电力设备及新能源行业光热发电专题报告2：解剖光热发电结构和运行机制，寻找影响发电效率和成本的核心因素

解剖光热发电结构和运行机制，寻找影响发电效率和成本的核心因素 光热发电专题报告2 行业研究|深度报告电力设备及新能源行业 看好（维持） 国家/地区中国 行业电力设备及新能源行业 报告发布日期2023年05月23日 核心观点 2023年4月7日，国家能源局发布《国家能源局综合司关于推动光热发电规模化发展有关事项的通知》，争取在“十四五”期间全国光热发电每年新增开工规模达到 300万千瓦左右。政策出台助力行业发展，光热规模化发展有望提速。此前我们撰 写了《新视角下，光热电站的价值发现》报告，梳理了光热发电的潜在价值。本文，我们以熔盐塔式为例，从运行机理入手，详细拆解光热发电系统架构。 塔式光热电站聚光、吸热、储热、换热发电系统联合运行保证电站持续稳定发电。1）聚光系统控制系统根据太阳光情况计算并控制定日镜的倾斜角度，保证每一束光都能精准打在吸热器上。2）当吸热系统开始工作时：低温熔盐储罐中的低温熔盐泵 将290℃的熔盐打到吸热塔顶部的吸热器，依次流经各吸热管，吸收热量升温，最终流出吸热器，经管道流入高温熔盐储罐。电站会根据光照情况，通过调整低温熔盐泵流速来控制熔盐在吸热器的时间，保证熔盐从吸热器出来时温度达到565℃。3）熔盐罐一方面通过低温熔盐泵连接吸热器，实现热量的收集，另一方面通过高温熔盐泵与换热系统相连，实现高温熔盐的放热。4）在光热电站中，蒸汽换热+发电系统的运行及维护与常规火电厂相似，通过高温熔盐与水工质之间的热交换，产生过热蒸汽以驱动汽轮机做功，发电机将机械能转化为电能。 基于能量守恒，光热电站运行时各系统之间的运行功率、时长和能量流转存在定量关系。以装机容量100MW，储热时长10h的光热电站为例，计算各系统容量配置如下：1）储热容量2222MWh，熔盐1.9万吨，熔盐罐体积为10278m3，吸热器功 率533MW，吸热器容量为2667MWh，镜场聚光功率为1333MW，镜场面积139万平方米；2）此时电站太阳倍数为2.4，容量因子为45%，年发电量为3.96亿kWh。 储热时长、镜场面积、光伏弃电利用及光-电转换效率等是电站设计的主要参数，对电站的整体性能和发电成本有重要影响。1）当储热时长上升时，电站发电量、投资 卢日鑫021-63325888*6118 lurixin@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860515100003 顾高臣021-63325888*6119 gugaochen@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860520080004 施静021-63325888*3206 shijing1@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860520090002香港证监会牌照：BMO306 梁杏红liangxinghong@orientsec.com.cn 严东yandong@orientsec.com.cn 成本均会提升，度电成本会先降后升，存在一个最优值。储热时长的确定取决于没有太阳时段的满发时数和电力价格的经济性，目前主要集中在8~12h。2）镜场面积在一定范围内增大可以增加集热量和发电量，但会受到投资和储热容量的限制，使得发电量增加的趋势逐渐变缓直至为0，度电成本呈先下降后上升趋势。在10h储热时长时，熔盐塔式电站最优太阳倍数大多处于2.5~3区间。3）光热电站与光伏风电形成多能互补，能量来源多了一个途径，因此镜场面积和吸热器功率下降，投资成本降低，度电成本下降。4）当光-电转换效率上升时，电站的发电量会提高，度电成本下降；或者同等发电功率和时长下，投资成本下降，度电成本下降。 新视角下，光热电站的价值发现：光热发电专题报告1 2023-04-12 投资建议与投资标的 投资建议 随着2021年各地光热发电政策陆续发布，尤其今年国家能源局发文明确了光热发电的重要地位以来，国内光热发电项目的热度不断提升，项目的招标和建设进度逐步加快。2021年以来，我国公布了48个光热发电项目，披露规模共计5535MW，其中24个项目 已开工（共计2695MW），5个项目已定标（共计440MW）。光热发电行业发展提速， 产业链众多企业有望受益。建议关注：首航高科(002665，未评级)、西子洁能(002534， 未评级)、安彩高科(600207，未评级)、振江股份(603507，未评级)、上海电气(601727，未评级)、东方电气(600875，未评级)、耀皮玻璃(600819，未评级)、三维化学(002469，未评级)、东华科技(002140，未评级)、凯盛新能(600876，未评级)、锡装股份(001332，未评级)。 风险提示 多种储能路线的发展具有不确定性；光热行业政策不及预期；光热项目推进不及预期；光热发电项目统计存在遗漏风险；光热电站实际参数和理论计算值有存在差异的风险。 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 目录 塔式光热电站基础架构详解4 聚光系统：跟踪太阳，聚光成点4 集热系统：收集热量，加热熔盐6 储热系统：实现热能储存，是灵活调控发电的基础7 换热+发电系统：热能→机械能→电能8 光热电站设计思路和能量流计算10 光热发电各系统之间的定量关系10 电站设计思路及案例解读11 变量汇总：寻找影响发电量和发电成本的关键因素14 为什么储热时长常见10h配置？14 最优镜场面积怎么确定？15 光-电转换效率如何提高？18 投资建议19 风险提示20 图表目录 图1：塔式光热电站示意图4 图2：定日镜结构示意图5 图3：定日镜传动系统工作示意图5 图4：定日镜跟踪系统工作原理6 图5：光热电站吸热塔结构6 图6：吸热器工作时熔盐流动回路图7 图7：青海中控德令哈50MW光热电站熔盐储热系统及熔盐罐细节图7 图8：换热、发电环节能量流动情况8 图9：换热系统中熔盐与蒸汽的能量交换过程8 图10：光热电站发电系统构造：汽轮机+发电机9 图11：光热电站能量流动过程10 图12：熔盐塔式光热电站设计思路11 图13：上网电价与太阳辐照量的关系15 图14：储热时间与度电成本之间的关系15 图15：容量因子随太阳倍数与储热时长的变化关系16 图16：度电成本随太阳倍数与储热时长的变化关系16 图17：带有电加热装置的光伏-光热互补系统示意图17 图18：光热电站能量损失图18 表1：电站系统参数假设12 表2：电站关键指标计算结果13 表3：电站各系统优化配置考虑因素14 表4：电站配置变化对电站性能的影响14 表5：50ＭＷ塔式电站在不同太阳倍数下的参数16 表6：单独光热电站项目与光伏+光热电站项目的镜场面积对比17 表7：工程角度建议的熔盐塔式技术优化项18 表8：2021年以来光热电站建设情况（截至2023年5月14日）19 2023年4月7日，国家能源局发布《国家能源局综合司关于推动光热发电规模化发展有关事项的通知》，提出应结合沙漠、戈壁、荒漠地区新能源基地建设，尽快落地一批光热发电项目，争取在“十四五”期间全国光热发电每年新增开工规模达到300万千瓦左右。同时提出应充分发挥光热发电在新能源占比逐步提高的新型电力系统中的作用，助力实现碳达峰碳中和目标。政策出台助力行业发展，光热规模化发展有望提速。此前我们撰写了《新视角下，光热电站的价值发现》报告，梳理了光热发电的潜在价值。本文，我们以熔盐塔式为例，从运行机理入手，详细拆解光热发电系统架构。 塔式光热电站基础架构详解 光热发电（ConcentratedSolarPower，简称“CSP”）是一种太阳能聚光热发电技术，其主要由聚光系统、吸热系统、储换热系统、发电系统四个模块构成。聚光系统跟踪太阳的运行轨迹将太阳辐射能反射至吸热塔顶的吸热器上，实现太阳能的聚集；吸热系统表面吸收太阳能能量，加热其内部的吸热介质，将太阳能高效转换为热能；储换热系统将加热后的熔盐进行储存，在需要发电时熔盐与水进行热交换，以产生高温高压的蒸汽；发电系统利用过热蒸汽推动汽轮发电机组发电。 图1：塔式光热电站示意图 数据来源：《塔式熔盐太阳能光热发电技术》许利华等，东方证券研究所 聚光系统：跟踪太阳，聚光成点 聚光系统是光热发电的前端子系统，为整个电站提供“燃料”。塔式太阳能聚光系统通过成千上万台定日镜组成的阵列在跟踪控制装置的驱动下跟踪太阳的运动，将太阳光反射聚集至吸热器。定日镜在结构上由聚光镜面、反射镜支架、基座、传动装置以及控制柜等部分组成。 图2：定日镜结构示意图 数据来源：《塔式太阳能热发电系统的多级反射式聚光镜场的研究》胡叶广，东方证券研究所 聚光系统工作时，太阳光会经定日镜反射后汇聚到吸热器上，只有对定日镜的精准定位才能有效地发电，跟踪技术的优劣主要取决于传动系统和控制系统的质量。传动系统安装在立柱的顶部，主要由直流电机、双回转减速器、定日镜传动箱构成，具备水平和俯仰旋转功能，从而实现双轴跟踪。 图3：定日镜传动系统工作示意图 数据来源：库伯勒官网，《大型定日镜驱动系统高精度双电机消隙控制系统研究》白国博，东方证券研究所 镜场控制系统根据太阳光情况计算并控制定日镜的倾斜角度，不间断“追日”，保证每一束光都能打在吸热器上并被高质量吸收。具体运行原理是： 1）首先根据天文学公式计算出太阳位置，在知道太阳位置与定日镜位置后，便可得到太阳入射光线的方向； 2）根据定日镜与吸热器的位置可得到太阳反射光线的方向； 3）根据光的反射原理可解得定日镜镜面法线的目标角度。此时定日镜传动系统便会带动定日镜镜面旋转，通过水平旋转及仰俯旋转后，定日镜镜面法向会与计算得出的法线目标角度一致。 聚光比是衡量镜场聚光性能的重要指标，是聚集到吸热器孔径平面的平均辐射功率密度与进入聚光系统的太阳法向辐射功率密度的比值，塔式光热发电系统的聚光比在300~1000之间。 图4：定日镜跟踪系统工作原理 数据来源：中国能建，东方证券研究所 集热系统：收集热量，加热熔盐 吸热系统中的介质接收到高聚光比的光束照射，温度升高，并传导给吸热介质，以此完成了热量的汇集，在泵的驱动下，高温吸热介质流动到储热罐保存。光热电站吸热和储热介质主要是熔盐， 由60%NaNO3和40%KNO3组成。熔盐熔点为210°C~230°C，接近熔点会凝固阻塞管道，当温度超过600°C时，熔盐腐蚀性较大，会造成设备和管道等的减薄甚至破裂等，因此熔盐的工作温度区间一般为290℃~565℃。 图5：光热电站吸热塔结构 吸热器由吸热管并排组成。考虑到吸收效率、传热速度、耐高温、耐强腐蚀等特性，吸热管选用镍基合金，外表面涂有太阳能选择性吸收涂层，可吸收95%的入射太阳辐射。熔盐的熔点较高， 吸热器的上下部分必须设置耐火及保温材料，防止吸热塔结构受损。在太阳落山后，主要依靠电伴热使吸热器及管路保持高温以避免熔盐凝固。SolarTwo试验电站为外圆柱面形管壁式吸热器，采用熔盐中间回路，吸热器管壁上共布置了24块管板，每块管板有32根吸热管。 数据来源：《首航节能敦煌100MW熔盐塔式光热电站建设与运行》报告，《塔式太阳能热发电聚光集热系统优化与涂层老化试验研究》周志伟，东方证券研究所 当电站开始工作时，低温熔盐储罐中的低温熔盐泵将罐中290℃的熔盐打到吸热塔的吸热器，依次流经各吸热管，吸收热量升温，最终流出吸热器，经管道流入高温熔盐储罐。电站会根据光照 情况，通过调整低温熔盐泵流速，来控制熔盐在吸热器的时间，保证吸热器出口的熔盐温度达到 565℃。 图6：吸热器工作时熔盐流动回路图 数据来源：《塔式太阳能吸热器的光-热-力耦合模拟及能流匹配特性研究》贾朋森，东方证券研究所 储热系统：实现热能储存，是灵活调控发电的基础 储热系统由高、低温2个储热罐，1个疏盐罐、熔盐泵、储热介质、电伴热和保温层等构成。熔盐罐用来储存高低温熔盐，其工作环境比较恶劣，需从抗氯离子、热疲劳性、防腐及绝热