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    行業資訊

    光伏產業鏈各環節技術分析報告


    研究背景

    傳統化石能源危機、環境壓力、新能源技術的發展和投資的快速增長已經促使太陽能產業成為優化能源結構、實現綠色發展的重要選擇。光伏太陽能產業是一個充滿機遇與挑戰的朝陽產業,其獨有的產業特點和戰略地位吸引了國內外政府、企業界以及研究機構的空前關注。

    太陽能產業的政策環境

    隨著全球可持續發展戰略的實施,太陽能光伏發電技術得到了許多國家和政府的大力支持。美國、歐洲、日本等發達國家相繼提出了光伏發電的政策規劃,如美國的“太陽能百萬屋頂計劃(Million Solar Roofs Initiative) 1”、日本的“新陽光計劃(New Sunshine Project) 2”等,已經實現了普及應用。

    我國作為世界上最大的電力能源生產國和消費國,近年來在可再生能源領域取得了舉世矚目的成就。我國對于太陽能產業的發展十分關注,制定了多項政策計劃。如2012年3月27日,國家科技部發布《太陽能發電科技發展“十二五”專項規劃》3,旨在提高產業競爭力、促進光伏電池基礎研究與技術創新能力,最終使我國太陽能發電產業達到國際先進水平。

    太陽能產業的產業鏈簡析

    太陽能產業不是一個孤立的技術或者市場環節,它的發展需要將反之帶動產業鏈條中諸多相關行業的協調進步。具體而言,太陽能光伏技術的產業鏈總體上可分為三個層次。

    上游產業是對以硅礦石和高純度硅料的開采、提煉和生產為代表的原材料生產行業,包括硅礦石開采與冶金硅提純、多晶硅提純、單晶/多晶硅片加工與切割等環節。

    中游產業是技術核心環節,設計各類專用設備的研發制造等。包括單晶/多晶硅電池片、電池組件生產與組裝。

    下游產業是包括太陽能并網發電工程、太陽能電池組件的生產及安裝、光伏集成建筑等在內的光伏產品系統集成與安裝。

    結合技術視角的劃分,我們可以對當前我國光伏產業鏈的發展狀態進行相對系統的評價。當前,我國光伏太陽能產業在國外市場的刺激下,產能迅速膨脹。但總體而言,我國光伏太陽能產業鏈發展不均衡。

    光伏產業鏈的壁壘最高的環節是高純多晶硅原料生產,它占電池總成本的70%。目前,高純度硅料的供應商主要來自美國、德國和日本的公司。全球多晶硅基本由歐洲、美國和日本的七大供應商壟斷,具體包括美國的MEMC、黑姆洛克半導體公司(Hemlock)、挪威的REC、日本的三菱高純硅株式會社(Tokuyama)以及德國瓦克化學電子公司(Wacker)。

    這七大廠商生產的高純度晶體硅總產量約占世界總產量的95%以上,擁有10家多晶硅生產工廠,其中美國有5家、日本有3家、歐洲有2家。七大廠商具備從硅料到硅片的完整產能,壟斷了高純度多晶硅規?;a的核心技術,從而在成本控制、產品質量以及生產規模上均具有很大的競爭優勢。我國國內產量近年來雖然有了大幅提升,但仍然難以保障整個產業鏈的需求潛力,在未來產業發展進程中,晶體硅生產仍將是產業鏈中的瓶頸。

    從中游的太陽能電池來看,光伏發電的核心部件是太陽能電池或光伏電池。

    目前,晶硅太陽能電池是發展速度最快、技術最成熟、產業化規模最大的一種太陽能電池。全球光伏發電中的太陽能電池仍以硅基太陽能電池為主,約占市場份額的90%,大面積商品化電池效率單晶硅為16%至20%,多晶硅為15%至18%。此外,非晶微晶硅薄膜太陽能電池發展訓讀,占全球光伏組件銷量的10%至15%。非晶硅與微晶硅疊層電池效率在8%至10%。其它如碲化鎘(CdTe)電池、銅銦鎵硒(CIGS)電池等已經實現商業化,市場份額相對較小,但發展迅速。

    未來,光伏新興技術的突破方向主要有先進薄膜和有機電池、新型光伏概念、聚光技術。中游的光伏太陽能電池制造由于資金門檻和技術含量較低,發展較快,規模較大,中國是世界上最大的太陽能電池板供應商之一。但隨之而來出現了很多問題,如大量過剩產能形成嚴重堆積,從客觀上不可避免地面臨較大程度的產業整合。

    我國的光伏產業“中間大、兩頭小”,即只有太陽能電池的生產能力,原料大量依賴國外進口,特別是生產環節中的高新材料和高純原料,而產品銷售則幾乎完全依賴于國外市場。

    產業鏈的下游是光伏電網的安裝系統集成,主要集中于市場發達的歐洲、美國和日本。歐洲是目前世界上最大的光伏區域市場,除了傳統光伏大國德國外,西班牙、意大利、法國、捷克、葡萄牙、希臘等新興歐盟光伏市場規模不斷增加。

    此外,美國、日本的光伏市場也保持了高增長態勢。產業鏈下游,由于組件價格相對偏高,發電成本明顯高于火電等傳統發電方式,產品的消費過多依賴國際市場。

    目前,我國的光伏產業“中間大、兩頭小”,即只有太陽能電池的生產能力,原料大量依賴國外進口,特別是生產環節中的高新材料和高純原料,而產品銷售則幾乎完全依賴于國外市場。技術和原材料、銷售和市場在國外,加工制造在國內,要實現我國光伏產業由大到強的轉變,必須加強產業鏈前端部分,突破材料制造和加工設備這兩大制約我國光伏產業發展的瓶頸。

    全球太陽能產業現狀

    近年來,因環境減排壓力、能源危機、技術進步推動、光伏發電成本降低及各國政府的激勵政策驅動等因素,光伏太陽能發電應用市場迅速發展。

    對全球太陽能相關專利進行主題檢索,分析年度專利申請量變化趨勢,如圖2所示。在1985年之前,太陽能相關專利只是零星分布,年度專利申請量未突破百件,屬于摸索期。從1985年起,專利申請量激增至200件,并隨時呈現緩慢增長的態勢。到2006年,專利申請量接近1萬件。2007年,全球太陽能專利申請量突破萬件,并加速上升,到2017年達到8.8萬件的頂峰。綜合全球專利申請趨勢,可以看出,因環境減排壓力、能源危機、技術進步推動、光伏發電成本降低及各國政府的激勵政策驅動等因素,光伏太陽能發電應用市場迅速迅猛,成為全球的焦點。

    全球光伏電池產量發展迅速,據權威機構—歐洲光伏產業協會(SolarPower Europe)發布的數據4來看(如圖3所示)??v觀全球光伏電池的發展歷程,有兩個重要的時間節點值得關注,它們分別是2008年和2016年。2008年是全球光伏電池產量的轉折點。在此之前,全球光伏電池產量一直處于緩慢增長之中。2008年以后,全球光伏裝機進入快速發展階段,在2008~2016年之間呈現數量持續上漲的現象。2016年,全球光伏電池產量成斷崖式上升,這與中國的光伏電池產量的急速發展密不可分,到了2018年,光伏電池產量破百,達到了102.4GW。

     

    中國太陽能產業現狀

     

    隨著技術的進步和市場的融合發展,全球太陽能產業格局愈發明晰。在多晶硅的工序環節中,歐洲、美國和日本的七大生產商處于絕對壟斷的地位,我國針對該情況,主要引進俄羅斯的改良西門子法,但存在技術差距,導致產能較低。在硅錠和硅片的工序環節上,國際單晶、多晶技術都相對成熟;我國單晶硅拉制技術比較成熟,已實現國產化的單晶爐價格也較為低廉,但多晶硅澆筑爐仍需依賴進口,價格昂貴。在電池及組件工序環節上,我國的生產工藝和國際相當,光伏太陽能電池封裝行業的發展最為迅速。

    與發達國家相比,我國的光伏太陽能產業技術研發和市場培育起步較晚,但是,得益于歐洲對光伏產業的大力支持以及由此產生的龐大的市場需求,也得益于我國改革開放以來積累的雄厚的制造業基礎,更得益于我國相對低廉的勞動力成本和資源成本,進入21世紀后,我國的光伏制造業得到了迅猛的發展。

    中國太陽能產業存在的主要問題

    隨著可再生能源在全球范圍內的快速發展,中國太陽能產業也取得了驕人的成績,產業發展規模迅速壯大,技術整體水平不斷提升,關鍵技術逐步實現突破,設備已基本具備整線供給能力。但是,光伏產業的整體發展仍暗藏隱憂,存在產業集中度低、核心技術落后、產業鏈發展不平衡、國內市場發育緩慢、行業標準不一、投資盲目等問題。原料、關鍵技術設備、市場需求“三頭在外”的現象,早已成為我國太陽能產業的嚴峻現實。

    1.產業鏈集中度低,規?;潭炔桓?

    太陽能產業是一個典型的高投入、高產出、高收益的技術驅動型行業。目前,從整個行業發展狀況看,中國太陽能產品總產量居于世界前列,但產業鏈某些環節,尤其是產業進入門檻較低的產業鏈下游企業數量最多,產業集中度低,離產業規?;杏芯嚯x,規模效應不明顯,導致整體產品附加值低、競爭力不足、產業利潤薄弱。

    2.產業鏈各環節技術參差不齊,發展不平衡

    我國光伏太陽能技術整體水平不高,缺乏資助創新能力,核心技術多依賴國外。從光伏產業鏈各環節上來看,技術參差不齊,產業鏈發展不平衡。先進的光伏技術研發進展較慢,高效、低成本、環境友好的光伏技術有待進一步突破。上游晶體硅材料生產技術水平較低,中端太陽能電池制造技術自主創新能力不高,下游光伏發電集成應用于國外相當。生產硅基太陽能電池乃至部分薄膜太陽能電池的關鍵設備均依賴進口。

    3.行業標準不一,有待政府規劃

    目前,我國太陽能制造業缺乏統一的行業標準。很多光伏制造企業在技術實力、管理能力、品質意識、產業規模上層次較低,造成太陽能產業鏈各企業制造標準差異較大。需要加快建立光伏產品和發電系統的技術標準和質量認證制度,將一些行業領導者企業的標準及時轉化為國家強制性標準,并積極參與國際相關標準的制定。

    4.產業發展無序,投資嚴重盲目

    目前,由于光伏太陽能產業鏈部分環節進入門檻低,面對國際市場需求的飛速增長,大量投資者紛紛盲目投資、重復建設,造成產能過剩,惡性競爭、資源浪費、環境污染等現象。

    綜上所述,中國太陽能企業在市場、技術和發展結構等方面存在嚴重缺陷,而隨著市場競爭的日趨激烈,特別是歐洲主要光伏產品進口國相關政策的調整以及美國等一系列國家“雙反”訴訟的威脅和高額“反傾銷”稅的制裁,中國太陽能產業正面臨前所未有的困難局面,中國太陽能行業能否重生取決于兩方面的因素:是否得到政策有效支持以及能否實現核心技術突破。前者是中國太陽能企業平穩度過難關的暫時性途徑,后者才是中國太陽能產業能夠獨立生存和健康發展的本質。

    中國太陽能企業在市場、技術和發展結構等方面存在嚴重缺陷,而隨著市場競爭的日趨激烈,特別是歐洲主要光伏產品進口國相關政策的調整以及美國等一系列國家“雙反”訴訟的威脅和高額“反傾銷”稅的制裁,中國太陽能產業正面臨前所未有的困難局面。

    太陽能產業未來的發展機遇

    關鍵技術著力點

    1.多晶硅原材料提煉技術

    多晶硅主要采用化學提純、物理提純兩種方法進行生產,其中化學提純方法主要有西門子法(氣相沉淀反應法)、硅烷熱分解法、流態化床法,物理提純方法主要有區域熔化提純法(FZ)、直拉單晶法(CZ)、定向凝固多晶硅錠法(鑄造法),等等。目前最為成熟的多晶硅提純工藝是西門子法,全球80%以上的多晶硅產量采用改良的西門子法生產。

    2.晶體硅錠/硅片生產和切割技術

    晶體硅錠/硅片生產和切割技術是光伏產業鏈的第二個環節,近年來在光伏市場的驅動下,晶體硅錠/硅片制造業發展迅速。目前,我國晶體硅錠/硅片生產廠家超過60家。

    硅片切割是硅片生產的關鍵技術,切割的質量與規模直接影響到整個產業鏈的后續生產。多絲切割作為一種先進的切割技術,目前已經逐漸取代傳統的內圓切割,成為硅片切片加工的主要切割方式。

    3.光伏系統應用技術

    目前,光伏系統應用技術主要集中于光伏建筑一體化和大型化電站兩個領域。

    光伏建筑一體化是利用建筑物上空置的屋頂及外墻空間安裝光伏組件,將光伏組件與建筑材料集成化,用光伏組件代替屋頂、窗戶和外墻,它是“新能源建筑”的典型代表,在歐美等發達國家已被廣泛應用,其技術實現手段無外乎光電幕墻和光電屋頂兩種。

    光伏電站是通過太陽能、采用特殊材料諸如晶硅板、逆變器等電子元件組成的發電體系,與電網相連并向電網輸送電力的光伏發電系統,它是光伏太陽能發電進入大規模商業化發電階段、成為電力工業組成部門的重要發展方向,是當今世界光伏太陽能發電技術的主流趨勢。目前,光伏電站正由小型的獨立發電系統向大規模的太陽能發電站方向快速發展。

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