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光伏行業的發展回顧,技術路線和產業格局

光伏行業的發展回顧,技術路線和產業格局

本篇將介紹光伏產業發展史,光伏技術路線和光伏的產業格局,目的是想讓對光伏行業不了解的人,對光伏行業有初步的了解。

I. 光伏產業發展簡要回顧

從1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒(Se)的光伏效應並製作第一片硒太陽能電池算起,今年恰好是晶硅光伏電池誕生140周年;雖然「光伏」這個詞誕生已久,算得上是一個老壽星,但光伏對於大多數人來講還是新事物,因為光伏真正低成本規模化應用是近幾年內的事情。

光伏真正的大規模商業化應用是從德國開始的,2000年德國頒布《可再生能源法案》,確保光伏電全額上網、基於光伏電站高額補貼(5元/Kwh)並承諾一旦獲得補貼備案就能保障20年補貼不變。

早期光伏發展過程中,德國扮演了極其重要的角色,以2012年為例,當年德國光伏裝機容量3.83GW,占當年全世界總裝機量52.3%。德國對光伏產業的起步以及初期發展起了至關重要的作用。當然,也正是因為德國過於高的重要性,導致2011年德國補貼政策退出以後,給光伏行業造成了第一次嚴重打擊,光伏行業迎接了第一次成人禮。

的光伏裝機容量迎來爆髮式的增長是在2011年以後的事情;當時歐美雙反政策導致光伏行業陷入全行業虧損的窘境,國家為了挽救困境中的光伏產業,避免嬰兒期的光伏業慘遭滅頂之災,制訂了光伏標杆上網電價政策(1元/kwh)並承諾保持25年補貼不變,由此,光伏裝機量迎來爆髮式增長。

2008年光伏裝機容量僅為145MW,而2016年光伏裝機容量達到了34.54GW,是2008年的238倍。2016年全球總裝機容量76GW,裝機量佔世界總裝機量的45.4%;今年630搶裝潮更加激進,樂觀預計全年裝機容量會超過40GW,佔全世界總需求的50%以上,的需求對世界光伏業舉足輕重,的一舉一動與世界光伏業的命運將緊密相聯。

回顧歷年光伏裝機數據我們就知道,光伏產品大規模的走進千家萬戶成為我們看得見、摸得著的生活中的產品也就是最近五、六年的事情。所以,「光伏」是一個老名詞,更是一個新事物。伴隨著光伏裝機規模的持續增長的背後其實是成本的不斷下滑,一系列的最新技術不斷的在光伏產品上得到商業化應用,成本保持每年10%以上的下滑速度,回顧光伏發展史也就是回顧光伏產品成本下降史。

如果放在一個較長的時間軸上來看,光伏組件的價格一直在穩步下滑,光伏的本質是半導體行業,摩爾定律在光伏行業一直發光發熱,展望未來,一系列能降低光伏組件成本的技術正在或即將得到應用,成本下降的趨勢將會一直持續下去。在這個「漂亮的、穩定向下」的曲線中,這是一場新能源「革命」,一場對煤炭的革命、對石油的革命!對世界能源格局和地緣政治的革命!

II. 技術路線的選擇和產業格局(產業全景圖)

i. 晶硅電池路線是經過慘烈淘汰賽脫穎而出的電池路線

經過多年的發展,晶體硅電池路線基本確立了它的王者地位;之所以選擇晶硅電池路線絕非某個人的意志,更不是某個偶然,而是晶硅電池路線在眾多光伏電池路線當中可以完美的平衡成本、壽命、轉化效率等不同要素。

光伏電池組廠家承諾質保25年(即25年後功率依然能達到初始功率的80%以上),保證如此長的壽命的同時又要保證成本足夠低、效率足夠高,能同時完美滿足多方面要求的電池只有晶硅電池。新聞報道中時常會有很多噱頭,動輒就高呼替換既有技術路線,最近比較火的「鈣鈦礦」電池,宣傳說理論轉化效率會高達50%(晶體硅電池理論最高轉化效率為30%),成本只有晶體硅電池的十分之一;但很多人卻不知道鈣鈦礦電池壽命只能論小時來計,壽命問題難以解決;亦或者有人宣稱「多結電池」轉化效率可以高達45%,是晶硅電池效率的2倍有餘,卻不知道「多結電池」成本高昂,只能應用於航天航空領域。

不熟悉光伏產業的人總會莫名其妙的擔心「技術替代」的問題,擔心當前一些企業的優勢可能會被替代掉;但我可以負責任地說:這些擔心都是多餘的,光伏產業經過十幾年的商業化應用,晶體硅電池路線是唯一成熟、穩定、可選的技術路線;是經歷了一輪又一輪淘汰賽而勝出的技術路線。

實際數據也貼合這一判斷,當前晶體硅電池路線佔據95%以上的市場份額,其他紛繁複雜的路線只是在眾多細分領域分享剩餘的5%,如果要想描述光伏產業的產業鏈格局,只需要描述晶體硅電池的產業鏈就足夠了。

ii. 晶體硅電池的產業鏈全景圖

從最上游的原材料到最終的光伏組件產品,需要經過多晶硅料、硅錠/硅棒、光伏電池片、光伏組件等四個環節。現在我們就介紹了解一下這四個環節,以便描繪出光伏產業全景圖。

1. 多晶硅料

多晶硅料是半導體行業的基礎原料,自然也就是光伏產業的基礎原料。

多晶硅的製作流程大致為:通過冶鍊工藝將SiO₂冶鍊還原為98%純度的工業Si,再通過改良西門子法或者硅烷流化床法進一步把工業級Si提純到99.9999%的太陽能級多晶硅。由於提純純度要求高並且還原過程高載能,這也使得硅料成為晶硅光伏電池能耗最大的一個環節。幾年前的技術水平,還原1kg多晶硅需要120度電,這些年伴隨著技術進步,提煉1kg的多晶硅的能耗越來越低,一線廠家1kg多晶硅提煉僅需要60度電;與此同時,一大批廠家在應用「硅烷流化床」這項革命性的技術,可以把1kg硅料的電耗降低到25度電。

多晶硅生產是資本密集和技術密集的環節,早2010年的時候,1萬噸硅料產能的投資成本高達100億且沒有足夠生產能力,大部分依靠進口。近幾年多晶硅產能投資成本大幅下滑,四川永祥新建5萬噸多晶硅產能的總投資僅80億元,單位產能的投資成本只有原先的十分之一。

在2011年雙反的時候,90%的多晶硅都依賴進口,而近幾年一大批國內廠家崛起,而歐美老牌企業衰退明顯。國內廠商崛起的另一個效應是成本大幅下滑,新疆大全新能源是成本控制較好的廠商之一,1kg硅料的現金成本控制在8美元以內。而江蘇的保利協鑫一躍成為世界最大的硅料廠商;東方希望集團是2017年才正式殺入這一領域,規劃產能更是驚人,達到12萬噸,產能是保利協鑫的1.7倍。

2. 單晶組件製造流程

單晶電池組件的製造始於單晶爐,在單晶爐中將「籽晶」放於旋轉軸上讓硅晶體圍繞其緩慢生長,經過緩慢的生長過程,一根根內部晶粒有序、排列方向一致的「單晶棒」就出爐了。

單晶爐的生長特徵使得每一根單晶棒都是圓的,此時如果直接切片生產圓形的單晶片則不利於電池組件的空間利用,所以單晶電池生產過程中還必須要有一個切方的過程。

切方后的單晶棒就要放入切片機台切成一片片厚度為150um~190um單晶矽片,這些年伴隨著金剛線切割技術日益成熟,單晶硅領域已經完全普及金剛線切割的新技術。金剛線是一根根細如髮絲(80um左右)又韌度、銳度極高的金剛線。應用這項技術以後,一根長度為650nm的單晶棒僅僅需要2小時就會被切割成兩千多張單晶片。

矽片僅僅是基礎,需要經過處理以後才會具有導電、發電的特性;在製作電池片過程中需要制絨工藝使得表面凹凸不平,從而有利於光子的捕獲;為了獲得最良好的導電性能,電池片往往採用銀漿導電。電池片上的白亮色就是鍍上去的銀漿用於導電。

3. 多晶組件製造流程

多晶的製造流程就相對「粗放」一些,在多晶爐中直接融化多晶硅製作成「多晶硅錠」,由於是直接鑄錠而非緩慢生長,硅錠的內部晶粒相對雜亂無章一些(正是這一原因導致多晶組件的轉化效率相對較低)。同時也正是因為這樣的製造流程,多晶硅錠在鑄造的過程中就直接鑄造成為「方形硅錠」而無需切方流程,製作出來的矽片也是完美的正方形(單晶矽片的四角則為圓弧)。

多晶組件和單晶組件的核心區別就在於鑄錠的流程不同,單晶是通過單晶爐緩慢有序生長,而多晶則是通過直接融化多晶硅快速成錠的方式。他們在切片以及製作組件等環節區別不大。

了解了上述流程,區分單晶組件和多晶組件就十分容易。單晶矽片由於四個角均為弧形,所以封裝成為組件之後單晶組件會有留白,會有大約3%的封裝損失。而多晶矽片為完美的正方形,不存在這方面的封裝損失,這使得多晶組件一定程度上彌補了效率。

4. 當前光伏產業上的格局

雖然光伏產業大致可以分為硅料、矽片、電池片、組件等四個產業環節,但是產業上的公司卻並不完全按照這些生產環節劃分,不同公司上下游擴張現象明顯,例如:保利協鑫以生產製造多晶硅料起家,但是幾年前開始轉向銷售矽片,近些年又開始進一步向下游擴張,開始生產組件。以前的一線組件大廠也不斷向上游擴張產能,逐步擴充電池片、矽片的產能,執行垂直一體化的政策,以求避免產業不同環節的波動風險,把最大的利潤留給自己。

當前最大的幾家組件大公司例如晶科能源、天合光能、阿特斯、晶澳太陽能等都有很充沛的上游產能,已經不能再簡單的用「組件廠家」來定義他們。而且這些一線組件大廠有自己很好的品牌形象,他們的向上擴充產能直接壓縮了中游小廠的生存空間。所以當前光伏產業大致分為兩個勢力集團,一方面是「硅料」廠,他們大多數還沒有擴充到組件環節,憑藉著硅料的資本密集和技術密集形成了一定的行業集中度;另一頭則是組件大廠,他們幾乎涵蓋了從矽片開始的產業各環節。

光伏產業是一個技術快速更新迭代的產業,為了保持先進性,需要有足夠的資金實力和足夠的行業地位拿到最先進的技術和布局最先進的產能。就以最近如火如荼的金剛線切割革命為例,廠家需要購入全新切割機台,改造生產線以引入濕法黑硅工藝,這些都需要資金投入,而且最上游的設備廠商產能也吃緊,只能優先供應一線大廠。當前光伏產業已經進入了存量競爭的時代,光伏行業的種種因素都會導致強者恆強最終提升產業集中度。

這裡想再強調一下,光伏的技術是迭代的,而非跳躍式發展,這就意味著對光伏企業來說,他們的資本投入是長期有效的,不會存在設備突然的不適用,而我們提高的如金剛線的改進,也是在現有程序上改進成了金剛線的切割。

前五大光伏組件產業去年總出貨量28.15GW,佔去年總銷售量的37.04%,今年前五大企業預計出貨量會達到35GW,市場佔有率會進一步提升至43%,其中晶科能源增長最為迅速(負債率也相對偏高),預計2017年將會穩固光伏一哥的位置。這其中天合光能已經於去年退市,晶澳太陽能也提出了私有化邀約(6.8$)且這個私有化邀約沒比當前股價(6.5$)高多少,除非撤銷要約或者邀約不通過,不然晶澳太陽能上漲空間有限。剩下的幾大巨頭表現都非常好,而且即便經過這一輪暴漲,大部分公司股價依舊在凈資產一下,算是價值發現的一輪行情。

III. 總結

  • 光伏行業是一個老行業(已有140年歷史),但又是一個新行業(普遍應用就是近5年)。光伏行業經歷了應用地區從局部到全球,價格從昂貴到平民,應用場景從少到多的發展歷程。

  • 晶硅電池路線是經過慘烈淘汰賽脫穎而出的電池路線,其他技術路線已經很難勝出。同時,光伏的技術是迭代的,而非跳躍式發展。

  • 製造流程:多晶硅是把SiO₂冶鍊還原為98%純度的工業Si,再通過改良西門子法或者硅烷流化床法進一步把工業級Si提純到光伏所需的多晶硅;從多晶硅製造單晶組件和多晶組件的製造流程也有不同。

  • 光伏產業格局:硅料廠行業格局較為清晰,已形成一定的行業集中度;組件行業集中度較差,但一線組件大廠已經垂直整合,行業集中度正在提升。

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