光伏,十年精彩

发布于:2022/6/23 9:10:51 | 2749 次阅读

    2013年5月的浙江嘉兴,春意正浓,但在此地召开的中国太阳能光伏产业年会现场,寒意十足。当时,与会代表达成了这样的共识:中国光伏产业已经进入艰难时刻。
    然而,十年过去,今天的中国光伏产业,组件产量连续15年位居全球首位,多晶硅产量连续11年位居全球首位,新增装机容量连续9年位居全球首位,累计装机容量连续7年位居全球首位。光伏产业十年蝶变,背后是说不尽的艰辛和道不完的精彩。
    颗粒硅量产 十年磨一剑
    2012年国庆节前夜,江苏中能硅业科技发展有限公司(下称“中能硅业”)颗粒硅技术攻关团队彻夜未眠。在协鑫科技旗下子公司中能硅业生产现场,团队成员们看着梦寐以求的硅烷气缓缓产出,心中感慨万千。中试装置调试成功,产出的硅烷气完全达标,标志着硅烷法制备多晶硅技术首战告捷。3个多月后,中能硅业中试分厂用硅烷流化床法(FBR)成功产出颗粒硅,中国光伏材料领域的颠覆性变革就此开启。
    开弓没有回头箭,实际上从这一刻到大规模量产还需要大量的时间,但中能硅业颗粒硅技术攻关团队没有想到的是,弓弦拉开后,竟需要紧绷十年。
    光伏产业链并不复杂,硅料、硅片、电池、组件、应用系统是产业链上的五大环节。其中,最上游的硅料环节研发和制造门槛高,需要投入的资金大,价格和质量决定着光伏发电的成本和效率,所以业界一度有“拥硅为王”的说法。
    改良西门子法工艺是当今硅料企业的主要制备工艺,我国光伏硅料企业经过多年努力,不断研发创新改良西门子法工艺,逐步摆脱了进口依赖。国内企业到底有多努力呢?工信部每年出台的《光伏制造行业规范条件》显示,仅从能耗看,2013年多晶硅项目的“门槛”是综合电耗不得高于140千瓦时/千克,2021年已经降至80千瓦时/千克。
    8年间耗电量几乎减少了一半,按说已经非常厉害了,但是产业界对自己还不够满意。为什么呢?用公认的能耗大户电解铝来对比就很好理解了。作为被国家明文限制的“两高”行业,电解铝的平均电耗也只是在13千瓦时/千克左右。尽管目前主流硅料企业实际电耗已低至50-60千瓦时/千克,但还是比电解铝高了好几倍。
    必须强调的是,从光伏产品全生命周期看,其发电量远远大于生产制造过程中的耗电量。但是高能耗问题却实实在在影响着光伏发电的价格和大规模应用,这也解释了为什么硅料龙头企业纷纷在西部地区布局生产基地:以追求更为低廉的电价。
    这时候就需要硅烷流化床法颗粒硅出场了。和改良西门子法相比,硅烷流化床法在电耗方面有较大优势,但一直未能在大规模生产上取得突破性进展。杜邦公司和德州仪器公司在多次尝试失败后选择了放弃,德国瓦克公司时任总裁兼CEO鲁道夫·施陶迪格曾于2014年在慕尼黑总部向《中国电子报》记者透露,该公司在多年研发后颗粒硅产量仍在500吨左右徘徊。而瓦克公司该年度改良西门子法硅料产量超过了5万吨。
    “太难了!”颗粒硅分厂调试期间,几乎所有技术人员都被一次次的失败“虐”得“外焦里嫩”。“再多的困难,只要我们敢去想,就一定能找到解决的办法,只是时间的长短而已。”中能硅业的技术人员就是这样顶着压力思索着,试验着:每一次欢欢喜喜地“开车”进料,却又因为新的问题不得不停下来;每天在10层楼高的镂空网架上爬上爬下,试验不同的方案;每晚难以入睡或早醒失眠,思索更加解决方案……这一切仿佛遭遇了一场劫难,不过,中国光伏人从未想过要放弃。
    2021年2月,协鑫科技颗粒硅有效产能终于达到1万吨。从0到1万吨,花了9年,而从1万吨到3万吨,只花了9个月。2021年11月10日,该公司硅烷流化床法颗粒硅2万吨产能正式投产,实测综合电耗可降至15千瓦时/千克。目前,颗粒硅在建及规划产能已经达到60万吨。
    协鑫集团董事长、全球太阳能理事会联席主席朱共山表示,光伏上游制造环节占据了光伏全生命周期“碳足迹”的80%到95%,仅颗粒硅一项,就可以带动光伏发电全生命周期再次实现至少80%的碳减排,并且带动光伏发电实现从源头开始,全过程、全周期的深度脱碳和清洁生产应用。
    金刚线切割硅片 每年再省300亿元
    市值超过4000亿元的隆基绿能是如今广为人知的国内光伏企业,在2013年全行业面临生死考验时,隆基坚持的单晶技术路线也曾面临被边缘化的危机。在订单有限的情况下,曾经的单晶硅片客户往往选择成本更低的多晶产品。如何降低成本,成为每月一次的隆基研发会议上,高管们讨论最多的话题。
    “我们把成本项目一一列出来,然后想办法去降最大头的。”相关负责人告诉《中国电子报》记者,大家反复琢磨列表上的300公斤钢线、300公斤碳化硅和300公斤聚乙二醇以及电费、人工等,最终认为现有的砂浆切割技术成本下降空间已经很小,必须对工艺进行彻底改造。
    不用砂浆用什么呢?硬度更高的金刚线看起来是个不错的选择。首先是快。以8英寸硅棒为例,传统砂浆切割一刀需要10小时左右,而金刚线切割只需4小时甚至3小时以内,生产效率大大提高,设备折旧和人工成本也随之大幅度下降。其次是省。传统砂浆钢线切割技术耗材价格已逼近成本线,而价格虚高的金刚线未来若能普及则有很大的降价空间,还存在进一步改良工艺的可能。最后是薄。金刚线可以把硅片切得更薄,不仅能大幅提高每公斤单晶出片率和切片产能,而且硅片越薄柔性越好,比方说可以加工成柔性组件安装在无人机翼等复杂物体表面,扩大单晶组件的应用场景。
    过去切割1吨硅棒,需要1吨以上的耗材。如果能实现金刚线切割,只需要40公斤金刚线,其他的就都可以不要了。为了实现这一目标,隆基“金刚线切割”专项课题组正式成立,开始技术攻关。
    “当时最深的感受就是举步维艰。” 相关负责人表示,“金刚线的售价高达每米0.4-0.5美元,但是,由于母线均匀性差和金刚石颗粒电镀不均匀导致的断线和线痕频发。”
    当时能够批量供应金刚线的只有少数几家日本厂商,不仅销售价格高,而且供货周期长、售后响应慢,根本无法满足新工艺研发的反复试错。而且金刚线刚刚导入时,专用金刚线切片机还很少,主要切片机均需要从砂线切割改造为金刚线切割。从金刚线到切片机,再到检测设备,金刚线整个产业链条都缺乏供应企业。
    眼看技术攻关短期内难以实现突破,包括隆基在内的整个产业又都处于极为困难的阶段,如果决策失误,后果不堪设想。还要不要继续搞金刚线?管理层有些摇摆不定。
    “我允许你们一年亏损4000万!” 最终还是隆基董事长钟宝申给大家吃下了“定心丸”。要知道,2012年隆基股份亏损了5500万元,2013年净利润也只有7100万元,拿出4000万元搞研发,需要何等的勇气?
    既然国外产品的不好使,那就想办法自己造。为了在降低金刚线成本的同时确保供应安全,隆基开始培育国内金刚线供应商。通过紧密的上下游联合技术攻关,很快开发出高品质、低成本的金刚线。金刚线供应价格大幅下降近九成,每米仅需0.3元,同时品质也得到了极大程度的改善。
    如今,金刚线切割不仅为隆基所用,更逐步成为国内光伏企业的标配。经过多年来不断的研发创新,金刚线直径降低50%,方棒出片数提升40%,硅片切割速度提升65%,每年可为中国光伏产业节省约300亿元成本。
    高效电池组件“一带一路”的绿色使者
    今年3月10日,天合光能研发团队集体庆贺的“大日子”,这一天,团队自主研发的210mm×210mm高效i-TOPCon电池,经中国计量科学院第三方测试认证,最高电池效率达25.5%,创造了大面积产业化Nn型单晶硅i-TOPCon电池效率新的世界纪录。事实上,天合光能“光伏科学与技术国家重点实验室”在光伏电池转换效率和组件输出功率方面已经先后23次创造和刷新世界纪录。
    正是多年来坚定不移地重视技术、崇尚创新,天合光能不仅几十次创造和刷新世界纪录,更是在2021年11月,凭借“高效低成本晶硅太阳能电池表界面制造关键技术及应用”项目荣获国家技术发明奖二等奖,实现了中国光伏行业在国家科学技术大奖上零的突破。以该项目成果和技术为依托,天合光能创建了全球首条高效低成本电池规模制造生产线,被载入世界电池效率路线图,引领着全球光伏产业技术发展。
    在产业链上下游的共同努力下,天合光能的电池组件价格下降了90%以上,光伏度电成本随之下降了90%以上。低价高效的“中国制造”光伏产品,不仅在国内铺遍大江南北,更化身绿色使者走遍“一带一路”沿线国家和地区。
    作为光伏行业主管部门,工信部电子信息司提出,进一步贯彻落实“一带一路”倡议,利用光伏产业外向型发展优势和全球能源革命机遇,推动光伏产业国际产能和应用合作进程。
    如今,天合光能的业务遍布全球100多个国家和地区,一大批清洁能源合作新样本随之诞生。2018年,天合光能为马尔代夫27个岛屿提供光储微电网解决方案,有效解决当地居民用电稳定难题。2020年,天合光能越南大型地面光伏电站项目仅用4个月就成功建设并网。2021年,天合光能参与建设的乌兹别克斯坦100MW光伏电站成功并网。不久前,天合光能又成功中标柬埔寨40MW光伏项目。
    不仅是天合光能,国内光伏企业推动一个个不同应用场景的海外光伏项目顺利落地。越南500MW光伏项目有效缓解当地能源短缺情况;亚马逊河上的移动光伏工厂在保护生态的同时,显著改善沿岸居民的生活质量和水平;泰国58.5MW综合浮体光伏项目将光伏发电和水力发电相结合,可根据负荷变化调节发电模式,保证了供电系统的稳定性。
    “经过数十年的发展,光伏已成为成本最低的能源之一,将成为全球绿色转型的生力军。”天合光能董事长高纪凡在接受《中国电子报》记者采访时表示,“一带一路沿线国家太阳能资源丰富,对发展绿色电力、实现可持续发展需求强烈,中国光伏产品品质优良、性价比高,与一带一路沿线国家的合作是真正的互利共赢。”
    评 论
    全民光伏的时代终于来了!
    2021年,我国光伏新增装机量达54.88GW,其中分布式新增29.28GW,占比53.4%,历史上首次突破50%。更为可贵的是,户用光伏新增装机量21.6GW,创历史新高,占我国新增装机量的39.4%,同比增长高达113.3%。
    换句话说,全民光伏的时代终于到来了!
    老百姓为什么愿意在自家屋顶装上光伏发电系统?因为用光伏发电的成本已经低于火电(脱硫煤标杆电价)。从少数环保主义者的“贵族”用电,到进入寻常百姓家,光伏度电成本的大幅下降是最重要的原因。去年6月,轰动业内的四川甘孜州南部光伏基地正斗一期200MW项目竞争性配置定标,国家电投集团四川电力有限公司以0.1476元/千瓦时拿下开发权,这一电价也创下了国内光伏项目的最低电价。很难想象,10年前的光伏度电成本还在1元/千瓦时左右,超过80%的成本降幅,需要产业界付出多少努力。
    2012年,我国多晶硅产量7万吨,太阳能电池产量23GW,新增装机量4.5GW,累计装机量8GW。2021年,我国多晶硅产量50.5万吨,太阳能电池产量198GW,新增装机量54.88GW,累计装机量300GW,分别是10年前的7.2、8.6、12.2、37.5倍。
    从“三头在外”到“全球第一”,我国光伏产业的历史性成就,不仅有“量”的提升,更有“质”的飞跃。从关键材料来看,多晶硅产量不仅提升了6倍多,市场占有率也从30%提升到78.4%。基于多年来在冷氢化、还原炉、精馏等核心环节技术上的不断优化,我国多晶硅企业不仅实现了设备100%国产化,同时将生产能耗逐年降低。改良西门子法多晶硅综合能耗从十年前的每公斤200千瓦时/千克降至63千瓦时/千克,降幅近七成。硅烷流化床法颗粒硅综合能耗更是进一步降低到15千瓦时/千克以下。
    从光电转换效率来看,2012年的电池量产效率只有18%左右,到2021年,PERC单晶电池量产平均转换效率已经提升到23.1%,最高达到23.56%。自2014年起,我国企业/研究机构晶硅电池实验室效率累计打破世界记录42次,仅2021年就刷新记录11次。
    从智能化水平来看,在人工智能、先进计算、工业互联网融合创新等的加持下,智能光伏工厂建设、智能制造技术装备突破、智能光伏产品供给、智能光伏系统建设运维、智能光伏产业发展环境等产业智能升级方面也是收获颇丰。
    从应用市场来看,国内光伏累计装机量不仅提升了几十倍,更是为决战决胜脱贫攻坚做出了积极贡献。全国累计建成2636万千瓦光伏扶贫电站,惠及近6万个贫困村、415万贫困户,每年可产生发电收益约180亿元,成为农村地区搬不走的“绿色银行”“阳光银行”。与此同时,我国光伏行业国际贸易抗冲击能力大大增强。欧洲、日本、澳大利亚等传统光伏市场保持旺盛需求,巴基斯坦、希腊等新兴市场不断涌现,GW级光伏市场已经发展到20个,从以欧洲为主变成全球遍地开花。
    上述成绩远远不是中国光伏产业的天花板。作为半导体技术和新能源需求融合发展的朝阳产业,也是全球主要国家高度重视和竞相发展的新兴产业,我国光伏产业经过十余年快速发展,特别是党的十八大以来,在相关部门部署下,在业界共同努力下,已经成为少有的打通端到端产业链、取得国际竞争优势、并有望率先实现高质量发展的战略性新兴产业。放眼未来,光伏是实现能源转型变革的中坚力量,也是助力各行业各领域实现碳达峰、碳中和目标的主力军。
    5月14日,国家发改委、国家能源局发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》,提出到2025年公共机构新建建筑屋顶光伏覆盖率力争达到50%,鼓励公共机构既有建筑等安装光伏或太阳能热利用设施。到2030年,我国风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。
    6月1日,九部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》,提出到2025年可再生能源消费总量占一次能源消费的18%左右,可再生能源年发电量达到3.3万亿千瓦时左右;“十四五”期间,可再生能源发电量增量在全社会用电量增量中的占比超过50%,风电和太阳能发电量实现翻倍。
    绿色能源,未来可期。正如协鑫集团董事长、全球太阳能理事会联席主席朱共山所说:“在产业链各环节的共同努力下,光伏已经实现了平价上网甚至低价上网,我们有信心在‘十四五’末期将光伏度电成本降至0.1元至0.15元,最终推动太阳能替代煤炭。”
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