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上图是各种新能源从2010年到2019年十年间成本下降情况。从中可见,太阳能成本下降了82%,下降幅度显著高于其他所有发电技术。为了更充分地理解用太阳能生产太阳能,能否使太阳能成本真正接近于零,我们需要仔细地分析一下影响太阳能成本的各个因素。
从以上太阳能级多晶硅价格走势可看出,2003年及以前,太阳能产业还未大规模启动,太阳能级多晶硅的价格就已经是在每公斤20美元多一点的相对较低水平。2004年,德国率先推出可再生能源法案,西班牙、意大利等欧洲国家之后纷纷对太阳能发电进行大力扶持和推广。但在启动太阳能产业后,因为需求的强烈拉动,多晶硅价格开始持续暴涨,最高在2008年曾达到每公斤500美元的历史高位。此后随着中国多晶硅产能的快速释放,随之价格又快速下降。到2012年,其价格就回落到2003年前20多美元的水平。整个这10多年价格20多倍的巨幅上涨与下降,主要是商业供需矛盾因素造成,而不是真正反映实质性的生产成本变化。但当其价格回落到正常水平后,商业供需因素的变化影响相对就比较小了。如果单纯地通过商业和竞争因素促使价格不断下降,最终会导致大量硅生产企业陷入亏损的境地。
2.光电转换效率提升
德国物理学家赫兹于1887年发现光电效应后,太阳能就开始展现其应用前景。但真正能使其规模商用化,有赖于光电转换效率的提升,这是降成本的根本途径之一。转换效率每提升1个百分点,太阳能的成本就会下降5%以上。当转换效率达到10%之前,太阳能主要应用于航天科技以及军事用途。在此之后,民用的太阳能才有可能开始通过政府补贴进入规模商用。之所以在2004年欧洲开始通过政府补贴引导太阳能的发展,就是因为在这个时间点上多晶硅的转换效率提升到了10%左右的水平。此后,尤其产业资金的大量涌入,技术进步持续加快,差不多每年都能提升1个百分点左右。2019年,商用多晶硅PERC电池的转换效率已经超过22.8%(阿特斯公司创造),单晶硅PERC达24.03%(隆基公司创造),天合公司创造了24.58% N型单晶硅TOPCon电池中国最高效率。 单晶硅本身的成本是高于多晶硅的,因此过去太阳能主要使的是多晶硅。但因为单晶硅发光效率高于多晶硅,使最终的太阳能成本反而低于多晶硅。因此,在2016年以后,单晶硅太阳能电池开始大爆发,占比越来越高。 如果按照原有的理论,晶硅太阳能电池理论最大极限为29.1%,如果是这样,那么未来商用太阳能电池转换效率提升的空间已经不大了。但是,以原创性科技发展的思路来看,这个并不是绝对的。麻省理工学院和其他机构的研究人员在过去几年中研究出的新方法可能会突破该极限,使理论最大极限从29.1%提升到35%。研究生Markus Einzinger,化学教授Moungi Bawendi,电气工程和计算机科学教授Marc Baldo,以及来自麻省理工学院和普林斯顿大学等其他八位研究人员2019年7月3号在《自然》杂志上发表了这项研究成果的论文。当然,这个方法要真变成商用化的产品还需要做很多工作。不过,它的确为我们展示了通过提升转换效率的途径使太阳能成本进一步下降的理论可能性。
3.减少生产过程的耗电
太阳能生产流程和环节很长,每一个环节都有耗电成本,并且在总成本中占很大比例。因此,如果通过技术进步降低各个环节的耗电量,当然就会降低太阳能的成本。但客观来说,这个技术进步难度是很高的,而且目前来看可挖掘的潜力越来越小了。
4. 把硅片切割得更薄
从原理上说,太阳能电池发电主要是电池板面朝太阳一面很薄的一层在起作用。但要把硅棒切割成太阳能电池片,必然要有一定的厚度。如果能切割等越薄,完全相同的一个硅棒就能切割出数量更多的太阳能电池片,那么每一个电池片分难的硅棒成本当然就越低了。因此,切割工艺水平也是影响太阳能成本的一个很重要的方面。 这里顺便科普一下,并且讲个小故事。说到切割,我们一般知道的是用锯子、剪刀、刀片、钳子等工具和相应的工艺进行切割。更高级的切割是激光切割工艺。在我学习太阳能硅片切割工艺之前,我想当然地以为会是激光切割,并且生产半导体芯片的硅片的确用的是激光切割。但事实上,生产太阳能电池片的切割工艺是一种特殊的线切割。
原来用的是砂浆线,就在两三年前已经普及了金钢线切割工艺。砂浆线切割是用碳化硅粉末与切削液混合形成砂浆,在钢线和硅棒压力作用下对硅棒产生切割作用。金钢线稍有不同,它是将金钢石粉末直接固定在钢线基体上而制成固结磨料锯丝。用这种锯丝去切割硅棒。 我们很自然地会认为这种高科技的生产工艺太先进了。但是,当我2019年4月21日去参观仰慕已久的杭州良渚博物馆时,却了解到一个让我目瞪口呆的史实:中国5千年前的良渚文明生产玉器时,居然主要使用的也是线切割,并且与切割硅棒的砂浆线切割工艺原理几乎完全一样,只不过它用的是解玉砂与水混合成的砂浆。解玉砂只是一个通称。具体材料有刚玉砂矿和石榴石砂矿等。成语“他山之石,可以攻玉”中的“石”,就是指解玉砂。更奇妙的是,良渚时期使用的解玉砂具体材料,居然就是石英砂——生产硅棒的原材料。这些紧密的联系不能不让人浮想联翩。
上图是随着切割细线化和薄片化发展,单晶硅片厚度变化的趋势预测。实际发展结果可能会有差异,但它说明了仅仅通过切割细线化和硅片薄片化的技术发展,太阳能还有成倍降成本的空间。
5. 工程成本
建设太阳能发电站的材料运输、土建、人工、土地、贷款利息等等,都会构成工程成本。如果就地生产,就地施工,也会有利降低工程成本。
6. 电价
降低用电成本除了减少各个生产环节的耗电量之外,降低电价也是一种更为有效的降成本途径。
7.非晶硅太阳能电池技术可能的降成本潜力
太阳能除了目前的晶硅太阳能技术外,还在同步发展其他很多太阳能技术。如砷化镓(GaAs)电池、铜铟镓硒(CIGS)电池、钙钛矿(Perovskite)电池和有机(Organic)电池等,另外还有光热发电技术等。未来是否有其他太阳能电池经济性能超过晶硅太阳能电池,我们只能拭目以待。
8. 其他
在太阳能生产的整个产业链上进行改进,都会有助于降低成本。例如回收硅棒切割中的废料,可以回收高纯硅提升效益等。 增大硅片尺寸,可以使单位晶硅电池表面平摊的其他成本下降。 让太阳能生产企业可以自建电厂,可以省去供电的电网中间环节,从而大幅度减少电价成本。
六、太阳能成本分析总结
总结一下,从上面影响太阳能成本的各因素可看出,太阳能降成本的有些途径的空间已经不大(如提升晶硅电池的转换效率),但还是有不少途径降成本的空间很大(如薄片化等)。尤其通过降电价来降成本的途径,有极大的空间。目前太阳能通过其他各个降成本途径的发展,已经具备与传统火电竞争的成本优势,未来通过大幅度降电价,可以使太阳能成本接近于零,形成压倒性的价格优势。 从目前发电技术来看,水电的成本是最低的,它与风电、太阳能等都具有能量来源是零成本的特点。在水电站所在的大坝处,电价只有几分钱人民币,近乎于零电价。但是水电往往都建在高山峡谷的河流处,因此当地难以直接大规模发展用电的生产企业。
这就必须依赖电网将电送出去,从而最终到生产企业处的电价必然会加上电网环节的增值。风电对位置也有一定要求,需要在风能比较丰富的特定位置。但太阳能却非常不同,它原则上可以建在任何只要存在太阳照射的地方,因此除了极少数背阳的山坡处以外,其他地方理论上都可以建太阳能发电厂,而且区别不是太大。在大西北的所有荒漠地区,地势平坦适合搞建设发展工业的地区,都可以建太阳能发电厂。因此,最终通过自建太阳能发电厂的方式,是完全可以将电价压低到接近于零的。太阳能生产企业不仅是“本地消纳”,甚至是“不通过电网的发电厂处消纳”。
只要太阳能电厂的投资收回,从此以后的成本仅仅是维护太阳能电厂的运营成本。因为太阳能电厂除了极少量清洁工作外(现在可通过机器人完成),基本不需要做其他什么事情。因此其运营成本也是极低的,接近零成本。 当然,大力发展太阳能绝对不意味着电网不再重要。相反,当大西北的太阳能被全面开发后,在满足自身大规模发展的城市和产业需求之后,还会富余出天量的太阳能。这需要通过特高压电网将这些能源输送到东部地区。另外大量的太阳能也需要智电网使供电平稳。太阳能生产企业通过建设富余的自建电厂,可以在发电过多时卖给电网,发电不足时从电网购电。这样平衡掉供电平稳的成本,维持其零电价的优势。
七、主要经济效益分析
这个综合发展战略从太阳能企业角度说,其经济效益是不用再讲的,他们会高兴得不得了。其他高耗能企业等也会很高兴的。但是,一个好的项目即使是在经济性上,也不能仅仅从某一个或某一些利益角度来考虑,而需要“使各方都受益”。如果仅仅是太阳能企业喜欢,可挣到大钱,但政府却总是投入,没有可观收入,积极性也不能充分调动起来。这个项目政府可以从中得到什么呢?宏观战略上的好处就不说了,问题是当地政府和中央政府等可以从中确切得到什么。 在初期政府需要投入补贴太阳能企业的自建电厂,但这个补贴是可以迅速减少的。例如先投资建设一个太阳能企业自建电厂以后,假设补贴比例是100%,就是全由政府出钱。
相应的太阳能设备全是其他地方生产的。然后过一定时间(例如2年后)政府就不再继续补贴采用其他地方生产的太阳能建设电厂了,而是必须要用在大西北新能源特区里生产的太阳能建电厂才能获得补贴。这样,就算补贴比例还是100%,因为特区里的电厂电价基本为零,由此生产的太阳能设备价格一定会有一个巨大的降幅,因此相同功率电厂的补贴额就大幅度减少了。政府的补贴会牵引大量太阳能生产企业来这里投资。这样再过一定时间(比如又过2年),可以将补贴额比例降到50%,再过2年降到20%,再过2年降到零。通过这样的前期补贴,已经牵引来足够的太阳能全产业链投资,以及相当多高电耗的产业来这里投资。在这个过程中,无论太阳能企业的产能如何高速发展,都足以通过本地的需求完全消化掉。
在这个过程中就可以规划更多生产企业,以及特高压电网向东部输电的工程。 上马红旗河建设工程(得十多年时间才能建好)。从而就可以完全放开西北地区太阳能电厂的建设步伐,使其以超高速的速度增长。 有这样的产业大发展,当然道路、城市居住区、学校、医院、超市、餐馆......都大量建设起来,用电量也越来越多。 这就会进入高速发展的良性循环状态。
当地政府就可以获得税收,卖地皮的收入。
土地财政——从价格型转向数量型
土地财政现在是一个让人又爱又恨的对象。其实问题不在于土地财政本身,而在于以什么方式来搞土地财政。土地财政其实也是一个经济活动,它也符合经济规律。根据卖方总方程,利润=数量(价格-成本)。土地的成本是征地成本,价格是土地出让的价格,数量是竞拍的卖地数量。因为在现经济发达地区土地资源极为稀缺,所以卖地的数量上不能太多。因此只能通过提高竞拍价格来获得更多卖地收入。但是,竞拍价格越来越高,只能导致房价越来越高。高到一定程度,整个社会就越来越多人受不了了。根据卖方总方程,还有更普遍获得高利润的方法是,提升数量、减少成本。这些途径在现有经济发展起来的地区是难以做到的,但在大西北地区却可以。大西北荒漠地区的征地成本可以几乎为零,而数量可以认为是无穷,所以可以搞数量型的土地财政。现在城市住宅用地出让价格每亩高达几百万人民币,工业用地40万到80万。 我们假设未来西北土地平均出让价格在10万人民币,最终出让200万平方公里土地(30亿亩)用于城市、工业和太阳能电厂建设用地。其总的土地出让价值在300万亿人民币。
按30年出让完,平均每年也有10万亿人民币。将太阳能成本压到接近于零,最终就会体现出对政府的这个天量的价值。其他产业发展的税收等价值更不用说了。 在东部地区,土地是分使用性质的,性质不同,价格差异极大。有农业用地、农村宅基地、工业用地、商业用地、城市住宅用地等。划分这些土地使用性质的目的,是为了保护耕地,另外是为了在尽可能压低工商业生产成本前提下,获得更高的城市住宅用地出让收入。 但在数量型土地财政环境下,以上目的都没必要了。西北几乎就没有耕地需要保护,既然是数量型,就全都薄利多销。因此,可以完全取消土地使用性质,只要你在大西北买地,随便你用来建什么。并且完全不限制住宅建设的模式。你可以建别墅,这在其他地区现在已经禁止了。在这里可以随便建,而且非常便宜,就像美国一样便宜,便宜到谁家都可以住别墅。可别理解成现在农民自建的别墅,是在比美国主要流别墅更好的内外环境基础上,加上现代智慧家庭系统的别墅。一亩土地成本只有十万,用2、3百万实打实的高级装备来建设和装修的别墅。
用北京五环外一套两房一厅的价格,住1亩土地面积,超过500平方实用居住面积的别墅,可以享受与在北京差不多的城市公共资源。这样才会极大增加向这里移民的吸引力,中国人还移民美国干嘛?就算有3亿人移民到这里,平均一个家庭3个人的话,建1亿套别墅,一套别墅平均1亩地,也就是需要1亿亩土地。这在东部地区可是要命的事情,但在大西北,这根本不算啥。美国人能住上1亩地土地面积别墅的人也很少。即使移民过来6亿人,用2亿亩土地也足以让所有人都住上别墅。但如果仅限于当前中国经济区域模式,无论中国经济再怎么发展,钱再多,就算人均GDP超过美国一倍,也不可能像美国人那样家家都住上别墅,因为东部地区根本就没那么多地。因此,全面开发大西北,也是让中国所有人的生活水平和生活质量都真正赶上美国人的唯一途径。 我们通过拥有成本接近零的太阳能资源,可以将其他工业生产成本也都大幅度地压低,从而大幅度减少产业转移到其他国家的压力。
还有一个更重要的环境利益。西北地区缺水不仅是降雨少,而且太阳直射到土地上,使蒸腾作用极大,土壤里的水分都蒸发走了。如果将数百万平方公里的大西北基本都覆盖上太阳能电池板,土壤的蒸腾作用会大幅度地减少,这会有助于改善西北的气候环境。加上通过这个系统的发展计划推动红旗河等工程的建设,可以向西北地区直接输送大量水资源。这也极有助于改善西北地区的气候。一旦这个西线南水北调工程成功了,就可以有条件进一步从北方国外的大湖地区(贝加尔湖等)建设管道输水工程。北方俄罗斯和西部中亚国家有极为丰富的淡水资源,通过输水工程引到大西北技术上并不难,经济性上也可行。问题只是中国整个大西北准备移民进去的数亿人生命供水线不能完全依赖国外。当我们自已有可靠的供水资源后,就可以有一定比例从国外引水了。城市的发展自然地推动树木和草坪的种植等,都有助于西北地区环境的大幅度改善。 将数以亿计的大量人口移民到西北地,东部地区的人口压力也会大大减轻。环境随之可以有条件大幅度改善。通过土地流转的集约化进程也更为顺利。 民族融合问题也随之得到彻底解决。 移民过去的人口基本上是完全城市化的。这会大大加快中国城市化率的提升。
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