張金平，周強(qiáng)，王定美，李津，劉麗娟

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730070）

0 引言

近年來(lái)，化石能源日益枯竭、環(huán)境污染不斷加劇，風(fēng)電、光伏發(fā)電滲透率不斷提高，擠占了部分常規(guī)機(jī)組空間，削弱了電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力［1］。為保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和清潔高效運(yùn)行，迫切需要靈活性電源參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰，提升電力系統(tǒng)的靈活性［2］。

光熱發(fā)電集發(fā)電與儲(chǔ)熱為一體，具有出力靈活可控等優(yōu)勢(shì)，可快速深度參與電網(wǎng)調(diào)峰，宜與風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電互補(bǔ)運(yùn)行［2-3］，是極具發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電技術(shù)，受到世界各國(guó)的重視，得到了積極研究和推廣應(yīng)用。截至2021年年底，全球光熱電站累計(jì)裝機(jī)容量為6 692 MW，我國(guó)首批示范項(xiàng)目中有7 座塔式、1 個(gè)槽式、1 個(gè)線性菲涅式光熱電站并網(wǎng)投產(chǎn)，共計(jì)550 MW。但與風(fēng)電、光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電規(guī)模化發(fā)展任重道遠(yuǎn)。深入分析多重不確定性下光熱發(fā)電運(yùn)行特性，研究光熱發(fā)電靈活參與電網(wǎng)的運(yùn)行策略和效益評(píng)估，對(duì)助力光熱發(fā)電成為我國(guó)電源結(jié)構(gòu)中的重要組成具有重要意義［4］。

本文分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有光熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀，介紹光熱發(fā)電基本原理、常見(jiàn)類型及其系統(tǒng)組成；討論不同類型光熱發(fā)電運(yùn)行特性以及優(yōu)缺點(diǎn)；分析光熱發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展；展望光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。

1 光熱發(fā)電技術(shù)原理及系統(tǒng)組成

太陽(yáng)能熱發(fā)電（Concentrating Solar Power， CSP）的基本原理是通過(guò)大量反射鏡或聚光鏡將電站周圍的太陽(yáng)輻射能聚焦于集熱區(qū)，集熱區(qū)加熱工質(zhì)吸收太陽(yáng)輻射能產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能［5-7］。光熱發(fā)電站一般由集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)及發(fā)電裝置組成，如圖1所示［8］。

圖1 光熱發(fā)電系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition of the CSP system

1.1 聚光與集熱系統(tǒng)

聚光與集熱系統(tǒng)是太陽(yáng)能熱發(fā)電的基礎(chǔ)，主要由聚光鏡場(chǎng)、吸熱器等構(gòu)成。聚光鏡場(chǎng)由數(shù)量巨大的同型聚光裝置（如槽形拋物面反射鏡、平面定日鏡等）按照一定規(guī)律布局而成。目前，聚光鏡場(chǎng)的投資在各類太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中占整個(gè)系統(tǒng)投資的60%以上［9］。聚光鏡場(chǎng)吸收的太陽(yáng)能除了受鏡場(chǎng)布局、反射率等因素的影響外，還與外界環(huán)境息息相關(guān)，如鏡場(chǎng)所處位置天氣狀況、太陽(yáng)輻射度等。集熱器將聚光鏡場(chǎng)聚集的太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)為熱能，加熱導(dǎo)熱油、熔鹽等工質(zhì)。吸熱器的性能直接決定了吸熱介質(zhì)的出口溫度。受太陽(yáng)能熱源的間歇性和介質(zhì)熔鹽的腐蝕性等因素影響，吸熱器對(duì)選材、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性方面的技術(shù)和工藝要求很高。

1.2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)光熱出力靈活可調(diào)、光熱發(fā)電24 h 連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，其儲(chǔ)熱量與電場(chǎng)年發(fā)電量、聚光鏡場(chǎng)規(guī)模及電站總投資息息相關(guān)。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需綜合考慮儲(chǔ)熱容量、儲(chǔ)熱周期與發(fā)電經(jīng)濟(jì)性等因素［10］。

1.3 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的主要功能與常規(guī)火電廠相似，即實(shí)現(xiàn)高溫流體介質(zhì)（導(dǎo)熱油、熔鹽）與水工質(zhì)之間的熱交換，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功；不同之處在于，光熱電站蒸汽發(fā)熱系統(tǒng)升溫速率快，最高可達(dá)到10 ℃/min，可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)快速啟動(dòng)［11-12］。

1.4 發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到太陽(yáng)能光熱發(fā)電經(jīng)濟(jì)性。此系統(tǒng)配置裝備同火電機(jī)組類似，但與燃煤機(jī)組相比，光熱電站的發(fā)電系統(tǒng)具有更好的調(diào)節(jié)性能，這就要求汽輪機(jī)具有頻繁啟停、快速啟動(dòng)、低負(fù)荷運(yùn)行、高效等特點(diǎn)［8，13］。

2 光熱發(fā)電技術(shù)分類及特性分析

按照聚能方式及結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)可分為塔式、槽式、碟式和菲涅爾式四大類。

2.1 塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電

塔式發(fā)電是一種集中型太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)：在成千上萬(wàn)個(gè)獨(dú)立控制的定日鏡所組成的圓周形鏡場(chǎng)中心位置矗立一個(gè)高達(dá)幾百m 的吸熱塔，獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡場(chǎng)將陽(yáng)光聚集到塔頂部的接收器上以產(chǎn)生高溫，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電［14-16］。塔式光熱發(fā)電如圖2所示。

圖2 塔式光熱發(fā)電裝置Fig.2 Tower solar thermal power generator

2.2 槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電

槽式光熱發(fā)電利用拋物面的光學(xué)聚焦原理，將平行于槽形拋物面主軸線的太陽(yáng)輻射聚焦到集熱管。實(shí)際應(yīng)用中，將多個(gè)槽形拋物面聚光集熱器經(jīng)過(guò)串并聯(lián)組合構(gòu)成聚光集熱系統(tǒng)，用來(lái)吸收太陽(yáng)輻射能，以產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電［5，17］。槽式光熱發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 槽式光熱發(fā)電裝置Fig.3 Trough solar thermal power generator

2.3 碟式太陽(yáng)能光熱發(fā)電

碟式太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的采用碟式聚光系統(tǒng)，太陽(yáng)輻射反射面布置為碟（盤(pán)）形，通過(guò)碟型拋物面反射鏡將太陽(yáng)光反射聚焦到接收器上，產(chǎn)生的熱能通過(guò)安裝在焦點(diǎn)處的斯特林機(jī)推動(dòng)熱動(dòng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電，工作流程如圖4 所示。碟式發(fā)電采用點(diǎn)聚焦，具有高聚光比、高集熱溫度、集熱器熱損失小的特點(diǎn)，目前峰值光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%左右，但其單機(jī)容量受制于價(jià)格因素，單體發(fā)電容量規(guī)模較小，適用于分布式發(fā)電［5，18］。

圖4 碟式光熱發(fā)電裝置Fig.4 Dish-type solar thermal power generationor

2.4 菲涅爾式太陽(yáng)能光熱發(fā)電

菲涅爾式太陽(yáng)能光熱發(fā)電系采用線性菲涅爾式太陽(yáng)能聚光器。線性菲涅爾式聚光系統(tǒng)由拋物面式聚光系統(tǒng)演化而來(lái)，其工作原理與槽式光熱發(fā)電相似，不同的是線性菲涅爾鏡面布置無(wú)需保持拋物面形狀，太陽(yáng)直射輻射通過(guò)一次平面反射鏡聚焦到塔桿頂后經(jīng)二次反射鏡到線性集熱器上，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電［5，9］。線性菲涅爾式光熱發(fā)電裝置如圖5所示。

圖5 線性菲涅爾式光熱發(fā)電裝置Fig.5 Linear Fresnel CSP arrays

2.5 各類光熱發(fā)電技術(shù)特性對(duì)比

上述4 類光熱發(fā)電技術(shù)路線由于聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光熱發(fā)電集熱方式及光熱發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)工作參數(shù)存在差異（見(jiàn)表1），它們的運(yùn)行性能及推廣應(yīng)用程度不盡相同［5，9］。

表1 4種光熱發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)Table 1 Characteristics of four generation technologies

綜上所述，碟式和塔式發(fā)電技術(shù)聚光鏡場(chǎng)的光學(xué)效率較高，聚光集熱及光熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量更集中，系統(tǒng)工作溫度和效率也就高。碟式系統(tǒng)受到單機(jī)規(guī)模和造價(jià)的限制，目前在建示范項(xiàng)目的單臺(tái)機(jī)組容量處于kW 級(jí)別；塔式系統(tǒng)的太陽(yáng)島控制系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)成本高，但具有聚光倍數(shù)高、光熱轉(zhuǎn)換效率高、熱量傳遞路徑短等特點(diǎn)，非常適合大規(guī)模、大容量的商業(yè)化應(yīng)用，因此塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)被認(rèn)為是極具潛力的技術(shù)路線，目前約占全球太陽(yáng)能熱發(fā)電總裝機(jī)容量的20%［19-20］。

槽式光熱是目前最為成熟、應(yīng)用范圍最廣的光熱發(fā)電技術(shù)，約占裝機(jī)總量的76%［19-20］。槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)具有聚光與集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件簡(jiǎn)單、能量收集跟蹤控制簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，但相較于塔式，槽式的聚光較低、散熱面積較大，效率和工作溫度相應(yīng)較低。

菲涅爾式光熱發(fā)電雖然采用了菲涅爾結(jié)構(gòu)聚光鏡代替拋物面，降低了聚光鏡生產(chǎn)技術(shù)難度和成本，但系統(tǒng)總體效率有待提高。目前國(guó)內(nèi)已建成的線性菲涅爾光熱發(fā)電項(xiàng)目只有蘭州大成敦煌50 MW光熱發(fā)電項(xiàng)目。

3 光熱發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 光熱發(fā)電建模及運(yùn)行特性

光熱發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能集熱、傳熱蓄熱、熱交換、發(fā)電等多個(gè)系統(tǒng)的集成與協(xié)調(diào)控制的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，因此分析系統(tǒng)能量的累積和流動(dòng)及不同時(shí)間尺度下光熱發(fā)電的運(yùn)行特性，是實(shí)現(xiàn)光熱優(yōu)化運(yùn)行、提升光熱發(fā)電效益的基礎(chǔ)［4］。目前的光熱發(fā)電特性模型多考慮光熱電站內(nèi)部熱量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，或?qū)崃颗c電量之間的關(guān)系展示為泛函數(shù)關(guān)系［21］。在研究簡(jiǎn)化的光熱電站內(nèi)部能量流過(guò)程時(shí)，建立適用于調(diào)度運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)性分析的靜態(tài)模型。Sioshansi 等［22］通過(guò)簡(jiǎn)化光熱電站內(nèi)部能量交換的動(dòng)態(tài)過(guò)程，建立了小時(shí)級(jí)能量流靜態(tài)模型。但該模型中并未考慮棄熱以及機(jī)組的爬坡因素。針對(duì)上述未考慮爬坡、備用等因素的模型無(wú)法直接應(yīng)用于含CSP電站的電網(wǎng)調(diào)度問(wèn)題。陳潤(rùn)澤等［23］對(duì)靜態(tài)能流模型進(jìn)行了改進(jìn)，并在此基礎(chǔ)上提出了光熱電站參與下的調(diào)度模型。張中丹等［24］對(duì)光熱發(fā)電各子系統(tǒng)自身及之間的能量流進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立面向發(fā)電量?jī)?yōu)化的靜態(tài)能量流數(shù)學(xué)模型。在建立考慮熱交換的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)模型方面，李換兵［25］以美國(guó)SEGS 電站Ⅵ號(hào)機(jī)組（SEGS Ⅵ）為對(duì)象，研究常規(guī)槽式太陽(yáng)能熱電站熱力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型，并基于仿真模型對(duì)該類型電站的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。耿直等［26］針對(duì)帶儲(chǔ)熱裝置的中低溫槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)搭建了熱力學(xué)仿真模型，對(duì)春分、夏至、秋分、冬至4個(gè)典型日進(jìn)行逐時(shí)仿真。李國(guó)營(yíng)［27］建立了塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)方程，并基于模型和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究了北京延慶1 MW 塔式光熱電站的整體效率。Alferidi等［8］研究開(kāi)發(fā)了CSP的概率模型，以確定太陽(yáng)輻射和氣溫變化對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的影響，研究還用該模型對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷、裝機(jī)容量、安裝場(chǎng)地參數(shù)等一系列因素對(duì)光熱發(fā)電容量可信度和有效承載能力的影響進(jìn)行了評(píng)估。

3.2 含光熱發(fā)電的電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法

近年來(lái)，將光熱電站作為靈活調(diào)節(jié)資源納入電力系統(tǒng)以支撐電網(wǎng)靈活性運(yùn)行需求已成為研究熱點(diǎn)。肖白等［21］從光熱電站特性出發(fā)，分別以系統(tǒng)的收益最大、跟隨負(fù)荷能力最大、平抑風(fēng)電出力波動(dòng)為目標(biāo)，建立光熱-風(fēng)電-光伏的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，利用光熱電站靈活出力的特性，對(duì)風(fēng)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷，平滑出力曲線。此類研究實(shí)現(xiàn)了不同工況和控制模式下的光熱、風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行［28-30］。

在源荷協(xié)調(diào)調(diào)度方面，趙昱宣［31］針對(duì)光熱光伏聯(lián)合電站，研究了光熱電站與多元源荷資源的協(xié)調(diào)調(diào)度問(wèn)題和報(bào)價(jià)曲線優(yōu)化問(wèn)題，提出了光熱電站與多元源荷資源的多元協(xié)調(diào)調(diào)度策略，提高了光熱電站與多元源荷資源聚合時(shí)的調(diào)度經(jīng)濟(jì)性和靈活性。劉新元等［32］針對(duì)含光熱-風(fēng)電電力系統(tǒng)如何在多時(shí)間尺度下實(shí)現(xiàn)源荷靈活協(xié)調(diào)調(diào)度問(wèn)題，構(gòu)建了含光熱-風(fēng)電的電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度源-荷協(xié)調(diào)調(diào)度模型，在提高電力系統(tǒng)調(diào)度靈活性的同時(shí)解決了由大規(guī)模風(fēng)電接入引起的電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題［33］。崔楊等［14］研究提出了一種源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)調(diào)度的方法，將光熱電站作為調(diào)節(jié)資源，有效提高了本地新能源消納能力。在電力系統(tǒng)調(diào)度中考慮光熱電站參與調(diào)峰輔助服務(wù)方面，崔楊等［34］研究建立了光熱電站參與調(diào)峰服務(wù)的定價(jià)模型，基于此提出了一種火電與光熱電站共同參與調(diào)峰輔助服務(wù)的調(diào)度方法，提高電力系統(tǒng)風(fēng)光消納水平的同時(shí)降低運(yùn)行成本。

3.3 含光熱發(fā)電的多能源系統(tǒng)集成策略

配備儲(chǔ)能系統(tǒng)使光熱發(fā)電機(jī)組具有能量時(shí)移特性和快速調(diào)節(jié)能力［34］?，F(xiàn)階段，學(xué)者將光熱發(fā)電與風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱等系統(tǒng)合理搭配，構(gòu)建了多能互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。戴劍豐等［35］針對(duì)風(fēng)電-光熱電站聯(lián)合系統(tǒng)提出了一種適合電網(wǎng)調(diào)度的風(fēng)電與光熱電站協(xié)調(diào)控制策略，建立了含儲(chǔ)熱裝置的風(fēng)光互補(bǔ)多目標(biāo)優(yōu)化模型。鄭連華等［36］綜合考慮CSP電站和氫儲(chǔ)能協(xié)同運(yùn)行對(duì)綜合能源系統(tǒng)調(diào)度的影響，提出一種含光熱電站及氫儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化運(yùn)行策略，優(yōu)化了系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性，提高能源利用率。臧海祥等［37］通過(guò)研究風(fēng)電-光熱-生物質(zhì)混合電站的能量耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)和生物質(zhì)鍋爐不僅提高了混合電站運(yùn)行靈活性，還可通過(guò)優(yōu)化其運(yùn)行策略，增加混合電站在電力市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)量，以獲得更高的電力市場(chǎng)收益。Sakellaridis 等［38］基于光熱電站和抽水蓄能電站的儲(chǔ)能特性和調(diào)節(jié)特性，構(gòu)建了一個(gè)風(fēng)電、抽水蓄能電站和光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性進(jìn)行評(píng)估。彭院院等［39］利用光熱電站出力可控的特點(diǎn)，將其聚合到風(fēng)-火虛擬電廠中，并提出含光熱的光-風(fēng)-火虛擬電廠雙階段優(yōu)化調(diào)度模型，以充分挖掘CSP的調(diào)節(jié)潛力，通過(guò)其內(nèi)部協(xié)同優(yōu)化，增加電廠收益。趙玲霞等［40］針對(duì)綜合能源系統(tǒng)存在的不足，研究了聯(lián)合儲(chǔ)能電池構(gòu)建包含風(fēng)電、光伏、光熱及儲(chǔ)能電池的多能源虛擬電廠。曾賢強(qiáng)等［41］針對(duì)含光熱電站參與的多能耦合區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)化的光熱電站參與的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，光熱電站的參與提高了可再生能源的利用效率和區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化能力。

3.4 光熱電站優(yōu)化配置

儲(chǔ)能系統(tǒng)是保證光熱發(fā)電連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、具備可調(diào)節(jié)性能的關(guān)鍵。因此，儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量參數(shù)優(yōu)化配置對(duì)光熱電站運(yùn)行特性的影響、光熱靈活參與風(fēng)電-光伏互補(bǔ)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

Kueh 等［42-43］研究了儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)光熱電站運(yùn)行的影響，并給出了影響儲(chǔ)熱容量的重要因素。Boukelia［44］等從能量效率、熱電效率、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性4 個(gè)維度對(duì)比分析了基于熔鹽和導(dǎo)熱油2 種導(dǎo)熱介質(zhì)下8 種不同配置的槽式太陽(yáng)能熱電廠，結(jié)果表明配置熔鹽儲(chǔ)熱和燃料備用系統(tǒng)的太陽(yáng)能熱電廠整體效率最高。平準(zhǔn)化電力成本（LCOE）是太陽(yáng)能熱電廠經(jīng)濟(jì)研究分析中最常用的參數(shù)［45］，Praveenr等［46］以某年發(fā)電量最高時(shí)LCOE 的最低值為目標(biāo)，通過(guò)改變儲(chǔ)熱系統(tǒng)（TES）的太陽(yáng)能倍數(shù)和滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)，優(yōu)化擬建CSP 電廠的性能。Boukelia 等［47］對(duì)阿爾及利亞的50 MW 光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電模型中光熱系統(tǒng)的太陽(yáng)倍數(shù)和儲(chǔ)熱容量等參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究，從而使聯(lián)合發(fā)電站LCOE 最小。在研究光熱發(fā)電調(diào)度中計(jì)及調(diào)度經(jīng)濟(jì)性的儲(chǔ)熱容量配置方面，崔楊等［48］綜合考慮了火電機(jī)組調(diào)峰成本與儲(chǔ)熱成本對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量配置的影響，提出了降低火電機(jī)組調(diào)峰成本的光熱電站儲(chǔ)熱容量配置方法。姚元璽［49］綜合考慮火電機(jī)組發(fā)電成本、光熱發(fā)電并網(wǎng)消納的環(huán)境效益和運(yùn)行維護(hù)成本、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用成本等調(diào)度經(jīng)濟(jì)性因素，探究?jī)?chǔ)熱裝置配置成本與調(diào)度經(jīng)濟(jì)性的平衡點(diǎn)，確定光熱電站儲(chǔ)熱容量配置。Kost等［50］研究發(fā)現(xiàn)不同的補(bǔ)貼機(jī)制和運(yùn)行策略對(duì)光熱發(fā)電最優(yōu)光電容量比和最優(yōu)儲(chǔ)熱容量都有影響。

3.5 光熱發(fā)電綜合效益評(píng)估

光熱發(fā)電具有媲美常規(guī)電源的調(diào)節(jié)性能，可為電網(wǎng)提供調(diào)峰與備用服務(wù)并促進(jìn)風(fēng)光等新能源消納，因此光熱發(fā)電效益評(píng)估除了考慮自身運(yùn)行效益外，還包括替代常規(guī)機(jī)組的容量效益、與其他電源多能互補(bǔ)發(fā)電的電量效益、提供調(diào)峰等靈活性服務(wù)的效益等客觀效益。傅旭等［51］提出一種全面評(píng)估CSP容量效益、電量效益的等值年費(fèi)用法，并計(jì)及了機(jī)組啟停、儲(chǔ)能電源跨日調(diào)節(jié)。沙韻等［52］針對(duì)含光熱電站的高比例新能源送端經(jīng)特高壓直流連接的互聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、調(diào)峰效果以及綠電效益3個(gè)角度對(duì)光熱電站的靈活運(yùn)行效益進(jìn)行量化分析。陳潤(rùn)澤等［23］分析了在完全接納光熱發(fā)電的前提下，光熱電站并網(wǎng)在發(fā)電成本、可再生能源接納和提高匯集輸電線路利用率等方面的客觀效益。

相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)一步結(jié)合電力市場(chǎng)，研究分析了光熱電站參與電力市場(chǎng)的運(yùn)行策略，以實(shí)現(xiàn)光熱電站的市場(chǎng)收益最大化。He 等［53］針對(duì)太陽(yáng)能和市場(chǎng)價(jià)格的不確定性，建立了CSP電站聯(lián)合日前能源、備用和調(diào)節(jié)市場(chǎng)的最優(yōu)報(bào)價(jià)策略,以提高光熱電站的運(yùn)行效益。梁政等［54］考慮光熱發(fā)電商作為市場(chǎng)承載主體，面向電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易，構(gòu)建了基于多寡頭古諾模型的市場(chǎng)交易決策模型。趙昱宣等［55］考慮CSP電廠熱力生產(chǎn)的非隨機(jī)不確定性和市場(chǎng)價(jià)格的隨機(jī)不確定性以及相關(guān)CSP 電廠的風(fēng)險(xiǎn)，提出了光熱電站在日前和實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)的最優(yōu)運(yùn)行策略，提升了光熱發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。

基于以上文獻(xiàn)可知，現(xiàn)階段含光熱發(fā)電的電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方面，學(xué)者側(cè)重對(duì)光熱電站參與風(fēng)電-光伏聯(lián)合發(fā)電、應(yīng)對(duì)風(fēng)光電不確定性、促進(jìn)高比例可再生能源電力系統(tǒng)靈活調(diào)度策略方面的研究；但從電力系統(tǒng)整體考慮的接入電網(wǎng)后光熱電站發(fā)電容量可靠性、支撐電網(wǎng)安全靈活運(yùn)行方法的研究較少。在含光熱的多能源系統(tǒng)集成方面，現(xiàn)有研究探索風(fēng)-光-熱-儲(chǔ)多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)集成策略時(shí)，大多考慮光熱與光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能在電源側(cè)形成“光熱+”的多能互補(bǔ)發(fā)電形式；然而探討光熱電站在電/熱/冷/氣多能源集成系統(tǒng)中的運(yùn)行策略及為電力系統(tǒng)提供一定的容量支撐和調(diào)節(jié)能力方面需要做更進(jìn)一步的探討和研究。光熱優(yōu)化配置方面，目前光熱電站優(yōu)化配置大多著眼于單個(gè)光熱電站的集熱及儲(chǔ)熱效率優(yōu)化，部分文獻(xiàn)研究了計(jì)及調(diào)度經(jīng)濟(jì)性的儲(chǔ)熱參數(shù)配置策略［56］，但是考慮電力系統(tǒng)效益最大化下光熱電站靈活參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的最優(yōu)容量匹配方法鮮有報(bào)道。光熱發(fā)電綜合效益評(píng)估方面，部分文獻(xiàn)從光熱電站運(yùn)營(yíng)收益的角度出發(fā)，研究分析了特定場(chǎng)景中光熱電站參與電力市場(chǎng)的運(yùn)行策略，并未全面考慮分析CSP的運(yùn)行方式、儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)、新能源滲透率及調(diào)峰需求和電網(wǎng)約束條件等不確定影響因素和多優(yōu)化目標(biāo)下的光熱電站的效益評(píng)估方法。

4 光熱發(fā)電技術(shù)展望

太陽(yáng)能光熱發(fā)電作為一種出力穩(wěn)定、可靠的新能源發(fā)電技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)不可或缺的重要技術(shù)手段。該技術(shù)涉及太陽(yáng)能集熱、傳熱蓄熱、發(fā)電等多個(gè)系統(tǒng)的集成與協(xié)調(diào)，在未來(lái)發(fā)展中需關(guān)注以下幾方面。

（1）光熱高溫集熱/儲(chǔ)熱關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研究方面。光熱發(fā)電系統(tǒng)在高溫運(yùn)行參數(shù)時(shí)具有發(fā)電效率高、經(jīng)濟(jì)性高、適宜大容量發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。因此，開(kāi)展高溫集熱/儲(chǔ)熱技術(shù)的研究，推進(jìn)光熱發(fā)電朝著高運(yùn)行參數(shù)、大容量方向發(fā)展對(duì)該技術(shù)非常關(guān)鍵。

（2）光熱功率預(yù)測(cè)方面。光熱發(fā)電主要利用太陽(yáng)的法向直接輻射。法向直接輻射受云的影響很大。不同自然資源環(huán)境下的輻照度等環(huán)境因素將對(duì)光熱發(fā)電集熱、儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生影響。應(yīng)研究如何提升光熱功率的預(yù)測(cè)精度，以更好地為光熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電站出力提供決策依據(jù)。

（3）光熱運(yùn)行特性研究方面?！半p碳”目標(biāo)的制定為風(fēng)、光等新能源開(kāi)發(fā)按下“加速鍵”，對(duì)電力系統(tǒng)的接納、調(diào)節(jié)等能力提出更高要求。未來(lái)應(yīng)綜合考慮源-荷雙側(cè)的高度不確定性，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況開(kāi)展各類型光熱電站在不同運(yùn)行工況下的動(dòng)態(tài)特性分析，構(gòu)建光熱發(fā)電設(shè)備在不同時(shí)間尺度下的數(shù)學(xué)模型，分析不同類型光熱發(fā)電容量可靠性、支撐電網(wǎng)安全等運(yùn)行特性，提升電網(wǎng)穩(wěn)定特性和靈活性；開(kāi)展不同類型光熱發(fā)電參與高比例新能源送端電網(wǎng)接納新能源能力的協(xié)調(diào)優(yōu)化配置及調(diào)度策略研究，提升電網(wǎng)運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。

（4）光熱發(fā)電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前光熱發(fā)電技術(shù)在我國(guó)處于初級(jí)階段，各項(xiàng)技術(shù)各自為政，缺乏明確的標(biāo)準(zhǔn)，未能充分對(duì)應(yīng)光熱發(fā)電運(yùn)行實(shí)際，難以對(duì)產(chǎn)業(yè)形成有力的支撐。未來(lái)應(yīng)結(jié)合光熱運(yùn)行實(shí)際，從系統(tǒng)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能、經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，深入研究不同類型光熱容量配置參數(shù)選取方法，并提出相應(yīng)的不同容量占比光熱參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的控制策略、“光熱+風(fēng)光電”多能互補(bǔ)一體化運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

（5）光熱發(fā)電的成本效益評(píng)估。目前光熱投資成本較高是影響太陽(yáng)能光熱電站發(fā)展的主要因素，因此分析評(píng)估光熱發(fā)電經(jīng)濟(jì)性和綜合效益，是提升光熱發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。未來(lái)還需要從光熱電站成本優(yōu)化和光熱參與電網(wǎng)調(diào)峰、與其他電源的多能互補(bǔ)發(fā)電效益方面做進(jìn)一步探索。一是從光熱發(fā)電技術(shù)材料、太陽(yáng)島集熱系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化、儲(chǔ)熱容量配置等光熱電站光熱中各子系統(tǒng)技術(shù)配置方面，提升光熱電站的經(jīng)濟(jì)性，降低LCOE。二是結(jié)合電力市場(chǎng)，考慮電網(wǎng)整體調(diào)峰等輔助服務(wù)需求，分析電力系統(tǒng)最大化效益下光熱電站靈活參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的運(yùn)營(yíng)方式和與決策分析模型，挖掘光熱發(fā)電提供調(diào)峰等靈活性服務(wù)的效益及與其他電源的多能互補(bǔ)發(fā)電效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了提升高比例可再生能源電力系統(tǒng)的靈活性，對(duì)4 種光熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比研究。光熱發(fā)電集發(fā)電與儲(chǔ)能為一體，具有出力靈活可控等優(yōu)勢(shì)，是極具發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電技術(shù)。本文介紹了光熱發(fā)電技術(shù)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；綜述了現(xiàn)階段光熱發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀；探討了未來(lái)光熱發(fā)電需關(guān)注的問(wèn)題與研究方向，希望為日后研究與開(kāi)發(fā)高性能光熱發(fā)電提供參考。