光伏设备制造业概述

11.1.1 光伏设备制造业发展现状

早在1839年,法国科学家贝克雷尔发现“光伏效应”。1954年,美国科学家恰宾和皮尔松等人在贝尔实验室制成了世界上第一块实用单晶硅太阳能电池,意味着太阳光能转换为电能的发电技术诞生。1969年,世界上第一座太阳能发电站在法国建成,随后,太阳能发电比例在欧美国家逐渐提高,太阳能光伏技术也得到了不断发展。欧盟是世界上光伏发电量最大的地区。

我国光伏设备制造业始于20世纪70年代,初期主要用于空间技术,而后逐渐扩大到地面并形成了光伏产业。1998年,中国政府开始关注太阳能发电。2001年,由无锡尚德太阳能电力有限公司建立的10MW太阳能电池生产线取得了成功;次年9月,该生产线正式投入生产,其产能与之前四年全国范围内的太阳能电池产量之和相当,得益于此,我国的光伏设备制造业与其他国家之间的差距缩短了15年。2007年,中国的太阳能电池产量从2006年的400MW跃至1 088MW,从而成为了世界上太阳能电池产量最大的国家。

(一)全球光伏设备制造业的发展现状及展望

在过去的十余年里,全球光伏设备制造业发展迅猛。2009年,全球累计光伏装机容量不足24GW,2011年达到71.1GW,2012年突破100GW大关,这意味着每年至少能够为全球提供110TW·h的电力。

图11.1 2000～2012年全球累计光伏装机容量

资料来源:欧洲光伏产业协会(EPIA)。

2012年,欧洲地区的累计光伏装机容量依旧遥遥领先,达到70GW,占全球的70%,与2011年占比75%相比略有下降。随着中国、美国、日本、澳大利亚、印度等地对潜在光伏市场的开发,以及非洲、中东、东南亚、拉丁美洲等太阳能资源丰富地区光伏产业的兴起,光伏市场的中心正从欧洲的德国、意大利、法国、西班牙向其他新兴市场转移。

(二)中国光伏产业发展现状

我国光伏设备制造业存在的主要问题是材料和市场“两头在外”。2012年,中国的多晶硅产能为15.8万MT,占全球的43%,产量为6.9万MT,占全球的32%。根据Wind资讯显示的数据,2012年全年,我国共计进口多晶硅8.28万MT。也就是说,尽管2012年我国多晶硅产能高达15.8万MT,理论上可以满足太阳能电池生产的材料需求,但受多晶硅制成品质量等因素的限制,我国光伏设备制造的下游企业仍需从国外大量进口多晶硅,约占总需求的55%。从多晶硅的进口价格来看,2011年约为53美元/千克,2012年约为25美元/千克,2013年约为18美元/千克,下降迅速且降幅较大。除了原材料之外,我国光伏设备制造企业的许多生产设备也需要依赖进口,与欧美发达国家相比缺乏核心竞争力。

图11.2 2012年全球光伏市场分布

资料来源:SEMI:《2013中国光伏产业发展报告(白皮书)》。

图11.3 2011年5月～2013年9月我国多晶硅进口数量和金额

资料来源:Wind资讯。

就市场而言,自中国发展成为全球最大的太阳能电池制造基地以来,我国90%以上的光伏产品销售依赖出口。2012年,这种状况略有缓解,但形势依旧很严峻,该年我国太阳能电池产量22GW,装机量仅有5GW,出口比例高达77%。这种超高比例的出口依赖度令我国光伏企业的抗风险能力大打折扣。受欧债危机影响,传统装机大国普遍在下调补贴费率,传统装机市场下滑;加之欧盟对我国光伏产品进行“双反”(反倾销、反补贴),这无疑又为我国的光伏产品出口带来了双重打击。

2009年以来,得益于多晶硅价格的下降以及生产设备国产化程度的提高,中国太阳能电池生产成本持续下降,国际竞争力逐渐增强。2020年以前,我国的光伏设备制造企业仍将以降低生产成本为主要目标。随着成本的降低,我国光伏发电价格将不断下降,预计到2020年,在发电站将可以达到平价上网(见图11.4)。

图11.4 中国不同地区光伏发电价格变化趋势

资料来源:SEMI:《2013中国光伏产业发展报告(白皮书)》。

2012年2月,我国工业和信息化部发布了《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》,规划指出:“支持骨干企业做优做强,到2015年形成:多晶硅领先企业达到5万吨级,骨干企业达到万吨级水平;太阳能电池领先企业达到5GW级,骨干企业达到GW级水平;1家年销售收入过千亿元的光伏企业,3～5家年销售收入过500亿元的光伏企业;3～4家年销售收入过10亿元的光伏专用设备企业。”[1]同年7月,国家能源局发布了《太阳能发电发展“十二五”规划》,规划将2015年光伏装机目标定为20GW,并提出如果分布式发电推广较为顺利,装机目标量可达40GW以上。

11.1.2 产业技术特征

(一)技术原理

太阳能光伏技术(Photovoltaic)是将太阳能转化为电力的技术。太阳能电池是整个光伏系统中最重要的部件。太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。由于硅的表面非常亮,会反射大量的太阳光,不利于光伏效应的产生。经过科学家们的研究,通过在其表面覆盖一层薄膜,可以将反射损失降低到5%甚至更小。另外,由于单个的半导体元器件所能产生的光伏效应比较微小,因此一般将很多电池串联在一起,形成太阳能电池阵列,形成有比较大输出功率的太阳能光电板。

(二)太阳能光伏系统

光伏系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、太阳能跟踪控制系统等设备组成的。在该系统中,太阳能电池方阵是整个光伏发电系统的核心。蓄电池组的主要作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能,并随时向负载供电。充放电控制器能自动防止蓄电池过充电和过放电,对蓄电池起到很好的保护作用。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。交流配电柜的作用主要是对备用逆变器进行切换,以保证系统的正常供电,以及对线路电能的计量。太阳能跟踪控制系统是负责记录安放点经纬度信息,并计算一年中每时每刻太阳的不同角度的重要工具。只有太阳能电池板能时刻正对着太阳,发电效率才会达到最佳的状态。一旦安装,就不能随意移动或装卸,每次移动都需要重新设定相关数据和参数。

(三)太阳能电池的分类

太阳能电池的发展历经三代,具体有:

第一代太阳能电池是晶硅太阳能电池,主要包括单晶硅和多晶硅两种。单晶硅电池是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池,其转换效率最高,技术也最为成熟,但因其制造工艺复杂,故成本较高。目前工业化生产的单晶硅太阳能电池,其光电转换效率一般为19%左右,实验室效率最高可达25%。与单晶硅太阳能电池相比,多晶硅太阳能电池的光电转换效率相对较低,一般为17%左右,实验室效率基本可以达到20%。但其材料制造较为简便,能够节约电耗,制作成本低廉。

第二代太阳能电池是薄膜太阳能电池,其成本低于第一代,可以大幅增加电池板的制造面积,但其效率不及第一代。

第三代太阳能电池目前大多处于理论研究阶段,很多种类甚至没有原型电池产生。第三代太阳能电池在理论上普遍具有薄膜化、高效率、原材料丰富、无毒性和低成本等特征,这是人们在太阳能电池研究中追求的最高目标。一旦在第三代电池上取得较大突破,将会为太阳能电池的研究及光伏设备制造业带来翻天覆地的变化。

11.1.3 产业经济特征

(一)产业链特征

多年来,随着光伏发电的理论和技术不断发展,太阳能电池的种类也在不断丰富,但大多数新型太阳能电池尚处于实验室研究阶段。现阶段,进入民用领域的太阳能电池主要为晶体硅电池,其市场占有率为90%以上,而薄膜电池的市场占有率则不足10%。因此,本报告主要以晶体硅太阳能电池的产业链为例进行阐述。

晶体硅太阳能电池的产业链主要包括五大环节:高纯多晶硅原料生产环节,铸锭拉棒切片环节(硅片的制备有不同的工艺途径:直拉单晶,制成单晶棒进行硅片切割加工;多晶硅铸锭,进行铸锭、切片),太阳能电池生产环节,组件封装环节,光伏系统应用/应用产品生产环节。

图11.5 光伏产业链

在整个光伏产业链中,多晶硅原料生产环节的毛利率最高,具有资金密集、技术密集、高耗能、回收周期长等特点,进入壁垒最高。目前,提纯高纯硅的工艺基本上处于全球7大厂家的垄断控制之中,主要分布在德国、日本、意大利以及挪威等国家。我国的光伏设备制造企业也已经采用改良西门子法进行多晶硅的生产,但由于一些关键技术尚未掌握,故成本较高,污染严重。

硅片、电池、组件生产环节毛利率基本在10%左右,硅片切割环节由于切割厚度以及破片率等方面的要求较高,也存在一定的进入壁垒;电池生产环节具有技术密集、工艺和设备要求高等特点,进入壁垒较高,电池的转换效率决定了处于该环节企业的盈利能力;组件生产环节的技术和资金门槛最低,也是我国企业大量生存并不断涌入的环节。近年来,我国的太阳能电池生产公司扩张速度很快,生产加工水平与国际基本无差异,但与国外企业相比,具备劳动力成本低廉的优势。

总体而言,目前我国的光伏设备制造业已在国际光伏领域占有重要的地位,初步形成了相对完整的产业链,呈现出上游企业有所发展、中游企业迅速壮大、下游企业不断涌现的特点。

(二)供给特征

1. 供给水平[2]

受2010年和2011年连续两年全球范围内光伏设备制造产能非理性扩张的影响,2011年,全球光伏组件产能近80GW,达到历史最高水平,产能排在全球前三位的是中国、美国和日本,分别为49GW、6.7GW和6.0GW。其中,日本的产能利用率为62%,高于中国和美国。而当年全球光伏组件的产量为40GW,产能利用率只有48%,是2006年以来的最低值,至于当年的装机量,也仅有30.4GW。供需的严重偏离导致2012年组件价格延续了2011年下跌的趋势,从年初的0.9美元/瓦下降到年底的0.65美元/瓦,企业利润被挤压。2012年,整个光伏设备制造业出现了大面积的倒闭与兼并重组,2012年全球光伏组件产能下滑10%,降为72GW。

正如数据所显示的,中国目前是世界光伏制造的中心。2012年中国的多晶硅产能为15.8万MT,占全球的43%,产量为6.9万MT,占全球的32%;光伏组件产能为37GW,占全球的51%,产量为22GW,占全球的54%。在经历了2012年的产业大规模整合后,我国的组件制造产能由2011年的49GW下降至37GW,下降了25%。

按组件分类来看,2012年全球晶体硅组件产能为67.5GW,占全球光伏组件的83%;薄膜和聚光光伏组件的产能分别为12.7GW和800MW。2012年全球薄膜组件产能为12.74GW,其中硅基薄膜组件以7.23GW的产能排在薄膜类组件的首位,但产能利用率只有32%,低于铜铟镓硒和碲化镉组件的产能利用率。图11.7为我国晶体硅和薄膜两类光伏组件的产能状况。2012年,我国晶体硅组件产量约为21GW,产能利用率为62%;薄膜组件产量约为660MW,产能利用率为30%。

2011年,我国光伏制造的产能/安装量比值为19.6,2012年降至7.4,高出全球平均水平2倍多(全球平均水平为3.2)。预计到2015年,我国和全球的产能/安装量比值将会降到3.7和1.7。

2. 成本结构

光伏设备制造产能在过去几年中快速扩张的同时,制造技术也越来越成熟,生产效率和管理水平都有了较大幅度的提升,光伏产业链从多晶硅原材料、组件到逆变器的生产成本和价格也在迅速降低。根据欧洲光伏产业协会的数据,光伏发电的成本正在逐年下降,而常规发电的上网电价正在逐年升高(尤其是高峰电价);预计到2020年左右,光伏发电成本可以达到常规消费电价的峰值水平。这时光伏发电就可以不再依赖补贴与常规电力展开竞争。图11.8为2012年国内光伏组件价格及成本。

图11.6 中国多晶硅制造产能与趋势

资料来源:SEMI:《2013中国光伏产业发展报告(白皮书)》。

图11.7 中国光伏组件制造产能现状与趋势

资料来源:SEMI:《2013中国光伏产业发展报告(白皮书)》。

图11.8 2012年国内光伏组件价格及成本

资料来源:SEMI:《2013中国光伏产业发展报告(白皮书)》。

图11.9 组件成本构成

资料来源:华泰联合证券研究所。

(三)需求特征

1. 太阳能资源状况

相比于石油、煤炭等传统能源,太阳能有着无可比拟的优点,具体包括:覆盖全球,不受地域限制;清洁无污染,转换过程无燃料消耗、零排放、无噪声;资源丰富;利用寿命无限等。太阳能的主要不足包括辐射密度很低、不稳定等。

中国是全球太阳能资源最丰富的国家之一。根据1971～2000年近30年的资料,我国太阳辐照强度年均1 050～2 450(KW·h)/m2,大于1 050(KW· h)/m2的地区占国土面积的96%以上。每年太阳辐射到我国960万平方公里土地上的能量,理论上相当于17 000亿吨标准煤。按照太阳总辐照量空间分布,将我国太阳能资源划分为四个区域,如图11.10和表11.1所示:

图11.10 中国太阳能资源区划

表11.1 中国太阳能资源区划表

如表11.1所示,我国太阳能资源丰富地区(Ⅰ带、Ⅱ带与Ⅲ带)共占国土面积的96%以上,适于光伏设备装机,从而能够充分利用太阳能发电满足用电需求,具有很强的市场潜力。

2. 装机容量

近年来,我国的光伏装机量增长迅猛。2011年,装机量为2.5GW,2012年达到5GW,增速达100%,累计装机量8GW,预计2013年新增装机7GW。

图11.11 2005～2013年中国光伏装机容量

资料来源:SEMI:《2013中国光伏产业发展报告(白皮书)》。

3. 中国光伏发电具有潜在的巨大市场[3]

(1)农村电气化的潜在市场

截至2005年底,中国还有大约270万户、1 200万无电人口,其中100万无电户需要在2020年以前采用光伏和风光互补发电系统解决用电问题。如果按照脱贫标准(每户装机200Wp,每年每户用电200KW·h)估算,预计总装机容量为200MWp;如果按边远地区城市用电标准(每年每户用电1 000KW·h)估算,则潜在市场容量是1 000MWp。

(2)与建筑结合的光伏发电系统BIPV

目前全世界大约有70%以上的太阳能电池用于并网发电系统,而并网光伏发电中的90%是以与建筑结合的方式(BIPV)安装在城市建筑上。中国现有可利用屋顶面积约89亿平方米,加上南向墙面可利用面积大约为96.1亿平方米,合计185.1亿平方米。如果按照每平方米安装120峰瓦光伏电池,则可以装22亿千瓦光伏发电系统(2 200GWp)。

(3)大规模光伏(LS-PV)荒漠电站

我国12%的国土面积为不能用于耕作的沙漠、戈壁、荒地和滩涂,总面积为128万平方千米。我国的荒漠主要分布在光照资源丰富的西北地区,其年总辐射在1 600(KW·h)/m2以上。如果按照每平方千米安装40MWp算,用2.5%的荒漠来安装太阳能电池,装机容量就将达到1 000GW以上。

[1] 中华人民共和国工业和信息化部:《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》,2012-02。

[2] 国际半导体设备材料产业协会(SEMI),欧洲光伏产业协会(EPIA)。

[3] 中国能源中长期发展战略研究项目组:《中国能源中长期(2030、2050)发展战略研究——可再生能源卷》,科学出版社2011年版。