2973
今天我們開始講碳中和系列，第一講是光伏，本篇主要講市場和光熱，下篇講光伏上游硅料硅片
一、市場
1. 三大優(yōu)勢：轉(zhuǎn)換效率最高、儲量最大、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)來源都是太陽，化石能源煤炭石油是植物光合作用吸收太陽能儲存于有機體的殘留，風能是大氣受熱不均產(chǎn)生的對流，生物質(zhì)能、水能本質(zhì)上都是太陽能通過二次或多次轉(zhuǎn)換而來，在核聚變遲遲無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能轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換效率最高！
每年到達地球表面的太陽能約有 130 萬億噸標準煤，相當于全球石油儲量 400 倍、煤炭儲量 300 倍，太陽系 50 億年壽命可以認為是取之不盡，用之不竭，儲量最大，若將撒哈拉沙漠全部安裝太陽能電池板便足以供應全球目前用電量
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82%，2021年4月沙特 600MW?光伏 IP 項目中標價低至 1.04美分/kWh 折合人民幣大約 7 分/度
中國實現(xiàn)碳中和需要光伏-特高壓-新能源車能源大三角，對應清潔能源生產(chǎn)-傳輸-儲能利用循環(huán)體系
2. 原理：半導體光電特性
光伏是利用半導體的光生伏特效應（Photovoltaic Effect）而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，啥叫半導體、能帶、PN結(jié)、光電特性等等請參考半導體全面分析（一）：兩大特性，三大政策，四大分類！
半導體摻入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，多出的電子能夠作為導電的來源，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，這種缺少電子的空位被稱為空穴，空穴同樣能夠?qū)щ姡瑢膿诫s手段被稱為P（Positive）型摻雜
當太陽光照射在表面，PN結(jié)附近的電子吸收能量變?yōu)橐苿拥?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1521507.html">自由電子，同時在原來的位置形成空穴，當連接電池正負極形成閉合回路時，自由電子受到內(nèi)電場的力從N區(qū)經(jīng)過導線向P區(qū)移動，在外電路產(chǎn)生電流
對太陽光譜分析，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)換效率來看，光伏電池最佳材料是禁帶寬度為 1.5eV 的半導體，我們來挑一挑 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：全球 6000 億，中國 2400 億
全球年發(fā)電量 25000?TWh?約?12?萬億元，光伏占 3% 約?3600 億，年新增 150 GW?約?6000 億
中國光伏年發(fā)電量 2500 億?kWh?占 4% 約 1200?億元，年新增 60 GW 約?2400 億
4. 政策：屋頂計劃→補貼→平價上網(wǎng)
光伏發(fā)電是重資產(chǎn)行業(yè)，前期投入大，后期維護成本低，現(xiàn)金流穩(wěn)定
產(chǎn)業(yè)政策推動行業(yè)繁榮周期，2001-2005 年歐美“光伏屋頂計劃”推動光伏電站建設的興起，2007-2010 年歐洲光伏補貼刺激行業(yè)大爆發(fā)，2013-2017 年中國固定電價政策帶動全球光伏裝機量再次騰飛
中國?2030?年碳達峰，2060?年碳中和，2030?年非化石能源占比達 25%，電力環(huán)節(jié)占碳排放?41%
2013 年國務院24號《國務院關(guān)于促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》文件首次明確：電價補貼標準每千瓦時 0.42 元期限 20 年，2018 年 531 新政度電補貼調(diào)整到 0.37 元/KWh
2019 年開始推動平價上網(wǎng)，行業(yè)從政策驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鲵?qū)動，從周期性向成長性轉(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、硅片硅料是通過對石英礦還原加工，提煉出純度在 98% 以上的冶金級硅，將冶金級硅進一步提純后制成純度在 99.9999% 以上的光伏級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)
光伏電站的建設與運營維護
6. 技術(shù)路線：光伏、光熱
太陽能發(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進行光電轉(zhuǎn)換，光熱發(fā)電是將光能聚集對液體或氣體介質(zhì)加熱，再通過機械驅(qū)動的方式轉(zhuǎn)化成為電能
下面進行一一介紹
三、光熱
7. 市場：聚光太陽能熱發(fā)電 CSP
光熱全名聚光太陽能熱發(fā)電CSP（Concentrated Solar Power），通過各種鏡面聚集太陽直射光，加熱導熱介質(zhì)，再經(jīng)過熱交換產(chǎn)生高溫蒸氣，推動汽輪機發(fā)電，2019 年全球 CSP 裝機容量 5.8 GW
8. 原理：遠看像光伏，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，跟蹤太陽位置收集并反射最大量的陽光，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)，實現(xiàn)能量的吸收與儲運
熱傳輸系統(tǒng)利用導熱工質(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，但對管道與儲熱罐存在腐蝕
儲熱系統(tǒng) TES（thermal energy storage）通過儲熱罐儲存熔鹽，與水換熱產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電，冷卻的熔鹽可再次流回集熱系統(tǒng)重新加熱，儲能罐具備調(diào)節(jié)輸出功率的能力，根據(jù)當?shù)赜秒娯摵蛇m應電網(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，推動各式汽輪機發(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，將太陽輻射反射并積聚到吸熱塔頂部的吸熱器對內(nèi)部工質(zhì)進行加熱，優(yōu)勢熱傳遞路程短，損耗小，聚光比和溫度都比較高，且規(guī)模大，但不能小型化，無法建立分布式
槽式通過槽式拋物面聚光鏡面將太陽光匯聚在焦線上，焦線上安裝管狀集熱器吸收太陽輻射能，優(yōu)點是技術(shù)成熟，設備簡單成本低，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，將入射太陽光聚焦到焦點上，通過斯特林發(fā)動機發(fā)電，類似分布式光熱電站，聚光效率高，但成本遠遠高于分布式光伏
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 個光熱項目中，3 個采用塔式，1 個同時集成了塔式與槽式，1 個純槽式
10. 優(yōu)勢：自帶儲能，可調(diào)度調(diào)峰
光熱相較于光伏最大的優(yōu)勢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輻射能發(fā)電，而是首先將其轉(zhuǎn)化為熱能收集起來，通過加熱水驅(qū)動汽輪機發(fā)電，最大優(yōu)勢就是可以根據(jù)電網(wǎng)負荷的需要調(diào)節(jié)汽輪機發(fā)電組的輸出功率，實現(xiàn)發(fā)電量調(diào)峰
熱能與電能不同，是一種使用方便，儲存簡單的能量形式，光熱電站通過儲熱系統(tǒng)將未被利用的熱能首先收集起來，在光照條件不足的情況下調(diào)用，實現(xiàn)不受光照強度變化影響的延時發(fā)電，避免了光伏電站沒了太陽就停擺的尷尬，可以實現(xiàn) 24 小時連續(xù)發(fā)電
11. 劣勢：成本 1 元/度以上
聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）成本高達 0.108 美元/千瓦時，比光伏貴一倍以上，中國首批光熱發(fā)電示范項目，2019年~2020年上網(wǎng)電價每千瓦時 1.10 元執(zhí)行，2021 年上網(wǎng)電價每千瓦時 1.05 元
12. 產(chǎn)業(yè)：全球 5.8 GW，中國 20 個示范項目
2019 年全球 CSP 裝機容量?5.8 GW
中國目前有 20 個光熱發(fā)電示范項目
下載ECAD模型
