打开

我看了上百篇论文和报告,搞懂了光伏背后的秘密

2030趋势新知

2022-09-28 14:28浙江

关注

1971年,此时中国已经将第二颗人造卫星“实践一号”打入了太空,这颗卫星的关注度显然不如一年前发射的“东方红一号”,但它却引起了我的注意。这颗卫星在太空中整整运转了8年多,远远超过了原定1年的使用寿命,这在当时世界上也极其罕见。

其中涉及的绝密技术直到七十年代后期才对外公开,并被授予中国科学院重大科技成果奖。

这项技术究竟是什么?

我查询了百科网站,实践一号卫星,它进行了硅太阳能电池供电系统、主动式无源热控制系统等长寿命卫星技术的试验。

硅太阳能电池供电,这不就是近几年流行起来的光伏发电吗?

我花了整整一个月的时间,无论是安全上网,还是天临友好网、基础学科书籍都翻了一遍,终于略微窥探到这项技术背后的科学革命,和以此为基础的亿万产业地图。

就让我们回到百年前这场变革的起点。

首先,我们先拆分问题,光伏发电,光是如何成为电的?

一切还要从一束电火花讲起。我找到了1894年Nature对一位天才物理学家实验的描述。

打开网易新闻 查看更多图片

赫兹在进行经典实验时注意到,当火花隙被另一个火花发出的光照亮时,振荡器两端的放电现象发生了很大的变化。

classical experience,经典实验,也就是赫兹证明电磁波存在的实验。他在实验中,无意发现了在接收器接收电磁波时,产生的火花可以随着外界光线的变化而变化。

根据麦克斯韦理论,电和磁是能相互影响的,变化的电场能在周围激发磁场,变化的磁场又会产生电场,而电磁波,就是指电和磁振动的传播。就像水波纹向外扩散一样,电磁波也会向外扩散。电感线圈可以将较小的直流电压转变成铜球处的高压,而小铜球间电压过大时,就会击穿空气产生电火花,然后产生振动的电场,电场的振动会通过电磁波的方式向外传播。而当接受器处电场发生较大振动时,它的铜球间就会产生高压,从而击穿空气产生电火花。

由于火花不是很明亮,他为了更容易观察到这个现象,他将整个接收器置入一个不透明的盒子内。他注意到最大火花长度因此减小了。

为了理清原因,他将盒子一部分一部分拆掉,发现位于接收器火花与发射器火花之间的不透明板造成了火花长度减小的现象。但假若改用石英则不会。

赫兹用石英棱镜分解了光波,仔细分析每个波长的光波所表现出的屏蔽行为,他发现是紫外线造成了光电效应。也就是说,在紫外线这类电磁波的照射下,某些物质内部的电子能够吸收这些能量,逸出之后就能形成电流,即光生电。

但他并没有时间去认真研究相关的原理,36岁便英年早逝,这篇nature的文章正好发表于他去世后两天。顺着物理史,我找到了爱因斯坦对光电效应的全面解释,这篇在1905年发表在《物理学年鉴》上的论文做出了详细的解释。很幸运,我找到了中文翻译版本,但我发现这些字我都认识,但组合起来我却非常陌生。但当我慢慢咀嚼这篇文章时,突然慢慢反应过来物理学将1905年称为奇迹之年的原因。

他在开头就提到,“由连续空间函数描述的光的波动理论,已经被极好地证明了它在描述纯粹光学现象的优越性,并且或将永远不会被另一个理论所替代”还有“在从一个点光源辐射出的光线的传播过程中,能量不是连续地分布在一个不断增长的空间区域内,而是由一群局限在空间点群上的有限数量的能量子构成”他借用了两种观点来描述现实。当我搜索这篇文章时,我才知道,这篇文章和普朗克的研究构成了量子力学的理论基础。

那这篇文章究竟在说些什么?

这篇文章在普朗克的研究上做出了猜想,普朗克提出,一个理想化的能吸收任何辐射的东西被称为黑体,它吸收和发射能量的时候不是连续的,而是分成一份一份的能量,这一份能量的大小等于普朗克常数h乘以辐射电磁波的频率ν,并将这一份能量称之为量子,而单个量子的能量就是

ε伊普西隆 =hν纽

(h=6.63X10⁻³⁴J·s)

而且频率越高,单个量子能量越高。

那爱因斯坦就突然想到,反过来,如果黑体是一段一段吸收量子的,那光会不会也不是连续分布的呢?

他提出,电磁波的频率越高,那单个光量子的能量越高,就越容易打出电子,而单个光量子的能量大于金属原子对电子的束缚能,就能够打出电子。

要是想让同一种金属上的不同电子脱离该金属需要做的功是不同的,但是里面存在一个最小值,这个最小值对同一种金属而言是一定的,我们把这个最小的功叫作该金属的逸出功,用W₀表示,最后可以得出光电效应方程是:

Ek=hν-W₀

其中Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可以是0~Ek范围内的任何数值。

这个式子其实就是能量守恒方程,也就是说,能量为E=hν的光子被电子所吸收,电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力做功,另一部分就是电子离开金属表面时的动能,如果克服吸引力做功最少为W₀,设电子离开金属表面时动能最大为Ek,根据能量守恒定律可知Ek=hv-W₀。

简单来说,就是在过了一个假期之后,什么作业都没做的我被老师揪着在办公室补作业,语文老师说你补完作文我就让你回教室,我补完的作业就是为了离开办公室,也就是金属表面做的功,最后我补完了就可以成功离开办公室了。

这篇文章为什么有如此深远的影响?在这之前,经典物理学作为人们无条件信任的神已经被人们仰望了几个世纪,但量子力学从更接近本质的方式,也就从原子、分子等微观的方式去解答世界,它的成果却变成了扳倒经典物理学的帮凶。这是电影名作《conherence》即中文翻译名为《彗星来的那一夜》,里面运用的“多元宇宙假说”就建立在量子理论之上。在一个据说会有彗星出现的诡异夜晚,女主艾米到了朋友家里以后,在聊天过程中发现大家的记忆好像都出现了一些偏差,这个时候,整个街区的电源突然中断,几个人到远方的一栋房子里查看,发现了几个和聚会的朋友长得一模一样的人,不同平行时空的人交汇到了一起。这就是量子力学其中一个学派提出的“平行世界”的理论。在我们打开盒子之前,这跟“薛定谔的猫”理论是一样的,猫是“又死又活”的。但是在我们打开盒子的一瞬间,波函数没有发生坍缩,而是展开成两个平行宇宙,在一个宇宙里猫是活的;在另一个宇宙里,猫是死的。

好了,在解决了光伏产业的基础物理原理之后,我尝试去了解现在的光伏世界。在图书馆,我找到了中国科学院院士杨德仁先生撰写的《太阳电池原料 第二版》。这本书写得非常好,虽然到第二页我就看不懂了。

在前言里,我注意到了一句话,1954年美国贝尔实验室的D.M.Chapin、C.S.Fuller和G.L.Pearson在晶体硅的基础上发明了第一种实际意义上的太阳电池。而且,据资料显示,至今为止,太阳能电池的基本结构和机理没有发生改变,那如果从最开始的理论和实验进行研究,是否能降低我的理解难度呢?

我在谷歌学术上找到了这篇1954年的文章。这篇被引用三千来次的经典论文没想到只有短短500来字,于是我尝试翻译了全篇。【一种将太阳辐射转化为电能的新型硅p-n结光电池】全文没有对理论进行解释,非常干脆地讲出了发明6%转化效率的单晶硅太阳能电池的实验数据。

引起我注意的是这句话,【由于辐射能不需要先转化成热能再成为电能,理论上效率很高。1.02电子伏(A= 1.2微米)的光子能够在硅中产生电子-空穴对】电子-空穴对。这个词组出现了很多次,这又是什么?

杨院士的《太阳电池原料 第二版》中详细说明了这个,其实很好理解,就是硅是由硅原子组成的,而原子又由电子和原子核构成,原子核带正电,电子带负电,它们之间存在着一种互相吸引的电磁力,这种力将电子牢牢地束缚在原子内的空间里,于是电子就只有围绕着原子核运行。但如果电子获得了足够的能量,它就可以从原子里逃逸出去。硅原子就带有14个电子,其中有4个电子在较为外层的地方运动,所以就很容易自己逃逸。如果要让像硅、锗、硒这一类半导体导电的话,就要让这些里面受束缚的电子变成自由电子,并形成定向的运动,然后才能产生电流。

这时候我们就要向这些电子施加一个力,比如光,光本身就是一种能量,当光辐射半导体时,入射光子与价电子相互作用,硅原子中的电子就能摆脱束缚,缺少电子的位置就会出现一个空穴。产生一个电子-空穴对。

而在一个纯净的半导体内部,它的电子和空穴的浓度是相等的,处于一个平衡不流动的状态。但如果在里面掺杂进杂质,这些杂质就可以为半导体提供电子或者空穴,这种电子和空穴就被叫做载流子。

在硅晶体中,我们如果掺入磷这种杂质,因为磷原子外面有5个电子,硅晶体有4个电子,磷原子的4个价电子就和硅原子的价电子组成共价键,另外一个价电子被磷原子微弱地束缚在周围,在吸收一定能量后,这个价电子就能脱离磷原子的束缚,电子就意味着负电,这时候整个半导体内电子浓度就比空穴浓度高,这种被掺杂的晶体也叫做N型半导体。

那如果加原子更少的杂质呢?我们给硅加入3个电子的硼,同样情况,这时候就多出了一个空穴,空穴就意味着正电,这种被掺杂的晶体也就叫做P型半导体。

两个半导体独立存在的时候,都是电中性的,但当两种半导体接触时,由于两侧的电子和空穴浓度不一样,就会发生扩散效应,N型上的电子就会向P侧流动,P型的空穴就会朝着N侧流动,在P侧和N侧的交界处,就会形成一个PN结。

在这个结里面,电子和空穴就相互组合,N侧电子浓度降低,这边的正电荷浓度就相对较高,就出现了正电荷区域。同样呢,P侧就出现了负电荷区域,这时候就形成了一个从N到P侧的电流方向,并且形成了一个自建电场,这又削弱了电子和空穴的扩散效应。在光照条件下,这种稳定的状态又被打破,这时候如果将PN结与外电路相连,电路中就会出现电流,这就是光生伏特现象,也就是太阳能光电池的基本工作原理。

它的核心就在于让两端的电子和空穴浓度不同,就有产生电流的机会,但内部拼接又让它们无法进行扩散。当然,现实中的PN结并不是单纯的物理结合,而是通过合金法、扩散法、离子注入法等等形成PN结。

好了,作为一个文科社畜,这也是第一次大范围高密度接触物理,搞清楚这些物理原理之后,接下来来到了更有趣的一个部分,那就是回到我的本职工作,市场分析。

Let's begin.

我们分成几个层次来讲,

光伏这个蛋糕有多大?分蛋糕的有谁?未来怎么赚钱?

光伏的蛋糕变大,这可以说是一件确定的事情。这背后是人类为了减少碳排放做出的一个全球战略。

在全球能源署的这份200多页的报告里,(Net Zero by 2050,A Roadmap for the Global Energy Sector),参与国家还在不断增多。

光伏,作为一个政策驱动向的市场,已经拥有了强大的政策背景和能源需求。如果要达到报告里2050年实现碳的零排放的情况,那所需的光伏装机为5300GW。(2021年全球光伏装机量约为175GW)

打开网易新闻 查看更多图片

那产业链上又有谁构成?说得直白一些,这么大一块蛋糕,又有谁来分呢?我们在网上找到了一些公开资料。

由于隆基绿能、通威股份这类龙头公司上市时间太早,用来说明现在的技术条件可能略为滞后,我们就随机挑选了一家新上市公司,晶科能源的招股书来回答这个问题。

里面的第六节业务与技术板块里详细披露了公司主营业务以及产业链大致情况。

晶科能源拥有垂直一体化产业链,主要生产硅锭、硅片、电池片和单多晶光伏组件。他们还详细披露了工艺流程。

在硅料环节,工业硅被提纯成为光伏级多晶硅料;

在硅片环节,多晶硅料被加工成为单晶硅棒或多晶硅锭,再经过截断、开方、切片等工艺,得到单晶硅片或多晶硅片;

在电池片环节,硅片经过制绒清洗、扩散制结等步骤,得到硅基光伏电池片。

在组件环节,光伏电池片将与光伏胶膜、光伏玻璃背板等组装在一起,得到可以应用于下游光伏电站的光伏组件。

此外,晶科能源中间还向第三方采购了背板和组件加工服务。

除此之外,再加上上游的工业硅提纯和下游的支架、逆变器、汇流箱等,就形成了完整的产业链。

这么一条复杂的产业链中,谁吃肉谁喝汤?谁通过这条产业赚钱更多?如果我们把单个环节的单个龙头公司销售额数据调取出来,这可能会受到公司规模的影响。那如果是毛利率呢?如果一家龙头企业不足以证明整个环节的话,那四家呢?为此我做了一个表格。

(小字:以下数据来源于各家公司2021年公开年报,而且只是单个产品的毛利率,不代表整体公司水平)

硅料选取通威股份、大全能源、协鑫科技、新特能源,毛利率分别是66.69%、65.56%、37.3%、41.25%。

硅片(选取8英寸及以下半导体硅片)选取隆基绿能,立昂微、沪硅产业、中环股份,毛利率分别是27.55%、45.45%、21.48%、24.20%

电池片选取天合光能、通威股份、爱旭股份、易成新能,毛利率分别是12.43%、8.81%、5.4%、2.31%。

我们可以看到总体趋势是硅料大赚,硅片小赚,电池片厂家哭成一片。

这里面,中下游的都抱怨了一个事,那就是硅料上涨。

资料来源:有色金属协会

2021年硅料价格就已经走在了上涨之路上。当时多晶硅价格从2021年初的8.5万元/吨攀升至年底最高27万元/吨左右,在这个过程中,生产高纯晶硅的相关公司已经赚得盆满钵满。

而最新价格已经站上30万元/吨的关口。

夸张地说,组件制造企业的员工每天起床第一件事,就是看硅料价格的变化。照理来说电池片组装生产到形成电站才完成了产业链的最终落地,那为什么大家都在为硅料和硅片企业打工呢?

我们回到高中学的供求关系。近几年,光伏产业处于高速发展的阶段。无论是市场需求还是新增装机规模,还是产能扩张,都保持了较高的年增长速度。那只要下游需求走强,硅料必然涨价。

而且,物以稀为贵,每个产业链各环节的扩产周期是不一样的,就比如我养多1倍的奶牛可能需要一两年的时间,但你多增加1倍的牛奶棒冰生产线可能就只需要1个月的时间,这就导致了全产业链扩产不匹配的可能性。

根据行业信息,组件扩产周期在3-6个月、硅棒/硅片电池环节在6-9个月,而硅料的扩产周期在1.5-2年。所以,当产业扩张到一个节点,某一个环节出现供应和需求不匹配也是非常正常的事情。

回到产业,原材料稀缺就导致一个问题,硅片企业纷纷采取长单锁定硅料的方法。超过85%以上的硅料被几大硅片龙头瓜分。很多企业已经拿不到多晶硅了。解决稀缺性的方式就是涨价,然后压力不断向下传导,硅片、电池片、组件纷纷涨价,下游电站本身就获利不丰,电站积极性就更低了。

而且不光是产量的问题,如今造成这个缺料的原因还有人为因素——检修。

6月份国内多晶硅产量约6.16万吨,环比减少1%。但国内有检修计划的企业增加到5家,减产幅度也大超预期。

咱们往深处想一下,为什么要集中安排在这两个月检修?

一方面的确用电高峰期马上就到了,高耗电厂商检修的确符合要求,但此时我如果作为硅料方,当然也愿意维持现在的产能,以保持如今的高价。那我肯定想拿到更多的利润,这样一来,短期之内要让硅料价格下降还是非常困难的,对竞争本就激烈的下游组件,最近恐怕是要过“苦日子”了。

那转折点会出现在什么时候?也就是情况相反的时候,产能扩大,价格下跌,那就需要以量补价。Q4检修结束后硅料价格可能会有小幅下降,但最大的因素还是硅料的项目投产情况,根据公开信息,我找到了主要硅料企业和新进入硅料企业的投产项目情况,比如通威这一类一体化企业已经开始自己生产高纯晶硅。产能可能会在2023年后集中释放。

打开网易新闻 查看更多图片

那问题来了,目前在成本压力上升的情况下,最近国家还在推行平价上网,发电的终端如何实现盈利呢?这条产业链还能走下去吗?

首先,“平价”是什么意思?一方面是与发电端平价,目前国内主要的发电来源是哪里?煤电,也就是要光伏发电成本基本达到煤电水平。另一方面是用户侧的平价,原本接受国家补贴的光伏产业要接受光伏发电成本低于售价成本,根据用户类型及购电成本不同,里面又可以分为工商业、居民用户侧的平价。

所以,光伏发电价格下降其实要实现三个阶段,就是首先电价要比工商业用电价格便宜,再比居民用电价格便宜,最终的目的是比脱硫煤发电侧便宜或者同等价格。

那如果光伏有一天真的比烧煤发电便宜了?那它的发电成本应该是多少呢?

我们来算一笔账。

2022年化石能源价格因为各种原因居高不下,今年上半年,火力发电所用到的动力煤的价格长期保持在每吨850元左右,大概相当于每公斤的动力煤的价格是在0.8元。1公斤的动力煤大约可以发2.5度电,每度电的成本大约是0.24元。

那光伏呢?

光伏的铺设大致分为三种,对应的成本也有所不同,2019 年,全投资模型下分布式光伏发电系统在1800h、1500h、1200h、1000 h等效利用小时数的LCOE 分别为0.25、0.30、0.37、0.45 元/kWh。目前国内分布式光伏主要分布在浙江、山东、河南、广东等省份,等效利用小时数通常在1000-1100 小时左右。由于工商业电价较高,工商业分布式光伏发电已实现用电侧平价,预计未来1-2 年内也可实现居民用电侧平价。结合全国最新行业成本数据粗略估算,全国光伏发电成本大概在0.4元/kwh左右。

来源:中国光伏行业协会

光伏发电要对标燃煤电价,也就意味着要降低约(0.4-0.24)➗0.4×100%=40%乃至更多的成本,或者提高发电量。

那这就是一个需要思考的问题了,如果要实现和煤电一个价格,那可以在哪些地方降低成本呢?我注意到一个电力行业的专有名词,LCOE。

LCOE是什么?平准化度电成本。是对项目生命周期内的成本和发电量进行平准化后计算得到的发电成本,简单来说就是一个项目从开始到结束内的成本除以整个周期的发电量现值。

复杂来说就是这个图。

要降低LCOE,从公式里我们就能看出要降低建设和运营成本、提高发电量。

降低建设成本可以采用高电压、大子阵、高容配比的设计方案。高电压可以提高线路的载流量,同规格线径电缆在1500V系统能中比1100V系统输送容量高1.36倍;

提高发电量可以利用智能运维平台、改变组件的倾角、组件温度特性、逆变器的转化效率;

降低运营成本可以通过改善运维人员结构、设备维护费用、电费增值税这几个部分。

再比如要提升利润,就要借助良好的上下游客户关系维持合作、签订长期采购订单提前锁定用料等。还有的企业选择了垂直一体化全产业链布局来降低不利影响。作为一个企业似乎最安全的方式就是4个环节都做,以享受光伏的成长性,又可以平滑光伏的周期性。

但是这终究是要落到实地的,我在这里空口白话讲的都是愿景,都是预期,但这也是未来的发展方向。那还有什么预期呢?个人更看好两块,那就是储能和消纳,首先目前光电成本是远比煤电要高的,因为光伏发电不稳定,而且我国目前光伏发电占比较少,所以光伏不需要去解决储能调峰问题。如果光伏占比太高就要去解决这个问题,而且这个费用是不低的。如果解决不了储能,那么电就会弃掉利用率就会变低。

未来光伏能走通,储能问题必须解决,现在大部分科学家更认可光伏制氢储能,但是现在储氢运氢的办法还没有解决。总之解决不了光伏蓄能问题,太阳能替代化石能源只是个幻想。

文案写到这里,不会留存率已经为0了吧。因为最开始希望用一个视频讲解完光伏的物理原理以及市场情况,便下了时间血本去查。越查越发现光伏产业链内部的复杂性。在中国,这是将近20年的跨度。中国光伏的历史从70年代的“探索一号”开始,中间又发生了什么故事呢?

90年代光伏正式进入大众视野。面对西部人口和地区相互之间距离远而分散的情况,1997年,“中国光明工程”进入实施阶段,光明工程通过太阳能、风能等发电方式在西部建立起上千套独立发电系统,5年内帮助800万人口解决了用电问题,光明工程中对光伏的需求创造了无锡尚德、江西塞维、天合光能等中国第一代光伏企业。后来,中国光伏产业乘着产业爆发和人力成本的东风集体出海,迎来了第一次全球光伏扩张的高光,又在欧美围猎和缺少技术环节迎来了多年的至暗时刻。

但回过头来,中国光伏装机规模达到306GW,超过欧盟和美国的总和。全球光伏产业20强中有15个来自中国光伏供应链上。各环节上中国的全球占比均超过65%,同时中国光伏组件相关专利数量达4089项。20年来,光伏发电的成本从30元每度降低到0.4元每度,降到了在电力市场难有竞争对手。

假如没有20多年来无数光伏人前赴后继,假如国家没有启动金太阳、光明中国工程去扩大终端市场,不知中国光伏产业就是否只能在全球能源改革浪潮中接受被束缚的命运。

三十年功名尘与土,八千里路云和月,从青史留名的学术研究员,到踏遍山河的光伏安装者,有些人我们注定一辈都子见不到,但他们的成果就是头顶的星光和夜晚的灯光,越是去经常而持久地凝神思考,就越让心灵产生惊奇和敬畏。

打开网易新闻 查看更多图片
特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。
打开网易新闻,阅读体验更佳
15赞
目前还没有跟贴,欢迎发表观点
网易热搜每30分钟更新
打开应用 查看全部
打开