光伏基础知识
光伏基础知识
4个问题
什么是太阳能光伏? 光伏产业链是什么? 光伏产业链有哪些环节? 中国现阶段的光伏市场及未来如何?
首先需要明确的一、二、三、四、
第一部分 太阳能光伏简介
第一节 太阳能简介
一、什么是太阳能
太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量,是各种可再生能源中最重要的基本能源,也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达1.05×1018 千瓦时,相当于1.3×106 亿吨标准煤,大约为全世界目前一年耗能的一万多倍。按目前太阳的质量消耗速率计,可维持6×1010 年,可以说它是“取之不尽,用之不竭”的能源。
地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能,所以广义的太阳能所包括的范围非常大,狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。
太阳能的利用主要通过光—热、光—电、光—化学、光—生物质等几种转换方式实现。 二、太阳能光热转换
现代的太阳能科技可以将阳光聚合,并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。集热式太阳能。原理是将镜子反射的太阳光,聚焦在一条叫接收器的玻璃管上,而该中空的玻璃管可以让油流过。从镜子反映的太阳光会令管子内的油升温,产生蒸气,再由蒸气推动器轮机发电。
除了运用适当的科技来收集太阳能外,建筑物亦可利用太阳的光和热能,方法是在设计时加入合适的装备,例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。在适当地点,太阳能的长期使用成本已经接近甚至低于传统的化石燃料。
三、太阳能光电转换
光电转换又称太阳能光伏。就是利用太阳电池直接将太阳光能转化为电能,而太阳能电池通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换,因此太阳能发电又称为光伏发电。
太阳能板是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置,由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体太阳能电池组成。由于没有活动的部分,故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源,较大的光伏系统可为房屋照明,并为电网供电。
太阳能板可以制成不同形状,而又可连接,以产生更多电力。近年,天台及建筑物表面开始使用光伏板组件,被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分,这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。
第二节 太阳能光伏简介 一、太阳能光伏概况
太阳能光伏技术是将太阳能转化为电能的技术,其核心是可释放电子的半导体物质。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富,可以说是取之不尽、用之不竭。太阳能光伏电池有两层半导体,一层为正极,一层为负极。阳光照射在半导体上时,两极交界处产生电流。阳光强度越大,电流就越强。太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作,在阴天也能发电。其优点有:燃料免费、没有磨损、毁坏或需替换的活动部件、保持系统运转仅需很少的维护、系统为组件,可在任何地方快速安装、无噪声、无有害排放和污染气体等。
早在1839年,法国科学家贝克雷尔就发现,光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”,简称“光伏效应”。1954年,美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了光电转换效率为4.5%的单晶硅太阳电池,诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。
此后太阳能光伏产业技术水平不断提高,生产规模持续扩大。在1990-2006 年这十几年里,全
球太阳能电池产量增长了50 多倍。随着全球能源形势趋紧,太阳能光伏发电作为一种可持续的能源替代方式,于近年得到迅速发展,并首先在太阳能资源丰富的国家,如德国和日本,得到了大面积的推广和应用。在国际市场和国内政策的拉动下,中国的光伏产业逐渐兴起,并迅速成为后起之秀,涌现了无锡尚德、常州天合和天威英利等一大批优秀的光伏企业,带动了上下游企业的发展,中国光伏发电产业链正在形成。
据欧洲光伏工业协会EPIA 预测,太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。
世界能源结构预测(资料来源:欧盟联合研究中心,2004年)
第二部分 光伏产业链
硅系太阳能电池的产业链主要包括晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。我国光伏企业在这四个环节中均涉足颇深。 第一节 晶硅太阳能电池产业链 一、产业链构成
二、 光伏产业价值链分析
晶体硅太阳能电池产业链基本由五个环节构成,分别是高纯多晶硅原料生产、单晶硅拉制或多晶硅定向浇铸、硅片切割、电池芯片制造、组件及系统封装与应用。其中,进入壁垒最高的环节为太阳能级高纯多晶硅原料生产,由于其制造过程资金密集、技术密集、高耗能、回收周期长的特点,目前基本上被国际上7 大厂家垄断。其次,产业链中游的太阳能电池芯片(cell )制造进入壁垒较高,其制造过程主要是技术密集、工艺和设备要求高,电池芯片转换效率的高低决定了处于该环节企业的盈利能力。
太阳能电池的生产主要集中于欧洲国家、日本和美国,其中德国、西班牙、日本和欧盟集中了太阳能电池生产商,也是产品主要的需求国。目前,我国生产太阳能电池的企业主要有:无锡尚德太阳能电力有限公司、中电电气(南京)光伏有限公司、江苏韩华新能源有限公司、河北晶澳太阳能电源有限公司。除此之外,国内还有300 多家太阳能电池厂家,但是国内大多数厂商都只是购买电池芯片进行简单的组件封装工作,且产品品种单一。
在各产业链环节,其生产成本具有很大差异,因而所获利润也有较大差异,下面给出在整个产业链最终生产出太阳能电池的成本构成,如下图所示。当然这两6年以来由于多晶硅产能的急速扩张,硅材料的价格下降较多,电池成本有较大下降。
三、 全球厂商总体分析 产业链上厂商构成状况
由上表数据可知,整个光伏产业链产品供应商的数量呈金字塔形分布,位于最上端的多晶硅生产厂商相对较少,光伏发电晶体硅电池片以及组件厂商迅速增多,产能扩张较快。由于晶体硅电池片以及组件扩建周期较短,而处于上游环节的晶体硅原料企业扩张产能周期较长,整个产业链扩张并不能同步,硅原料厂企业产能扩张速度明显滞后于电池片以及组件企业。
另一方面,光伏发电与传统的发电设备不同,设备的维护和机械装置的制造难度相对较小。从目前全球光伏产业链的技术分析来看,下游的硅片、太阳能电池片、太阳能组件环节的生产技术已经相对成熟。国内企业近几年在这些领域发展的速度非常快,涌现出一批全球知名的太阳能电池生产厂商,如江西赛维、无锡尚德、天威英利等。而技术壁垒较高的原料高纯度多晶硅的提炼制造则发展相对较慢,不过近几年由于国内大批厂商的进入,原料环节供需失衡的状况有所缓解。 四、 光伏产业链各环节目前技术现状
第三部分 光伏产业链4大环节
第一节 晶体硅原料
一、多晶硅产能扩张后等待需求复苏
在光伏产业链上,多晶硅生产环节壁垒最高,建设周期长,难以迅速扩大产能,因此光伏市场呈现明显的供不应求局面。多晶硅在旺盛的需求带动上,价格一路攀升,2008年一度突破400美元/公斤,多晶硅的暴利使得更多资本进入多晶硅生产环节。
2007-2008 年,多晶硅的高额回报吸引了国内大批资金进入该产业。自2006年起,全球七大多晶硅厂商在下游企业预付定金、签订长期供应合约的情况下,开始进行大规模的太阳能级多晶硅生产线扩张,预计2010年七大厂商的产能将达到10万吨左右,产量预计在8万吨左右。同时我国国内各大厂商也扩建产能,积极引进多晶硅生产技术,经过2-3 年左右的建设、调试,2009-2011 年将是国内多晶硅产能释放的高峰期。根据各家企业在建、筹建项目和宣传规划简单推算,未来2-3 年间国内将形成8-9 万吨/年的产能,产量在6万吨左右。
光伏发电终端需求是影响多晶硅产业发展的决定因素。由于需求萎缩,2009年多晶硅产业供大于求的特征明显。
2010 年,需求复苏,供需关系有望修复。目前多晶硅含税价格降至50-60
美元/吨,已经达到现阶段国内大部分企业的综合成本线,因此价格短期内基本见底,但较难回升。
美国道康宁 德国瓦克 挪威REC 美国MEMC 日本三菱 日本德山 日本住友
二、多晶硅生产工艺
多晶硅材料在太阳能电池组件成本中占很大比例,是重要的细分行业。在生产高纯多晶硅的技术方面,目前多种生产工艺路线并存,国际上多晶硅生产主要的传统工艺有改良西门子法、硅烷法、流化床法和冶金法,如下表所示:
多晶硅售价降至行业综合成本线反衬出成本和质量的重要性。这也是未来几年中多晶硅企业竞争的焦点。国内大部分企业所采用的是改良西门子法。
改良西门子法制多晶硅的生产成本主要包括三氯氢硅、电费和折旧。(1)三氯氢硅是原材料,转换效率约为10:1,目前售价约为1 万元/吨。三氯氢硅是氯碱化工的副产品,多晶硅企业可外购也可自行合成(氯化氢+工业硅粉)。(2)电费是重要的生产成本。多晶硅生产是连续过程,生产周期5-7 天,其中还原环节、氢化环节耗电量大。多晶硅单位耗电量与企业生产规模、生产稳定性(启/停设备耗电量大)、工艺成熟度有很大关系。目前千吨级、且工艺较成熟多晶硅企业国内领先的千吨级多晶硅企业目前的完全成本约为50 美元/kg。未来节省成本的空间在于单位耗电量的降低、副产品四氯化硅的循环再利用(节省三氯化硅)、精馏环节的节省、生产规模扩大后的其他单位成本和费用的降低。
第二节 硅片
铸锭与硅片的切割是整个产业链中重要的环节,目前其毛利率仅次于硅原料的生产环节。硅片主要包括单晶硅和多晶硅,工序包括多晶硅铸锭(单晶硅生长)、切块、线切割片、抛光清洗等。
其中单晶硅硅片以高纯的单晶硅棒为原料,或者使用半导体加工的头尾料和废次单晶硅材料,经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。多晶硅硅片以多晶块料或单晶硅头尾料以及锅底料,破碎后经过适当的腐蚀,然后用去离子水冲洗呈中性并烘干,用石英坩埚装好,加人适量硼硅,放人浇铸炉,在真空状态中加热熔化。熔化后保温一段时间,注入石墨铸模中,待凝固冷却后,即得多晶硅锭。硅片制备工艺不断提高,硅材耗量逐渐降低。目前,硅片切割厚度已经可以降至160um ,多晶硅用量降至8g/Wp。
第三节 太阳能电池片
一、太阳能电池分类
太阳能电池根据所用材料的不同,太阳能电池还可分为:晶硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池等。
1.晶硅太阳能电池
晶硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
(1)单晶硅太阳能电池
目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为19%左右,最高的达到24%,这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的技术也最为成熟但制作成本很大,以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装,因此其坚固耐用,使用寿命一般可达15年,最高可达25年。单晶硅太阳能电池的构造和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。
(2)多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多,但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少,其光电转换效率约17%左右。从制作成本上来讲,比单晶硅太阳能电池要便宜一些,材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展。此外,多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。 多晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料,而制造这些材料工艺复杂,电耗很大,在太阳能电池生产总成本中己超二分之一。
(3)非晶体薄膜太阳能电池
非晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同,工艺过程大大简化,硅材料消耗很少,电耗更低,成本低重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,它的主要优点是在弱光条件也能发电,有极大的潜力。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低,目前国际先进水平为10%左右,且不够稳定,随着时间的延长,其转换效率衰减,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
2.多元化合物薄膜太阳能电池
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐,其主要包括砷化镓III-V 族化合物、硫化镉、
硫化镉
及铜锢硒薄膜电池等。
硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。
砷化镓(GaAs )III-V 化合物电池的转换效率可达28%,GaAs 化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率, 抗辐照能力强, 对热不敏感,适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲, 因而在很大程度上限制了用GaAs 电池的普及。
CIS 铜铟硒薄膜电池(简称CIS )适合光电转换,不存在光致衰退问题,转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源,由于铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这类电池的发展又必然受到限制。
3.聚合物多层修饰电极型太阳能电池
在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势,在导电材料(电极)表面进行多层复合,制成类似无机P -N 结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,电子转移方向只能由内层向外层转移;另一个电极的修饰正好相反,并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时.光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上,还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移,只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液,因此外电路中有光电流产生。
由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本底等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始,不论是使用寿命,还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品,还有待于进一步研究探索。
二、太阳能电池的原理
太阳能光伏电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管。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。这就是光生伏特效应太阳能电池的工作原理。
由于半导体不是电的良导体,电子在通过p-n 结后如果在半导体中流动,电阻非常大,损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属,阳光就不能通过,电流就不能产生,因此一般用金属网格覆盖p-n 结,以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮,会反射掉大量的太阳光,不能被电池利用。为此,科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜,将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限,于是人们又将很多电池(通常是36个)并联或串联起来使用,形成有比较大输出功率的太阳能光电板。
第四节 太阳能光伏组件与光伏系统分类
一、太阳能光伏组件的基本构成:
1 钢化玻璃 :其作用为保护发电主体(如电池片),透光其选用是有要求的,1. 透光率必须高(一般91%以上);2. 超白钢化处理
2 EVA :用来粘结固定钢化玻璃和发电主体(如电池片),透明EVA 材质的优劣直接影响到组件的寿命,暴露在空气中的EVA 易老化发黄,从而影响组件的透光率,从而影响组件的发电质量除了EVA 本身的质量外,组件厂家的层压工艺影响也是非常大的,如EVA 胶连度不达标,EVA 与钢化玻璃、背板粘接强度不够,都会引起EVA 提早老化,影响组件寿命。
3 电池片 :主要作用就是发电,发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片,两者各有优劣。晶体硅太阳能电池片, 设备成本相对较低,但消耗及电池片成本很高,但光电转换效率也高,在室外阳光下发电比较适宜薄膜太阳能电池,相对设备成本较高,但消耗和电池成本 很低,但光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点,但弱光效应非常好,在普通灯光下也能发电。如计算器上的太阳能电池
4 EVA :作用如上,主要粘结封装发电主体和背板。
5 背板:作用,密封、绝缘、防水(一般都用TPT 、TPE 等)材质必须耐老化,现在组件厂家都质保25年,钢化玻璃,铝合金一般都没问题,关键就在与背板和硅胶是否能达到要求。
6 铝合金 :保护组件,起一定的密封、支撑作用
7 接线盒 :保护整个发电系统,起到电流中转站的作用,如果组件短路接线盒自动断开短路电池串防止烧坏整个系统,接线盒中最关键的是二极管的选用,根据组件内电池片的类型不同,对应的二极管也不相同
8 硅胶 :密封作用,用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶,现在国内普遍使用硅胶,工艺简单,方便,易操作,而且成本很低。
电池串主要结构:
1 电池片 发电主体,单片,功率、电流、电压都很小
2 焊带 用来串联电池片的载体,起导电的作用,主要成分是铜,要求电阻率低,组件如果内电阻太大,其性价比就大大降低了
3 汇流条 用来连接电池串的载体,其宽度一般是同一块组件焊带的2.5-4倍,因为电池串的电流电压都远高于电池片
二、光伏系统构成
光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统,太阳能户用电源系统,通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。
并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性,可以根据需要并入或退出电网,还具有备用电源的功能,当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能,一般安装在较大型的系统上。
第四部分 中国光伏市场概况
第一节 中国太阳能资源
从全国来看,我国是太阳能资源相当丰富的国家,总辐射量大致在930--2330千瓦小时/平方米/年之间。绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/㎡以上,西藏最高达7kWh/㎡。大体上说,我国约有三分之二以上的地区太阳能资源较好,特别是青藏高原和新疆、甘肃、内蒙古一带,利用太阳能的条件尤其有利。根据各地接受太阳总辐射量的多少,可将全国划分为四类地区。
一类地区
为中国太阳能资源最丰富的地区,日辐射量>5.1KWh/㎡。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰富,最高达日辐射量6.4KWh/㎡,居世界第二位,仅次于撒哈拉大沙漠。
二类地区
为中国太阳能资源较丰富地区,日辐射量4.1~5.1KWh/㎡。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
三类地区
为中国太阳能资源中等类型地区,日辐射量3.3~4.1KWh/㎡。主要包括山东、河南、河北东南部、、吉林、辽宁、云南、陕西北部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。
四类地区
是中国太阳能资源较差地区,日辐射量
尽管中国是一个能源生产和消费大国,但我国能源开采和利用技术落后,传统高能耗产业比重大,单位GDP 能耗落后于发达国家。同时中国又是世界上最大的发展中国家,经济高速发展,中国能源消耗增长速度居世界首位,加剧了中国能源替代形势的严重性和紧迫性。
我国目前能耗中将近70%由煤炭供给,人均能源资源不足世界平均水平的一半。这种过度依赖化石燃料的能源结构已经造成了很大的环境、经济和社会负面影响; 如不抓紧加大清洁能源比重,改善能源结构,到2015年我国的总排放将超过美国成为全球第一温室气体排放大户,按此趋势发展,预计到2020年,我国CO2的排放量将占全球总排放的28%。我国的自身环境和国际舆论都不允许
我们走这条路。
中国电力科学院的研究表明,在考虑到充分开发煤电、水电和核电的情况下,2010年和2020年电力供需的缺口仍然分别为6.4%和10.7%,如下图所示。这个缺口正是需要用可再生能源发电进行补充的。而太阳能光伏发电可能在未来中国的能源供应中占据主要位置。
图2 2010年和2020年中国电力形势(资料来源:我国能源中长发展战略研究专题报告[2004])
我国太阳能资源丰富,取之不尽,用之不竭,同其它技术,如小水电、风力发电、紫油发电等相比,尽管光伏发电的成本在目前还比较高,但光伏发电资源普遍,系统结构简单,体积小且轻,运行维护简单,清洁安全、无噪声、可靠性高、寿命长,经济性有比较优势。无论从能源安全的长远战略角度出发,还是从调整和优化能源结构需求考虑,大力发展光伏发电都是保障我国能源安全的重要战略措施之一。
二、多晶硅产能快速扩张
在过去几年里,国内多晶硅产量和产能都处于快速扩张之中。2007 年国内投产的项目有洛阳中硅、新光硅业、江苏中能、东汽峨嵋,这4 家当年产量1130 吨。2008 年新投产项目有10 家。2009 年1 月投产2 家。在建还有30 家左右。总产能超过8 万吨,按8g/w,可供应10GW 。这些项目绝大多数用的是西门子改良法生产工艺。
三、电池片产量占据全球四成
太阳能光伏发电系统应用的市场主要在欧美以及日本等一些发达国家和地区,整个市场基本处于一种供不应求的状况,而且原料基本由国外进口,大的公司基本都已经建立相应的供求关系,因此对国内相关电池片、电池组件的企业之间来说,难以形成实质性的正面竞争。另外国内电池片、电池组件以及系统的生产技术已经得到国际市场认可,在技术上接近或者领先国际水平,加上国内便宜的能源以及廉价的劳动力,国内生产电池片、电池组件以及系统具备一定的竞争力。
2002 年以来,我国的光伏制造能力实现了跨越式的发展,电池生产能力迅速提升,一大批组件封装企业纷纷涌现,无论是电池生产规模还是组件生产规模,都迅速向世界光伏制造大国迈进。
2002 年中国光伏制造首次跻身世界10 强,电池和组件产量均位居世界第七;2003 年中国电池产量和组件产量分别排名世界第六和第五;2004 年以来,中国的光伏制造处于年均增幅超过100%的高增长期,增速超过全球平均水平;2005 年中国光伏电池和组件制造又全面跻身世界四强;2008 年我国共有太阳能电池生产企业近62 家,总产能3000MW ,电池片产量2000MW 左右,占全球产量的近四成。共有组件企业330 家,总产能4000MW ,产量2000MW 左右。国内主要电池企业产量和产能情况见下表。
2000年-2008年中国电池产量(MW )
中国排名前8位的电池生产企业产量 (MW )
第二节 未来投资热点
一、BIPV —光伏新兴市场
太阳能光伏建筑一体化BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 是应用太阳能发电的一种新概念,是将光伏组件或材料集成到建筑上,使其成为建筑物不可分割的一部分,光伏组件发挥遮风、挡雨、隔热等功能,拿开光伏组件之后建筑将失去这些功能。BAPV(光伏组件附着在建筑上) 是指通过简单的支撑结构将光伏组件附着安装在建筑上的形式,不会增加建筑的防水、遮风的性能。通常所说的光伏屋顶即属于此范畴。
早期的光伏建筑以BAPV 为主,近期光伏建筑以BIPV 为主。BIPV 组件可以划分为两种形式:一种是光伏屋顶结构,另一种是光伏幕墙结构。将光伏发电与建筑结合具有明显的优势:
1. 建筑耗能占到总能耗的50%,两者结合可以有效地削减建筑用电;
2. 发电上网最为方便,不需要架设输电线路,既可以省去输电费用,又可以降低电力输送的损耗;
3. 发电不需要额外用地;
4. 避免了放置光电阵列的额外占用宝贵的建筑空间与建筑结构合一,省去了单独为光电设备提供的支撑结构,并可代替常规建筑材料,节省材料费用;
5. 减少城市热能效应,由于光伏陈列安装在屋面和墙面上,并直接吸收太阳能,避免了墙面温度和屋顶温度过高,降低了空调负荷,并改善了室内环境;
6. 光伏发电可以安装在任何地方,较风力发电相比,更能够被人们接受。根据某权威机构预测,到2010 年,世界光伏工程中的光伏玻璃幕墙组件需求将会上升到1,600 万平方米。
为了减少能耗,降低污染、调整能源结构,各国政府纷纷推出BIPV 相关计划。美国在1997 年便开始实行“百万太阳能屋顶计划”,到2010 年美国将有325 个城市拥有太阳能发电的屋顶。英国政府实施百万“绿色住宅”建筑计划,主要通过税收优惠政策鼓励居民在10 年内建设100 万栋“绿色住宅”。日本政府的计划目标是,到2010 年安装5,000MW 屋顶光伏发电系统,政府补贴屋顶计划的经费高达9,200 万美元。
二、聚光太阳能(CPV)将成为未来之星
第三代CPV 发电方式正逐渐成为太阳能领域的焦点。光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池,目前产业化进程正逐渐转向高效的CPV 系统发电。与前两代电池相比,CPV 采用多结的III-V 族化合物电池,具有大光谱吸收、高转换效率等优点;而且所需的电池面积不大,以相对廉价的聚光器件替代昂贵的半导体材料,在大规模应用于发电时可有效降低成本、降低生产能耗。
CPV 系统具有转换率优势和耐高温性能。硅电池的理论转换效率大概为23%,单结的砷化镓电池理论转换效率可达27%,多结的III-V 族电池对光谱进行了更全面的吸收,其理论转换率可超过50%。即使考虑到聚光和追踪所产生的误差损失,目前的CPV 系统转换效率可达25%,高于目前市售晶硅电池17%左右的转换效率。此外,GaAs 系电池的高温衰减性能强于硅系电池,更适合应用于日照强烈的荒漠地区。
CPV 将长期与晶硅、薄膜电池共存。CPV 由于系统的复杂性,较适用于大型的光伏发电电站,可采用统一的追日控制方式和冷却系统。而晶硅和薄膜电池更适用于较小型的家用和商用发电系统,长期来看,CPV 并不会完全取代晶硅和薄膜电池的市场,正如薄膜电池不会完全取代晶硅电池。
市场规模具备高速增长潜力。目前全球的CPV 装机不到200MW ,预计今后几年内,随着技术优势和成本优势的体现,市场规模将有爆发式的增长,未来10 年年均增速预计在40%以上。到2020 年行业总产值可达500 亿元左右。我国目前仅有少量示范电站,未来随着光伏装机容量的提升,CPV 的市场也将逐渐打开。
CSP 也将逐渐步入规模化应用。CSP 系统主要是对太阳能聚光产生的热量进行利用,CSP 虽然不需使用光伏电池,但依然需要大量的光学聚光器。预计2015 年新增装机将达到5.5GW 。