东方证券：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.pdf

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。 电力设备及新能源行业 行业 研究 | 深度报告 ⚫ 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 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。 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 。 投资建议 与投资 标的 核心观点 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 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 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 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 看好 （ 维持 ） 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 2 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 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 3 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 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 4 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（ Concentrated Solar Power，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 。 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 5 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 。 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 6 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℃ 。 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 。 Solar Two 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。 图 5： 光热电站吸热塔 结构 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 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 7 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、防腐及绝热等方面 综合考虑， 热熔盐储罐一般选择低碳奥氏体不锈钢， 低温熔盐储罐 选择碳钢 。罐体底部、顶部以 及侧壁外表面均包裹保温层，同时配置了电加热器，在停运阶段对熔盐进行加热，保证熔盐罐内 熔盐处于液相 ， 目前的技术水平可使得熔盐罐热损失低于 0.5%。 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 数据来源： 可胜技术官网， 东方证券研究所 光热 电站熔盐罐一般配置 3 台 低温 熔 盐泵 (2 开 1 备用 )、 2 台 高温熔盐 泵 (1 开 1 备用 )和辅助功能用 泵 。 高温、低温 熔盐泵的作用皆为抽出熔盐并运送。 熔盐泵液下长轴放置于储热罐顶部，通过电 机带动长轴工作。 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，实现高温熔盐与蒸汽的换热。 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 8 熔盐储罐 、 熔盐换热器 、 熔盐泵 及 管道 的合理设计是决定 熔盐储换热系统 性能的关键 。 当储热系 统工作时： 低温熔盐 储 罐中的熔盐经 低温熔盐泵 打入吸热器，吸热升温后经导管流入高温熔盐 储 罐 ，以此储热过程完成 ；高温熔盐罐中的熔盐经 高温熔盐泵 打入蒸汽发生系统， 与水发生换热， 温度下降，经管道流向低温熔盐罐，以此放热过程完成。 换热 +发电系统：热能→机械能→电能 在光热电站中， 换热 +发电系统实现热能向电能的转换， 其运行及维护 与 常规火电厂 相似 。 换热 系统由蒸汽发生装置构成， 包括 预热器、蒸发器、过热器和再热器四个关键部件 ， 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 。随后发 电机将 汽轮机 所做 机械 功 转化 为电能。 图 8： 换热、发电环节能量流动情况 数据来源： 国际能源网 ， 东方证券研究所 换热系 统 工作过程 ： 1） 高温熔盐泵 将 高温 熔盐 储 罐的熔盐抽出， 分成两部分，一部分流经 过热器 ，为饱和水变成水 蒸气提供热源 （ 在过热器中，熔盐温度从 550+℃ 降至 430℃ ~450℃ ，蒸汽从 340℃ 上升至 540+℃ ，形成过热蒸汽 ） ； 另一 部分进入 再热器 将部分排出汽轮机的低温蒸汽再次加热， 提供给 汽轮机 二次利用（ 在再热器中，熔盐温度由 550+℃ 降至 440+℃ ，被加热的再热蒸汽温度从 300+℃ 上升至 540+℃ ） 。 2） 从 过热器 和再热器 出来的 400+℃ 熔盐汇合到一起，并依次流经蒸发器 和预热器 。 熔盐从预热 器出来时，温度下降到 300℃ 左右，经管道流回低温熔盐储罐，从而完成整个换热过程。 3）给水泵加压后的给水首先通过 预热器 ，在预热器里与 蒸发器 流出的熔盐换热后成为饱和水 。 之后进入 蒸发器 后 进一步吸热， 变为水蒸气。 图 9： 换热系统中熔盐与蒸汽的能量交换过程 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 9 数据来源： 《 光热电站储热系统熔盐量设计优化及工程应用 》 孙云昊， 东方证 券研究所 光热电站 发电系统主要由 汽轮机、发电机 及辅助设备构成 。 发电系统利用蒸汽驱动汽轮 发电机组 发电： 1） 蒸 汽发生器 出来的主蒸汽进入 高压缸 做功 ， 排汽进入蒸汽发生器的再热器与熔盐进行换热后 ， 再进入 低压缸 进行做功 。 2） 低压缸 的排汽进入 冷凝器 中 凝结成水后 ， 经过凝结水泵升压后进入 高低压 加热器 ， 加热后再 进入蒸汽发生器 ，在这期间 除氧器 会 除去给水中的氧气和其他不凝结气体 。 3）同时， 汽轮机 做功时其 转子 会发生 旋转， 汽轮机 转子 将转矩传递到发电机的转子 带动发电机 一起旋转 ，此时 发电机内部的线圈会受到磁场的影响 ，从而 产生电流 进行发电。 图 10： 光热电站 发电系统构造 ：汽轮机 +发电机 数据来源： 利刃观察眼 ， 东方证券研究所 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 10 光热 电站设计 思路和能量流计算 光热发电 各系统之间的 定量 关系 光热发电系统 遵循能量守恒， 基于光热发电运行机理分析， 各系统运行功率和时长之间存在定量 的关系 。 1） 在聚光系统中，总辐照功率 Ptsolar 为太阳表面单位面积上所发射的总辐射能，其中部分能量不 能 被镜场利用，从而产生弃光功率 Ptcurt。 聚光系统能量守恒公式可表示为： 镜场聚光功率 𝑃𝑡1 = 总辐照量功率 𝑃𝑡𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 −弃光功率 𝑃𝑡𝑐𝑢𝑟𝑡 2）从 集热系统 的 能量来源看， 镜场聚光功率 Pt1（ t1） 经过光 -热转换形成吸热功率 Pt2（ t1） ， 光 -热转换效率 ηSF为 40%~43%左右 。 聚光、 吸热系统能量守恒公式可表示为： 吸热功率 𝑃𝑡2 = 镜场聚光功率 𝑃𝑡1 ×光 −热转换效率 𝜂𝑆𝐹 吸热器吸热量 = 吸热功率 𝑃𝑡2 ×镜场聚光时长 𝑡1 关于集热系统能量去向， 在白天 镜场工作时 时， 一部分 以 储热功率 Pt3（ t2） 进行储 热 ，另 一 部分 直接 以 放热功率 Pt4（ t3） 进行即时发电 。此时吸热热系统能量守恒公式又可表示为： 吸热功率 𝑃𝑡2 ×镜场聚光时长 𝑡1 = 直接放热功率 𝑃𝑡4 ×即时发电 时长 𝑡3 +储热功率 𝑃𝑡3 ×储存热量 时长 𝑡2 3） 在储热系统中， 在 白天 镜场工作 时 ， 以 储热 功率 Pt3 吸收热能（ t2），在 镜场不工作 时以功率 Pt5进行放热（ t4）。储热系统在运行时会产生部分热量损失 Pt loss， 在实际运行中， 可 忽略不计。 储热容量 = 储热系统 储热功率 𝑃𝑡3 ×储热 时长 𝑡2 = 储热系统放热功率 𝑃𝑡5 ×放热时长 𝑡4 4） 在发电系统中， 发电性能 P6（ t5） 是由 直接放热功率 Pt4（ t3）和 储热系统放热功率 Pt5（ t4） 决定的 。此时发电系统能量守恒公式可表示为： 发电量 𝑄 = 发电功率 𝑃6 ×电站工作时长 𝑡5 = (直接放热功率 𝑃𝑡4 ×即时发电 时长 𝑡3 +储热系统 放热功率 𝑃𝑡5 ×放热时长 𝑡4)×热 −电转换效率 𝜂𝑃𝐵 其中热 -电转换效率 ηPB为 40%~45%左右。 图 11： 光热电站能量流动过程 数据来源： 《太阳能热发电站设计》王志锋， 东方证券研究所 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 11 容 量因子 是 衡量 光热 电站 发电性能 的指标 之一 ， 其 定义是 规定时间段内实际输出的电量与满负荷 条件下输出电量 的比值 ，时间段一般为年 。 我国 8 座已投运的光热示范电站的设计发电小时数为 2920~4280 小时， 设计 容量因子处于 33.3%~48.9%。 电站设计思路及案例 解读 光热电站设计时需要根据业主方的需求，综合各系统之间的配置关系来确定各项参数。只要给出 设计点 DNI、装机容量、储热时长及电站全功率工作时长需求，就能确定各环节参数。就能 1）根据 装机容量及储热时长 可推算出储热系统配置需求，即 所需熔盐吨数、储热罐体积 ； 2）根据 装机容量及电站全功率工作时长 ，可推算出透平机所需热量，进而推算出吸热器的吸热 量，得到 吸热器的吸热功率需求 ； 3）根据 吸热器的吸热能量 又可计算出镜场聚光能量，进而得出镜场聚光功率以及所需配置的 镜 场面积 。 图 12： 熔盐 塔式光热 电站设计思路 数据来源： 《太阳能热发电站设计》王志锋， 东方证券研究所 设计点 太阳法向直射辐照度（ 设计点 DNI） 是当地某年、某日、某时刻以及对应的气象条件 的 DNI。 设计点 DNI 是 光热 电 站设计的首要参数，可根据其确定聚光场面积、吸热器功率、储热容 量、发电机组额定容量、电站年发电量和各个设备的效率等关键参数 ，因此设计点 DNI 的 时间 选 择尤为重要。 当设计点 DNI 选值偏小时，吸热器额定功率偏小，当太阳直射光照强度大于此设计 点 DNI 时，出现弃光需要控制关闭部分定日镜，而避免吸热器的超温运行；当设计点 DNI 选值偏 大时，吸热器额定功率 偏大，全年大部分时间吸热器实际功率低于额定功率， 两种情况下电站经 济性均没有达到最优 。 我国光热项目的 设计点 DNI 大多处于 700W/m2～ 950W/m2区 间。 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 12 我们 以 装 机容量（ P6） 100MW、 储热时长 10h的 熔盐塔式 光热电站为例 ， 计算电站各系统容量配 置 。关键假设如下 ： 1） 假 设其所处地点 DNI 值 950W/m2，年运行天数 330 天 ； 2） 假设镜场工作时长为 5h/天； 3） 假设电站 光 -热转换效率 40%，热 -电转换效率 45%； 4） 假设电站全功率发电时长为 12h/天 。 表 1：电站系统参数假设 参数 数值 装机容量（ P6） 100MW 电站全功率发电时长（ t5） 12h 镜场全功率工作时长（ t1） 5h 储热时长（ h） 10h 年工作天数 330天 设计点 DNI值 950W/m2 光 -热转换效率 40% 热 -电转换效率 45% 数据来源： 《塔式太阳能光热发电站设计关键技术》许继刚， 《 塔式太阳能热发电站设计点 DNI优化研究 》 李博 等，《太阳 能热发电站设计》王志锋， 东方证券研究所 基于电站设计思路，熔盐量、镜场面积等关键参数的计算结果如下 ： 1） 储热容量： 储热罐所储存的能量能够满足发电机全功率全等效时长运行，因此， 储热容量 𝐸𝑛 = 额定发电功率 𝑃𝑡6 (100MW)÷热 −电转换效率 𝜂𝑃𝐵 (45%)×储热时长 ℎ (10h) = 2222MWh 2） 储热熔 盐用量和储热罐体积： 单位熔盐储热量由熔盐工作时的温差决定。熔盐在吸热器吸收 热量，温度达到 565℃ ，进入高温 熔盐储 罐，放热时，与水进行热交换，温度降为 290℃ ，温差 275℃ ，则单位熔盐储热能 力为： 单位吨熔盐储热量 𝐸𝑡 = 熔盐温差 (565℃−290℃)×比热容 （ 1.53𝐽/(𝑔 ·𝐾)） = 420.75J/g = 0.1109𝑀𝑊h/吨 此处不考虑为保证系统正常运行而留在熔盐罐、管道中熔盐量，仅考虑为满足储热时长所需的熔 盐量 为： 熔盐吨数 𝑡 = 储热容量 𝐸𝑛(2222MWh)÷单位吨熔盐储热量 𝐸𝑡（ 0.1109𝑀𝑊h/吨） = 19014 吨 仅考虑为满足储热时长所需的熔盐的 体积为： 熔盐罐体积 𝑉 = 熔盐吨数 𝑡（ 19014 吨 ） ÷液态熔盐密度 𝜌（ 1850kg/m3） = 10278𝑚3 3） 吸热器功率： 吸热器 接收镜场光照吸收能量， 电站 运行所需的热量都从 此来 ，因此 吸热器容 量为： 吸热器容量 𝐸𝑑 = 额定发电功率 𝑃𝑡6 (100MW)×电站全功率工作时长 𝑡5 (12h) ÷热 −电转换效率 𝜂𝑃𝐵 (45%) = 2667𝑀𝑊ℎ 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 13 吸热器功率 𝑃𝑡2 = 吸热器容量 𝐸𝑑(2667MWh)÷镜场全功率聚光时长 𝑡1(5h) = 533𝑀𝑊 4） 镜场面积： 镜面接收太阳辐射并反射汇聚至吸热器， 满足吸热功率 533MW 需要的镜场 用量 为： 镜场聚光功率 𝑃𝑡1 = 吸热器功率 𝑃𝑡2 (533MW)÷光 −热转换效率 𝜂𝑃𝐵(40%) = 1333𝑀𝑊 镜场面积 A = 镜场聚光功率 𝑃𝑡1(1333𝑀𝑊)÷设计点 𝐷𝑁𝐼(0.95kW/m2) = 139 万平方米 5） 太阳倍数 ： 吸热器功率（ Pt2）与透平机功率的比值， 反应了集热系统容量与发电系统容量之 间的差别 ： 太阳倍数 = 吸热器功率 （ 𝑃𝑡2） ÷透平机功率 = 吸热器功率 （ 𝑃𝑡2） ÷（电站额定发电功率 𝑃6(100𝑀𝑊) ÷热 −电转换效率 𝜂𝑃𝐵 (45%)） = 533÷（ 100÷45%） = 2.4 6） 年发电量 ： 电站额定发电功率（ P6）与电站全功率工作时长（ t5）的乘积，再乘以工作天数 330 天，为 全年发电量 3.96 亿 kWh； 年发电量 = 电站额定发电功率 𝑃𝑡6(100𝑀𝑊)×电站全功率工作时长 𝑡3(12h) = 100×12×330÷100000 = 3.96 亿 kWh 7） 发电小时数和容量因子： 此时对应的该电站 年发电小时数（全功率）是 3960 小时， 平均日发 电小时数（全功率） 是 10.8 小时，电站容量因子为 45%： 平均日发电小时数 (全功率 ) = 电站全功率工作时长 𝑡3(12h)×工作天数 (330 天 )÷365 天 = 12×330÷365 = 10.8 小时 容量因子 = 平均日发电小时数（全功率） ÷24 小时 = 10.8÷24 = 45% 综上， 通过上述对案例电站的定量计算可知，装机容量（ P6） 100MW，储热时长 10h，镜场全功 率聚光时长 5h的电站 ， 需配置 的核心设备参数如下 ： 1）储热容量为 2222MWh，熔盐 19014吨，熔盐罐体积为 10278m3，吸热器功率为 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。 表 2：电站关键指标计算结果 参数 具体数值 额定发电功率 100MW 储热容量 2222MWh 熔盐吨数 （ 仅包括满足储热时长的最低用量 ） 19014吨 熔盐罐体积 10278m3 吸热器功率 533MW 吸热器容量 2667MWh 镜场聚光功率 1333MW 镜场面积 139万平方米 太阳倍数 2.4 容量因子 45% 年发电量 3.96亿 kWh 数据来源：东方证券研究所 测算 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 14 变量汇总：寻找影响发电量 和发电成本 的关键因素 聚光集热系统、储换热系统与发电系统之间的匹配度，是决定光热电站性能表现的前提。 光热电 站设计时需要综合考虑多个因素，以实现各个系统的最优化匹配 ， 提 升各系统效率并降低投资成 本。 表 3： 电站 各系统优化配置考虑因素 考虑因素 优化目标 镜场规模与镜场布置 综合考虑士地利用率与镜场效率 吸热塔高度 综合考虑投资与镜场效率 吸热器热功率 综合考虑投资、效率、光资源利用率 储热时长与储热容量 综合考虑调峰能力、 风光 弃 电 、系统投资 换热功率 换热面积、换热器设计 (单列、双列 ) 装机规模与运行模式 兼顾发电系统效率与储能调峰能力 数据来源： 可胜技术， 东方证券研究所 储热时长、 镜场面积（ 太阳倍数 ） 、 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、投资成本均会提升，度电成本会先下降后上升，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，目前配置主要集 中在 8~12h。 2）太阳倍数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）当前通过技术、运维等多种途径，系统效率有 6.8%~15.2%的提升空间。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。 表 4：电站配置变化对电站性能的影响 变量 电站发电量 投资成本 度电成本 储热时长 ↑ ↑ 存在最优值 镜场面积 ↑ ↑ 存在最优值 光伏弃电利用 ↑ ↓ ↓ 光 -电转换效率 ↑ 不变 ↓ 数据来源： 《 塔式太阳能热发电太阳倍数及储热时长优化研究 》 罗彦 ， 东方证券研究所 为什么 储热时长 常见 10h 配置 ？ 电力设备及新能源行业深度报告 —— 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 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。 15 新能源 固定电价机制 已成为历史， 参与电力现货交易已成必然趋势 。 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 ，可 通 过两个步骤确定： 步 骤一 ： 根据上网电力价格和太阳落山的时间差初步 确定储热时间。 根据 《太阳能热发电站设计》 实 例 ， 该地 太阳落山后高电价的时段有 6h 左右 ， 因此可初步设定储热时间为 6h。 图 13： 上网电价与太阳辐照量 的关系 数据来源： 《 太阳能热发电站设计 》 王志峰等，东方证券研究所 步 骤 二 ：计算 不同储热时间对发电成本的影响。 储热时间 越长，光热 电站的初投资成本 越大 ，因此 储热时长 会影响到发电成本的变化。 以 50MW 槽式光热电站 为例，电站 LCOE 值随储热时长的增大呈先减小后增大的趋势，存在 最低 LCOE 值。 当储热时长为 10h，该电站的 LCOE 值最低可达 1.24 元 /kWh。 图 14： 储热时间与度电成本之间的关系 数据来源： 《中国太阳能热发电产业政策研究报告》 ，东方证券研究所 通过以上两步，基本确定 该地光热电站的 储热时长 宜配置在 6~10h 之间。当前 从披露配储时长的 15 个大型在建光热电站来看，其配置的储热时长 也 主要分布在 8~12h。 最优镜场面积怎么 确定 ？ 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》指出：原则 上每 100MW 电站的镜场面积不应少于 80 万平方米。 镜场是电站的能量来源，投资成本占到系统 整体的 50%左右，对系统的稳定性及经济性有着重要影响。 1.57 1.38 1.32 1.27 1.24 1.27 1.29 1.2