光伏产业链全方位扫描
许多人提到光伏的产业链,大都想到从多晶硅到电池组件。其实,这些只是太阳能光伏产业链中的极少一部分,只是浮在表面的一些显而易见的环节,而真正的太阳能光伏产业所涵盖的产业链,要广得多。多晶硅到组件,其实只是光伏产业链的主原料链中的一部分,除了主原料链外,还有辅料链,装备链和产业服务链。本文就针对四条链来进行一个简要的分析。
一、 主原料链:
图1:光伏产业链的主原料链
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,对于光伏产业链做了一个简单的描述。希望对于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。
现在纵横四海和历史,能够找到像光伏产业这样,产业链如此之长、增长率如此之高、成长期如此之长、市场潜力如此之巨大的产业,不去说上下五千年,至少上下二百年,您能否找出第二个来?
文章来源:史博士的BLOG http://blog.sina.com.cn/bradley