 式 电 站 成 本 与 欧 美 的 比 较...56 表 23 中 国 与 德 国 的 人 员 在 开 支 上 的 对 比...57 表 24 关 于 对 CSP 的 规 模 的 预 测 对 比...64 表 25 2030-2050 年 间, 新 增 CSP 发 电 量 在 总 的 发 电 增 长 量 中 所 占 的 比 例...72 图 形 索 引 图 1 太 阳 能 集 热 发 电 示 意 图...10 图 2 槽 式 发 电 系 统...11 图 3 菲 涅 尔 发 电 系 统...12 图 4 塔 式 发 电 系 统...13 图 5 西 班 牙 PS10 塔 式 发 电 站 (11MW)...13 图 6 斯 特 林 ( 碟 式 ) 发 电 系 统...14 图 7 当 前 世 界 范 围 内 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 装 机 情 况 ( 按 国 家 分 类 )...17 图 8 当 前 世 界 太 阳 能 集 热 发 电 的 装 机 容 量 的 技 术 占 比 情 况...17 图 9 世 界 范 围 内 在 建 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 容 量 ( 按 国 家 分 类 )...18 图 10 世 界 范 围 内 在 建 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 装 机 容 量 的 技 术 占 比 情 况...18 图 11 世 界 范 围 内 宣 布 的 规 划 中 太 阳 能 集 热 发 电 装 机 容 量 ( 按 国 家 分 类 )...19 图 12 世 界 范 围 内 已 宣 布 的 规 划 中 太 阳 能 集 热 发 电 装 机 容 量 的 技 术 占 比 情 况...19 图 13 位 于 Kramer Junction 的 SEGS III 到 SEGS VII 的 空 中 俯 瞰 景 象...21 图 14 Nevada Solar One...21 X

图 15 西 班 牙 Andasol 1 (50MW) 槽 式 发 电 站...22 图 16 Solar Two 的 接 收 塔 和 定 日 镜...23 图 17 西 班 牙 塔 式 太 阳 能 热 发 电 站 PS10...24 图 18 PS10( 左 ) 和 PS20...24 图 19 西 班 牙 Andasol1(50M) 电 站 的 投 资 组 成...28 图 20 到 2010 年 中 国 规 划 的 HVDC/AC 传 输 网 络...30 图 21 2015-2020 年 中 国 规 划 的 HVDC/AC 传 输 网 络...31 图 22 太 阳 能 集 热 发 电 的 价 值 链...32 图 23 ESTELA 对 太 阳 能 槽 式 发 电 预 测 的 至 2025 年 的 成 本 降 低 情 况...43 图 24 不 同 太 阳 能 集 热 发 电 电 价 降 低 的 原 因, 按 技 术 分 类 所 占 的 比 例...44 图 25 中 国 的 太 阳 能 槽 式 热 发 电 固 定 投 资 的 基 本 组 成...56 图 26 100MW 的 北 美 槽 式 太 阳 能 热 发 电 站 的 日 常 运 行 和 维 护 费 ( O&M ) 的 分 布...57 图 27 中 国 太 阳 能 热 电 站 的 日 常 运 行 和 维 护 费 用 ( O&M ) 的 分 配 比 例 58 图 28 到 2020 年 槽 式 电 站 的 成 本 降 低 趋 势...59 图 29 三 种 情 景 之 下 的 中 国 太 阳 能 槽 式 热 发 电 的 成 本 预 测...59 图 30 IEA 对 于 中 国 电 力 需 求 增 长 的 预 测 (TWh)...65 图 31 CSP 在 中 国 发 展 规 模 的 预 测 ( 保 守 情 况 )...71 图 32 CSP 在 中 国 发 展 的 规 模 预 测 ( 常 规 情 况 下 )...72 XI

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第 一 章 背 景 1.1 太 阳 能 集 热 发 电 世 界 未 来 能 源 版 图 中 的 重 要 角 色 作 为 一 种 可 集 中 进 行 规 模 化 大 型 发 电 的 清 洁 能 源 方 式, 太 阳 能 集 热 发 电 (Concentrating Solar Power, CSP) 近 期 在 全 球 范 围 内 掀 起 了 一 股 新 的 投 资 和 建 设 热 潮 根 据 国 际 绿 色 和 平 组 织 欧 洲 太 阳 热 电 协 会 和 国 际 能 源 署 下 属 的 太 阳 能 热 动 力 和 太 阳 化 学 能 系 统 计 划 (SolarPACES Program) 在 2009 年 世 界 太 阳 能 集 热 发 电 概 况 中 的 预 测, 如 果 发 展 顺 利, 到 2030 年, 太 阳 能 热 发 电 有 可 能 满 足 全 球 7% 的 能 源 需 求,2050 年 时 甚 至 可 满 足 高 达 25% 的 全 球 能 源 需 求 1 美 国 华 盛 顿 地 球 政 策 研 究 对 太 阳 能 集 热 发 电 所 做 出 的 预 测 则 更 为 乐 观, 他 们 预 测 在 未 来 5 年 内, 全 球 的 集 热 型 太 阳 能 发 电 能 力 每 隔 16 个 月 就 将 翻 一 番 2 基 于 中 国 现 有 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 技 术 和 商 业 化 水 平, 太 阳 能 集 热 发 电 在 中 国, 极 有 可 能 会 先 经 过 技 术 验 证 (2010-2015 年 ) 商 业 起 步 (2016-2020 年 ) 规 模 化 商 业 发 展 (2021-2030 年 ) 的 阶 段 性 的 发 展 过 程, 最 终 进 入 自 由 市 场 竞 争 阶 段 (2030 年 -) 到 2050 年, 我 们 预 计 太 阳 能 集 热 发 电 可 满 足 中 国 大 约 8% 的 电 力 需 求 到 那 时, 中 国 的 CSP 技 术 将 与 世 界 一 起, 成 为 能 源 版 图 中 重 要 的 组 成 部 分 1.2 历 史 和 现 状 : 全 球 对 能 源 安 全 和 能 源 环 境 危 机 的 认 识 是 太 阳 能 热 发 电 的 根 本 动 力 从 1998-2008 年,OECD 国 家 和 地 区 使 用 的 能 源 占 年 消 费 总 量 的 54%, 但 是 OECD 国 家 人 口 不 到 世 界 人 口 的 16%(BP 世 界 能 源 统 计 2009) 显 然, 依 赖 化 石 能 源 支 持 经 济 增 长 的 方 式 无 法 使 全 球 人 口 实 现 工 业 化 另 一 方 面, 全 球 对 气 候 变 化 问 题 终 于 从 怀 疑 走 向 行 动 为 了 避 免 走 上 气 候 变 化 的 不 归 路, 保 障 地 球 和 人 类 的 可 持 续 发 展, 世 界 各 国 再 次 把 目 光 转 向 清 洁 的 可 再 生 能 源 从 太 阳 能 集 热 发 电 的 技 术 和 商 业 化 情 况 来 看, 太 阳 能 集 热 发 电 并 不 是 一 种 新 的 技 术 上 个 世 纪 70 年 代 暴 发 的 石 油 危 机 开 始 迫 使 人 们 寻 找 其 它 可 替 代 能 源, 太 阳 能 集 热 发 电 因 此 得 到 各 国 政 府 的 重 视, 最 早 一 批 商 业 化 的 太 阳 能 热 发 电 厂 由 此 得 以 兴 建, 并 运 行 至 今 太 阳 能 集 热 发 电 在 经 历 了 80 年 代 的 第 一 次 起 飞 之 后, 由 于 石 油 价 格 回 落, 能 源 的 政 治 敏 感 度 相 应 降 低, 而 太 阳 能 集 热 发 电 自 身, 又 面 1

临 着 单 位 投 资 大, 短 时 间 内 缺 乏 必 要 的 降 低 成 本 的 技 术 突 破 等 问 题, 发 展 渐 趋 缓 慢, 十 几 年 中 甚 至 接 近 于 停 滞 近 年 来, 由 于 能 源 安 全 和 环 境 问 题, 各 国 相 应 的 经 济 扶 持 和 激 励 政 策 相 继 出 台, 太 阳 能 集 热 发 电 产 业 也 随 之 再 次 升 温 成 为 热 点, 为 2008 年 后 一 度 低 迷 的 世 界 经 济 大 背 景 带 来 了 新 的 刺 激 和 产 业 希 望 如 果 我 们 对 太 阳 能 集 热 发 电 的 历 史 发 展 轨 迹 认 真 检 视 的 话, 会 发 现, 太 阳 能 集 热 发 电 产 业 的 起 伏 涨 落, 和 政 府 对 于 可 再 生 能 源 的 重 视 以 及 政 策 的 推 动 是 息 息 相 关 的 1.3 中 国 太 阳 能 集 热 发 电 还 须 快 速 发 展 才 能 赶 上 世 界 的 脚 步 相 比 起 来, 我 国 对 太 阳 能 热 发 电 技 术 的 研 究 起 步 较 晚, 20 世 纪 70 年 代 才 开 始 一 些 基 础 研 究 20 世 纪 80 年 代 初, 湘 潭 电 机 厂 与 美 国 太 空 电 子 公 司 合 作, 试 制 了 2 台 5KW 碟 式 抛 物 面 点 聚 焦 太 阳 能 热 发 电 装 置 但 由 于 价 格 过 高, 加 上 工 艺 材 料 部 件 及 相 关 技 术 等 没 有 得 到 根 本 解 决, 而 未 能 得 到 推 广 使 用 国 家 八 五 计 划 安 排 了 小 型 部 件 和 材 料 的 攻 关 项 目, 于 中 国 科 学 院 电 工 研 究 所 内 建 成 了 小 型 抛 物 面 槽 式 真 空 管 高 温 集 热 装 置 南 京 江 宁 地 区 与 以 色 列 合 作 在 2005 年 建 立 了 国 内 第 一 座 塔 式 的 70KW 的 示 范 装 置 3 2009 年 3 月 由 中 国 科 学 院 电 工 所 主 持 的 第 一 个 兆 瓦 级 的 塔 式 示 范 电 站 开 始 建 设 动 工 而 商 业 化 项 目, 目 前 进 入 实 质 项 目 审 批 阶 段 的 只 有 内 蒙 古 与 Solar Millennium 共 同 开 发 的 50MW 的 槽 式 发 电 项 目 随 着 近 期 清 洁 能 源 产 业 的 升 温, 更 多 的 商 业 化 项 目 的 意 向 被 各 方 在 各 地 纷 纷 提 出, 但 总 体 来 说, 中 国 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 商 业 化 应 用, 还 在 起 步 阶 段 如 果 说, 现 今 的 太 阳 能 集 热 发 电 产 业, 不 约 而 同 地 被 世 界 上 多 家 与 能 源 相 关 的 权 威 评 测 机 构, 诗 意 而 热 情 地 描 写 为 一 个 沉 睡 了 十 几 年, 正 在 迅 速 觉 醒 的 巨 人 的 话, 那 么 中 国 的 太 阳 能 集 热 发 电 离 成 长 为 这 样 举 足 轻 重 的 巨 人, 还 有 很 长 的 路 要 走 但 是 如 果 给 予 适 当 的 政 策 扶 持 和 鼓 励, 一 旦 经 过 最 初 的 技 术 验 证 和 初 步 发 展 阶 段, 我 们 预 测 在 中 国, 到 2020 年, 太 阳 能 集 热 发 电 有 可 能 经 历 与 风 电 和 光 伏 产 业 类 似 的 爆 发 式 发 展, 成 为 新 能 源 中 替 代 传 统 大 型 集 中 式 发 电 的 主 力 到 2050 年, 有 可 能 满 足 全 国 电 力 需 求 的 8% 甚 至 更 多 1.4 中 国 太 阳 能 集 热 发 电 的 发 展 在 前 期 离 不 开 政 策 的 推 动 和 支 持 由 于 现 阶 段 环 境 污 染 和 治 理 的 成 本 因 素 并 没 有 反 映 到 传 统 化 石 能 源 发 电 的 价 格 上, 如 果 没 有 政 府 政 策 的 干 预, 单 纯 依 靠 市 场 自 身 调 节, 新 能 源 在 价 格 上 还 2

缺 乏 和 传 统 能 源 竞 争 的 能 力 和 火 电 相 比, 虽 然 在 运 行 阶 段, 太 阳 能 集 热 发 电 不 像 火 电 那 样 需 要 燃 料 才 能 运 行, 电 站 本 身 的 维 护 运 行 成 本 较 低, 尤 其 是 在 固 定 资 产 投 资 全 部 回 收 之 后, 在 设 备 的 维 修 和 维 护 费 用 之 外, 因 为 无 需 燃 料 成 本, 营 运 的 利 润 更 是 远 大 于 一 般 的 火 电 厂 但 是 太 阳 能 集 热 发 电 技 术 还 未 成 熟, 产 业 还 在 起 步 阶 段, 设 备 制 造 未 到 达 规 模 经 济, 因 而 造 成 初 始 投 资 成 本 和 单 位 发 电 成 本 远 高 于 火 电 因 此, 政 府 政 策 支 持 和 扶 助 则 是 必 不 可 少 的 有 关 政 府 政 策 的 制 定, 我 们 会 在 报 告 的 后 部, 结 合 我 们 提 出 的 太 阳 能 集 热 发 电 阶 段 性 发 展 的 路 线 图, 提 出 更 为 详 尽 的 建 议 3

第 二 章 资 源 潜 力 2.1 中 国 是 一 个 太 阳 能 资 源 非 常 丰 富 的 国 家 相 比 于 其 它 可 再 生 能 源, 太 阳 能 取 之 不 尽, 用 之 不 竭 太 阳 能 每 秒 钟 到 达 地 球 的 能 量 达 8 10 13 kw, 如 果 我 们 可 以 把 地 球 表 面 仅 仅 0.1% 的 太 阳 能 转 为 电 能, 转 化 率 为 5%, 每 年 的 发 电 量 即 有 望 达 到 5.6 10 16 kwh, 相 当 于 目 前 全 世 界 能 耗 的 40 倍 中 国 是 一 个 太 阳 能 资 源 非 常 丰 富 的 国 家 全 国 陆 地 面 积 接 受 的 太 阳 能 辐 射 能 约 为 17000 亿 吨 标 准 煤 其 中 年 日 照 时 数 大 于 2200h, 辐 射 总 量 高 于 5000MJ/m 2 的 太 阳 能 资 源 丰 富 或 较 丰 富 的 地 区 约 占 全 国 总 面 积 的 2/3 以 上, 具 有 良 好 的 太 阳 能 利 用 条 件 特 别 是 人 口 密 度 稀 少 的 西 北, 青 海 西 藏 等 地 区, 更 具 有 发 展 大 规 模 的 太 阳 能 集 热 电 站 的 潜 力 表 1 中 国 可 再 生 能 源 的 资 源 可 开 发 量 种 类 资 源 可 开 发 量 折 合 标 准 煤 ( 亿 tce) 太 阳 能 17000 亿 tce 17000 风 能 10 亿 kw 8 水 能 经 济 可 开 发 4.0 亿 kw 技 术 可 开 发 5.4 亿 kw 4.8~6.4 生 物 质 能 生 物 质 发 电 3 亿 秸 秆 +3 亿 吨 林 业 废 弃 物 1.5+3.0=3.5 液 体 燃 料 5000 万 吨 0.5 沼 气 800 亿 m 3 0.6 总 计 4.6 地 热 能 33 亿 tce 33( 但 适 用 于 发 电 的 少 ) 根 据 国 家 统 计 局 在 2009 年 12 月 25 日 发 布 的 第 二 次 全 国 经 济 普 查 结 果 4, 中 国 4

2008 年 一 次 能 源 生 产 总 量 为 26.5 亿 吨 标 准 煤, 能 源 消 费 总 量 为 29.1 亿 吨 标 准 煤 如 果 参 照 国 家 发 展 改 革 委 员 会 在 2007 年 发 布 的 可 再 生 能 源 中 长 期 发 展 规 划 中 所 罗 列 的 各 种 资 源 的 可 开 发 量 ( 表 1), 我 们 可 以 看 出, 太 阳 能 是 唯 一 在 数 量 上 能 够 完 全 满 足 中 国 未 来 能 源 能 源 消 耗 的 可 再 生 能 源 其 次, 根 据 国 土 资 源 部 发 布 的 2004 年 国 土 资 源 公 报, 全 国 荒 漠 化 土 地 面 积 已 达 262 万 平 方 公 里, 占 国 土 面 积 近 三 分 之 一 每 年 新 增 荒 漠 化 面 积 2400 多 平 方 公 里 大 部 分 在 太 阳 能 资 源 丰 富 的 西 部 地 区, 仅 新 疆 地 区 166 万 平 方 公 里 的 土 地 面 积 中 就 有 荒 漠 戈 壁 111 万 平 方 公 里 5 下 面, 我 们 将 借 助 BLACK&VEATCH 协 助 本 项 目 所 做 的 一 个 简 化 的 地 理 信 息 系 统 分 析 (Geographic Information System, GIS), 通 过 其 分 析 假 设 和 数 据 结 论 的 简 要 说 明, 对 中 国 的 太 阳 能 集 热 发 电 潜 力 来 做 一 个 粗 略 的 量 化 的 估 算 6 2.2 中 国 太 阳 能 集 热 发 电 的 潜 力 2.2.1 太 阳 集 热 发 电 的 选 址 条 件 太 阳 能 集 热 发 电 和 太 阳 能 光 伏 发 电 不 同, 只 能 利 用 太 阳 法 向 直 射 辐 射 (Direct Normal Insolation, 简 称 为 法 直 辐 射, DNI) 因 此,DNI 数 值 是 太 阳 能 集 热 发 电 站 选 址 布 局 的 首 要 依 据 其 次, 太 阳 能 集 热 发 电 对 地 面 坡 度 有 比 较 严 格 的 要 求 槽 式 发 电 系 统 一 般 要 求 地 面 坡 度 不 得 大 于 1%, 塔 式 发 电 对 地 面 坡 度 的 要 求 相 对 宽 松 一 些 在 本 模 型 中, 坡 度 大 于 3% 的 地 面 被 视 为 完 全 不 适 合 发 展 太 阳 能 集 热 发 电 ( 有 坡 度 的 地 面 虽 然 可 以 进 行 人 工 整 平, 但 对 于 建 电 站 所 需 的 大 面 积 土 地 来 说, 这 么 做 显 然 缺 乏 经 济 适 用 性 ) 此 外, 电 站 选 址 还 需 要 通 过 地 理 信 息 系 统 所 提 供 的 信 息, 将 水 体 流 沙 沼 泽 森 林 盐 盆, 以 及 城 市, 自 然 保 护 区 矿 区 等 不 适 合 发 展 太 阳 能 电 站 的 地 方 扣 除 如 果 电 厂 采 用 水 冷 方 式 冷 却 的 话, 则 对 附 近 水 资 源 的 可 取 性 也 有 一 定 的 要 求 2.2.2 GIS 分 析 的 基 本 假 设 在 本 文 计 算 中, 采 用 的 是 由 美 国 National Renewable Energy Lab 根 据 天 气 日 辐 照 模 型 (Climatological Solar Radiation Model) 提 供 的 分 辨 率 为 40km 40km 的 DNI 数 据, 其 中 已 经 考 虑 了 云 遮 盖 水 汽 气 溶 胶 和 痕 量 气 体 等 因 素 由 于 在 5

本 文 中 的 GIS 分 析 还 只 是 比 较 粗 略 的 估 算, 很 多 可 影 响 到 电 站 选 址 以 及 上 网 电 价 的 因 素, 如 当 地 的 水 资 源 供 给 人 口 密 度 距 交 通 干 道 和 电 网 的 距 离 等, 为 了 简 化 原 因, 并 没 有 包 含 在 当 前 的 评 价 系 统 当 中 下 面 是 GIS 分 析 中 所 做 的 一 些 假 设 : DNI 值 的 简 化 处 理 为 了 简 便, 如 果 某 地 区 的 日 DNI 量 小 于 5kWh/m 2 -day 的 话, 在 分 析 中 被 忽 略 不 计, 即 0kWh/m 2 -day; 对 于 DNI 数 值 在 5-6 kwh/m 2 -day 范 围 内 的 地 区, 计 算 时 被 统 一 简 化 为 5.5 kwh/m 2 -day ; 同 理,6-7kWh/m 2 -day 被 简 化 为 6.5 kwh/m 2 -day;7-8 kwh/m 2 -day 被 简 化 为 7.5kwh/m 2 -day;8-9 kwh/m 2 -day 被 简 化 为 8.5 kwh/m 2 -day,dni 在 9 kwh/m 2 -day 以 上 的 被 统 计 为 9 kwh/m 2 -day 坡 度 的 简 化 处 理 对 于 坡 度 小 于 3% 的, 我 们 认 为 此 地 区 是 100% 可 为 太 阳 能 集 热 电 站 所 用 ; 坡 度 大 于 3% 的 则 为 彻 底 不 可 用, 全 部 被 忽 略 自 然 和 经 济 原 因 造 成 的 土 地 可 使 用 程 度 城 市 水 体 矿 区 ( 正 在 开 采 区 与 矿 藏 区 ), 和 受 保 护 地 区 ( 如 自 然 保 护 区 ), 均 不 做 考 虑, 土 地 可 用 率 被 视 为 零 沙 漠 和 荒 原 则 按 照 100% 可 用 来 处 理 ; 草 地 牧 区 农 业 区 做 50% 考 虑 ; 森 林 和 灌 木 区, 可 用 率 被 定 为 10% 在 扣 除 了 上 述 使 用 率 折 扣 之 后, 就 是 综 合 考 虑 了 坡 度 和 自 然 经 济 因 素 的 可 用 于 太 阳 能 集 热 发 电 的 土 地 使 用 面 积 例 如, 在 西 藏 自 治 区 内, 日 平 均 法 直 辐 射 量 在 7-8kWh/m 2 -day 之 间 的 土 地 面 积 为 38,260km 2, 其 中 坡 度 小 于 3% 的 土 地 面 积 为 22,726km 2, 而 在 这 其 中 又 有 20,736km 2 为 草 地, 由 于 草 地 的 利 用 率 被 估 计 为 50%, 那 么 在 乘 以 50% 的 系 数 以 后, 在 西 藏 自 治 区, 日 平 均 法 直 辐 射 量 在 7-8kWh/m 2 -day 之 间, 适 用 于 太 阳 能 集 热 发 电 的 有 效 总 面 积 共 计 为 10,368km 2 太 阳 能 集 热 发 电 站 的 效 率 在 计 算 中, 我 们 将 太 阳 能 发 电 站 的 光 电 转 化 效 率 假 设 为 在 现 阶 段 比 较 典 型 的 6

不 带 储 能 装 置 的 槽 式 CSP 的 发 电 效 率, 即 15% 并 且, 在 经 过 上 述 GIS 分 析 的 假 设 后 得 出 的 适 用 于 发 展 太 阳 能 集 热 发 电 站 的 面 积, 与 其 中 真 正 用 于 收 集 阳 光 的 有 效 面 积 的 比 例, 即 一 个 发 电 厂 中 所 安 装 的 聚 光 镜 面 积 和 发 电 厂 总 面 积 之 间 的 比 例, 被 定 为 25% 此 外, 太 阳 能 集 热 电 站 的 装 机 容 量 与 地 面 面 积 的 比 率 估 算 为 30MW/km 2 太 阳 能 集 热 发 电 的 可 年 发 电 量 和 潜 力 估 算 基 于 上 面 的 假 设, 我 们 可 以 根 据 可 用 于 发 展 太 阳 能 集 热 发 电 的 有 效 土 地 面 积 和 DNI, 乘 以 转 化 效 率 等, 来 估 算 中 国 太 阳 能 集 热 发 电 的 潜 力 : 年 发 电 的 瓦 时 数 = 地 区 内 CSP 有 效 面 积 DNI 电 厂 发 电 效 率 ( 如 槽 式 无 储 能 15%) 聚 光 镜 占 发 电 厂 总 面 积 的 比 例 ( 如 25%) 发 电 潜 力 ( 瓦 )= 地 区 内 CSP 有 效 面 积 CSP 电 站 的 容 量 与 地 面 的 比 率 ( 如 30 MW/km 2 ) 2.2.3 GIS 的 分 析 结 果 采 用 上 述 相 同 的 假 设 和 计 算 方 法, 对 中 国 美 国 和 西 班 牙 做 出 的 GIS 分 析 结 果 显 示 ( 表 2), 相 对 于 美 国 的 15000GW 和 西 班 牙 的 720GW, 中 国 符 合 太 阳 能 集 热 发 电 基 本 条 件, 即 DNI 5kWh/m 2 -day, 坡 度 小 于 3% 的 太 阳 能 集 热 发 电 可 装 机 容 量 约 有 16000GW, 与 美 国 相 近 以 年 发 电 量 来 讲, 中 国 潜 在 的 太 阳 能 集 热 可 发 电 量 为 42000TWh/ 年, 远 大 于 目 前 的 年 用 电 需 求 3427TWh/ 年 表 2 中 国 美 国 和 西 班 牙 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 资 源 总 潜 力 GW DNI 7 kwh/m 2 的 功 率 TWh/ 年 (GW) 中 国 16,000 42,000 1,400 美 国 15,000 40,000 1,300 西 班 牙 720 1,900 0.7 这 意 味 着, 即 便 在 未 来, 所 有 的 化 石 能 源 枯 竭 之 后, 中 国 仍 然 有 着 远 大 于 自 7

给 自 足 能 力 的 丰 富 的 太 阳 能 集 热 发 电 资 源 因 此, 发 展 太 阳 能 集 热 发 电, 对 于 保 障 中 国 未 来 的 能 源 安 全, 具 有 深 刻 的 战 略 意 义 表 3 按 DNI 值 分 类, 中 国 各 省 份 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 资 源 分 布 5-6 kwh/m 2 -day 6-7 kwh/m 2 -day >7 kwh/m 2 -day 省 份 GW TWh/yr GW TWh/yr GW TWh/yr 内 蒙 古 6,000 15,000 59 170 0 0 新 疆 4,300 11,000 400 1,100 340 1,200 青 海 2,000 4,900 720 2,100 31 100 西 藏 320 770 300 860 1,100 3,900 甘 肃 440 1,100 15 42 0 0 四 川 56 140 0 0 0 0 河 北 26 64 0 0 0 0 山 西 18 44 0 0 0 0 陕 西 9 21 0 0 0 0 黑 龙 江 7 17 0 0 0 0 吉 林 4 10 0 0 0 0 总 和 13,180 33,000 1,500 4,300 1,471 5,200 由 表 3 可 见, 中 国 太 阳 能 集 热 发 电 的 总 体 潜 力 位 居 前 五 位 的 省 份, 分 别 是 内 蒙 古 新 疆 青 海 西 藏 和 甘 肃 其 中 西 藏 具 有 高 品 质 的 太 阳 能 集 热 发 电 资 源, 拥 有 DNI 大 于 7kw/m 2 -day 的 总 功 率 数 为 1100GW, 占 全 国 总 数 的 78.5%, 在 各 省 中 遥 遥 领 先 总 体 而 言,GIS 分 析 得 出 结 论 与 以 前 的 中 国 太 阳 能 资 源 调 查 基 本 一 致, 即 中 国 太 阳 能 资 源 丰 富, 且 主 要 集 中 在 内 蒙 古 新 疆 青 海 和 西 藏 这 些 人 口 稀 少, 地 理 位 置 比 较 偏 远 的 省 份 8

我 国 目 前 全 面 研 究 太 阳 能 热 发 电 站 选 址 的 科 研 成 果 不 多 中 国 科 学 院 地 理 科 学 与 资 源 研 究 所 王 劲 峰 的 课 题 组 根 据 影 响 选 址 决 策 的 因 素, 提 出 了 自 己 的 一 个 综 合 决 策 支 持 系 统 框 架 并 根 据 GIS 系 统 和 遥 感 系 统, 设 计 了 对 太 阳 能 法 直 辐 射 的 调 查 方 案 和 实 验 7 9

第 三 章 太 阳 能 集 热 发 电 技 术 发 展 概 况 3.1 太 阳 能 集 热 发 电 是 光 转 化 为 热, 然 后 再 经 由 传 统 热 发 电 的 太 阳 能 利 用 技 术 传 统 的 火 力 发 电 是 通 过 燃 烧, 把 化 石 中 储 存 的 能 量, 转 化 为 热 能, 再 转 化 为 电 能 而 太 阳 能 集 热 发 电 则 是 通 过 数 量 众 多 的 反 射 镜, 将 太 阳 的 直 射 光 聚 焦 采 集, 通 过 加 热 水 或 者 其 他 工 作 介 质, 将 太 阳 能 转 化 为 热 能, 然 后 利 用 与 传 统 的 热 力 循 环 一 样 的 过 程, 即 形 成 高 压 高 温 的 水 蒸 气 来 推 动 汽 轮 机 发 电 机 组 工 作, 最 终 将 热 能 转 化 成 为 电 能 正 是 通 过 这 样 的 环 节, 太 阳 能 集 热 发 电 技 术 可 和 传 统 火 电 发 电 技 术 顺 利 地 集 成 在 一 起 由 于 火 电 发 电 技 术 早 已 非 常 成 熟, 从 而 降 低 了 太 阳 能 集 热 发 电 整 体 技 术 开 发 的 风 险 更 重 要 的 是, 利 用 热 能 发 电 的 形 式 也 使 得 CSP 在 能 量 储 存 和 联 合 发 电 方 面 具 有 了 独 特 的 优 势, 是 实 现 将 来 全 天 候 24 小 时 连 续 发 电 的 根 本 基 础 3.2 四 种 主 要 的 太 阳 能 集 热 发 电 方 式 图 1 太 阳 能 集 热 发 电 示 意 图 目 前, 比 较 常 用 的 一 种 分 类 方 式, 是 根 据 对 太 阳 能 的 采 集 方 式 的 不 同, 把 太 10

阳 能 集 热 发 电 主 要 可 分 为 槽 式 菲 涅 尔 式 塔 式 和 斯 特 林 ( 碟 式 ) 发 电 系 统 其 它 的 还 有 太 阳 烟 囱 式 发 电 系 统, 由 于 其 占 地 过 大, 将 来 大 规 模 商 用 的 可 能 性 比 较 低, 在 此 不 做 讨 论 槽 式 系 统 是 目 前 四 种 太 阳 能 集 热 发 电 方 式 当 中, 技 术 成 熟 度 和 商 业 化 验 证 程 度 最 高 的 槽 式 发 电 使 用 抛 物 面 (parabolic) 长 槽 型 (trough) 的 聚 光 器 和 吸 热 管 ; 工 作 介 质 一 般 在 400 C 采 用 合 成 油 熔 盐 等 作 为 工 作 介 质 的 双 回 路 系 统 技 术 成 熟 应 用 的 代 表 案 例 有 从 上 世 纪 80 年 代 到 90 年 代 在 美 国 在 加 州 莫 哈 维 沙 漠 (Mojave) 建 造 的 由 9 座 电 站 组 成 的 354MW 的 SEGS 系 列 电 站 西 班 牙 Andasol 1 号 (50MW), 和 美 国 的 Nevada Solar One(64MW) 图 2 槽 式 发 电 系 统 菲 涅 尔 系 统 就 是 简 化 了 的 槽 式 系 统 菲 涅 尔 系 统 其 实 就 是 用 一 组 平 板 镜 来 取 代 槽 式 系 统 里 的 抛 物 面 型 的 曲 面 镜 聚 焦 通 过 调 整 控 制 平 面 镜 的 倾 斜 角 度, 将 阳 光 反 射 到 集 热 管 中, 实 现 聚 焦 加 热 为 了 简 化 系 统, 一 般 采 用 水 / 水 蒸 气 作 为 吸 热 介 质 ( 油 和 熔 盐 介 质 在 技 术 上 也 是 可 行 的 ) 相 比 于 抛 物 面 式 的 曲 面 镜, 平 面 反 射 镜 制 造 难 度 低, 因 此 大 大 降 低 了 初 始 投 资 成 本, 但 聚 焦 精 度 比 槽 式 差 目 前 菲 涅 尔 还 在 示 范 阶 段, 没 有 商 业 化 运 行 的 电 站 11

图 3 菲 涅 尔 发 电 系 统 塔 式 系 统 已 经 进 入 了 商 业 化 示 范 阶 段 塔 式 系 统 利 用 多 面 定 日 镜 跟 踪 太 阳 光, 将 阳 光 反 射 并 集 中 到 接 收 塔 的 顶 部 的 吸 热 器 吸 热 器 中 的 工 作 介 质 的 温 度 在 500 C-1000 C 相 对 于 槽 式 系 统, 由 于 省 掉 了 管 道 传 输 系 统, 热 损 失 小, 系 统 效 率 高, 也 更 便 于 存 储 热 量 塔 式 的 工 作 介 质 可 用 空 气 水 或 者 水 蒸 气 以 及 熔 盐 商 业 化 初 期 的 电 站 为 了 降 低 技 术 风 险, 多 用 水 水 蒸 气 作 为 工 作 介 质 熔 盐 应 该 为 大 型 商 业 化 塔 式 系 统 的 选 择 美 国 在 20 世 纪 80-90 年 代 建 立 了 10MW 的 Solar One, 后 来 演 化 为 Solar Two 2007 年 西 班 牙 11MW 的 PS10 电 站 投 入 运 行, 标 志 着 该 技 术 进 入 商 业 化 示 范 阶 段 2009 年 4 月, 到 目 前 为 止 世 界 上 最 大 规 模 的 塔 式 电 站 20MW 的 西 班 牙 PS20 并 网 发 电 12

图 4 塔 式 发 电 系 统 图 5 西 班 牙 PS10 塔 式 发 电 站 (11MW) 斯 特 林 ( 碟 式 ) 系 统 适 合 小 型 的 分 布 式 发 电 13

图 6 斯 特 林 ( 碟 式 ) 发 电 系 统 和 其 它 太 阳 能 集 热 发 电 系 统 不 同, 斯 特 林 ( 碟 式 ) 系 统 是 由 斯 特 林 发 动 机 实 现 由 热 能 到 机 械 能 的 转 化, 而 不 是 汽 轮 机 它 外 形 类 似 一 个 卫 星 接 收 器, 是 利 用 旋 转 抛 物 面 反 射 镜, 将 入 射 阳 光 聚 集 在 焦 点 上, 放 置 在 焦 点 处 的 太 阳 能 接 收 器 收 集 热 能, 加 热 工 质, 从 而 驱 动 斯 特 林 发 电 机 组 发 电 这 种 系 统 规 模 较 小, 高 效 模 块 化, 可 以 灵 活 单 独 使 用 或 者 集 成 使 用 单 机 功 率 在 5-50kw, 但 聚 焦 温 度 可 达 750 C-800 C, 光 电 转 化 率 高, 可 达 29%, 主 要 缺 点 是 单 位 投 资 高, 多 用 于 在 边 远 地 区 或 者 野 外 单 体 或 多 体 串 联 分 布 式 发 电 如 果 用 于 大 规 模 集 中 式 发 电 的 话, 其 初 始 投 资 成 本 高 的 问 题 则 更 为 显 著 3.3 四 种 集 热 发 电 技 术 各 有 特 点, 各 有 所 长 槽 式 和 菲 涅 尔 都 属 于 线 式 聚 焦 系 统, 结 构 相 对 简 单 耗 材 少, 结 构 部 件 简 单, 易 于 实 现 工 业 上 标 准 化 批 量 生 产 和 安 装 对 太 阳 的 跟 踪 一 般 采 取 单 轴 跟 踪, 多 个 聚 光 集 热 器 单 元 只 作 同 步 跟 踪, 跟 踪 装 置 也 可 大 为 简 化 但 系 统 结 构 庞 大, 抗 风 性 略 差 而 塔 式 和 斯 特 林 碟 式 则 为 点 式 聚 焦 系 统, 采 用 双 轴 跟 踪 的 方 式, 使 得 镜 子 的 控 制 系 统 更 为 复 杂 塔 式 太 阳 能 热 发 电 站 镜 场 中 的 众 多 定 日 镜, 每 台 都 必 须 作 独 立 的 双 轴 跟 踪 槽 式 的 单 轴 跟 踪 的 精 度 低, 使 得 余 弦 效 应 导 致 的 对 光 的 损 失 更 高, 每 年 平 均 可 达 到 30% 但 在 跟 踪 精 度 要 求 不 高 或 阳 光 充 裕 的 地 方 可 以 优 先 考 虑 槽 式 8 其 次, 由 于 线 式 聚 焦 比 点 式 分 散, 散 热 面 积 也 大, 尽 管 槽 式 吸 热 管 设 计 了 真 14

空 层 以 减 少 对 流 带 来 的 损 失, 但 其 辐 射 损 失 仍 然 随 温 度 的 升 高 而 增 加, 热 损 耗 大 且 线 性 的 聚 光 比 小, 一 般 在 50 左 右, 塔 式 可 到 几 百, 斯 特 林 的 聚 光 比 在 可 从 几 百 至 上 千 因 此, 槽 式 和 菲 涅 尔 的 传 热 介 质 一 般 在 400 C 左 右, 属 于 对 太 阳 能 的 中 低 温 利 用 ; 而 塔 式 和 斯 特 林 的 聚 焦 温 度 则 可 高 达 1000 C 高 工 作 温 度 不 仅 对 于 提 高 发 电 效 率 具 有 重 要 的 意 义, 更 重 要 的 是 具 有 了 提 供 热 储 存 的 温 度 区 间, 以 备 阴 天 或 者 调 峰 发 电 此 外, 为 了 保 障 运 行 效 率, 槽 式 必 须 使 用 利 于 维 持 高 温 的 真 空 管 作 为 吸 热 部 件, 而 塔 式 可 以 使 用 非 真 空 的 吸 热 器 进 行 光 热 转 换, 因 此 热 交 换 部 分 的 寿 命 优 于 依 赖 于 真 空 技 术 的 槽 式 聚 光 系 统 槽 式 和 菲 涅 尔 对 于 地 表 倾 斜 度 的 要 求 也 比 较 高, 一 般 地 面 坡 度 不 得 超 过 1% 而 塔 式 对 于 地 面 坡 度 的 要 求 则 会 稍 为 灵 活 一 些 3.4 太 阳 集 热 发 电 技 术 的 发 展 趋 势 针 对 槽 式 系 统 相 对 简 单 的 特 点, 为 了 降 低 成 本, 槽 式 发 电 的 一 个 思 路 是 向 更 为 简 单 的 系 统 发 展 ( 菲 涅 尔 系 统 就 是 对 槽 式 系 统 进 行 简 化 的 极 端 例 子 ) 例 如 不 进 行 热 储 存, 直 接 用 水 / 水 蒸 汽 做 工 作 介 质 (Direct Steam Generation,DSG), 双 回 路 系 统 简 化 为 单 回 路 系 统, 这 样 在 系 统 中 就 可 以 省 略 掉 换 热 过 程 和 装 置 另 外 槽 式 还 可 考 虑 采 用 和 传 统 化 石 能 源 混 合 发 电 的 方 式 来 维 持 电 站 的 全 天 候 工 作, 从 而 有 效 地 降 低 成 本 而 塔 式 则 向 增 加 规 模 和 储 能 装 置 发 展, 以 储 能 来 克 服 太 阳 能 电 站 对 于 天 气 的 依 赖, 实 现 电 站 的 全 天 候 运 行 9,10 3.5 太 阳 能 热 功 转 换 系 统 太 阳 能 集 热 发 电 不 仅 在 采 集 太 阳 能 的 方 式 上 有 多 种 方 式, 按 照 热 功 转 换 系 统 的 不 同 也 有 所 区 别, 主 要 为 Rankine 循 环 ( 汽 轮 机 ) Brayto 循 环 ( 燃 气 轮 机 ) Stirling 循 环 ( 斯 特 林 机 ) Ott 和 Diesel 循 环 ( 内 燃 机 ) 以 及 Integrated Solar Combined Cycle Systems(ISCCS) 整 体 太 阳 能 联 合 循 环 系 统 等 11 目 前 比 较 常 规 的 热 功 转 换 系 统 为 Rankine 循 环 ( 汽 轮 机 ), 即 使 用 水 / 蒸 汽 作 为 做 功 工 质 Rankine 循 环 ( 汽 轮 机 ) 的 热 功 转 换 效 率 一 般 为 40%, 电 站 效 率 为 35% 12 Integrated Solar Combined Cycle Systems(ISCCS) 整 体 太 阳 能 联 合 循 环 系 统 是 利 用 太 阳 能 作 为 传 统 发 电 厂 的 补 充 通 过 太 阳 能 集 热 产 生 蒸 汽, 抑 或 给 余 热 蒸 15

汽 发 生 装 置 (Heat Recovery Steam Generator) 补 充 蒸 汽, 或 者 直 接 为 蒸 汽 发 动 机 提 供 低 压 蒸 汽 发 电 在 峰 值 发 电 时,ISCCS 系 统 能 够 供 给 整 体 发 电 系 统 中 传 统 燃 料 发 电 部 分 的 约 为 30% 的 发 电 量, 因 此 可 有 效 提 高 传 统 发 电 厂 的 发 电 容 量, 并 降 低 发 电 成 本 13 16

第 四 章 太 阳 能 集 热 发 电 的 商 业 化 4.1 太 阳 集 热 发 电 的 商 业 化 进 展 运 行 装 机 容 量 MW 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 430 232.4 2 1.5 1.4 0.1 美 国 西 班 牙 澳 大 利 亚 德 国 法 国 以 色 列 图 7 当 前 世 界 范 围 内 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 装 机 情 况 ( 按 国 家 分 类 ) 截 至 2009 年 10 月 底, 世 界 太 阳 能 集 热 电 站 总 装 机 容 量 为 667.4MW, 其 中 槽 式 系 统 占 93%, 塔 式 系 统 占 6%, 菲 涅 尔 系 统 占 1% 美 国 拥 有 最 高 的 太 阳 能 集 热 发 电 装 机 容 量 14 6% 1% 槽 式 塔 式 菲 涅 尔 93% 图 8 当 前 世 界 太 阳 能 集 热 发 电 的 装 机 容 量 的 技 术 占 比 情 况 17

目 前 建 设 中 的 太 阳 能 集 热 电 站 装 机 容 量 为 2133MW, 其 中 塔 式 已 经 由 原 来 的 6% 发 展 到 8% 在 建 的 大 部 分 项 目 集 中 在 西 班 牙, 这 与 西 班 牙 从 2002 年 开 始 实 施 的 上 网 电 价 等 经 济 补 贴 和 激 励 政 策 有 着 直 接 的 关 系 建 设 装 机 容 量 MW 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1993 75 20 25 20 美 国 西 班 牙 埃 及 阿 尔 及 利 亚 摩 洛 哥 图 9 世 界 范 围 内 在 建 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 容 量 ( 按 国 家 分 类 ) 1% 7% 各 类 技 术 占 比 情 况 槽 式 塔 式 ISCC 92% 图 10 世 界 范 围 内 在 建 的 太 阳 能 集 热 发 电 的 装 机 容 量 的 技 术 占 比 情 况 在 世 界 各 国 所 宣 布 的 规 划 装 机 容 量 中, 美 国 重 新 独 占 鳌 头 参 与 太 阳 能 集 热 电 站 建 设 的 国 家 数 目 比 以 前 明 显 增 多, 反 映 了 近 年 来 世 界 范 围 内 CSP 随 着 清 洁 能 源 的 升 温 而 卷 土 重 来 的 热 度 而 在 宣 布 的 12.3GW 装 机 容 量 中, 塔 式 和 碟 式 所 占 的 比 例 有 了 大 幅 度 的 提 高, 分 别 达 到 了 31% 和 13% 槽 式 所 占 比 例 则 大 幅 度 降 低 由 此 可 以 看 出, 太 阳 能 集 热 发 电 技 术 未 来 商 业 化 的 趋 势 是 在 更 多 的 向 点 式 18

和 高 温 利 用 发 展, 也 就 是 塔 式 和 碟 式 宣 布 装 机 容 量 MW 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 8609 美 国 2000 1130 250 100 100 67 28.1 12 10 10 中 国 西 班 牙 以 色 列 南 非 阿 布 扎 比 伊 朗 意 大 利 法 国 澳 大 利 亚 印 度 图 11 世 界 范 围 内 宣 布 的 规 划 中 太 阳 能 集 热 发 电 装 机 容 量 ( 按 国 家 分 类 ) 各 类 技 术 占 比 情 况 槽 式 47% 31% 塔 式 碟 式 9% 13% 其 它 ( 含 ISCC, 线 性 菲 涅 尔 ) 图 12 世 界 范 围 内 已 宣 布 的 规 划 中 太 阳 能 集 热 发 电 装 机 容 量 的 技 术 占 比 情 况 4.2 世 界 CSP 项 目 情 况 介 绍 4.2.1 Solar Energy Generating Systems (SEGS, 槽 式 ) 位 于 加 利 福 尼 亚 州 莫 哈 维 沙 漠 的 美 国 Solar Energy Generating Systems (SEGS) 是 世 界 上 最 早 的 规 模 性 发 电 的 商 业 化 太 阳 能 集 热 电 站, 并 直 到 目 前 为 止 仍 然 是 世 界 上 最 大 的 商 业 化 太 阳 能 集 热 电 站 它 由 九 个 独 立 的 机 组 群 组 成, 总 发 19

电 容 量 为 354MW, 平 均 容 量 因 子 为 21% 15 SEGS 电 站 虽 然 采 用 天 然 气 进 行 混 合 发 电, 但 主 体 ( 约 90%) 仍 靠 太 阳 能 发 电 只 有 在 阳 光 不 足 以 满 足 南 加 州 爱 迪 生 公 司 ( 南 加 州 的 电 力 供 应 公 司 ) 的 需 求 时, 才 采 用 天 然 气 发 电, 不 超 过 总 发 电 量 的 25% SEGS VIII 和 SEGS IX 最 晚 建 成 并 开 始 运 行, 其 技 术 也 最 为 成 熟, 电 价 由 最 早 的 14MW 机 组 时 的 44 美 分 /kwh, 降 到 了 17 美 分 /kwh SEGS 的 建 成, 证 明 了 槽 式 太 阳 能 集 热 发 电 系 统 的 商 业 化 可 行 性 而 电 站 的 长 期 稳 定 运 行, 则 证 明 了 槽 式 技 术 的 成 熟 度 据 说 电 站 目 前 的 使 用 表 现 只 比 二 十 年 前 降 低 了 3%, 电 的 站 年 运 行 率 高 达 99%, 而 其 日 常 运 行 和 维 护 成 本 比 最 初 则 降 低 了 至 少 三 分 之 一 全 球 能 源 需 求 16 表 4. SEGS 电 站 的 历 史 和 运 行 参 数 电 厂 建 年 份 成 地 点 装 机 容 量 (MW) 占 地 (m²) 导 热 油 温 度 ( C) 总 发 电 量 (MWh) 1998 2002 平 1996 均 SEGS I 1984 Daggett 14 82,960 307 19,900 16,500 SEGS II 1985 Daggett 30 165,376 316 36,000 32,500 SEGS III 1986 Kramer Jct. 30 230,300 349 64,170 68,555 SEGS IV 1986 Kramer Jct. 30 230,300 349 61,970 68,278 SEGS V 1987 Kramer Jct. 30 233,120 349 71,439 72,879 SEGS VI 1988 Kramer Jct. 30 188,000 391 71,409 67,758 SEGS VII 1988 Kramer Jct. 30 194,280 391 70,138 65,048 SEGS VIII 1989 Harper Lake 80 464,340 391 139,174 137,990 SEGS IX 1990 Harper Lake 80 483,960 391 141,916 125,036 20

图 13 位 于 Kramer Junction 的 SEGS III 到 SEGS VII 的 空 中 俯 瞰 景 象 4.2.2 Nevada Solar One ( 槽 式 ) Nevada Solar One 是 美 国 在 太 阳 能 集 热 电 站 建 设 经 历 了 长 达 16 年 的 停 顿 之 后 ( 即 1991 年 后 ), 所 建 的 最 大 的 槽 式 发 电 电 站 设 计 功 率 为 64MW, 最 大 可 达 到 75MW 使 用 了 18200 面 槽 式 发 光 镜 把 太 阳 的 能 量 聚 集 到 18240 个 吸 热 管 中 Nevada Solar One 在 2007 年 并 网 发 电, 可 满 足 一 万 四 千 家 用 户 的 用 电 需 求, 年 减 排 CO 2 相 当 于 2 万 辆 轿 车 的 排 放 17 图 14 Nevada Solar One 21

4.2.3 Andasol 1-3( 槽 式 带 储 热 装 置 ) 图 15 西 班 牙 Andasol 1 (50MW) 槽 式 发 电 站 位 于 西 班 牙 Granada 省 的 Andasol 项 目 由 三 个 同 等 规 模 的 50M 太 阳 能 槽 式 集 热 发 电 站 组 成 其 中 Andasol1 已 经 在 2009 年 3 月 实 现 并 网 发 电, 是 欧 洲 的 第 一 个 商 业 化 太 阳 能 集 热 电 站, 也 是 目 前 为 止 最 大 的 其 主 要 特 点 是 使 用 了 双 塔 式 熔 盐 (60% 的 硝 酸 钠 +40% 的 硝 酸 钾 ) 储 热 系 统 储 热 塔 高 14 米, 直 径 36 米, 内 装 约 28,500 吨 的 熔 盐, 可 保 证 电 站 在 无 日 光 状 态 下 全 负 荷 持 续 运 行 7.5 小 时, 因 此 大 大 增 加 了 电 站 的 运 行 时 间 Andasol 1 提 供 的 环 境 友 好 的 电 能, 可 以 满 足 大 约 20 万 人 的 用 电 需 要 18 由 于 Andasol 位 于 Guadix 高 原 之 上, 海 拔 近 1100 米, 且 是 沙 漠 气 候, 因 此 年 日 照 量 可 达 2,200 kwh/m²-year 4.2.4 The Solar Project ( 塔 式 系 统 ) Solar One Solar Two 和 Solar Tres 是 塔 式 发 电 的 系 列 示 范 和 商 业 化 项 目 19 Solar One 位 于 美 国 加 州 莫 哈 维 沙 漠, 是 此 系 列 中 最 早 的, 也 是 世 界 上 第 一 个 塔 式 太 阳 能 集 热 发 电 系 统 的 规 模 化 试 验 和 示 范 装 置, 它 由 美 国 能 源 部 南 加 州 爱 迪 生 公 司 加 州 水 / 电 力 部 和 加 州 能 源 委 员 会 联 合 设 计 并 支 持 在 上 世 纪 70 年 代 美 国 能 源 部 举 行 的 有 关 定 日 镜 设 计 的 竞 赛, 几 种 最 具 潜 力 的 设 计 被 运 往 现 场 进 行 了 安 装 和 优 缺 点 的 比 较 Solar One 项 目 于 1981 年 建 成, 从 1982 年 运 行 至 1986 年 它 使 用 了 1818 面 40m 2 的 定 日 镜, 装 机 容 量 为 10MW, 占 地 72,650 m² 在 沙 尘 22

天 气 中,Solar One 的 定 日 镜 所 聚 集 的 反 射 光 柱 会 在 Solar One 接 收 塔 附 近 形 成 独 特 的 景 观 Solar One 在 1995 年 被 改 建 和 重 命 名 为 Solar Two, 即 在 原 有 Solar One 的 基 础 上 改 建 而 成 的 首 先 是 定 日 镜 的 外 圈 加 了 108 面 95m 2 新 的 定 日 镜 并 且,Solar Two 中 使 用 了 60% 的 硝 酸 钠 和 40% 的 硝 酸 钾 作 为 储 热 介 质, 取 代 了 Solar One 中 使 用 的 油 和 水 Solar Two 成 功 地 验 证 了 在 塔 式 发 电 系 统 中 使 用 熔 盐 储 热 以 进 行 持 续 发 电 的 技 术 可 行 性, 完 成 了 它 的 历 史 使 命 2009 年 11 月 25 日,Solar Two 接 收 塔 被 摧 毁, 所 有 的 定 日 镜 和 硬 件 被 移 走, 在 空 出 的 场 地 上 将 计 划 建 设 更 大 的 太 阳 能 热 发 电 站 图 16 Solar Two 的 接 收 塔 和 定 日 镜 Solar Tres 是 在 Solar Two 的 成 功 经 验 的 基 础 上, 在 西 班 牙 建 立 的 第 一 个 商 业 化 的 塔 式 太 阳 能 集 热 电 站 它 装 备 的 定 日 镜 面 积 约 为 Solar Two 项 目 的 三 倍, 装 机 容 量 为 15MW 由 于 使 用 了 更 大 规 模 的 熔 盐 储 热 装 置, 因 此, 在 夏 天 Solar Tres, 能 够 保 证 24 7 不 间 断 持 续 供 电 4.2.5 PS10 和 PS20 塔 式 电 站 Planta Solar 10(PS10) 位 于 西 班 牙 南 部 的 Seville 市 附 近, 是 欧 洲 第 一 座 商 业 化 塔 式 太 阳 能 集 热 电 站 PS10 每 面 定 日 镜 有 120m 2, 向 115 米, 约 40 层 楼 高 的 接 受 塔 反 射 和 聚 集 太 阳 能, 发 电 容 量 为 11MW 目 前 的 储 热 装 置 为 高 压 蒸 汽, 储 存 能 量 可 供 电 站 运 行 一 个 小 时 23

图 17 西 班 牙 塔 式 太 阳 能 热 发 电 站 PS10 图 18 PS10( 左 ) 和 PS20 PS10 是 一 系 列 太 阳 能 集 热 电 站 中 的 第 一 个, 计 划 中 到 2013 年 在 同 一 地 址 将 兴 建 总 发 电 容 量 为 300MW 太 阳 能 热 电 站 PS20 则 是 此 系 列 的 第 二 个, 也 是 目 前 具 有 最 高 装 机 容 量 的 塔 式 发 电 站 20MW 4.2.6 Desertec 计 划 Desertec 是 以 德 国 为 首 的 多 个 欧 洲 国 家 联 合 参 与 的 一 个 雄 心 勃 勃 的 计 划 20 它 的 目 标 就 是 利 用 撒 哈 拉 沙 漠 架 设 9000 平 方 公 里 的 太 阳 能 电 板, 来 满 足 全 世 界 的 电 力 要 求 而 这 个 面 积 与 900 万 平 方 公 里 的 撒 哈 拉 沙 漠 相 比, 不 过 是 沧 海 一 粟 Desertec 概 念 是 由 罗 马 俱 乐 部 的 TREC 行 动 衍 生 的, 希 望 通 过 开 发 沙 漠 的 24

潜 能, 为 世 界 各 地 供 应 可 持 续 电 力 2009 年 10 月 30 日, 欧 洲 沙 漠 太 阳 能 热 发 电 行 动 计 划 合 资 公 司 Desertec Industrial Initiative(DII) 在 德 国 慕 尼 黑 成 立, 计 划 投 资 4000 亿 欧 元, 在 撒 哈 拉 沙 漠 建 设 世 界 最 大 的 太 阳 能 热 发 电 项 目 首 批 股 东 是 以 德 国 为 主 的 12 家 大 工 业 集 团 公 司 金 融 保 险 能 源 业 巨 头 及 基 金 会 由 于 当 前 水 资 源 也 同 样 面 临 危 机, 因 此 该 项 目 希 望 将 太 阳 能 热 发 电 站 和 淡 水 处 理 厂 结 合 在 一 起, 这 样 不 但 能 够 利 用 撒 哈 拉 沙 漠 丰 富 的 太 阳 能 资 源, 而 且 还 能 为 贫 瘠 的 沙 漠 地 区 提 供 饮 用 水 根 据 该 计 划, 这 项 工 程 到 2050 年 的 时 候, 所 产 生 的 电 能 产 量 顶 峰 值 将 达 到 100GW, 相 当 于 100 座 火 力 发 电 厂 的 发 电 量, 届 时 将 满 足 欧 洲 地 区 15% 的 用 电 需 求 从 规 模 上 当 得 起 世 纪 工 程 的 称 号 另 外, 计 划 还 指 出 电 能 的 输 送 将 采 用 高 压 直 流 输 电 技 术, 可 以 使 电 能 在 传 输 过 程 中 的 损 耗 降 低 至 10% 以 下 整 个 送 电 工 程 会 横 跨 地 中 海, 而 主 要 的 线 路 穿 越 直 布 罗 陀 海 峡, 由 摩 洛 哥 至 西 班 牙 经 由 巴 利 阿 里 群 岛, 由 阿 尔 及 利 亚 至 法 国 突 尼 斯 至 意 大 利 利 比 亚 至 希 腊 经 由 塞 浦 路 斯, 由 埃 及 至 土 耳 其 此 外,Desertec 计 划 还 包 括 建 设 一 个 覆 盖 范 围 更 广 的 欧 洲 超 级 电 网, 涵 盖 北 海 风 力 涡 轮 发 电 斯 堪 的 那 维 亚 半 岛 水 力 发 电 冰 岛 地 热 发 电 东 欧 地 区 生 物 能 发 电 以 及 太 阳 能 发 电 这 样 就 能 为 欧 洲 提 高 足 够 的 清 洁 能 源 项 目 的 牵 头 者 是 慕 尼 黑 再 保 险 公 司, 但 幕 后 发 起 人 和 支 持 者 则 是 罗 马 俱 乐 部 和 德 国 政 府 资 金 提 供 方 : Munich Re 慕 尼 黑 再 保 险 Deutsche Bank 德 意 志 银 行 HSH Nordbank 德 国 汉 堡 石 荷 州 北 方 银 行 市 场 与 资 金 技 术 提 供 方 : E.ON 集 团, 德 国 能 源 巨 头 RWE, 德 国 电 力 及 公 用 事 业 公 司 25

SIEMENS, 西 门 子 公 司 核 心 技 术 提 供 方 : ABB 阿 西 布 朗 勃 法 瑞 集 团 : 电 网 高 压 直 流 输 送 技 术 MAN Solar Millennium: 德 国 太 阳 能 公 司 Solar Millennium( 太 阳 千 年 ) 与 德 国 营 造 与 工 程 公 司 MAN Ferrostaal 的 合 资 企 业 Solar Millennium 公 司 在 拋 物 线 槽 式 太 阳 能 发 电 领 域 技 术 领 先 西 班 牙 ABENGOA Solar 公 司 : 公 司 有 多 年 建 设 和 运 营 槽 式 CSP 电 站 的 的 经 验 SCHOTT Solar: 德 国 肖 特 太 阳 能, 玻 璃 复 合 吸 热 管 核 心 技 术 M+W Zander: 美 施 威 尔 有 限 公 司 : 光 伏 和 太 阳 能 设 施 工 程 公 司 地 域 参 与 方 : 阿 尔 及 利 亚 cevital 工 业 集 团 这 十 二 家 企 业 中 九 家 来 自 德 国, 而 且 核 心 技 术 除 了 ABB 集 团 的 高 压 直 流 输 电 技 术, 其 他 大 部 分 都 掌 握 在 德 国 企 业 手 里 项 目 的 建 成 将 保 障 欧 洲 / 中 东 北 非 国 家 的 能 源 安 全 并 且 项 目 大 规 模 的 私 有 投 资, 将 会 给 中 东 北 非 地 区 的 增 长 和 发 展 带 来 机 遇 其 次, 通 过 利 用 太 阳 能 热 发 电 站 的 余 热, 结 合 海 水 淡 化 厂, 保 证 中 东 北 非 国 家 未 来 的 供 水 问 题 同 时, 减 少 二 氧 化 碳 排 放, 从 而 为 欧 盟 和 德 国 联 邦 政 府 实 现 气 候 变 化 目 标 做 出 重 要 贡 献 这 个 大 工 程 在 经 济 生 态 和 社 会 方 面 效 益 都 很 可 观, 但 也 可 预 想 到 项 目 实 施 时, 所 需 克 服 的 来 自 政 治 组 织 经 济 投 资 乃 至 技 术 上 的 种 种 难 题 26

第 五 章 太 阳 能 集 热 发 电 的 驱 动 因 素 以 及 障 碍 风 险 分 析 5.1 太 阳 热 发 电 的 驱 动 因 素 在 这 篇 报 告 里, 我 们 不 想 占 用 篇 幅 去 重 复 描 述 由 于 中 国 富 煤 缺 油 少 气 的 以 煤 为 主 的 能 源 结 构 以 及 传 统 燃 煤 发 电 方 式 所 造 成 的 二 氧 化 碳 和 污 染 物 的 排 放, 乃 至 经 济 腾 飞 所 造 成 的 日 益 巨 大 的 能 源 供 需 之 间 的 缺 口 寻 找 新 的 清 洁 替 代 能 源 保 障 能 源 供 应, 保 障 可 持 续 经 济 发 展 的 迫 切 性 和 必 要 性 等 等 太 阳 能 集 热 发 电 的 发 展, 无 疑 与 以 上 因 素 均 密 不 可 分 在 这 样 的 社 会 和 时 代 背 景 下, 这 些 问 题 的 重 要 性 早 已 经 凸 显 到 毋 庸 置 疑, 广 泛 的 社 会 关 注 更 使 得 相 关 方 面 的 数 据 与 论 述 唾 手 可 得 与 此 同 时, 前 几 年 化 石 燃 料 价 格 的 一 路 飞 涨, 也 进 一 步 推 动 了 太 阳 能 集 热 发 电 的 发 展 此 外, 太 阳 能 集 热 发 电 近 期 腾 飞 的 另 外 一 个 关 键, 则 是 由 于 太 阳 能 热 发 电 自 身 的 技 术 发 展 和 进 步, 为 未 来 CSP 的 发 电 成 本 大 幅 下 降 的 带 来 可 能, 从 而 为 克 服 太 阳 能 集 热 发 电 的 重 要 壁 垒 提 供 了 重 要 的 技 术 保 障 5.2 风 险 因 素 和 障 碍 分 析 5.2.1 高 额 初 始 投 资 太 阳 能 热 发 电 站 高 额 的 初 始 投 资, 导 致 其 电 价 与 传 统 发 电 电 价 相 比 缺 乏 竞 争 力, 这 是 CSP 在 历 史 发 展 中 曾 经 一 度 徘 徊 不 前 的 主 要 原 因, 也 是 未 来 能 否 真 正 得 到 广 泛 应 用 的 关 键 和 传 统 简 单 的 燃 烧 化 石 燃 料 而 获 取 电 能 方 式 不 同 的 是, 太 阳 能 集 热 发 电 首 先 要 建 立 大 面 积 的 镜 场, 用 以 收 集 太 阳 能 这 部 分 多 出 来 的 镜 子 镜 子 支 架, 乃 至 集 热 管, 导 热 油 以 及 控 制 系 统, 在 太 阳 能 集 热 发 电 的 固 定 资 产 投 资 中 所 占 比 例 大 于 发 动 机 发 电 部 分 同 时 增 加 的 还 有 工 程 设 计 与 施 工 的 难 度, 给 融 资 带 来 的 困 难 和 后 期 财 务 运 行 的 费 用 西 班 牙 Andasol1 电 站 ( 槽 式 系 统 50MW,7.5 小 时 储 能 能 力 ), 电 站 总 共 花 费 了 三 亿 一 千 万 欧 元 进 行 兴 建, 年 发 电 量 约 为 180GWh, 由 此 可 得 出 每 千 瓦 小 时 的 投 资 成 本 为 1.72/kWh, 开 发 商 公 布 的 核 算 的 平 准 化 后 的 电 价 (LEC) 为 0.271/kWh, 与 西 班 牙 政 府 给 予 的 0.27/kWh 的 上 网 电 价 基 本 相 平 而 在 总 投 资 中, 与 镜 场 有 关 的 成 本 就 占 了 总 体 费 用 的 37%, 如 果 加 上 热 储 存 部 分, 即 与 太 阳 能 收 集 和 储 存 有 关 的 成 本 达 到 了 总 体 费 用 的 48% 而 传 统 的 蒸 汽 轮 机 发 电 部 分 27

( 包 含 控 制 冷 却 塔, 管 路 系 统 等 ), 不 过 只 占 到 了 16% 因 此, 高 额 初 始 固 定 投 资 始 终 是 发 展 太 阳 能 集 热 发 电 的 主 要 障 碍 21 基 建 和 采 购, 11% 工 程, 13% 镜 场, 37% 管 理 及 财 务, 10% 土 地, 2% 发 电 系 统, 16% 热 储 存 系 统, 11% 图 19 西 班 牙 Andasol1(50M) 电 站 的 投 资 组 成 5.2.2 太 阳 能 发 电 的 间 歇 性 由 于 太 阳 能 电 站 依 靠 太 阳 的 能 量 发 电, 所 以 其 运 行 严 重 地 依 赖 于 一 天 当 中 的 时 段 与 天 气 情 况 尤 其 是 太 阳 能 集 热 发 电, 不 像 光 伏 发 电 可 以 利 用 太 阳 漫 射 发 电, 而 只 能 利 用 太 阳 能 的 法 直 辐 射, 因 此 在 阴 天 雨 天 和 夜 间 均 不 能 发 电, 从 而 使 太 阳 能 热 电 站 的 经 济 性 在 高 投 资 的 基 础 上, 更 为 大 打 折 扣 同 样 规 模 的 火 电 厂 根 据 电 力 需 求 情 况, 年 可 利 用 小 时 可 为 4000-5500 小 时 以 上, 而 太 阳 能 电 站, 在 没 有 储 能 系 统 的 情 况 下, 最 好 的 情 况 也 只 能 做 到 充 分 利 用 当 地 所 有 的 年 日 照 小 时, 即 2000-3000 小 时 且 由 于 太 阳 能 发 电 的 余 弦 效 应 较 强, 如 折 合 到 等 效 发 电 小 时 的 话 有 效 运 行 的 时 间 则 会 更 少 太 阳 能 发 电 的 不 稳 定 性 和 间 歇 性, 在 影 响 电 厂 总 发 电 量, 降 低 其 经 济 性 的 同 时, 也 增 加 了 发 电 机 组 的 运 行 和 维 护 的 难 度 太 阳 能 的 能 流 密 度 低, 一 天 之 中 日 照 强 度 的 差 别 就 会 很 大, 外 加 天 气 情 况 等 很 多 的 不 可 控 因 素, 给 发 电 系 统 的 运 行 带 来 了 很 多 的 不 稳 定 因 素, 发 电 机 系 统 更 是 每 天 都 必 须 经 历 熄 火 系 统 冷 却, 然 后 重 新 启 动 的 过 程 发 展 太 阳 能 化 石 燃 料 混 合 发 电 或 整 体 太 阳 能 联 合 循 环 (ISCC), 以 及 经 济 有 效 的 热 储 存 系 统, 都 会 有 效 缓 解 太 阳 能 发 电 的 间 歇 性 问 题 28

同 时, 也 可 提 高 电 厂 利 用 率 和 总 发 电 量, 有 利 于 提 高 电 厂 的 经 济 效 率 5.2.3 土 地 和 水 源 要 求 在 前 面 的 资 源 和 技 术 概 况 的 章 节 中 都 已 经 介 绍 到, 槽 式 对 地 面 坡 度 要 求 比 较 高, 通 常 不 得 超 过 1% 此 外, 由 于 太 阳 能 能 流 密 度 低, 太 阳 能 集 热 发 电 电 站 通 常 需 要 占 用 大 面 积 的 平 坦 的 土 地 来 建 设 镜 场, 槽 式 对 于 土 地 面 积 的 要 求 可 以 用 30MW/km 2 来 估 计 与 传 统 电 站 相 比, 越 是 规 模 性 的 电 厂 对 土 地 面 积 的 要 求 就 越 会 比 较 大, 花 在 获 取 土 地 上 的 成 本 也 就 越 高 但 如 果 在 与 传 统 电 站 比 较 时, 把 其 所 需 的 燃 料 的 矿 藏 开 采 面 积 也 计 算 在 内, 则 太 阳 能 集 热 电 站 所 占 土 地 面 积 甚 至 小 于 传 统 电 厂, 且 只 是 一 次 性 的 投 入 更 为 重 要 的 是, 太 阳 能 集 热 电 站 无 需 占 用 宝 贵 的 耕 地 或 者 良 田, 而 只 需 日 照 丰 富 的 沙 漠 或 荒 漠 之 中, 这 样 的 土 地 成 本 相 对 较 低 但 其 蒸 汽 发 电 中 的 水 冷 装 置 对 水 源 却 有 一 定 的 要 求 虽 然 气 冷 方 式 可 以 有 效 地 消 除 这 个 矛 盾, 但 同 时 也 会 提 高 电 站 建 设 的 成 本 5.2.4 电 网 输 送 根 据 本 报 告 第 二 章, 中 国 太 阳 能 集 热 发 电 的 资 源 统 计 可 以 看 出, 最 适 合 建 设 太 阳 能 集 热 发 电 电 站 的 地 方 多 数 集 中 在 内 蒙 青 海 甘 肃 新 疆 这 些 人 口 稀 少 的 地 区 而 这 些 省 份 的 工 业 通 常 并 不 发 达, 对 电 力 的 需 求 不 高 因 此 从 长 远 来 看, 由 于 中 国 太 阳 能 资 源 的 分 布 不 均 匀 远 离 用 电 中 心 的 特 性, 电 力 输 送 所 必 然 带 来 电 力 成 本 上 的 增 加, 可 能 会 成 为 未 来 中 国 CSP 发 展 的 主 要 障 碍 之 一 太 阳 能 热 发 电 所 产 生 的 电 力, 也 包 括 光 伏 发 电, 需 要 建 设 地 下 掩 埋 的 高 压 直 流 HVDC 电 缆 电 网, 才 可 以 满 足 远 程 电 力 输 送 的 要 求, 从 而 把 太 阳 能 发 电 产 生 的 电 力 输 送 到 工 业 发 达 和 对 电 力 需 求 更 高 的 地 区 我 国 未 来 还 将 建 设 全 国 性 的 智 能 电 网, 解 决 新 能 源 发 电 的 间 歇 性 问 题 发 展 太 阳 能 发 电 中 国 电 网 基 本 属 于 国 家 管 理, 虽 然 根 据 体 制 改 革, 在 国 家 电 网 之 外, 还 有 南 方 华 中 华 东 西 北 东 北 华 北 六 大 电 网 公 司 但 国 家 电 网 公 司 的 经 营 区 域 仍 然 覆 盖 26 个 省 自 治 区 直 辖 市, 覆 盖 国 土 面 积 的 88% 以 上 不 像 国 外 完 全 由 私 人 企 业 分 割 控 制 因 此, 在 电 网 的 统 一 规 划 和 建 设 上 具 有 一 定 的 优 势 可 以 对 包 括 太 阳 能 光 伏 发 电 集 热 发 电 在 内 的 所 有 的 太 阳 能 发 电, 以 及 其 他 可 再 生 能 源 29

发 电, 如 风 力 发 电 等, 进 行 电 网 的 统 一 规 划 和 建 设, 从 而 节 约 建 设 成 本 太 阳 能 集 热 发 电 的 品 质 要 高 于 风 力 发 电 虽 然 也 存 在 间 歇 性 问 题, 但 稳 定 性 和 可 预 期 性 都 要 高 于 风 电, 对 电 网 的 冲 击 小 根 据 中 国 电 力 科 学 研 究 院 所 做 的 中 国 长 距 离 HVDC 发 展 规 划, 到 2010 年 中 国 的 HVDC 的 传 输 能 力 将 达 到 500GW, 从 2010 年 到 2020 年 基 本 形 成 全 国 的 HVDC 的 传 输 网 络, 并 在 2020 年 其 设 计 传 输 能 力 将 达 到 750GW 但 从 图 20 和 图 21 来 看, 仍 然 缺 乏 CSP 电 力 传 输 所 必 须 的 西 部 到 西 部, 西 部 到 中 部 以 及 西 部 到 东 南 部 的 电 力 传 输 网 络 图 20 到 2010 年 中 国 规 划 的 HVDC/AC 传 输 网 络 30

图 21 2015-2020 年 中 国 规 划 的 HVDC/AC 传 输 网 络 此 外, 如 果 从 造 价 上 考 虑 的 话, 根 据 Wen Zhang 的 计 算 12, 每 2000 公 里 的 HVDC 的 电 力 运 输 差 不 多 要 给 每 度 电 的 成 本 增 加 2 美 分 因 此, 在 未 来 CSP 电 站 实 际 选 址 时, 则 要 在 成 本 上 均 衡 好 这 样 的 矛 盾, 是 把 电 站 建 立 在 一 个 太 阳 能 资 源 相 对 丰 富, 但 是 需 要 搭 建 额 外 的 电 力 运 输 网 线 的 地 点, 还 是 建 立 在 距 离 用 电 中 心 近, 电 力 运 输 成 本 低, 但 是 太 阳 能 资 源 可 能 没 有 前 者 那 么 丰 富 的 地 点 5.2.5 政 策 风 险 由 于 太 阳 能 集 热 发 电 和 其 他 可 再 生 能 源 类 似, 在 开 始 的 发 展 阶 段, 依 赖 于 国 家 政 策 扶 持 尤 其 是 经 济 补 贴 因 此, 太 阳 能 集 热 发 电 的 投 资 人 在 投 资 时 也 会 相 应 地 承 担 一 定 的 政 策 风 险 一 旦 政 府 经 济 补 贴 政 策 有 变, 投 资 人 预 期 中 的 资 金 收 益 则 会 受 到 影 响 因 此, 国 家 在 经 济 补 贴 或 者 扶 持 政 策 的 制 定 一 定 要 保 持 的 长 期 性 稳 定 性 和 一 致 性, 以 保 障 投 资 者 对 投 资 可 再 生 能 源 的 信 心 5.2.6 太 阳 能 集 热 发 电 的 价 值 链 太 阳 能 集 热 发 电 电 站 的 建 设 和 运 行 流 程 一 般 的 分 为 1) 项 目 策 划 和 融 资 阶 段, 2) 工 程 的 采 购 和 建 设 阶 段, 和 3) 太 阳 能 电 站 的 运 行 阶 段 国 外 太 阳 能 集 热 电 站 31

的 生 命 周 期 一 般 为 25-30 年, 加 州 沙 漠 中 的 SEGS 最 早 的 太 阳 能 热 发 电 系 统 已 经 运 行 了 25 年, 现 还 在 继 续 正 常 工 作 中 而 中 国 按 照 惯 例, 电 站 均 以 20 年 来 进 行 计 算 实 际 周 期 应 该 高 过 这 个 年 限 在 这 个 价 值 链 中, 参 与 推 动 太 阳 能 热 发 电 产 业 的 公 司 主 要 有 技 术 提 供 商 纯 发 展 商 和 电 力 公 司 图 22 太 阳 能 集 热 发 电 的 价 值 链 按 照 国 外 经 验, 技 术 提 供 商 有 两 种, 一 种 是 大 型 集 团 的 子 公 司, 母 公 司 资 金 实 力 雄 厚, 能 够 给 予 资 金 配 套 业 务 等 多 方 面 支 持 ; 另 一 种 则 是 有 相 关 研 究 经 验 的 科 学 家 创 办 的 企 业, 推 广 太 阳 能 电 站 的 资 金 多 靠 外 部 融 资 由 于 太 阳 能 热 电 站 的 工 程 施 工 也 比 较 复 杂, 电 站 技 术 提 供 商 多 采 用 与 知 名 工 程 公 司 组 建 合 资 公 司 的 形 式 来 补 充 工 程 能 力 现 阶 段 来 看, 技 术 提 供 商 的 业 务 通 常 遍 布 整 条 产 业 链, 具 有 高 度 垂 直 整 合 的 特 征, 专 业 化 分 工 不 明 显 电 力 公 司 则 是 从 市 场 需 求 角 度 拉 动 产 业 发 展, 技 术 提 供 商 从 推 广 技 术 和 设 备 的 角 度 发 起 建 立 太 阳 能 热 电 站 而 电 厂 选 址 融 资 的 方 案 设 计 是 纯 发 展 商 进 入 该 产 业 的 突 破 口 目 前, 中 国 有 资 金 实 力 的 大 型 企 业 ( 例 如 五 大 发 电 集 团 ) 更 为 关 注 的 是 如 何 快 速 建 立 太 阳 能 电 站, 而 不 是 投 资 技 术 公 司 现 阶 段 国 内 的 风 险 投 资 机 制 尚 不 成 熟, 融 资 渠 道 的 匮 乏 也 影 响 了 技 术 公 司 的 快 速 发 展 32

第 六 章 CSP 的 成 本 与 电 价 分 析 高 额 成 本 造 成 的 高 电 价 始 终 是 太 阳 能 集 热 发 电 发 展 的 主 要 障 碍 从 现 在 世 界 上 已 有 的 太 阳 能 集 热 电 站 来 看 的 电 价 来 看, 都 要 高 出 传 统 的 化 石 能 源 发 电 根 据 IEA 发 表 的 一 份 可 再 生 能 源 报 告 表 明 22, 在 现 有 技 术 条 件 下,CSP 的 成 本 在 0.19$/kWh 和 0.25$/kWh 之 间, 而 与 一 般 CSP 发 电 规 模 大 致 相 当, 中 等 大 小 的 传 统 的 化 石 能 源 的 发 电 成 本 只 有 0.037$/kWh 到 0.05$/kWh 虽 然 目 前 CSP 与 传 统 化 石 能 源 相 比, 在 价 格 上 还 不 具 有 的 竞 争 力, 但 是 根 据 报 告 预 测, 太 阳 能 热 发 电 很 有 可 能 在 未 来 的 十 到 十 五 年 内, 有 能 力 把 成 本 降 低 到 0.05$/kWh 到 0.075$/kWh 之 间, 届 时, 由 于 传 统 能 源 发 电 面 临 着 要 缴 纳 环 境 净 化 以 及 排 碳 费 用, 成 本 会 有 所 上 升 因 此 意 味 着 在 十 到 十 五 年 之 后,CSP 在 成 本 与 电 价 上 都 会 具 备 了 与 传 统 发 电 竞 争 的 能 力 无 独 有 偶, 根 据 另 外 一 份 由 Electric Power Research Institute 准 备 的 报 告, 也 同 样 预 测 了 在 世 界 太 阳 能 热 发 电 的 总 容 量 达 到 4GW 的 之 后,2015 年 时 所 建 立 的 CSP 新 电 站 的 成 本 可 望 下 降 到 0.08$/kWh(2015 年 时 的 币 值 ), 或 者 相 当 于 2005 年 币 值 的 0.05$/kWh 23 由 于 中 国 目 前 还 没 有 已 运 行 的 商 业 化 电 站 成 本 和 价 格 分 析, 因 此, 我 们 将 借 助 Wen Zhang 所 做 的 一 份 基 于 国 外 的 太 阳 能 热 发 电 的 成 本 分 析 24, 来 了 解 与 解 读 太 阳 能 热 发 电 的 成 本 的 基 本 概 况, 并 以 此 为 基 础, 对 未 来 成 本 降 低 做 出 预 测 和 分 析 6.1 工 作 方 法 概 述 在 Wen Zhang 的 成 本 分 析, 使 用 了 一 种 由 IEA 公 布 的 简 化 的 基 准 化 电 价 (Levelized Energy Cost)LEC 的 计 算 方 法 25, 即 在 考 虑 了 电 站 的 整 个 的 生 命 周 期 之 中 所 有 的 支 出 之 后, 能 够 保 证 一 个 发 电 项 目 保 证 收 支 平 衡 的 最 低 电 价, 所 谓 支 出 包 括 初 始 投 资, 运 行 和 维 修 费 用, 燃 料 等 等 此 成 本 分 析 主 要 使 用 的 是 Fichtner 公 司 的 数 据, 以 及 由 NREL 所 委 派 的 独 立 第 三 方 Sargent&Lundy 针 对 太 阳 能 集 热 发 电 几 种 分 支 技 术 的 成 本 研 究 报 告 中 的 数 据 23 33

6.2 槽 式 的 成 本 分 析 6.2.1 投 资 成 本 太 阳 能 槽 式 集 热 发 电, 投 资 成 本 主 要 包 括 有 支 架 吸 热 器 聚 光 镜 电 站 建 设 中 与 太 阳 能 有 关 的 辅 助 系 统, 电 站 发 电 中 与 产 能 有 关 的 辅 助 系 统, 以 及 热 储 存, 共 六 个 部 分 下 表 是 用 来 做 分 析 的 槽 式 电 站 的 基 本 数 据, 其 中 除 了 SEGS VI 是 目 前 在 美 国 真 实 运 行 的 电 站 之 外, 其 它 四 个 则 为 只 基 于 预 测 或 准 备 在 建 的 电 站 数 据 表 5 用 来 分 析 的 槽 式 电 站 的 基 本 数 据 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 聚 光 面 积 km 2 0.188 0.496 0.767 1.11 0.58 发 电 容 量 MW 30 50 100 100 100 容 量 因 子 % 22% 47% 33% 51% 25% 年 发 电 量 GWh/yr 58 206 290 451 223 支 架 表 6 槽 式 支 架 成 本 比 较 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 支 架 $/m 2 67 67 171 172 160 34

支 架 的 成 本 主 要 由 钢 铁 的 价 格 所 决 定 由 对 抗 风 性 的 要 求 决 定 了 所 需 钢 铁 的 强 度 由 于 2003 年 到 2008 年 间, 钢 铁 支 撑 材 料 的 价 格 上 涨 了 2.5 倍 之 多, 随 之 支 架 的 成 本 也 大 幅 上 涨 吸 热 器 表 7 槽 式 的 吸 热 器 成 本 比 较 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 吸 热 器 $/m 2 43 43 53 53 60 由 于 不 同 项 目 中 所 使 用 的 吸 热 器 的 厂 家 和 型 号 不 同, 因 此 在 价 格 上 具 有 一 定 的 差 异 性 和 不 可 比 性 此 外, 由 于 目 前 在 国 际 上, 成 熟 的 槽 式 吸 热 器 的 供 应 商 只 有 Solel 和 Schott 两 家, 而 且 其 规 模 在 过 去 五 年 内 都 没 有 太 大 的 发 展 因 此, 近 期 内 对 太 阳 能 热 发 电 的 吸 热 器 的 高 需 求 造 成 了 短 期 内 吸 热 器 仍 然 会 维 持 在 高 价 位 之 上 从 表 7 可 以 看 出, 相 比 于 2003 年 的 43$/m 2,2008 年 槽 式 吸 热 器 的 价 格 升 高 到 了 一 半, 为 60$/m 2 聚 光 镜 表 8 槽 式 聚 光 镜 的 造 价 比 较 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 吸 热 器 $/m 2 43 43 53 53 60 槽 式 的 镜 子 的 供 应 商 目 前 在 国 际 上 也 只 有 三 家, 同 样, 近 年 来 随 着 西 班 牙 槽 35

式 工 程 的 数 目 的 大 量 增 加, 对 聚 光 镜 的 高 需 求 造 成 了 其 价 格 居 高 不 下 从 2003 到 2005 年, 厂 家 的 规 模 化 生 产 和 竞 争 并 没 有 太 多 改 变 和 提 高, 因 此, 价 格 也 从 原 来 的 40$/m 2 上 涨 到 60$/m 2 未 来 随 着 行 业 的 热 度 增 加, 更 多 制 造 商 的 加 入 和 竞 争 则 有 可 能 会 导 致 镜 子 价 格 的 降 低 太 阳 能 辅 助 设 施 部 分 表 9 太 阳 能 其 它 辅 助 设 施 的 成 本 比 较 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 太 阳 热 辅 $/m 2 234 250 141 141 150 助 部 分 有 关 太 阳 能 集 热 方 面 的 辅 助 设 施 就 是 太 阳 能 热 电 站 中, 除 了 以 上 所 提 到 的 支 架, 吸 热 器, 聚 光 镜 等 直 接 用 于 采 集 太 阳 能 的 部 件 之 外, 其 它 与 采 集 太 阳 能 或 者 能 量 传 递 相 关 的 设 施, 诸 如 太 阳 跟 踪 系 统, 热 介 质 传 输 系 统, 电 子 控 制 系 统, 以 及 相 应 的 管 道 系 统 等 由 表 9 可 见, 由 于 在 过 去 的 五 年 内, 对 太 阳 跟 踪 系 统 和 新 型 高 温 传 热 介 质 等 新 技 术 的 成 功 研 发, 太 阳 能 热 电 辅 助 设 施 的 开 支 急 剧 下 降 未 来 预 计 相 关 的 成 本 还 会 继 续 降 低 发 电 机 组 及 其 辅 助 设 施 与 电 站 发 电 有 关 的 成 本, 包 括 蒸 汽 轮 机 发 电 机 以 及 相 关 的 供 水, 冷 凝 设 备, 冷 却 塔 等 等 以 及 一 般 电 站 所 需 的 防 火 压 缩 空 气 自 动 控 制 及 升 降 装 置 等 各 种 辅 助 设 施 的 成 本 在 数 据 采 集 的 五 年 内, 由 于 一 些 新 技 术 的 采 用, 如 在 缺 水 地 区, 以 空 冷 代 替 水 冷, 还 有 传 统 电 站 中 发 电 部 分 价 格 上 升,2008 年 Fichtner 的 电 站 中 与 发 电 相 关 组 块 有 关 的 成 本, 比 2003 年 相 比, 有 非 常 显 著 提 高 36

表 10 电 站 发 电 部 分 的 成 本 比 较 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 发 电 $/m 2 527 306 1183 1183 2500 热 储 存 表 11 双 罐 式 热 储 存 系 统 成 本 明 细 项 目 $/kw $/kwth 6 小 时 存 储 $/kwh $/kwth 储 存 罐 16.30 5.70 97.80 34.20 泵 19.81 6.71 115.08 40.26 热 交 换 器 17.07 5.98 102.42 35.88 仪 器 1.25 0.44 7.50 2.64 管 道 6.15 2.15 36.90 12.90 钢 架 结 构 2.17 0.76 13.02 4.56 绝 热 11.71 4.1 70.26 24.60 电 子 控 制 6.49 2.27 38.94 13.62 水 泥 3.2 1.12 19.20 6.72 储 存 介 质 43.95 15.38 23.70 92.28 总 计 127.47 44.61 764.82 267.66 太 阳 能 热 电 站 所 采 取 的 热 储 存 技 术 的 类 型 和 容 量, 对 于 整 个 太 阳 能 热 电 站 的 37

成 本 具 有 很 大 的 影 响 表 11 中 所 列 数 据 来 自 于 S&L 成 本 研 究 26 below, 为 当 前 较 为 流 行 的 热 储 存 系 统 双 熔 盐 罐 热 储 存 系 统 的 成 本 明 细 与 2003 年 比 较,6 小 时 的 双 熔 盐 罐 的 储 存 系 统 的 成 本 略 有 下 降 目 前 由 于 成 本 和 占 地 问 题, 热 储 存 并 未 成 为 太 阳 能 槽 式 热 发 电 站 的 主 流 配 置 未 来 热 储 存 技 术 的 更 新 以 及 太 阳 聚 热 温 度 的 提 高, 将 有 助 于 降 低 成 本, 并 提 高 发 电 效 率 表 12 热 储 存 成 本 比 较 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 发 电 $/kw - 958-765 - 固 定 资 产 的 成 本 总 投 资 综 上 所 述, 根 据 以 上 各 项 有 关 太 阳 能 槽 式 热 电 站 的 固 定 资 产 投 资, 表 13 中 总 结 了 几 种 以 供 研 究 的 槽 式 电 站 的 固 定 资 产 总 投 资 的 数 据 可 以 看 出, 目 前 槽 式 太 阳 能 热 电 站 的 前 期 固 定 资 产 投 资 在 4500-6700$/kW 之 间 热 储 存 和 混 合 型 的 电 站, 由 于 需 要 附 加 设 备, 会 在 一 定 程 度 上 提 高 电 站 的 前 期 固 定 资 产 的 总 投 资 额 但 在 电 站 运 行 时 期, 综 合 考 虑 了 由 于 热 储 存 和 混 合 电 站 所 大 幅 度 提 高 的 发 电 量 之 后, 两 者 的 LCOE 却 比 单 纯 的 太 阳 能 热 发 电 站 的 LCOE 要 低 表 13 槽 式 太 阳 能 热 发 电 电 站 的 的 固 定 资 产 成 本 投 资 的 比 较 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 固 定 成 本 投 资 $/kw 3052 5073 4471 6708 5594 38

6.2.2 日 常 运 行 和 维 护 成 本 ( O&M ) 一 般 讲, 日 常 运 行 和 维 护 成 本 ( O&M ) 包 含 太 阳 能 热 电 站 日 常 运 行 的 开 支, 设 备 的 定 期 维 修 与 清 洗 和 保 养, 零 件 更 换, 人 员 工 资, 水 处 理, 及 其 它 相 关 运 行 和 维 护 费 用 在 太 阳 能 热 电 站 运 行 的 早 期, 维 护 保 养 的 费 用 会 相 对 较 低, 根 据 国 外 的 经 验, 会 占 总 固 定 资 产 投 资 额 的 2% 左 右 表 14 槽 式 太 阳 能 热 电 站 的 年 运 行 和 维 护 费 用 ( O&M ) 比 较 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 年 运 行 和 维 护 费 $/kw 63 115 67 78 120 用 ( O&M ) 槽 式 电 站 的 平 准 化 成 本 LCOE 的 比 较 表 15 槽 式 电 站 的 LCOE 比 较 (crf:9.37%) 槽 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 SEGS VI 槽 式 50 槽 式 100 槽 式 100 槽 式 100 类 型 混 合 热 储 存 无 热 储 存 热 储 存 混 合 年 发 电 量 GWh 58 206 290 451 223 LCOE $/kw 0.181 0.143 0.168 0.157 0.293 由 表 15 可 见, 混 合 发 电 和 热 储 存 都 可 提 高 发 电 量, 降 低 平 准 化 成 本 LCOE 以 及 上 网 电 价 39

6.3 太 阳 能 塔 式 发 电 同 槽 式 类 似, 太 阳 能 塔 式 发 电 电 站 的 成 本 包 括 前 期 的 开 发 和 固 定 资 产 成 本 投 资, 以 及 后 期 的 运 行 和 维 修 成 本 6.3.1 固 定 资 产 开 发 与 投 资 成 本 其 中 开 发 和 固 定 资 产 成 本 投 资 包 括 前 期 对 建 站 用 地 的 开 发 和 基 础 设 施 的 建 设 已 经 对 定 日 镜 场 聚 光 镜 塔 管 道 发 电 设 备 热 储 存, 和 其 他 固 定 资 本 的 建 设 和 投 资 成 本 表 16 太 阳 能 塔 式 发 电 的 固 定 成 本 比 较 塔 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 名 称 Solar Tres Solar Tres Tower 13.65 MW 13.65 MW 47.25 MW 类 型 热 储 存 热 储 存 无 储 存 场 地 征 用 开 发 $/m 2 11.6-25.3 和 基 础 设 施 定 日 镜 场 $/m 2 160 230.6 191.2 聚 光 镜 57143 $/m 2 121680 $/m 2 151.5 $/kwth 塔 和 管 道 $/m 2 11.6 21.99 18.9 发 电 设 备 $/kwe 1397.7 4719.6 1556.6 热 储 存 $/kwt 49 24.9 - 固 定 资 产 投 资 总 额 M$ 119 219 214 $/kwe 8753 16905 4534 从 表 16 中 可 见, 除 了 热 储 存 的 投 资 成 本 从 2003 年 到 2008 年 有 所 下 降 之 外, 40

其 他 方 面 的 投 资 成 本 都 由 于 缺 乏 竞 争 和 规 模 生 产 能 力, 材 料 涨 价 等 因 素, 开 支 均 为 大 幅 上 升, 以 聚 光 镜 为 例, 成 本 就 增 长 了 两 倍 以 上 总 体 来 看, 塔 式 发 电 的 前 期 开 发 和 固 定 投 资 成 本 在 4500 到 16900$/kW 之 间, 比 槽 式 发 电 相 应 的 固 定 投 资 成 本,3000 到 6700$/kW( 见 表 13), 明 显 要 高 出 很 多 6.3.2 太 阳 能 塔 式 热 发 电 站 的 运 行 和 维 护 成 本 ( O&M ) 与 太 阳 能 槽 式 热 发 电 类 似, 塔 式 的 运 行 和 维 护 成 本 ( O&M ) 包 括 对 于 与 收 集 太 阳 能 有 关 的 镜 场 及 发 电 机 组 有 关 部 分 的 运 行 和 维 护 费 用 零 件 更 换 水 处 理 的 运 行 和 维 护 人 员 费 用, 和 财 务 运 行 的 费 用 等 表 17 塔 式 运 行 和 维 护 成 本 的 比 较 塔 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 名 称 Solar Tres Solar Tres Tower 13.65 MW 13.65 MW 47.25 MW 类 型 热 储 存 热 储 存 无 储 存 运 行 和 维 护 成 $/kwh 0.03 0.01 0.05 本 ( O&M ) 日 常 的 运 行 和 维 护 成 本 ( O&M ) 取 决 于 电 站 的 容 量 的 大 小 即 镜 场 大 小 产 电 能 量 由 表 17 中 可 以 看 出, 由 于 具 有 热 储 存 的 电 站 的 产 电 容 量 大 大 高 于 没 有 热 储 存 能 力 的 电 站, 相 应 其 平 均 运 行 费 用 降 低 6.3.3 平 准 化 成 本 LCOE 由 于 表 18 中 数 据 可 见, 目 前 塔 式 发 电 的 平 准 化 成 本 在 22 美 分 /kwh 左 右 由 于 在 2003 年 S&L 所 做 的 研 究 中, 对 价 格 降 低 和 规 模 增 长 的 因 素 均 预 期 过 高, 因 此 其 所 2003 年 所 估 测 的 塔 式 发 电 的 价 格, 比 当 前 实 际 的 塔 式 发 电 价 格 都 要 低 很 多 41

表 18 太 阳 能 塔 式 热 发 电 的 平 准 化 成 本 LCOE 的 比 较 ( crf: 9.37% ) 塔 式 单 位 Sargent & Lundy Fichtner 2003 2008 2008 电 站 名 称 Solar Tres Solar Tres Tower 13.65 MW 13.65 MW 47.25 MW 类 型 热 储 存 热 储 存 无 储 存 年 净 发 电 量 GWh 93 93 116 LCOE $/kwe 0.15 0.22 0.22 6.4 未 来 太 阳 能 热 发 电 成 本 会 降 低 到 与 传 统 发 电 成 本 可 比 较 的 水 平 未 来 太 阳 能 热 发 电, 除 了 可 通 过 技 术 进 步, 提 高 太 阳 能 光 电 转 换 总 效 率 之 外 来 降 低 成 本 之 外, 随 着 规 模 发 展 所 带 来 的 经 济 效 应 和 经 验 学 习 曲 线 (learning curve), 成 本 也 会 相 应 降 低 26 例 如, 在 槽 式 发 电 中, 由 于 技 术 进 步 可 能 产 生 的 成 本 降 低 包 括 : 通 过 提 高 镜 面 的 反 射 和 吸 收 器 的 吸 收 性 能, 来 提 高 镜 场 效 率 ; 更 好 的 支 架 结 构 设 计 以 用 来 降 低 重 量 和 成 本 HTF( 热 交 换 介 质 ) 性 能 的 提 高 储 热 性 能 的 提 高 图 21 显 示 的 是 根 据 ESTELA 的 报 告 所 估 计 的 从 2007 到 2025 年, 槽 式 太 阳 能 的 成 本 会 以 大 约 每 年 3% 的 速 度 降 低, 从 而 价 格 从 2007 年 的 25 美 分 下 降 到 2025 年 的 15 美 分 42

图 23 ESTELA 对 太 阳 能 槽 式 发 电 预 测 的 至 2025 年 的 成 本 降 低 情 况 根 据 NREL 委 派 的 独 立 第 三 方 Sargent&Lundy 针 对 太 阳 能 集 热 发 电 几 种 分 支 技 术 在 未 来 成 本 的 研 究, 槽 式 有 储 能 系 统 无 储 存 系 统 和 塔 式, 以 及 碟 式 的 发 电 成 本 分 别 下 降 为 27 : 表 19 Sargent&Lundy 对 太 阳 能 集 热 发 电 技 术 的 LCOE 的 预 测 2012 年 2018 年 2025 年 槽 式 无 储 热 系 统 ( 美 分 /kwh) 槽 式 有 储 热 系 统 ( 美 分 /kwh) 10.48 9.78 8.75 7.71 8.37 6.79 塔 式 ( 美 分 /kwh) 20.52 8.82 7.36 碟 式 ( 美 分 /kwh) 12.3 11.03 8.59 由 表 19 可 见, 到 2025 年, 太 阳 能 热 发 电 的 各 分 支 技 术 的 成 本 都 有 显 著 下 降, 由 于 传 统 发 电 的 成 本 则 由 于 环 境 治 理 成 本 的 加 入 等, 会 比 现 在 有 所 上 升, 因 此 届 时, 太 阳 能 热 发 电 的 成 本 应 该 与 传 统 发 电 已 经 具 有 竞 争 性 塔 式 发 电 由 于 在 技 术 43

进 步 和 效 率 提 升 方 面 具 有 强 大 潜 力, 到 2025 年, 成 本 可 降 低 到 与 槽 式 基 本 相 平 图 22 中 分 别 列 出 了 至 2025 年, 由 于 技 术 进 步 和 规 模 生 产, 以 及 电 站 增 容 因 素 而 给 槽 式 ( 无 储 能 ) 塔 式 和 碟 式 系 统 所 带 来 的 成 本 降 低 比 例 : 70% 碟 式 60% 50% 40% 30% 20% 10% 槽 式 塔 式 碟 式 槽 式 塔 式 槽 式 塔 式 碟 式 0% 技 术 进 步 规 模 生 产 电 站 增 容 图 24 不 同 太 阳 能 集 热 发 电 电 价 降 低 的 原 因, 按 技 术 分 类 所 占 的 比 例 目 前, 线 性 菲 涅 尔 技 术 在 商 业 上 尚 未 成 熟, 仅 有 少 数 的 技 术 示 范 项 目 由 于 缺 乏 相 应 的 规 模 化 效 应, 其 所 提 倡 的 简 单 化 设 计 所 导 致 的 成 本 降 低 的 宗 旨 也 还 没 有 得 到 体 现 根 据 从 Novatec Biosol AG 1.4 MW 的 Puerto Errado1 项 目 所 得 到 的 数 据, 其 平 准 化 后 的 成 本 电 价 为 0.386$/kWh, 比 槽 式 系 统 大 概 高 出 30% 其 成 本 降 低, 一 样 要 依 靠 今 后 的 规 模 化 生 产 技 术 进 步 与 效 率 提 高 44

第 七 章 光 热 与 光 伏 商 业 化 的 竞 争 分 析 7.1 光 热 与 光 伏 都 是 对 太 阳 能 的 有 效 利 用, 但 各 有 特 点 作 为 同 样 都 是 利 用 太 阳 能 进 行 发 电 的 可 再 生 能 源 技 术, 光 伏 发 电 无 疑 是 最 经 常 用 来 与 太 阳 能 集 热 发 电 做 比 较 的 新 型 发 电 技 术 如 前 面 介 绍 的, 太 阳 能 集 热 发 电 是 将 光 能 转 变 为 热 能, 然 后 再 通 过 传 统 的 热 力 循 环 做 功 发 电 的 技 术 而 光 伏 发 电 是 由 光 子 使 电 子 跃 迁, 形 成 电 位 差, 光 能 直 接 就 转 变 为 电 能 因 此, 光 伏 发 电 产 生 的 是 直 流 电, 而 太 阳 能 集 热 发 电 产 生 的 是 和 传 统 的 火 电 一 样 的 交 流 电, 与 传 统 发 电 方 式 和 现 有 电 网 的 匹 配 性 更 好, 可 直 接 上 网 其 次, 两 者 在 对 太 阳 能 资 源 的 要 求 上 也 存 在 着 一 定 的 差 异 光 热 发 电 必 须 需 要 太 阳 光 的 直 接 辐 射, 而 光 伏 发 电 在 太 阳 光 的 直 接 辐 射 之 外, 还 可 以 利 用 太 阳 光 的 漫 反 射 因 此, 光 伏 发 电 对 于 太 阳 能 资 源 的 要 求 相 对 宽 松, 其 利 用 的 形 式 和 区 域 也 更 为 宽 泛 和 灵 活, 尤 其 适 合 于 各 种 情 况 下 的 分 布 式 发 电 而 两 者 之 间 最 为 重 要 的 差 别, 则 在 于 各 自 在 能 量 储 存 方 式 上 的 差 异 而 储 能 对 于 弥 补 太 阳 能 发 电 的 间 歇 性, 以 及 对 电 网 的 调 峰 能 力, 具 有 着 非 常 重 要 的 意 义 由 于 光 伏 发 电 是 由 光 能 直 接 转 换 为 电 能, 因 此 其 多 余 的 能 量 只 能 采 用 电 池 储 存, 因 此 其 技 术 难 度 和 造 价 远 比 太 阳 能 集 热 发 电 中, 仅 需 储 热 要 大 得 多 因 此, 易 于 对 多 余 的 能 量 进 行 储 存, 以 实 现 连 续 稳 定 的 发 电 和 调 峰 发 电, 是 太 阳 能 热 发 电 相 对 于 光 伏 发 电 的 一 个 最 为 重 要 和 明 显 的 优 势 再 者, 在 工 程 技 术 和 安 装 上, 光 伏 发 电 的 全 部 光 电 转 化 都 已 经 被 完 整 地 包 含 在 一 个 模 块 当 中, 功 能 独 立, 因 此 非 常 适 合 分 散 式 发 电 而 光 伏 发 电 的 集 中 式 发 电, 也 是 基 于 对 数 目 众 多 的 太 阳 能 电 池 模 块 的 叠 加 效 应, 是 对 单 块 电 池 的 拼 装 和 连 接 一 旦 电 池 出 厂, 就 已 经 是 功 能 独 立 的 运 行 单 元, 后 期 的 现 场 安 装 和 维 护 都 相 对 简 单 所 以 产 业 的 重 点 在 于 对 单 片 的 太 阳 能 电 池 的 制 造 技 术 的 开 发 上 而 太 阳 热 发 电 技 术, 除 了 斯 特 林 ( 碟 式 ) 本 身 因 为 有 类 似 于 光 伏 的 模 块 化 的 特 点 以 外, 其 它 三 种 光 热 方 式 缺 乏 用 作 分 布 式 小 型 发 电 的 优 势, 而 更 适 合 于 大 型 的 集 中 式 发 电, 其 经 济 性 也 只 有 在 大 规 模 的 集 中 发 电 中 才 能 够 体 现 出 来 在 太 阳 能 热 发 电 技 术 中, 虽 然 所 使 用 的 材 料 都 只 是 一 般 的 常 规 材 料, 诸 如 玻 璃 和 钢 材, 但 系 统 集 成 更 具 工 程 性, 现 场 安 装 和 施 工 都 相 对 复 杂, 并 且 对 于 整 个 项 目 的 成 功 至 关 重 要 如 镜 场 的 支 架 乃 至 调 试 等, 甚 至 是 经 验 也 起 着 非 常 关 键 的 作 用 45

简 单 的 讲, 对 于 光 热, 储 能 和 集 中 式 发 电 是 两 个 关 键 词 ; 而 对 光 伏 则 是 模 块 化 和 分 散 式 当 然 这 样 的 概 括 并 不 全 面, 光 热 发 电 里 也 有 适 用 于 分 散 式 发 电 的 斯 特 林 ( 碟 式 ) 系 统 光 伏 发 电 目 前 也 应 用 于 大 规 模 集 中 式 发 电 当 中 7.2 随 着 光 伏 的 商 业 竞 争 力 的 与 日 俱 进, 将 成 为 光 热 的 商 业 化 发 展 的 主 要 竞 争 对 手 之 一 虽 然, 从 长 远 与 积 极 的 角 度 来 看, 光 热 发 电 与 光 伏 发 电 都 是 人 类 对 太 阳 能 的 有 效 利 用 方 式, 是 解 决 未 来 人 类 能 源 危 机 行 之 有 效 的 办 法 两 者 也 是 基 于 各 自 的 发 电 特 点, 在 发 电 方 式 上 可 以 进 行 有 益 的 补 充 和 共 同 发 展 的 关 系 然 而, 从 商 业 运 作 的 角 度 上 来 讲, 两 者 同 样 依 靠 太 阳 能 发 电 在 资 源 要 求 上 的 类 似 性, 造 成 短 期 内 两 者 之 间 的 被 比 较 与 相 互 竞 争 关 系 不 可 避 免 首 先, 从 商 业 化 程 度 上 来 讲, 光 伏 近 年 来 在 全 球 乃 至 在 中 国 都 呈 现 爆 发 式 的 增 长 从 2002 年 到 2008 年, 全 球 光 伏 电 池 的 生 产 量 每 两 年 就 翻 一 翻, 平 均 每 年 增 长 速 度 为 48% 虽 然 2009 年 信 贷 紧 缩 对 基 础 设 施 建 设 和 能 源 项 目 的 融 资 带 来 了 很 大 的 打 击, 但 是 根 据 欧 洲 太 阳 能 光 伏 行 业 协 会 (EPIA) 的 数 据, 全 球 太 阳 能 光 伏 装 机 容 量 仍 然 增 长 了 44%, 全 球 太 阳 能 新 增 装 机 容 量 达 64 亿 兆 瓦, 使 全 球 太 阳 能 装 机 总 容 量 超 过 200 亿 兆 瓦 而 中 国 在 2009 年, 太 阳 能 电 池 产 量 已 经 达 到 了 4011 兆 瓦, 占 世 界 太 阳 能 电 池 总 产 量 的 40% 根 据 solarbuzz2009 年 12 月 9 日 发 布 的 数 据 显 示,2009 年 中 国 光 伏 安 装 量 超 过 过 去 历 年 累 计 安 装 量, 中 国 光 伏 安 装 量 预 计 占 到 世 界 总 量 的 2.51%, 而 在 2008 年 仅 占 0.73% 2009 年 全 年 装 机 超 过 120 兆 瓦, 到 2009 年 底 全 国 光 伏 累 计 装 机 有 可 能 达 到 或 超 过 300 兆 瓦, 提 前 完 成 国 家 中 长 期 发 展 规 划 2010 年 250 兆 瓦 的 目 标 而 光 伏 发 电 在 市 场 规 模 上 的 快 速 增 长, 不 仅 是 光 伏 发 电 在 技 术 上 已 经 日 臻 成 熟 的 一 个 成 果 表 现, 并 且, 在 成 本 控 制 上, 根 据 国 外 的 数 据, 都 显 示 出 光 伏 发 电, 由 于 技 术 进 步 和 规 模 生 产 等 原 因, 在 成 本 和 电 价 上 均 有 明 显 的 降 低, 接 近 于 CSP 而 在 国 内 2009 年 度 敦 煌 10 兆 瓦 并 网 光 伏 发 电 项 目 招 标 中, 江 苏 百 世 德 太 阳 能 高 科 技 有 限 公 司 中 广 核 能 源 开 发 有 限 责 任 公 司 和 比 利 时 Enfinity 公 司 联 合 体, 以 1.09 元 / 度 的 价 格 竞 标 成 功 其 1.09 元 的 价 格 对 中 国 目 前 尚 在 起 步 价 格 优 势 严 重 依 赖 于 未 来 规 模 经 济 的 光 热 发 电 来 说, 在 市 场 价 格 的 竞 争 上 已 经 造 46