你,了解光伏產(chǎn)業(yè)鏈嗎?
朋友,你聽說過光伏嗎?
“不就是用太陽能發(fā)電么?”相信很多人都能脫口而出。
與如今層出不窮的前沿科技相比,太陽能進(jìn)入人們視野少說有幾十年,確實(shí)不新鮮,而光伏企業(yè)近年也未掀起什么風(fēng)浪。
但在2020年,一切突然都不一樣了。
隨著“碳達(dá)峰”與“碳中和”在2021年兩會寫入《政府工作報告》,以及2030年碳達(dá)峰,2060年碳中和的減排時間表敲定,這兩個詞就成了資本市場最熱門的概念,甚至沒有之一。
所謂碳中和,概括來說就是通過各種手段抵消生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳,最終實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放。主要實(shí)現(xiàn)路徑之一,就是用“清潔能源”取代傳統(tǒng)化石能源,從能源生產(chǎn)開始減少碳排放。
光電正是這樣一種“清潔能源”。
早年受技術(shù)限制,光伏發(fā)電成本過高,在應(yīng)用上不夠經(jīng)濟(jì)。但伴隨著技術(shù)的快速迭代與產(chǎn)業(yè)升級,過去十年光伏發(fā)電成本已下降了超過90%,甚至在部分國家已經(jīng)低于常規(guī)能源,實(shí)現(xiàn)了“平價上網(wǎng)(接入電網(wǎng))”。
在政策推動下,光伏設(shè)備的需求激增,一個巨大的空白市場已經(jīng)出現(xiàn)。
根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測,“十四五”期間,國內(nèi)年均光伏新增裝機(jī)量,將是2020年的1.5~2倍左右[1]。而在全球范圍內(nèi),彭博預(yù)測,到2050年,全球電力結(jié)構(gòu)中,光伏和風(fēng)能的占比將達(dá)到56%(見下圖)[2]。
潛力巨大的行業(yè),又怎么少得了逐利的資本?
國際能源署IEA預(yù)測,2030年前后可再生能源將成為全球最大的電力來源,全球2015年至2040年間的電力投資中,將有近60%流入可再生能源領(lǐng)域[2]。
頂層設(shè)計(jì)有了,市場需求有了,技術(shù)積累也有了,連錢都到位了,多重利好齊備,光伏騰飛的機(jī)會似乎就在眼前。
那么,你,了解光伏產(chǎn)業(yè)鏈嗎?
陳悶雷丨作者
放大燈團(tuán)隊(duì)丨策劃
光伏產(chǎn)業(yè)鏈長啥樣?
概括來說,行業(yè)上游為從硅料到硅片的原材料制備環(huán)節(jié);中游則是從光伏電池開始到光伏組件的制造環(huán)節(jié),負(fù)責(zé)生產(chǎn)有效發(fā)電設(shè)備;下游則是應(yīng)用端,即光伏發(fā)電系統(tǒng)。
圖片來源:CPIA[3]
與同為半導(dǎo)體的芯片相比,光伏的產(chǎn)業(yè)鏈可以說非常的簡單——當(dāng)然也只是相對而言,其中仍有大量技術(shù)細(xì)節(jié)。
在本文中,放大燈(ID:guokr233)以從上到下的順序,將產(chǎn)業(yè)鏈分七個部分,為讀者拆解整個光伏產(chǎn)業(yè)鏈,介紹行業(yè)核心原材料、關(guān)鍵技術(shù)與未來趨勢:
光伏硅料:掌控產(chǎn)業(yè)上游
光伏硅片:單晶硅對多晶硅實(shí)現(xiàn)全面替代
光伏電池:持續(xù)升級,快速進(jìn)步
光伏組件:太陽能發(fā)電的根基
光伏輔材:不含硅,也重要
光伏逆變器:光電上網(wǎng)的最后一塊拼圖
光伏發(fā)電站:產(chǎn)業(yè)的終端
光伏硅料:掌控產(chǎn)業(yè)上游
多晶硅材料是以工業(yè)硅為原料,經(jīng)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)提純后達(dá)到一定純度的電子材料,它是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅制品的主要原料,是信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)最基礎(chǔ)的原材料。
多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時,硅原子以晶格形態(tài)排列成晶核,如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒,則這些晶粒結(jié)合起來,就結(jié)晶成多晶硅。
首先需要澄清,多晶硅(料)不等于多晶硅(片),多晶硅片是硅料通過一系列工藝制備而成的產(chǎn)品,位于產(chǎn)業(yè)鏈中游。兩者因?yàn)槊Q區(qū)分度不高,常引起誤解。此處的多晶硅料,亦是制備單晶硅的原材料。
多晶硅的純度決定了其應(yīng)用領(lǐng)域。光伏所用的太陽能級多晶硅,純度一般在6N~9N之間(即99.9999%~99.9999999%,幾個9即是幾N)。用于半導(dǎo)體等電子元器件生產(chǎn)的電子級多晶硅,純度要求則要達(dá)到11N,工藝難度遠(yuǎn)超太陽能級。
從全球范圍看,目前多晶硅產(chǎn)業(yè)正在持續(xù)向國內(nèi)轉(zhuǎn)移,且疫情加速了這一過程。2020年,全球多晶硅產(chǎn)能為60.8萬噸,同比降低9.9%;產(chǎn)量52.1萬噸,同比增加2.6%。
同期,我國多晶硅產(chǎn)能45.7萬噸,同比下降1.9%,產(chǎn)量約39.6萬噸,同比增加15.8%。國內(nèi)多晶硅產(chǎn)能、產(chǎn)量的增長均大幅領(lǐng)先全球,占比分別為75%、76%[4]。
除了產(chǎn)能轉(zhuǎn)移外,多晶硅亦是一個馬太效應(yīng)明顯的產(chǎn)業(yè)。
截至2020年底,我國的多晶硅CR5(前5家最大的企業(yè)所占市場份額,即行業(yè)集中度)已經(jīng)高達(dá)87.5%,5萬噸級以上產(chǎn)能企業(yè)有4家(加起來超過全球總產(chǎn)能的40%)[4]。國內(nèi)的多晶硅大制造商同樣占據(jù)了全球供應(yīng)鏈的關(guān)鍵位置,這意味著產(chǎn)能轉(zhuǎn)移還強(qiáng)化了國內(nèi)企業(yè)的定價權(quán)。
龍頭企業(yè)憑借資金與技術(shù)優(yōu)勢,始終保持著更多的訂單,更高的開工率以及規(guī)模效應(yīng)帶來的高利潤率,這進(jìn)一步確保了龍頭企業(yè)在未來的研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)升級的先發(fā)優(yōu)勢。反觀競爭力較差的企業(yè)已經(jīng)逐步關(guān)停,2020年全球產(chǎn)能的下滑正是受此影響。
作為光伏產(chǎn)業(yè)的最上游,多晶硅是主流太陽能電池生產(chǎn)工藝的核心物料,其價格也是影響光伏產(chǎn)品終端價格的核心因素之一。
在行業(yè)發(fā)展初期,受生產(chǎn)工藝水平較低影響,硅料用量比較大,原材料價格也偏高,導(dǎo)致當(dāng)時硅料在光伏設(shè)備的總成本中占比極高。2010年,一個光伏組件中的電池成本(含硅部件)高達(dá)91%,到2019年已經(jīng)下降至了48%,幾乎減半[5]。
可以看到,作為上游的硅料對終端影響越來越小的重要趨勢。這主要受益于加工技術(shù)持續(xù)進(jìn)步帶來的生產(chǎn)成本持續(xù)下降。
硅料生產(chǎn)方面,受益于主流技術(shù)“改良西門子法”的不斷進(jìn)步,多晶硅的行業(yè)平均生產(chǎn)成本持續(xù)下降,大幅降低了下游企業(yè)的硅料采購價格。這一定程度上為下游打開了利潤空間,也刺激了企業(yè)生產(chǎn)光伏組件的意愿。
改良西門子法的基本原理是在1100℃左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔瑁?Cl3HSi),生成多晶硅沉積在硅芯上。相較于傳統(tǒng)工藝同時具備節(jié)能、降耗、回收利用生產(chǎn)過程中副產(chǎn)物以及大量副產(chǎn)熱能的配套工藝。
改良西門子法是目前最為成熟、應(yīng)用最廣泛、擴(kuò)展速度最快的多晶硅制備工藝。該路線產(chǎn)品形態(tài)為棒狀硅,2020 年采用此方法生產(chǎn)出的棒狀硅約占全國總產(chǎn)量的97.2%[3]。
除了“改良西門子法”,目前多晶硅料的制備還有“硅烷流化床法”制硅路線(在流化床反應(yīng)器中利用硅烷法分解,并在預(yù)先裝入的細(xì)硅粒表面生成多晶硅顆粒,產(chǎn)品形態(tài)為顆粒硅),較當(dāng)前主流工藝有成本優(yōu)勢,能夠?qū)Ξa(chǎn)業(yè)形成一定的補(bǔ)充。但該技術(shù)并不成熟,工藝存在缺陷,限制了在行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)能比例。
雖說長期看硅料價格明顯下降,但自2021年開始出現(xiàn)一輪極為瘋狂的上漲。短短半年時間,多晶硅價格上漲數(shù)倍,從85元/公斤飆升至超過200元/公斤,部分散單報價甚至已經(jīng)達(dá)到了225元/公斤[6]。
飆漲的上游原材料導(dǎo)致下游光伏企業(yè)嚴(yán)重承壓,中國光伏行業(yè)協(xié)會甚至呼吁“全體會員和光伏企業(yè)守法合規(guī)、理性經(jīng)營,尊重契約精神,自覺抵制對多晶硅、硅片產(chǎn)品的過度囤貨、哄抬物價行為,以及非自身生產(chǎn)經(jīng)營需求的投機(jī)行為?!盵7]
造成如今局面的原因比較復(fù)雜。
首先,不能排除部分企業(yè)存在惜售、抬價等不良行為。有業(yè)內(nèi)人士稱,目前的硅產(chǎn)能能夠滿足下游需求,是下游企業(yè)故意制造多晶硅短缺跡象,并協(xié)調(diào)一致哄抬價格[7]——當(dāng)然具體情況很難查證。
其次,上游產(chǎn)能不足也客觀存在。受政策影響,下游企業(yè)為盡快占據(jù)市場份額,頭部企業(yè)在快速進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)張,確實(shí)存在搶下訂單,占據(jù)上游產(chǎn)能的現(xiàn)象——這與近期芯片短缺十分類似。相對應(yīng)的,上游供應(yīng)端的產(chǎn)能擴(kuò)張必然滯后,且硅料的擴(kuò)產(chǎn)周期本來就比下游更長,這進(jìn)一步加劇了供需錯配,助長了短缺。
但總體來說,短期的異常震蕩不太可能成為長期趨勢。待上下游的擴(kuò)產(chǎn)完成,需求趨穩(wěn)后,硅料價格將回歸常態(tài),降價的長期趨勢也不會改變。
光伏硅片:單晶硅對多晶硅實(shí)現(xiàn)全面替代
硅片是產(chǎn)業(yè)鏈上游的末端,是光伏產(chǎn)品的起點(diǎn)。其形狀、大小與薄厚取決于生產(chǎn)工藝與下游產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。硅片進(jìn)一步加工即是晶硅電池片,而電池片經(jīng)排列、封裝并與其它輔材組合后即是太陽能電池板,光伏系統(tǒng)最小有效發(fā)電單位。
簡單概括硅片的生產(chǎn)工藝:將上一節(jié)所說的多晶硅料經(jīng)過一系列工序后,拉棒制成單晶硅棒,或鑄錠制成多晶硅錠,再進(jìn)行切片制成硅片。
光伏硅片目前有單晶與多晶兩種產(chǎn)品形態(tài),但兩者存在代差。
單晶硅的晶體品質(zhì)、電學(xué)性能、機(jī)械性能等方面優(yōu)良,且光電轉(zhuǎn)換效率更佳,但在行業(yè)發(fā)展初期生產(chǎn)成本偏高,未能得到廣泛應(yīng)用。多晶產(chǎn)品在這一階段依靠價格優(yōu)勢,在很長一段時間內(nèi)占據(jù)市場主導(dǎo)。
隨著硅料生產(chǎn)工藝、拉棒工藝以及最后的切割工藝持續(xù)進(jìn)步,單晶硅生產(chǎn)成本迅速下降,同時以PERC電池(鈍化發(fā)射區(qū)背面電池,Passivated emitter rear contact solar cells,目前主流光伏電池)為代表的新一代電池技術(shù),對單晶硅片的利用率更高,這進(jìn)一步拉開了本就存在差距的光電轉(zhuǎn)換效率。
在成本和轉(zhuǎn)換效率的此消彼長之下,單晶硅迅速崛起。截至2020年底,單晶硅片的市占率已經(jīng)從2016年的20%,提升至超過90%,已實(shí)現(xiàn)了對多晶硅片的全面替代[8]。
除了單晶硅與多晶硅的路線之爭外,硅片制造還專注于降低生產(chǎn)成本。
其中一個措施是“變大”,即做大單片尺寸,這是目前硅片主要趨勢之一。當(dāng)前光伏硅片有5種主流尺寸,分別為156.75mm、158.75mm、166mm、182mm、210mm。
大尺寸化正在加快。156.75mm與158.75mm規(guī)格正在被快速淘汰,166mm成為主流,182mm和210mm產(chǎn)能也在持續(xù)提升,快速進(jìn)入市場[3]。
其背后原因,也是大尺寸硅片的發(fā)電效率更高,且終端產(chǎn)品的非硅成本(生產(chǎn)中所消耗的能源、人力、輔料等)更低。
簡略地說,硅片下游的電池/太陽能組件的生產(chǎn)速率比較固定,與硅片尺寸關(guān)系不大。
若硅片面積增大意味著單位時間生產(chǎn)出來的電池/組件的總功率更高,相應(yīng)的每瓦生產(chǎn)成本就會被攤薄。其次,部分輔材,如接線盒、灌封膠、匯流箱、直流電纜等,用量與電池片面積無關(guān),僅與電池塊數(shù)有關(guān)。同轉(zhuǎn)換效率下,大尺寸電池片對這些輔材的消耗也比小尺寸低,這進(jìn)一步降低了非硅成本。
這一系列優(yōu)勢積累下來,就是終端利潤的提高,預(yù)估每瓦毛利可提升近0.1元[9]。不過大尺寸同樣也要求下游生產(chǎn)工藝的同步改善,需要一定的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。
另外,生產(chǎn)與切片過程中的硅料損耗,也會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加,如何降低生產(chǎn)過程中的耗硅量同樣重要。
從宏觀趨勢看,如今每瓦綜合耗硅量(g/瓦)持續(xù)下降,2019年的單位耗硅量為4.3g/瓦,僅為2009年的31%[10]。對原材料利用率的大幅提高,自然會帶來利潤空間的同步增長。目前降低耗硅量的主要方式為降低硅片厚度與減少切片損耗。
硅片減?。簭漠a(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢看,硅片厚度下降是另一個長期趨勢——這不僅有效減少耗硅量,提高出片數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降本,也為下游的電池組設(shè)計(jì)帶來更多產(chǎn)品設(shè)計(jì)路線。目前單晶硅片量產(chǎn)厚度在170~180μm,較行業(yè)早期進(jìn)步明顯,一些采用前沿技術(shù)的企業(yè)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)140μm單晶硅片的生產(chǎn),未來降本空間可觀。長遠(yuǎn)看,指向120μm厚度的技術(shù)路線也比較清晰,但受限于生產(chǎn)技術(shù),距離商業(yè)化比較遙遠(yuǎn)。
數(shù)據(jù)來源:全國能源信息平臺[11]
切片減損:刀鋒損失是硅料切割過程中主要的損耗來源。新一代的金剛線切割技術(shù)較傳統(tǒng)切割法,有切割速度快、良品率高、單片損耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。高水平的切割技術(shù)同樣有助于硅片進(jìn)一步減薄與增大,能夠協(xié)助改進(jìn)硅片產(chǎn)品設(shè)計(jì),進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。
可以看到,目前光伏產(chǎn)業(yè)上游的發(fā)展路線十分清晰,一切圍繞降本展開。
雖然已有不使用硅片的電池路線,但是距離商業(yè)化比較遙遠(yuǎn),遠(yuǎn)不能撼動硅電池的統(tǒng)治地位。未來幾年內(nèi),如何更高效的生產(chǎn)硅料,在相同成本下盡管多的提高硅片出片率,以及降低后續(xù)安裝成本,仍將是光伏上游不變的發(fā)展方向。
光伏電池:持續(xù)升級,快速進(jìn)步
介紹完硅片,現(xiàn)在讓我們了解光伏產(chǎn)業(yè)中游的起點(diǎn),光伏發(fā)電的核心部件——光伏電池。
所謂光伏電池,是一種利用太陽能發(fā)電的半導(dǎo)體薄片。只要滿足一定光照條件,電池片就可輸出電壓,并在有回路的情況下產(chǎn)生電流。
目前主流的光伏電池由硅片經(jīng)一系列工藝加工而來,由于這一過程比較復(fù)雜且不是本文核心,故僅列出示意圖,不再另做贅述。
電池片是決定組件整體性能的核心因素,對光伏發(fā)電的重要性不言而喻:光伏組件最重要的指標(biāo)為發(fā)電功率,而組件的發(fā)電系統(tǒng)是光伏電池片串并聯(lián)制成。從原理層面看,電池片的光電轉(zhuǎn)換率,直接決定了組件的整體發(fā)電功率。
光伏電池片的現(xiàn)有技術(shù)路線多且復(fù)雜,除了主流的單晶硅PERC電池,使用上一代電池技術(shù)的BSF電池也有一定用量,而新一代N型電池同樣在快速崛起,被認(rèn)為有望接替PERC電池成為下一代主流產(chǎn)品。
在半導(dǎo)體硅中摻入其它元素,增加大量自由電子,使半導(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電,此類產(chǎn)品稱為電子型半導(dǎo)體,或稱為N型半導(dǎo)體。使用此類半導(dǎo)體的光伏電池即為N型電池。
目前,單晶PERC產(chǎn)品作為主流光伏電池,生產(chǎn)工藝成熟,產(chǎn)能高,光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)23%,較上一代的BSF電池優(yōu)勢明顯,是性價比最高的電池技術(shù)路線。但PERC電池的問題是,其效率已經(jīng)逼近24.5%的理論極限,未來優(yōu)化空間非常有限。這是促使行業(yè)開始尋找下一代電池的主要原因之一。
N型電池是行業(yè)內(nèi)相對比較成熟,發(fā)展路徑最為清晰的技術(shù)路線。N型電池細(xì)分路線很多,普遍的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過平均24%的水平,潛力巨大,未來商業(yè)化空間十分可觀。目前主要的N型電池可分為:TOPCon、HJT以及IBC三大類。
TOPCon:這一技術(shù)路線最大的特點(diǎn)是理論光電轉(zhuǎn)換效率極高,達(dá)到28.7%,已經(jīng)逼近晶硅極限(29.43%),明顯優(yōu)于PERC(24.5%)和HJT(27.5%)[12]。不考慮理論值,TOPCon電池目前的量產(chǎn)平均效率也有24%,高于主流電池產(chǎn)品。這一路線另一個優(yōu)勢在于其對生產(chǎn)線要求不高,可基于現(xiàn)有的PERC生產(chǎn)線升級而來,對前期投資更加友好,且能提高現(xiàn)有生產(chǎn)線的應(yīng)用周期。
但TOPCon路線的缺點(diǎn)也比較明顯,其生產(chǎn)工藝尚未定型且非常復(fù)雜,加工工序多達(dá)12~13道,遠(yuǎn)高于PERC電池的9道。這導(dǎo)致產(chǎn)品的良品率比較低,且復(fù)雜的生產(chǎn)工藝還推高了生產(chǎn)成本。這些因素作用之下,限制了TOPCon電池的進(jìn)一步量產(chǎn)。
HJT電池:也稱異質(zhì)結(jié)電池或HIT、HDT、SHJ電池,被認(rèn)為是最有希望成為下一代主流的技術(shù)路線。HJT電池的平均光電轉(zhuǎn)換效率約在24%左右,明顯高于PERC電池,可以有效提高發(fā)電量,攤薄發(fā)電成本。HJT電池另一個核心優(yōu)勢則是工序少——產(chǎn)品的加工流程僅有四步,更少的工藝步驟對提升良品率十分有用。
冷知識:異質(zhì)結(jié)電池最早的開發(fā)者是日本三洋公司,但該公司之后將HIT注冊為了商標(biāo),使得其它企業(yè)不能隨意使用這一縮寫指代異質(zhì)結(jié)電池。這也是為何異質(zhì)結(jié)電池的叫法比較多。
但生產(chǎn)工序少,和生產(chǎn)成本低是兩回事。HJT電池最大的問題,在于生產(chǎn)成本過高:據(jù)Solarzoom統(tǒng)計(jì),當(dāng)前HJT電池成本相較PERC電池要高出約30%,這對于將降本放在第一位的光伏行業(yè)顯然不能接受[13]。HJT的成本問題,一是由于對原材料要求高,消耗也比較大;二則是因?yàn)樯a(chǎn)設(shè)備和現(xiàn)有設(shè)備不兼容,必須重新建設(shè)生產(chǎn)線導(dǎo)致極大地推高了前期成本;三是產(chǎn)品加工工藝也比較復(fù)雜。
總的來說,雖然被業(yè)內(nèi)普遍看好,HJT仍需要更加成熟的生產(chǎn)工藝,以及更好的降本路線,才能盡快實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。
IBC電池:這是目前光伏電池中,轉(zhuǎn)換效率最高的技術(shù)路線。IBC電池在研發(fā)早期的光電轉(zhuǎn)換效率就已經(jīng)超過25%,全面優(yōu)于市面上的其它電池。但I(xiàn)BC也是最不成熟的技術(shù)路線:其生產(chǎn)工藝非常復(fù)雜,加工成本極高,生產(chǎn)設(shè)備昂貴。這使得IBC電池在商業(yè)化時,面臨的困難遠(yuǎn)大于其它技術(shù)路線。
市場方面,2020年,隨著PERC電池片新建產(chǎn)能逐步落地,該路線市占率持續(xù)提升,已經(jīng)上漲至86.4%。由于技術(shù)相對老舊,發(fā)電能力不強(qiáng),BSF電池市場占比下降至 8.8%,較2019年下降22.7%,已經(jīng)基本被市場淘汰[14]。N型電池(主要為HJT【異質(zhì)結(jié)】電池和TOPCon電池)由于成本問題,生產(chǎn)規(guī)模與用量仍然有限,目前市場占比約為3.5%,較2019年有小幅增長。
除了傳統(tǒng)的晶硅電池,目前還有存在一條完全不同的光伏電池技術(shù)路線——薄膜型太陽能電池。
薄膜型太陽能電池的發(fā)電原理與晶硅電池相同,但應(yīng)用的是一種由硫化鎘、砷化鎵等非硅材料制備成的微米量級厚度的光伏材料。由于這種材料的基本產(chǎn)品形態(tài)為一層薄膜,故得名薄膜電池。
薄膜太陽能電池具有衰減低、重量輕、材料消耗少、制備能耗低、適合與建筑結(jié)合等特點(diǎn)。但由于仍處于研發(fā)的早期階段,薄膜電池當(dāng)前的轉(zhuǎn)換效率并不高,能夠?qū)崿F(xiàn)商品化的碲化鎘薄膜電池與銅銦鎵硒薄膜電池,組件的實(shí)驗(yàn)室效率也僅有19.5%和16%~17%[3],甚至不如已經(jīng)瀕臨淘汰的BSF電池,發(fā)電能力明顯不足。而轉(zhuǎn)換效率比較高的技術(shù)路線則存在成本過于昂貴,生產(chǎn)難度太大等一系列問題。這些因素疊加,導(dǎo)致薄膜電池在商業(yè)化上的困難較大。
光伏組件:太陽能發(fā)電的根基
雖然一片光伏電池已經(jīng)具備發(fā)電能力,但其發(fā)電功率太低,無法實(shí)際應(yīng)用。這就要講到光伏產(chǎn)業(yè)中游的最后一環(huán),電池與光伏產(chǎn)業(yè)的最小有效發(fā)電單位,在光伏電站中承擔(dān)光電轉(zhuǎn)換的設(shè)備——光伏組件。
光伏組件,或太陽能電池板,兩者指的是同一個產(chǎn)品,也就是上圖中的設(shè)備。光伏組件經(jīng)由電池片串聯(lián)/并聯(lián),并進(jìn)行封裝,隨后再安裝其它輔材制成。從產(chǎn)業(yè)鏈位置看,光伏組件位于光伏電池與光伏系統(tǒng)之間,是光伏制造業(yè)的最終產(chǎn)品。
光伏組件的制備主要包括電池片互聯(lián)和層壓兩大步驟:
電池片互聯(lián)決定了組件的電性能,目前,光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)電池片數(shù)量為60片或72片,對應(yīng)以10或12條銅線作為匯流條將其連接起來,6組互聯(lián)為一個光伏組件。
在電池片互聯(lián)后,一般需按照鋼化玻璃、膠膜、電池片、背板以從下到上的順序,經(jīng)過層壓的方式封裝在一起,背板與鋼化玻璃將電池片和膠膜封裝在內(nèi)部,通過鋁邊框和硅膠密封邊緣保護(hù)。經(jīng)過層壓處理后,光伏組件的使用壽命可大幅提高,且能顯著優(yōu)化環(huán)境耐受性與機(jī)械性能。
目前光伏電池兩個主要發(fā)展趨勢,分別是雙面組件與半片封裝。
所謂雙面組件,顧名思義是指使用雙面電池的光伏組件,特點(diǎn)是正、反面都具備發(fā)電能力。當(dāng)太陽光照射時,部分光線會被周圍環(huán)境反射到組件背面,雙面組件有能力收集這一部分光能,從而增加發(fā)電量。
顯而易見,與傳統(tǒng)的單面設(shè)計(jì)相比,雙面電池的發(fā)電功率更佳,可有效降低電站的平均發(fā)電成本。相應(yīng)的,雙面電池的生產(chǎn)工藝也比較復(fù)雜,其背面不能使用不透光的常規(guī)背板,疊加其它生產(chǎn)工藝導(dǎo)致成本略高。
不過在雙面設(shè)計(jì)的增效增收能力得到驗(yàn)證后,如今下游電站已經(jīng)逐漸接受這一技術(shù)。2020年的雙面組件市占率較 2019 年上漲 15.7 個百分點(diǎn),升至 29.7%,且未來有望持續(xù)擴(kuò)大[3]。
半片封裝則是目前的主流封裝模式,是指沿著垂直于電池主柵線的方向?qū)㈦姵仄谐沙叽缦嗤膬蓚€半片電池片。光伏電池片在發(fā)電過程中產(chǎn)生的電流和電池片面積有關(guān),因此相對于整片,半片電池中通過主柵線的電流大小僅約1/2。當(dāng)半片電池串聯(lián)以后,單個正負(fù)回路上電阻不變,單回路的功率損耗就降低為原來的1/4,從而降低了組件的整體功率損失,同時也減小了組件升溫對發(fā)電能力的負(fù)面影響。
通常情況下,電池組件在封裝過程中,會產(chǎn)生被稱作CTM(Cell-to-Module Loss)損失的現(xiàn)象,即組件總發(fā)電功率小于電池片的總功率之和。因此除了提升光電轉(zhuǎn)換效率外,降低CTM損失也是組件發(fā)展思路之一。半片封裝在這一點(diǎn)上表現(xiàn)良好,且具備生產(chǎn)工藝相對簡單,生產(chǎn)線升級成本低的特點(diǎn),因此得到廣泛應(yīng)用。
截至2020年,半片封裝的市占率已經(jīng)達(dá)到了71%,同比增長50%,一舉超過全片封裝成為市場絕對主流[15]。
除了上述兩種趨勢,光伏組件還有眾多其它路線,如拼片、疊瓦、無主柵和多主柵等,細(xì)分市場比較多。不過這些路線要么僅改變了一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),要么沒有得到廣泛應(yīng)用,或是和當(dāng)前組裝工藝可以相互疊加,作為補(bǔ)充出現(xiàn),故不再進(jìn)一步詳述。
光伏輔材:不含硅,也重要
要生產(chǎn)一臺光伏組件,僅有電池顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還需要一系列非硅輔材相配合。輔材的性能對組件最終性能同樣有著重要影響。
目前常見的組件輔材包括互聯(lián)條、匯流條、鋼化玻璃、膠膜、背板、鋁合金、硅膠、接線盒共八種。
從成本端看,輔材中成本占比排名前五的分別是邊框、玻璃、膠膜、背板以及焊帶。其中邊框在非硅成本中占比最高,而玻璃、膠膜以及背板則是光伏組件的核心輔材,對設(shè)備的最終性能有重要影響。我們將在接下來的部分,講解這些輔材及發(fā)展趨勢。
(圖中為2020年數(shù)據(jù),不適用于2021年,但整體情況不會有太大變化)
數(shù)據(jù)來源:廣發(fā)證券[16]
邊框
顧名思義,邊框就是光伏組件的外側(cè)框架,在封裝后填充硅膠密封,起到固定和邊緣保護(hù)的作用。目前通用的光伏組件邊框?yàn)殇X制邊框,其在各類組件的成本占比均僅次于電池,是成本最高的非硅輔材。
然而鋁邊框的技術(shù)含量很低,成本占比高純粹是因?yàn)槠浯笞谏唐返亩▋r模式,下游生產(chǎn)商的議價能力非常低,鋁邊框產(chǎn)品定價和鋁錠基本保持同步,成本壓縮空間只能在加工費(fèi)里找。又因生產(chǎn)門檻低,鋁制邊框的供應(yīng)商較多,競爭十分激烈,市場已經(jīng)充分議價,進(jìn)一步壓縮成本的空間很小。
玻璃
光伏玻璃一般用作光伏組件的封裝面板,直接與外界環(huán)境接觸,其耐候性、強(qiáng)度、透光率等指標(biāo)對光伏組件的壽命和長期發(fā)電效率起核心作用。目前光伏玻璃有三種主要產(chǎn)品形態(tài):超白壓花玻璃、超白加工浮法玻璃,以及透明導(dǎo)電氧化物鍍膜(TCO)玻璃。
通常來說,硅片光伏組件主要使用超白壓花玻璃或超白加工浮法玻璃,一方面可以對太陽能電池起到保護(hù)作用,增加光伏組件的使用壽命。另一方面,超白壓花玻璃及超白加工浮法玻璃的含鐵量相對較低,透光率更高,能夠提高組件發(fā)電效率。
光伏玻璃的發(fā)展主要受上下游驅(qū)動,目前的主要趨勢分別是增大與減薄。
尺寸增大主要是受上游影響。由于硅片尺寸的逐漸增長,作為封裝面板的玻璃板也必須同步增大,方能滿足上游需求。但當(dāng)前行業(yè)內(nèi)能夠生產(chǎn)大尺寸玻璃的企業(yè)不多,這導(dǎo)致了一定程度的供需錯配,助推了玻璃價格上漲。未來如何盡快調(diào)整產(chǎn)能,是對生產(chǎn)企業(yè)的挑戰(zhàn)。
減薄則一是降本需求,二也與光伏組件設(shè)計(jì)有關(guān)。目前,部分雙面組件采取的是正反面均用玻璃封裝的雙玻璃路線,正反雙面均使用2.5/2.0mm厚度玻璃,而非傳統(tǒng)的3.2mm。這既是為了設(shè)備整體減重,也是出于成本考慮??紤]到雙面組件滲透率的持續(xù)增長,未來光伏玻璃減薄也將持續(xù)。
膠膜
封裝膠膜材質(zhì)一般為有機(jī)高分子樹脂,其直接與組件內(nèi)部的電池片接觸,覆蓋電池片上下兩面,對電池片起抗水汽、抗紫外等保護(hù)作用。目前市場上有三種主流膠膜,分別為透明EVA(聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物的簡稱)膠膜、白色EVA膠膜以及POE(聚烯烴)膠膜。
封裝膠膜的發(fā)展,同樣受下游光伏組件設(shè)計(jì)影響。雖然兩種EVA膠膜仍是主流,合計(jì)市占率也接近80%,但其性能逐漸落后于下游需求,無法很好地解決PID問題,因此不適合應(yīng)用在雙面組件上,正在出讓市場份額。
PID效應(yīng)(Potential Induced Degradation)又稱電勢誘導(dǎo)衰減,是電池組件的封裝材料和其上表面及下表面的材料,電池片與其接地金屬邊框之間的高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移,而造成組件性能衰減的現(xiàn)象,對光伏電池的使用壽命和轉(zhuǎn)換效率負(fù)面影響巨大。
反觀POE膠膜,其阻隔性能更加優(yōu)良,特別適合應(yīng)用于水汽敏感的技術(shù)路線,而水汽正是導(dǎo)致PID效應(yīng)的元兇之一。因此,隨著下游需求的變化,POE膠膜被視為是EVA材料的升級替代品,其滲透率快速提升,在2020年市占率已經(jīng)達(dá)到了25.5%,且未來有望進(jìn)一步提升[3]。
背板
背板位于太陽能電池組件背面的最外層,保護(hù)電池組件免受外界環(huán)境的侵蝕,起到耐候絕緣的作用,需具備高水平的耐高低溫、耐紫外輻射、耐環(huán)境老化和水汽阻隔、電氣絕緣等性能。
當(dāng)前,市面上光伏背板的產(chǎn)品極為龐雜,且缺乏統(tǒng)一的命名標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)通常依照是否含氟分為含氟/非氟兩大類,并依照加工工藝進(jìn)一步細(xì)分。為減輕讀者閱讀負(fù)擔(dān),這里不再對不同工藝做具體解釋。
概括來說,市場上使用的背板,主要有K結(jié)構(gòu)、T結(jié)構(gòu)、C結(jié)構(gòu)、玻璃背板、透明有機(jī)材料背板,以及其它背板。
K(KPK/KPF/KPE)結(jié)構(gòu)背板仍是市場絕對主流,在2019年的占比為59.5%;同為傳統(tǒng)產(chǎn)品的T(TPT/TPF/TPE)結(jié)構(gòu)模板同期市占率則為14%[17]。但此兩種背板均不透光,并不符合目前雙面電池組件(雙面組件詳情見下文)的發(fā)展趨勢,市占率開始萎縮。截至2020年底,K型結(jié)構(gòu)背板與T型結(jié)構(gòu)背板的市占率分別下滑13.7%/3.2%。
相應(yīng)的,伴隨著雙面組件市場規(guī)模的快速增長,因能透光而被納入生產(chǎn)的玻璃背板與透明有機(jī)材料背板市占率快速上升,較2019年分別增長14.2%/1.5%。在下游組件發(fā)展趨勢不變的情況下,兩者市占率仍將持續(xù)增長[3]。
焊帶
焊帶又稱鍍錫銅帶,指的是在一種在銅帶表面涂覆一層均勻厚度錫基的焊料,應(yīng)用于光伏組件電池片之間的連接,發(fā)揮導(dǎo)電聚電的作用。
焊帶在非硅成本中的占比雖與背板相近,但其定價接近鋁制邊框。光伏焊帶90%的成本來自作為原材料的銅與錫,這意味著生產(chǎn)成本基本由當(dāng)期的大宗價格決定。且焊帶技術(shù)含量同樣很低,市場經(jīng)過充分競爭,議價空間很小。
除了占據(jù)前五位的輔材,非硅組件還包括接線盒、封裝硅膠等。這些生產(chǎn)材料的價格均比較穩(wěn)定,技術(shù)含量也一般,定價模式類似邊框與焊帶。概括來說,目前光伏組件的非硅成本下降空間不大,且受大宗商品價格主導(dǎo),下游生產(chǎn)商的議價能力都不是很強(qiáng)。想要在非硅環(huán)節(jié)進(jìn)一步壓縮出利潤空間,對光伏設(shè)備生產(chǎn)商已經(jīng)很難。
但這不意味著技術(shù)迭代的停滯。目前包括膠膜、背板與光伏玻璃在內(nèi)的三種核心原材料,對下游的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與最終性能仍有重要影響。如何配合電池技術(shù)的進(jìn)步調(diào)整產(chǎn)品,仍是核心輔材生產(chǎn)商的重要發(fā)展方向。
光伏逆變器:光電上網(wǎng)的最后一塊拼圖
光伏逆變器,是將光伏組件產(chǎn)生的直流電,轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)節(jié)的交流電的電子設(shè)備。由于并網(wǎng)的電源需滿足上網(wǎng)的質(zhì)量要求,逆變器可調(diào)整電壓波形,用于電網(wǎng)或供負(fù)載使用,可直接影響太陽能光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率,是光伏電上網(wǎng)的必需設(shè)備。
按應(yīng)用場景與功率劃分,光伏逆變器可分為集中型逆變器、組串型逆變器與戶用逆變器三種。
受應(yīng)用場景限制,光伏逆變器市場非常穩(wěn)定,完全由下游電站決定,幾乎不可能發(fā)生重大變化。截至2020年底,光伏逆變器市場仍然以集中式逆變器和組串式逆變器為主,集散式(戶用)逆變器占比較小。其中,組串式逆變器居主要地位,占比為66.5%,集中式逆變器占比為28.5%,集散式逆變器的市場占有率約為5.0%[3]。根據(jù)機(jī)構(gòu)預(yù)測,這種格局在長期來看,也不會發(fā)生太大變化。
光伏發(fā)電站:產(chǎn)業(yè)的終端
光伏發(fā)電站是光伏產(chǎn)業(yè)鏈的最末端。在這一環(huán)節(jié),光伏設(shè)備最終與電網(wǎng)相連并輸送電力,是光伏發(fā)電實(shí)際應(yīng)用的場景。
正如光伏組件是將電池片串并聯(lián)而來,要建設(shè)一個光伏電站,首先需要將光伏組件按一定方式組裝在一起,并安裝支撐結(jié)構(gòu)后構(gòu)成更大型的直流發(fā)電單元——光伏陣列,之后再將大量光伏陣列與光伏逆變器、配電柜等設(shè)備,以及中央控制系統(tǒng)連接后,就可建成能夠?qū)嶋H投入使用的光伏電站。
與傳統(tǒng)發(fā)電站類似,光伏電站也分為集中式和分布式兩種。市占率方面,截至2020年底,我國大型地面電站占比為 67.8%,占據(jù)絕對主流,分布式電站占比則為32.2%[3]。
集中式大型并網(wǎng)光伏電站就是國家利用光能富集的無人地區(qū),如荒漠或丘陵,安裝大量光伏陣列集中建設(shè)的大型光伏電站。集中式光伏電站的發(fā)電直接并入公共電網(wǎng),接入高壓輸電系統(tǒng)供給遠(yuǎn)距離負(fù)荷。
集中式光伏電站的主要特點(diǎn)在于運(yùn)維更為經(jīng)濟(jì),受益于規(guī)模效應(yīng),發(fā)電成本比較低,且發(fā)電量大,更能滿足電網(wǎng)的接入要求。我國目前就是集中式電站占主流,多分布于西部光能富集地區(qū)。
不過集中式光伏電站的缺點(diǎn)也比較大。我國光能富集區(qū)并非高負(fù)荷地區(qū),這導(dǎo)致了一定的供需錯配,使得電能無法就地消納,存在一定的棄光棄電現(xiàn)象。同時由于光伏天然存在發(fā)電波動比較大的問題,導(dǎo)致集中式光伏電站對電網(wǎng)負(fù)荷比較大,光電上網(wǎng)一直比較麻煩。
分布式光伏電站則主要是指利用小型空地,或建筑物表面,如廠房、公共建筑屋頂?shù)缺砻娼ㄔO(shè)的小型發(fā)電站,在人口比較稀疏的發(fā)達(dá)國家占據(jù)主流。
典型的分布式光伏電站
分布式光伏電站的優(yōu)勢主要集中在投資小、建設(shè)快、占地面積小等方面,且直接處于用戶側(cè),可以減少對電網(wǎng)的依賴,減少線路損耗。同時,分布式光伏電站還能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電量就地消化,余量再接入電網(wǎng)。相較于集中發(fā)電,棄光棄電的問題不明顯。
分布式電站的缺陷在于,由于高度分散的特性,對控制系統(tǒng)的要求比較高,在調(diào)節(jié)與管理上更為復(fù)雜。
總結(jié)
縱觀全文,我們可以發(fā)現(xiàn),光伏產(chǎn)業(yè)最核心的發(fā)展路徑,說白了就是用光電轉(zhuǎn)換效率更高的太陽能電池,發(fā)更便宜的電。整個行業(yè)從上游硅片的設(shè)計(jì),直至下游電站的組建,甚至是中間環(huán)節(jié)一些非關(guān)鍵輔材的選用,均遵循著這一基本原則。
概括成四個字,就是“降本增效”。若要給兩個關(guān)鍵詞排個位,則降本還要在增效之前。
與很多人直覺相悖,光伏設(shè)備的光電效率其實(shí)已經(jīng)可以做到極高水平,超過40%,是當(dāng)前主流電池的接近兩倍。但這種技術(shù)極其昂貴,僅能用在衛(wèi)星、太空站這種不計(jì)成本的設(shè)施之上,距離大規(guī)模民用、商用非常遙遠(yuǎn)。
這其實(shí)還是一筆經(jīng)濟(jì)賬:單純的堆砌性能并不意味著更低的發(fā)電成本,在技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步中找到性價比最優(yōu)的組合,才是光伏發(fā)電能做到平價上網(wǎng)的根源。
當(dāng)然,發(fā)電成本下來了不代表整個行業(yè)高枕無憂,目前光伏產(chǎn)業(yè)還存在著一些難題。
太陽能雖然擁有取之不盡且無污染的優(yōu)點(diǎn),但也存在不穩(wěn)定的缺陷,受晝夜、天氣以及季節(jié)影響明顯。這在光伏發(fā)電直接表現(xiàn)為,包括發(fā)電量波動大、對電網(wǎng)穩(wěn)定性不利、并網(wǎng)難等一系列問題。同時我國還存在光能富集區(qū)(西北)遠(yuǎn)離電力負(fù)荷區(qū)(東南沿海)的現(xiàn)象,有比較明顯的供需錯配,導(dǎo)致出現(xiàn)“棄光棄電”,造成浪費(fèi)。
解決這些問題,就需要在光電的儲能與并網(wǎng)技術(shù)上尋求突破,目前常見的解決方案有光伏制氫、化學(xué)儲能、就地消納等——當(dāng)然,這就屬于光伏下游的下游,距離光伏產(chǎn)業(yè)鏈本身已經(jīng)比較遙遠(yuǎn),故不再展開。
總之,還是希望國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)能借“碳中和”的浪潮進(jìn)一步發(fā)展,讓工業(yè)生產(chǎn)與普通人都能早日用上來自太陽的清潔能源。
畢竟有充足的電力供應(yīng),又能保護(hù)地球環(huán)境,怎么都不會是一件壞事。
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