碳中和光伏產(chǎn)業(yè)全面分析（一）：三大優(yōu)勢(shì)，光電特性，萬(wàn)億市場(chǎng)，光伏光熱

今天我們開始講碳中和系列，第一講是光伏，本篇主要講市場(chǎng)和光熱，下篇講光伏上游硅料硅片

一、市場(chǎng)

1. 三大優(yōu)勢(shì)：轉(zhuǎn)換效率最高、儲(chǔ)量最大、成本下降最快、能源大三角

工業(yè)革命的核心是能源轉(zhuǎn)換的革命，可再生并不是能源革命的關(guān)鍵因素，能源革命的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)換效率提升，人類目前所利用的能源類型，除核能外其本質(zhì)來(lái)源都是太陽(yáng)，化石能源煤炭石油是植物光合作用吸收太陽(yáng)能儲(chǔ)存于有機(jī)體的殘留，風(fēng)能是大氣受熱不均產(chǎn)生的對(duì)流，生物質(zhì)能、水能本質(zhì)上都是太陽(yáng)能通過二次或多次轉(zhuǎn)換而來(lái)，在核聚變遲遲無(wú)法突破核裂變安全性太低的情況下，根據(jù)第一性原理，只有光伏是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換效率最高！

每年到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能約有 130 萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全球石油儲(chǔ)量 400 倍、煤炭?jī)?chǔ)量 300 倍，太陽(yáng)系 50 億年壽命可以認(rèn)為是取之不盡，用之不竭，儲(chǔ)量最大，若將撒哈拉沙漠全部安裝太陽(yáng)能電池板便足以供應(yīng)全球目前用電量

度電成本下降最快：全球光伏平均度電成本由 2010 年 0.378$/kWh 下降至2019 年 0.068$/kWh 降幅高達(dá)82%，2021年4月沙特 600MW?光伏 IP 項(xiàng)目中標(biāo)價(jià)低至 1.04美分/kWh 折合人民幣大約 7 分/度

中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和需要光伏-特高壓-新能源車能源大三角，對(duì)應(yīng)清潔能源生產(chǎn)-傳輸-儲(chǔ)能利用循環(huán)體系

2. 原理：半導(dǎo)體光電特性

光伏是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)（Photovoltaic Effect）而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，啥叫半導(dǎo)體、能帶、PN結(jié)、光電特性等等請(qǐng)參考半導(dǎo)體全面分析（一）：兩大特性，三大政策，四大分類！

半導(dǎo)體摻入Ⅴ族元素（磷P砷As），V族元素相比Ⅳ族的外層電子多出一個(gè)，多出的電子能夠作為導(dǎo)電的來(lái)源，這種摻雜手段被稱為N（Negative）型摻雜

如果摻入Ⅲ族元素（如硼B(yǎng)氟化硼B(yǎng)F2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外層電子少一個(gè)，這種缺少電子的空位被稱為空穴，空穴同樣能夠?qū)щ?，?duì)應(yīng)的摻雜手段被稱為P（Positive）型摻雜

當(dāng)太陽(yáng)光照射在表面，PN結(jié)附近的電子吸收能量變?yōu)橐苿?dòng)的自由電子，同時(shí)在原來(lái)的位置形成空穴，當(dāng)連接電池正負(fù)極形成閉合回路時(shí)，自由電子受到內(nèi)電場(chǎng)的力從N區(qū)經(jīng)過導(dǎo)線向P區(qū)移動(dòng)，在外電路產(chǎn)生電流

對(duì)太陽(yáng)光譜分析，99% 能量集中在 0.22~1.2um 波段，其中可見光 43%，紅外線 48.3%，紫外線 8.7%，從光電轉(zhuǎn)換效率來(lái)看，光伏電池最佳材料是禁帶寬度為 1.5eV 的半導(dǎo)體，我們來(lái)挑一挑 1.1~2.0eV 范圍內(nèi)的材料

硅、砷化鎵、磷化銦、碲化鎘為最理想的半導(dǎo)體光伏材料，其中碲化鎘能帶特征好，砷化鎵高溫特性好，硅工藝成熟度好

3. 市場(chǎng)：全球 6000 億，中國(guó) 2400 億

全球年發(fā)電量 25000?TWh?約?12?萬(wàn)億元，光伏占 3% 約?3600 億，年新增 150 GW?約?6000 億

中國(guó)光伏年發(fā)電量 2500 億?kWh?占 4% 約 1200?億元，年新增 60 GW 約?2400 億

4. 政策：屋頂計(jì)劃→補(bǔ)貼→平價(jià)上網(wǎng)

光伏發(fā)電是重資產(chǎn)行業(yè)，前期投入大，后期維護(hù)成本低，現(xiàn)金流穩(wěn)定

產(chǎn)業(yè)政策推動(dòng)行業(yè)繁榮周期，2001-2005 年歐美“光伏屋頂計(jì)劃”推動(dòng)光伏電站建設(shè)的興起，2007-2010 年歐洲光伏補(bǔ)貼刺激行業(yè)大爆發(fā)，2013-2017 年中國(guó)固定電價(jià)政策帶動(dòng)全球光伏裝機(jī)量再次騰飛

中國(guó)?2030?年碳達(dá)峰，2060?年碳中和，2030?年非化石能源占比達(dá) 25%，電力環(huán)節(jié)占碳排放?41%

2013 年國(guó)務(wù)院24號(hào)《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》文件首次明確：電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)每千瓦時(shí) 0.42 元期限 20 年，2018 年 531 新政度電補(bǔ)貼調(diào)整到 0.37 元/KWh

2019 年開始推動(dòng)平價(jià)上網(wǎng)，行業(yè)從政策驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)驅(qū)動(dòng)，從周期性向成長(zhǎng)性轉(zhuǎn)變

二、技術(shù)

5. 產(chǎn)業(yè)鏈：上游硅料硅片、中游電池組件、下游系統(tǒng)電站

上游：硅料、硅片硅料是通過對(duì)石英礦還原加工，提煉出純度在 98% 以上的冶金級(jí)硅，將冶金級(jí)硅進(jìn)一步提純后制成純度在 99.9999% 以上的光伏級(jí)多晶硅將多晶硅鑄造成多晶硅錠或者單晶硅棒后切割成硅片

中游：電池、組件硅片表面經(jīng)過摻雜刻蝕等一系列工藝制成電池片電池片焊接串接膠膜封裝玻璃制作成組件

下游：系統(tǒng)、電站

組件安裝在支架上，裝逆變器組成系統(tǒng)

光伏電站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)

6. 技術(shù)路線：光伏、光熱

太陽(yáng)能發(fā)電主要有光伏發(fā)電、光熱發(fā)電兩種方式，光伏發(fā)電利用元器件的光伏效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光熱發(fā)電是將光能聚集對(duì)液體或氣體介質(zhì)加熱，再通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)的方式轉(zhuǎn)化成為電能

下面進(jìn)行一一介紹

三、光熱

7. 市場(chǎng)：聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電 CSP

光熱全名聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電CSP（Concentrated Solar Power），通過各種鏡面聚集太陽(yáng)直射光，加熱導(dǎo)熱介質(zhì)，再經(jīng)過熱交換產(chǎn)生高溫蒸氣，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，2019 年全球 CSP 裝機(jī)容量 5.8 GW

8. 原理：遠(yuǎn)看像光伏，近看火電廠

光熱發(fā)電系統(tǒng)所利用的發(fā)電原理與傳統(tǒng)電廠并無(wú)差別，還是被戲稱為“燒開水”的熱電套路，分為集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)四部分

集熱系統(tǒng)包含聚光裝置、接收器，聚光裝置由中央控制系統(tǒng)操控，跟蹤太陽(yáng)位置收集并反射最大量的陽(yáng)光，將輻射能集中至接收器上，接受器則利用收集到的能量加熱內(nèi)部工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量的吸收與儲(chǔ)運(yùn)

熱傳輸系統(tǒng)利用導(dǎo)熱工質(zhì)工作流體熔鹽，輸送給后續(xù)系統(tǒng)，熔鹽可保持較寬的工作溫度范圍，安全性能出色，但對(duì)管道與儲(chǔ)熱罐存在腐蝕

儲(chǔ)熱系統(tǒng) TES（thermal energy storage）通過儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)存熔鹽，與水換熱產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，冷卻的熔鹽可再次流回集熱系統(tǒng)重新加熱，儲(chǔ)能罐具備調(diào)節(jié)輸出功率的能力，根據(jù)當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電

發(fā)電系統(tǒng)通過加熱水獲得高質(zhì)量的過熱蒸汽，推動(dòng)各式汽輪機(jī)發(fā)電

9. 技術(shù)路線：塔式、槽式、菲涅爾式、碟式

比較成熟的光熱技術(shù)路線：塔式、槽式、菲涅爾式、碟式

塔式利用大規(guī)模的定日鏡組成陣列，將太陽(yáng)輻射反射并積聚到吸熱塔頂部的吸熱器對(duì)內(nèi)部工質(zhì)進(jìn)行加熱，優(yōu)勢(shì)熱傳遞路程短，損耗小，聚光比和溫度都比較高，且規(guī)模大，但不能小型化，無(wú)法建立分布式

槽式通過槽式拋物面聚光鏡面將太陽(yáng)光匯聚在焦線上，焦線上安裝管狀集熱器吸收太陽(yáng)輻射能，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，設(shè)備簡(jiǎn)單成本低，但集熱效率偏低

菲涅爾式采用菲涅爾透鏡替代拋面鏡聚光到上方的二次聚光器，再匯聚到管狀集熱器，優(yōu)點(diǎn)是成本更低，但更降低了聚光能力，整體發(fā)電效率更低

碟式利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射太陽(yáng)光聚焦到焦點(diǎn)上，通過斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，類似分布式光熱電站，聚光效率高，但成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分布式光伏

已投入使用的光熱發(fā)電站中，槽式占據(jù)主流，但在建的 5 個(gè)光熱項(xiàng)目中，3 個(gè)采用塔式，1 個(gè)同時(shí)集成了塔式與槽式，1 個(gè)純槽式

10. 優(yōu)勢(shì)：自帶儲(chǔ)能，可調(diào)度調(diào)峰

光熱相較于光伏最大的優(yōu)勢(shì)是它直接解決了光伏面臨的最大缺陷，即發(fā)電不可調(diào)度，光熱不直接使用太陽(yáng)輻射能發(fā)電，而是首先將其轉(zhuǎn)化為熱能收集起來(lái)，通過加熱水驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，最大優(yōu)勢(shì)就是可以根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的需要調(diào)節(jié)汽輪機(jī)發(fā)電組的輸出功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)電量調(diào)峰

熱能與電能不同，是一種使用方便，儲(chǔ)存簡(jiǎn)單的能量形式，光熱電站通過儲(chǔ)熱系統(tǒng)將未被利用的熱能首先收集起來(lái)，在光照條件不足的情況下調(diào)用，實(shí)現(xiàn)不受光照強(qiáng)度變化影響的延時(shí)發(fā)電，避免了光伏電站沒了太陽(yáng)就停擺的尷尬，可以實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)連續(xù)發(fā)電

11. 劣勢(shì)：成本 1 元/度以上

聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電（CSP）成本高達(dá) 0.108 美元/千瓦時(shí)，比光伏貴一倍以上，中國(guó)首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目，2019年~2020年上網(wǎng)電價(jià)每千瓦時(shí) 1.10 元執(zhí)行，2021 年上網(wǎng)電價(jià)每千瓦時(shí) 1.05 元

12. 產(chǎn)業(yè)：全球 5.8 GW，中國(guó) 20 個(gè)示范項(xiàng)目

2019 年全球 CSP 裝機(jī)容量?5.8 GW

中國(guó)目前有 20 個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目