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光伏产业链各环节技术分析

光伏系统工程  来源:光伏测试网  作者:王阳  2019/9/12 8:35:41  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:传统化石能源危机、环境压力、新能源技术的发展和投资的快速增长已经促使太阳能产业成为优化能源结构、实现绿色发展的重要选择。光伏太阳能产业是一个充满机遇与挑战的朝阳产业,其独有的产业特点和战略地位吸引了国内外政府、企业界以及研究机构的空前关注。

(来源:微信公众号“光伏测试网”)

太阳能产业的政策环境

随着全球可持续发展战略的实施,太阳能光伏发电技术得到了许多国家和政府的大力支持。美国、欧洲、日本等发达国家相继提出了光伏发电的政策规划,如美国的“太阳能百万屋顶计划(Million Solar Roofs Initiative) 1”、日本的“新阳光计划(New Sunshine Project) 2”等,已经实现了普及应用。

我国作为世界上最大的电力能源生产国和消费国,近年来在可再生能源领域取得了举世瞩目的成就。我国对于太阳能产业的发展十分关注,制定了多项政策计划。如2012年3月27日,国家科技部发布《太阳能发电科技发展“十二五”专项规划》3,旨在提高产业竞争力、促进光伏电池基础研究与技术创新能力,最终使我国太阳能发电产业达到国际先进水平。

太阳能产业的产业链简析

太阳能产业不是一个孤立的技术或者市场环节,它的发展需要将反之带动产业链条中诸多相关行业的协调进步。具体而言,太阳能光伏技术的产业链总体上可分为三个层次。

上游产业是对以硅矿石和高纯度硅料的开采、提炼和生产为代表的原材料生产行业,包括硅矿石开采与冶金硅提纯、多晶硅提纯、单晶/多晶硅片加工与切割等环节。

中游产业是技术核心环节,设计各类专用设备的研发制造等。包括单晶/多晶硅电池片、电池组件生产与组装。

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下游产业是包括太阳能并网发电工程、太阳能电池组件的生产及安装、光伏集成建筑等在内的光伏产品系统集成与安装。

结合技术视角的划分,我们可以对当前我国光伏产业链的发展状态进行相对系统的评价。当前,我国光伏太阳能产业在国外市场的刺激下,产能迅速膨胀。但总体而言,我国光伏太阳能产业链发展不均衡。

光伏产业链的壁垒最高的环节是高纯多晶硅原料生产,它占电池总成本的70%。目前,高纯度硅料的供应商主要来自美国、德国和日本的公司。全球多晶硅基本由欧洲、美国和日本的七大供应商垄断,具体包括美国的MEMC、黑姆洛克半导体公司(Hemlock)、挪威的REC、日本的三菱高纯硅株式会社(Tokuyama)以及德国瓦克化学电子公司(Wacker)。

这七大厂商生产的高纯度晶体硅总产量约占世界总产量的95%以上,拥有10家多晶硅生产工厂,其中美国有5家、日本有3家、欧洲有2家。七大厂商具备从硅料到硅片的完整产能,垄断了高纯度多晶硅规模化生产的核心技术,从而在成本控制、产品质量以及生产规模上均具有很大的竞争优势。我国国内产量近年来虽然有了大幅提升,但仍然难以保障整个产业链的需求潜力,在未来产业发展进程中,晶体硅生产仍将是产业链中的瓶颈。

从中游的太阳能电池来看,光伏发电的核心部件是太阳能电池或光伏电池。

目前,晶硅太阳能电池是发展速度最快、技术最成熟、产业化规模最大的一种太阳能电池。全球光伏发电中的太阳能电池仍以硅基太阳能电池为主,约占市场份额的90%,大面积商品化电池效率单晶硅为16%至20%,多晶硅为15%至18%。此外,非晶微晶硅薄膜太阳能电池发展训读,占全球光伏组件销量的10%至15%。非晶硅与微晶硅叠层电池效率在8%至10%。其它如碲化镉(CdTe)电池、铜铟镓硒(CIGS)电池等已经实现商业化,市场份额相对较小,但发展迅速。

未来,光伏新兴技术的突破方向主要有先进薄膜和有机电池、新型光伏概念、聚光技术。中游的光伏太阳能电池制造由于资金门槛和技术含量较低,发展较快,规模较大,中国是世界上最大的太阳能电池板供应商之一。但随之而来出现了很多问题,如大量过剩产能形成严重堆积,从客观上不可避免地面临较大程度的产业整合。

我国的光伏产业“中间大、两头小”,即只有太阳能电池的生产能力,原料大量依赖国外进口,特别是生产环节中的高新材料和高纯原料,而产品销售则几乎完全依赖于国外市场。

产业链的下游是光伏电网的安装系统集成,主要集中于市场发达的欧洲、美国和日本。欧洲是目前世界上最大的光伏区域市场,除了传统光伏大国德国外,西班牙、意大利、法国、捷克、葡萄牙、希腊等新兴欧盟光伏市场规模不断增加。

此外,美国、日本的光伏市场也保持了高增长态势。产业链下游,由于组件价格相对偏高,发电成本明显高于火电等传统发电方式,产品的消费过多依赖国际市场。

目前,我国的光伏产业“中间大、两头小”,即只有太阳能电池的生产能力,原料大量依赖国外进口,特别是生产环节中的高新材料和高纯原料,而产品销售则几乎完全依赖于国外市场。技术和原材料、销售和市场在国外,加工制造在国内,要实现我国光伏产业由大到强的转变,必须加强产业链前端部分,突破材料制造和加工设备这两大制约我国光伏产业发展的瓶颈。

全球太阳能产业现状

近年来,因环境减排压力、能源危机、技术进步推动、光伏发电成本降低及各国政府的激励政策驱动等因素,光伏太阳能发电应用市场迅速发展。

对全球太阳能相关专利进行主题检索,分析年度专利申请量变化趋势,如图2所示。在1985年之前,太阳能相关专利只是零星分布,年度专利申请量未突破百件,属于摸索期。从1985年起,专利申请量激增至200件,并随时呈现缓慢增长的态势。到2006年,专利申请量接近1万件。2007年,全球太阳能专利申请量突破万件,并加速上升,到2017年达到8.8万件的顶峰。综合全球专利申请趋势,可以看出,因环境减排压力、能源危机、技术进步推动、光伏发电成本降低及各国政府的激励政策驱动等因素,光伏太阳能发电应用市场迅速迅猛,成为全球的焦点。

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全球光伏电池产量发展迅速,据权威机构—欧洲光伏产业协会(SolarPower Europe)发布的数据4来看(如图3所示)。纵观全球光伏电池的发展历程,有两个重要的时间节点值得关注,它们分别是2008年和2016年。2008年是全球光伏电池产量的转折点。在此之前,全球光伏电池产量一直处于缓慢增长之中。2008年以后,全球光伏装机进入快速发展阶段,在2008~2016年之间呈现数量持续上涨的现象。2016年,全球光伏电池产量成断崖式上升,这与中国的光伏电池产量的急速发展密不可分,到了2018年,光伏电池产量破百,达到了102.4GW。

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中国太阳能产业现状

随着技术的进步和市场的融合发展,全球太阳能产业格局愈发明晰。在多晶硅的工序环节中,欧洲、美国和日本的七大生产商处于绝对垄断的地位,我国针对该情况,主要引进俄罗斯的改良西门子法,但存在技术差距,导致产能较低。在硅锭和硅片的工序环节上,国际单晶、多晶技术都相对成熟;我国单晶硅拉制技术比较成熟,已实现国产化的单晶炉价格也较为低廉,但多晶硅浇筑炉仍需依赖进口,价格昂贵。在电池及组件工序环节上,我国的生产工艺和国际相当,光伏太阳能电池封装行业的发展最为迅速。

与发达国家相比,我国的光伏太阳能产业技术研发和市场培育起步较晚,但是,得益于欧洲对光伏产业的大力支持以及由此产生的庞大的市场需求,也得益于我国改革开放以来积累的雄厚的制造业基础,更得益于我国相对低廉的劳动力成本和资源成本,进入21世纪后,我国的光伏制造业得到了迅猛的发展。

中国太阳能产业存在的主要问题

随着可再生能源在全球范围内的快速发展,中国太阳能产业也取得了骄人的成绩,产业发展规模迅速壮大,技术整体水平不断提升,关键技术逐步实现突破,设备已基本具备整线供给能力。但是,光伏产业的整体发展仍暗藏隐忧,存在产业集中度低、核心技术落后、产业链发展不平衡、国内市场发育缓慢、行业标准不一、投资盲目等问题。原料、关键技术设备、市场需求“三头在外”的现象,早已成为我国太阳能产业的严峻现实。

1.产业链集中度低,规模化程度不高

太阳能产业是一个典型的高投入、高产出、高收益的技术驱动型行业。目前,从整个行业发展状况看,中国太阳能产品总产量居于世界前列,但产业链某些环节,尤其是产业进入门槛较低的产业链下游企业数量最多,产业集中度低,离产业规模化尚有距离,规模效应不明显,导致整体产品附加值低、竞争力不足、产业利润薄弱。

2.产业链各环节技术参差不齐,发展不平衡

我国光伏太阳能技术整体水平不高,缺乏资助创新能力,核心技术多依赖国外。从光伏产业链各环节上来看,技术参差不齐,产业链发展不平衡。先进的光伏技术研发进展较慢,高效、低成本、环境友好的光伏技术有待进一步突破。上游晶体硅材料生产技术水平较低,中端太阳能电池制造技术自主创新能力不高,下游光伏发电集成应用于国外相当。生产硅基太阳能电池乃至部分薄膜太阳能电池的关键设备均依赖进口。

3.行业标准不一,有待政府规划

目前,我国太阳能制造业缺乏统一的行业标准。很多光伏制造企业在技术实力、管理能力、品质意识、产业规模上层次较低,造成太阳能产业链各企业制造标准差异较大。需要加快建立光伏产品和发电系统的技术标准和质量认证制度,将一些行业领导者企业的标准及时转化为国家强制性标准,并积极参与国际相关标准的制定。

4.产业发展无序,投资严重盲目

目前,由于光伏太阳能产业链部分环节进入门槛低,面对国际市场需求的飞速增长,大量投资者纷纷盲目投资、重复建设,造成产能过剩,恶性竞争、资源浪费、环境污染等现象。

综上所述,中国太阳能企业在市场、技术和发展结构等方面存在严重缺陷,而随着市场竞争的日趋激烈,特别是欧洲主要光伏产品进口国相关政策的调整以及美国等一系列国家“双反”诉讼的威胁和高额“反倾销”税的制裁,中国太阳能产业正面临前所未有的困难局面,中国太阳能行业能否重生取决于两方面的因素:是否得到政策有效支持以及能否实现核心技术突破。前者是中国太阳能企业平稳度过难关的暂时性途径,后者才是中国太阳能产业能够独立生存和健康发展的本质。

中国太阳能企业在市场、技术和发展结构等方面存在严重缺陷,而随着市场竞争的日趋激烈,特别是欧洲主要光伏产品进口国相关政策的调整以及美国等一系列国家“双反”诉讼的威胁和高额“反倾销”税的制裁,中国太阳能产业正面临前所未有的困难局面。

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太阳能产业未来的发展机遇 关键技术着力点

1.多晶硅原材料提炼技术

多晶硅主要采用化学提纯、物理提纯两种方法进行生产,其中化学提纯方法主要有西门子法(气相沉淀反应法)、硅烷热分解法、流态化床法,物理提纯方法主要有区域熔化提纯法(FZ)、直拉单晶法(CZ)、定向凝固多晶硅锭法(铸造法),等等。目前最为成熟的多晶硅提纯工艺是西门子法,全球80%以上的多晶硅产量采用改良的西门子法生产。

2.晶体硅锭/硅片生产和切割技术

晶体硅锭/硅片生产和切割技术是光伏产业链的第二个环节,近年来在光伏市场的驱动下,晶体硅锭/硅片制造业发展迅速。目前,我国晶体硅锭/硅片生产厂家超过60家。

硅片切割是硅片生产的关键技术,切割的质量与规模直接影响到整个产业链的后续生产。多丝切割作为一种先进的切割技术,目前已经逐渐取代传统的内圆切割,成为硅片切片加工的主要切割方式。

3.光伏系统应用技术

目前,光伏系统应用技术主要集中于光伏建筑一体化和大型化电站两个领域。

光伏建筑一体化是利用建筑物上空置的屋顶及外墙空间安装光伏组件,将光伏组件与建筑材料集成化,用光伏组件代替屋顶、窗户和外墙,它是“新能源建筑”的典型代表,在欧美等发达国家已被广泛应用,其技术实现手段无外乎光电幕墙和光电屋顶两种。

光伏电站是通过太阳能、采用特殊材料诸如晶硅板、逆变器等电子元件组成的发电体系,与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统,它是光伏太阳能发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部门的重要发展方向,是当今世界光伏太阳能发电技术的主流趋势。目前,光伏电站正由小型的独立发电系统向大规模的太阳能发电站方向快速发展。


原标题:光伏产业链各环节技术分析报告

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