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【光伏科普】光伏行业完整产业链解析
来源:光伏资讯     点击量:14558  2014-12-12 09:37:03

  一提到太阳能电池的产业链,一般人可能只会想到从多晶硅原料到电池板组件这个过程。

  其实从多晶硅原料到电池板组件的过程只是电池产业链中的很小的一部分,只是一些显而易见的环节,而真正的太阳能电池产业所涵盖的产业链非常广而大。从多晶硅到电池组件,其实只是光伏产业链的主原料链中的一部分。

  除了主原料链,还有辅料链,装备链和产业服务链。

  本文就简单地对这四个产业链来进行分析:

  一、主原料链:

  主原料链:这个主原料链就是通常人们所说的光伏产业链。源头是从蕴藏在大自然的硅石开始。而原料链的第一个环节就是金属硅的冶炼。

  1.1金属硅环节

  金属硅是用大自然界蕴藏极为丰富的硅石来冶炼的。硅石的成分是二氧化硅,也叫石英,纯些的就是水晶。从硅石到硅本质上是一个还原过程,因此还要用到还原剂碳,碳有直接用煤炭的,也有用木炭和焦炭的,近期光伏则主要用的是石油焦,原因其杂质较纯。

  金属硅出来之后,原料链按照不同的路线开始分叉。目前主流的技术路线是晶体硅的路线,而薄膜硅是另外一条路线。

  1.2晶体硅路线环节

  晶体硅光伏电池路线,是从金属硅开始,得到更纯的太阳能级的多晶硅,然后制作成电池的路线。对于从金属硅到多晶硅的提纯,分为两个主流路线,一个是化学法,也就是目前主要应用的西门子法,它是将金属硅先转变为三氯氢硅,然后再进行分馏和精馏提纯,得到高纯度的三氯氢硅后,再还原而成。

  另外一个方法,是物理法,目前统称为冶金法。它是直接对金属硅通过一些手段将杂质取出而得名。因为硅在整个提纯过程中未发生化学反应而得名。

  化学法的纯度较高,但能耗和成本也较高,污染处理成本较大。冶金法电耗低,成本低,无污染,但目前的纯度还比西门子略低一些。但生产光伏电池已经不存在问题了。

  多晶硅之后,晶体硅的工艺就比较一致,从多晶硅直接铸锭切片,然后制作电池;这就是多晶硅电池片的路线。从多晶硅先拉单晶,再切片,然后制作电池,这就是单晶硅电池的路线。

  电池片制得后,就是组件封装。组件封装其实也包括许多材料,如白玻璃,EVA等,但那些属于辅料,将在后面叙述。

  通常意义的光伏产业链就似乎到此为止了,其实,这只是光伏产业这个大冰山中露出的一角。

  1.3薄膜硅路线环节

  薄膜硅的源头,也是采用金属硅,先制成硅烷气,然后通过气相沉积技术在薄膜衬底上形成非晶硅薄膜,之后制作PN结,形成薄膜电池组件。

  除了用硅作为薄膜外,还有用碲化镉、砷化镓、和铜铟镓硒()等材料作为原料的。由于大自然所蕴含的所有元素中,硅占了四分之一多(27%),另外氧占了42%,因此,其余的元素很少。尤其是碲、镉、镓、铟等,都是电子行业和航天产业的极其宝贵的元素,如果用在光伏发电这样大规模的场合,无异于焚琴煮鹤。

  2009年9月某美国薄膜公司到中国内蒙号称要投资2000MW薄膜电站,但该公司要求在中国采购碲和镉,名义上是在中国设厂生产这些电池,但这里面的真实动机,就值得好好地打个大问号。因为碲和镉目前在世界上已经极为稀缺,欧美日列强觊觎中国的这些元素已经很长时间了。如果该公司在中国采购2000MW电池所需要的相关元素,那么,届时,即便将该电站全部送给中国,可能也不及这些资源流失所给中国造成的损失的什一。

  1.4光伏电站

  组件后的电站也包括不少东西,例如支架、汇流盒、电缆、逆变、追日系统、等,这些属于装备类,将在后面的设备链中细说。

  二、辅料链:

  光伏产业的辅料链在光伏产业中所占的比重非常大,但常常为人们所忽视。

  由于光伏最终产品涉及的辅料数量和品种较多,因此,这里以硅片为界,分为硅片前和硅片后两个部分。

  2.1硅片前辅料

  主要是提纯和生产多晶硅、单晶硅所用的辅料。包括:氯产品如盐酸、氯气、三氯氢硅等,氢气以及氢氯化所用的气体,多晶硅铸锭用的氮化硅粉,惰性气体,以及其它反应气体。

  在多晶硅铸锭时用到的石英坩埚,铸锭炉和单晶炉内用的石英坩埚(又分为石英陶瓷坩埚和石英玻璃坩埚),隔热用的碳毡(分为硬毡和软毡),以及工作时需要消耗的温度传感器件。

  此外,在多晶硅铸锭和单晶硅拉制时,还需要用到保护气体和反应气体。

  2.2硅片后辅料

  在硅片切割过程中,要用到切割线(包括钢线、钼线、金刚砂线)、切削液、金刚砂微粉(或称碳化硅微粉;在硅片切割后清洗时,要用到各类的碱、酸和纯净水。

  硅片切割后,进入电池片生产阶段,此时除了前期对于硅片的清洗制绒外需要各类酸碱和纯水辅料外,扩散还需要用到三氯氧磷气体,PECVD要用到硅烷气体,电极加工要用到银浆和铝浆,这些辅材的消耗量甚至不亚于主原料硅的价值。

  在组件加工方面,要用到白玻璃,EVA薄膜(近期也产生了用有机硅薄膜的新产品),铝合金框(最近开始使用工程塑料代替),还有各种粘结剂。

  在电站建设方面,则主要是电缆和支架材料。支架材料目前以钢结构为主,也有采用铝合金和工程塑料代替的。

  三、装备链:

  如果从产值上看,光伏产业价值最大、最先启动的市场,其实不是光伏电池和组件,而是装备市场。我们依然以硅片为分界线,分两部分来看。

  3.1硅片前装备

  首先,金属硅的冶炼需要矿热炉,还有除尘设备;此外变压器和破碎及硅石清洗设备也是免不了的,不过,由于金属硅产能现在中国是过剩的,因此,这些设备目前还算便宜。

  金属硅炼出来后,如果后面采用冶金法生产多晶硅,还需要用精炼炉进行炉外精炼。通常采用中频感应炉比较多,一台10000KVA的矿热炉,可能要配到10到20个5T标准铁容的中频感应炉。

  如果采用西门子法,那么,精馏塔、还原炉,氢化装置,氯化装置,这样一套装置造价不菲。随着国内的西门子法多晶硅厂的增加,相关设备国产化的程度也越来越高,现在,无论是精馏塔还是还原炉,已经都有国产的了,氢化装置(包括热氢化和冷氢化)和氯化装置也已经有了。

  如果采用冶金法,那么,粉末冶金设备,湿法冶金装置、真空熔炼装置是少不了的。

  多晶硅出来后,多晶硅的铸锭炉、单晶炉需求量更大,接着是破锭机、铸方设备、倒角抛光设备,硅片多线切割机、硅片清洗设备,等。

  可以看到,以上的装备量是非常巨大的。以多晶硅为例,到2009年底为止,中国的多晶硅总产量不到20000吨,按现价产值计算,还不到100亿人民币的产值,但中国在多晶硅厂所花费的设备投入至少已经1000多个亿下去了。而这个装备市场,却是被我国许多投资者和企业家所忽视的。

  3.2硅片后设备

  电池生产的清洗制绒设备,扩散炉、PVCED、丝印机、烧结炉,有了这些,才能生产出太阳能电池片。然后,层压机是将生产组件的主要设备,但是,玻璃的生产,EVA薄膜的生产,也同样需要大量的设备。

  组件出来后,要安装在支架上。如果是地面电站,还要加上追日(跟踪)系统,这些也属于光伏发电装备了。

  组件出来的直流电要经过逆变器、控制器才能变成交流电,如果要并网的话,还要有同期装置,对电网进行相位和频率跟踪才能并网。

  按目前的行情,组件价格大约是每瓦12元左右,而系统的造价大约每瓦为6~8元。也就是说,一个100MW的电站,系统地造价大约为6~8个亿人民币。如果按照总书记在纽约的承诺,2020年新能源发电达到15%,而其中只要有40%是光伏的话,年新增至少要达到1000GW,那么,设备价格即便降低一个数量级,按每瓦1元计,也将达到1万亿元人民币/年,因此,如果大规模上光伏电站的话,组件后的系统装备的市场也不可忽视。

  如果不是并网电站,而是用户端或离网型,那么,还要考虑储能系统,包括蓄电池和充放电控制系统。鉴于目前的铅酸电池在容量上和环保方面还有不少问题,因此,研究开发能够进行大容量、长寿命、高效率的储能装置,不仅是当务之急,而且也是一个潜力非常巨大的市场。

  四、光伏服务链

  除了上述的主原料、辅料和设备外,光伏产业还有一个潜力很大的链,就是服务链。服务链我们分为硬件和软件两方面。

  4.1光伏测试仪器设备

  光伏产业的服务链中,一个重要的环节是测试服务。测试服务贯穿于所有的主生产环节,也是前期研究和开发的重要技术保证。测试服务的水平,主要取决于测试分析设备。

  对于硅材料的生产来说,测试仪器包括,常规化验分析仪器,这在硅材料、尤其是多晶硅的生产是非常重要的。对于高纯度的硅材料,成份分析仪器有ICP-AES(等离子体原子光谱仪),ICP-MS(等离子体质谱仪),GDMS(辉光放电质谱仪),二次离子质谱(SIMS),均需要用来进行生产过程中的硅材料的杂质成份测试。此外,还有傅立叶红外分光光度计,用来测试碳氧的含量。

  而对于硅材料的研究方面来说,还有RBS(卢瑟福离子背散)测试,电子束显微技术(SEM扫描电镜、TEM透射电镜技术),EBIC(电子束诱导电流技术)、SPM(扫描探针显微学)、DLTS(深能级瞬态谱技术)、等,都是光伏材料研究不可缺少的设备。

  对于电池和硅片的生产,则主要有:电阻率扫描测试仪,少子寿命扫描(微波光电导、激光电导、波导法等),粒度测试,硅锭硅片探伤仪,单片光电转换效率测试仪,漏电流测试仪、组件转换效率测试仪,光度计等。

  长期以来,测试设备出了常规的化验分析设备外,绝大多数仪器我国还不能生产,还需要依赖进口。近年来,在电阻率测试、光电转换效率测试等方面,已经有了一定的进展,但取得国际权威机构认证和互认的还较少。测试仪器的缺乏,也是中国光伏行业不能快速发展的一个瓶颈之一。

  4.2光伏技术研发服务

  由于光伏产业目前还是一个幼稚的产业,无论从基础理论研究、材料研究还是器件研究、器件制造工艺,以及应用研究,都还处于一个产业成长期的极初级阶段,许多应当进行的研究都没有开始。制造工艺也还十分原始。因此,无论从企业还是从政府,对于研发进行足够的投入,都是意义十分巨大的。

  例如,光伏电池光致衰减的机理,温升衰减的机理和遏制措施,如何廉价地大规模生产光伏电池和组件,为什么光伏电池的原材料的成本和数量较低,但最终成本却很高?这些都是涉及到基础材料研究和制造技术的一些深层次的课题,需要进行大量的研发工作。而一旦这些研究取得突破,那么,光伏发电的成本就有可能在目前的基础上,再下降一个数量级,那时,光伏发电的普及将不再需要任何的补贴,而真正成为人类的光明使者和福音。

  4.3光伏教育培训服务

  光伏产业由于是一个新产业,因此,没有现成的人力资源。需要从半导体、冶金和制造业获得人才。但无论如何,各种等级的培训是不可缺少的。

  从基层说起,技术工人的培训上岗,是目前各个企业最急需的服务。良好的培训可以大大降低企业的成本,不仅是人力资源成本,更多的是生产成本和浪费的减少。

  对于中高层的技术人员,则需要进行光伏专业的本科和研究生教育。目前,中国已经有个别大学与光伏企业合作,开立了光伏方面的专业、甚至学院,但获得政府部门正式认可的还没有。

  随着光伏产业的发展,光伏产业大军将迅速扩大,最终仅中国的从业人员可能就要上千万之多,因此,职业教育和培训,也是一个不小的产业。

  4.4物流服务

  任何一个产业都会涉及到物流。但是,光伏产业对物流的需求,却往往被人低估。

  已多晶硅的生产为例,一万吨多晶硅,每年就需要进出大约三万吨的货物。更不谈金属硅了。而对于组件来说,仅仅一个100MW的光伏电站,就需要1000个40尺的集装箱车辆进行运输成品,而原料则更多。而电站的安装,支架的运输量要比电池组件大五倍左右,也就是需要5000个大型货车进行运输。

  如果按照胡总书记的新能源的15%的目标,每年光伏发电装机量将达到1000GW,那么,将需要50万辆货车来运送光伏组件和支架,这还没有包括前段的中间产品。因此,光伏产业对于物流的需求,将接近钢铁和煤炭对于运输的需求。

  五、结语

  以上,对于太阳能电池产业链做出了简单的概述。希望那些对光伏产业有兴趣的人能够从中得到一些有益的东西。现在的光伏产业还很年轻和幼稚,离成熟还很远,而这也正是这个行业的魅力所在。未来的光伏市场一片光明,让我们拭目以待!



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