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碳中和光伏产业全面分析(一):三大优势,光电特性,万亿市场,光伏光热!

史晨星 2022-01-20 11:53 发文

今天我们开始讲碳中和系列,第一讲是光伏,本篇主要讲市场和光热,下篇讲光伏上游硅料硅片

一、市场

1. 三大优势:转换效率最高、储量最大、成本下降最快、能源大三角

工业革命的核心是能源转换的革命,可再生并不是能源革命的关键因素,能源革命的关键是转换效率提升,人类目前所利用的能源类型,除核能外其本质来源都是太阳,化石能源煤炭石油是植物光合作用吸收太阳能储存于有机体的残留,风能是大气受热不均产生的对流,生物质能、水能本质上都是太阳能通过二次或多次转换而来,在核聚变迟迟无法突破核裂变安全性太低的情况下,根据第一性原理,只有光伏是直接将太阳能转换为电能,转换效率最高!

每年到达地球表面的太阳能约有 130 万亿吨标准煤,相当于全球石油储量 400 倍、煤炭储量 300 倍,太阳系 50 亿年寿命可以认为是取之不尽,用之不竭,储量最大,若将撒哈拉沙漠全部安装太阳能电池板便足以供应全球目前用电量

度电成本下降最快:全球光伏平均度电成本由 2010 年 0.378$/kWh 下降至2019 年 0.068$/kWh 降幅高达82%,2021年4月沙特 600MW 光伏 IP 项目中标价低至 1.04美分/kWh 折合人民币大约 7 分/度

中国实现碳中和需要光伏-特高压-新能源车能源大三角,对应清洁能源生产-传输-储能利用循环体系

2. 原理:半导体光电特性

光伏是利用半导体的光生伏特效应(Photovoltaic Effect)而将光能直接转变为电能的一种技术,啥叫半导体、能带、PN结、光电特性等等请参考半导体全面分析(一):两大特性,三大政策,四大分类!

半导体掺入Ⅴ族元素(磷P砷As),V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个,多出的电子能够作为导电的来源,这种掺杂手段被称为N(Negative)型掺杂
如果掺入Ⅲ族元素(如硼B氟化硼BF2),Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个,这种缺少电子的空位被称为空穴,空穴同样能够导电,对应的掺杂手段被称为P(Positive)型掺杂

当太阳光照射在表面,PN结附近的电子吸收能量变为移动的自由电子,同时在原来的位置形成空穴,当连接电池正负极形成闭合回路时,自由电子受到内电场的力从N区经过导线向P区移动,在外电路产生电流

对太阳光谱分析,99% 能量集中在 0.22~1.2um 波段,其中可见光 43%,红外线 48.3%,紫外线 8.7%,从光电转换效率来看,光伏电池最佳材料是禁带宽度为 1.5eV 的半导体,我们来挑一挑 1.1~2.0eV 范围内的材料

硅、砷化镓、磷化铟、碲化镉为最理想的半导体光伏材料,其中碲化镉能带特征好,砷化镓高温特性好,硅工艺成熟度好

3. 市场:全球 6000 亿,中国 2400 亿

全球年发电量 25000 TWh 约 12 万亿元,光伏占 3% 约 3600 亿,年新增 150 GW 约 6000 亿

中国光伏年发电量 2500 亿 kWh 占 4% 约 1200 亿元,年新增 60 GW 约 2400 亿

4. 政策:屋顶计划→补贴→平价上网

光伏发电是重资产行业,前期投入大,后期维护成本低,现金流稳定

产业政策推动行业繁荣周期,2001-2005 年欧美“光伏屋顶计划”推动光伏电站建设的兴起,2007-2010 年欧洲光伏补贴刺激行业大爆发,2013-2017 年中国固定电价政策带动全球光伏装机量再次腾飞

中国 2030 年碳达峰,2060 年碳中和,2030 年非化石能源占比达 25%,电力环节占碳排放 41%

2013 年国务院24号《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》文件首次明确:电价补贴标准每千瓦时 0.42 元期限 20 年,2018 年 531 新政度电补贴调整到 0.37 元/KWh

2019 年开始推动平价上网,行业从政策驱动转变为市场驱动,从周期性向成长性转变

二、技术

5. 产业链:上游硅料硅片、中游电池组件、下游系统电站

上游:硅料、硅片硅料是通过对石英矿还原加工,提炼出纯度在 98% 以上的冶金级硅,将冶金级硅进一步提纯后制成纯度在 99.9999% 以上的光伏级多晶硅将多晶硅铸造成多晶硅锭或者单晶硅棒后切割成硅片

中游:电池、组件硅片表面经过掺杂刻蚀等一系列工艺制成电池片电池片焊接串接胶膜封装玻璃制作成组件

下游:系统、电站

组件安装在支架上,装逆变器组成系统

光伏电站的建设与运营维护

6. 技术路线:光伏、光热

太阳能发电主要有光伏发电、光热发电两种方式,光伏发电利用元器件的光伏效应进行光电转换,光热发电是将光能聚集对液体或气体介质加热,再通过机械驱动的方式转化成为电能

下面进行一一介绍

三、光热

7. 市场:聚光太阳能热发电 CSP

光热全名聚光太阳能热发电CSP(Concentrated Solar Power),通过各种镜面聚集太阳直射光,加热导热介质,再经过热交换产生高温蒸气,推动汽轮机发电,2019 年全球 CSP 装机容量 5.8 GW

8. 原理:远看像光伏,近看火电厂

光热发电系统所利用的发电原理与传统电厂并无差别,还是被戏称为“烧开水”的热电套路,分为集热系统、热传输系统、储热系统、发电系统四部分

集热系统包含聚光装置、接收器,聚光装置由中央控制系统操控,跟踪太阳位置收集并反射最大量的阳光,将辐射能集中至接收器上,接受器则利用收集到的能量加热内部工质,实现能量的吸收与储运

热传输系统利用导热工质工作流体熔盐,输送给后续系统,熔盐可保持较宽的工作温度范围,安全性能出色,但对管道与储热罐存在腐蚀

储热系统 TES(thermal energy storage)通过储热罐储存熔盐,与水换热产生蒸汽推动汽轮机发电,冷却的熔盐可再次流回集热系统重新加热,储能罐具备调节输出功率的能力,根据当地用电负荷适应电网调度发电

发电系统通过加热水获得高质量的过热蒸汽,推动各式汽轮机发电

9. 技术路线:塔式、槽式、菲涅尔式、碟式

比较成熟的光热技术路线:塔式、槽式、菲涅尔式、碟式

塔式利用大规模的定日镜组成阵列,将太阳辐射反射并积聚到吸热塔顶部的吸热器对内部工质进行加热,优势热传递路程短,损耗小,聚光比和温度都比较高,且规模大,但不能小型化,无法建立分布式

槽式通过槽式抛物面聚光镜面将太阳光汇聚在焦线上,焦线上安装管状集热器吸收太阳辐射能,优点是技术成熟,设备简单成本低,但集热效率偏低

菲涅尔式采用菲涅尔透镜替代抛面镜聚光到上方的二次聚光器,再汇聚到管状集热器,优点是成本更低,但更降低了聚光能力,整体发电效率更低

碟式利用旋转抛物面反射镜,将入射太阳光聚焦到焦点上,通过斯特林发动机发电,类似分布式光热电站,聚光效率高,但成本远远高于分布式光伏

已投入使用的光热发电站中,槽式占据主流,但在建的 5 个光热项目中,3 个采用塔式,1 个同时集成了塔式与槽式,1 个纯槽式

10. 优势:自带储能,可调度调峰

光热相较于光伏最大的优势是它直接解决了光伏面临的最大缺陷,即发电不可调度,光热不直接使用太阳辐射能发电,而是首先将其转化为热能收集起来,通过加热水驱动汽轮机发电,最大优势就是可以根据电网负荷的需要调节汽轮机发电组的输出功率,实现发电量调峰

热能与电能不同,是一种使用方便,储存简单的能量形式,光热电站通过储热系统将未被利用的热能首先收集起来,在光照条件不足的情况下调用,实现不受光照强度变化影响的延时发电,避免了光伏电站没了太阳就停摆的尴尬,可以实现 24 小时连续发电

11. 劣势:成本 1 元/度以上

聚光太阳能热发电(CSP)成本高达 0.108 美元/千瓦时,比光伏贵一倍以上,中国首批光热发电示范项目,2019年~2020年上网电价每千瓦时 1.10 元执行,2021 年上网电价每千瓦时 1.05 元

12. 产业:全球 5.8 GW,中国 20 个示范项目

2019 年全球 CSP 装机容量 5.8 GW

中国目前有 20 个光热发电示范项目

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