太阳能光伏发电系统及其应用(第二版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:杨贵恒、张海呈、张颖超、强生泽 编著

出版社:化学工业出版社

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太阳能光伏发电系统及其应用(第二版)

太阳能光伏发电系统及其应用(第二版)试读:

前言

进入21世纪的人类社会正面临着化石燃料短缺和生态环境严重污染的局面,廉价的石油时代即将结束,逐步改变能源消费结构,大力发展可再生能源,走可持续发展的道路,已成为世界各国政府的共识。

由于太阳能光伏发电系统具有其独特的优点,其应用与普及越来越受到人们的重视。我国的太阳能资源十分丰富,为太阳能的利用创造了有利的自然条件,近年来得到了飞速发展。我国太阳能电池的产量平均年增长率在40%以上,已成为发展迅速的高新技术产业之一,其应用规模和领域也在不断扩大,从原来只在偏远无电地区和特殊用电场合使用,发展到城市并网系统和大型光伏电站。尽管目前太阳能光伏发电在能源结构中的所占比例不大,但是随着社会的发展和技术的进步,其份额将会逐年增加。据专家预测,到21世纪中叶,太阳能光伏发电将成为世界能源供应的主体,一个光辉灿烂的太阳能时代即将到来。

本书共分为8章来讨论太阳能光伏发电系统及其应用技术。第1章介绍了太阳的物理特性、太阳辐射的性质、我国的太阳能资源分布与利用形式以及太阳能光伏发电现状与发展前景;第2章介绍了各种太阳能光伏发电系统的工作原理;第3章至第7章重点讨论了太阳能光伏发电系统中的核心部件及其相关技术:太阳能光伏电池与阵列、储能装置、光伏发电系统中的电能变换技术、光伏发电系统的控制与管理、光伏发电系统的设计等;第8章简要介绍了太阳能光伏发电系统的运行管理与维护。

本书通俗易懂,注重科学性、针对性和实用性的有机结合,是从事太阳能光伏发电系统设计、开发与应用工程技术人员的必备读物,也可作为大专院校和职业技术学院相关专业师生的教学参考用书。本书第一版作为太阳能光伏发电系统的经典科技图书和教学参考用书,多所大专院校和职业技术学院相关专业选用此书作为教材,畅销五年,现全新改版新装上市,内容更全、技术更新、实用性更强!

本书由常熟理工学院李天福,盐城工学院张春富,重庆通信学院杨贵恒、张海呈、强生泽、张颖超、王秋虹、朱鹏涛、刘扬、叶奇睿、冯雪、张建新、景有泉、钱希森、李龙、向成宣、任开春、曹均灿、龚伟、金丽萍、田永书、刘凡、张瑞伟、聂金铜、文武松、詹天文、杨波、赵英等共同编写,最后由杨贵恒统稿。另外,本书在出版过程中,得到了重庆通信学院教保科的大力支持,在此表示衷心感谢。

读者如需要本书讲课资料,可发邮件至gmr9825@163.com。

由于太阳能光伏发电技术所涉及的知识面广,相关技术发展迅猛,再加之编者的水平和经验有限,书中难免存在不足之处,恳请广大读者批评指正。编著者第1章 绪 论

随着世界经济的快速发展,对能源的需求越来越大。目前,世界各国大多以石油、天然气和煤炭等化学原料作为主要能源,这必将导致能源的日益枯竭与环境污染的日益突出,能源与环境已成为21世纪人类面临的两项重大难题,包括太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能、地热能等在内的可再生能源的发展与应用受到广泛关注。1.1 太阳及太阳能概述

太阳能是由太阳中的氢经过聚变而产生的一种能源。它分布广泛,可自由利用,取之不尽,用之不竭,是人类最终可以依赖的能源。太19阳能以辐射的形式每秒钟向太空发射3.8×10MW能量,其中有二十二亿分之一投射到地球表面。地球上一年中接受到的太阳辐射能高达181.8×10kW·h,是全球能耗的数万倍,由此可见太阳的能量有多么巨大。利用太阳能的分布式能源系统逐渐受到各国政府的重视。要想合理的利用太阳能,首先要了解太阳的物理特性、太阳辐射的性质以及我国的太阳能资源分布与利用形式等。1.1.1 太阳的物理特性

人类对太阳的利用已有悠久的历史,中国早在两千多年前的战国时期就已经懂得用金属做成的凹面镜聚集太阳光来点火。那么,太阳的能量是从哪里来的呢?正像一年四季里人们亲身感受到的那样,太阳是一个热烘烘的大火球,每天都在向人们住居的地球放射出大量的光和热。太阳位于地球所在的太阳系的中心,太阳星系如图1-1所示。图1-1 太阳星系

太阳与地球、月亮最大的区别在于它是一个发光的巨大的气体恒星,是一个炽热的大气球。天文学家通常把其结构分成“里三层”和“外三层”。太阳内部的“里三层”,由中心向外依次是核反应区、辐射区和对流区。核反应区是太阳能产生的基地;辐射区是向外传播太阳能的区域;对流区是将太阳能向表层传播的区域。太阳外部有“外三层”,也就是我们日常所能看见的太阳大气层,它从里向外分别为光球层、色球层和日冕层(如图1-2所示)。太阳表面温度约5770K,中8心温度约1.56×10K,压力约为两千多亿大气压。由于太阳内部温度极高,压力极大,其内部物质早已离化而呈离子态,不同原子核的相互碰撞引起一系列类似于氢弹爆炸的核子反应是太阳能量的主要来源。表1-1简要介绍了太阳的物理性质。图1-2 太阳结构表1-1 太阳的物理性质-7① 1erg/s=10W。1.1.2 太阳能辐射与吸收

太阳是以光辐射的方式将能量输送到地球表面的,其中一部分光线被反射或散射,一部分光线被吸收,只有大约70%的光线通过大气层到达地球表面,如图1-3所示。太阳光在到达地球平均距离处,垂直于太阳光方向的辐射强度(辐射强度也称辐照强度,是指在单位时间内,垂直投射到地球某一单位面积上的太阳辐射能量,通常用W/222m或kW/m表示)为一常数1.367kW/m,此值称为太阳常数(Solar Constant)。到达地球表面的太阳辐照度(辐照度也称辐射通量,是指在单位时间内,投射在地球某一单位面积上太阳辐射能的量2值,通常用kW·h/m表示)与穿透大气层的厚度有关。通过太阳在任何位置与在天顶时,日照通过大气到达测点路径的比值来描述大气质量AM(Air Mass)。图1-3 大气成分对太阳光的衰减作用

大气质量为零的状态(AM0),是指在地球空间外接收太阳光的情况。太阳与天顶轴重合时,路程最短,只通过一个大气层的厚度,太阳光线的实际路程与此最短距离之比称为光学大气质量。光学大气质量为1时的辐射也称为大气质量为1(AM1)的辐射。当太阳光线与地面垂直线成一个角度θ时(如图1-4所示),大气质量=1/cosθ。估算大气质量的简易方法是,测量高度为h的物体的投射阴影长度s,则大气质量。图1-4 大气质量同照射角度的关系

由于地面阳光的强度和光谱成分变化都很大,因此为了对不同地点测得的不同太阳能电池的性能进行有意义的比较,就必须确定一个地面标准,然后参照这个标准进行测量(一般采用AM1.5的分布,即2总功率密度为1kW/m,即接近地球表面接收到的功率密度最大值)。太阳光的波长范围为10pm~10km,但绝大多数太阳辐射能的波长位于0.29~3.0μm之间,太阳能光谱分布如图1-5所示(由图可知,a线和c线几乎重合,意味着大气层外的太阳光谱基本上接近在5900K时的黑体辐射)。图1-5 太阳能光谱分布a—大气层以外(AM0);b—在海平面上(AM1.5);c—在5900K时的黑体辐射1.1.3 日地运动

地球以椭圆形的轨道绕太阳运行,椭圆形的轨道称为黄道,在黄88道平面内,长轴为1.52×10km,短轴为1.47×10km。

① 赤黄交角 地球与太阳赤道面大约成23.45°(23°26′)夹角方向运行(如图1-6所示)被太阳俘获,变成绕太阳旋转的行星。地轴(即地球斜轴,又称地球自转轴)与黄道平面的夹角称为赤黄交角。图1-6 赤黄角示意图

② 角速度 地轴相对太阳的转动速度不一样,对北半球而言,夏天快、冬天慢,对南半球而言,夏天慢、冬天快。

③ 南北回归线与夏至、冬至日 当北半球为夏至日(6月21/22日)时,南半球恰好为冬至日,太阳直射北纬23.45°的天顶,因而称北纬23.45°N纬度圈为北回归线。当北半球为冬至日(12月21/22日)时,南半球恰好为夏至日,太阳直射南纬23.45°的天顶,因而称南纬23.45°S为南回归线。

④ 春分与秋分日 春分日(3月20/21日)与秋分日(9月22/23日),太阳恰好直射地球的赤道平面(如图1-7所示)。图1-7 日地运动示意图1.1.4 天球坐标

观察者站在地球表面,仰望星空,平视四周所看到的假想球面,按照相对运动原理,太阳似乎在这个球面上自东向西周而复始地运动。要确定太阳在天球上的位置,最方便的方法是采用天球坐标,常用的天球坐标有赤道坐标系和地平坐标系两种。

(1)赤道坐标系

赤道坐标系是以天赤道QQ′为基本圈,以天子午圈的交点O为原点的天球坐标系,PP′分别为北天极和南天极。由图1-8可见,通过PP′的大圆都垂直于天赤道。显然,通过P和球面上的太阳(S)的θ半圆也垂直于天赤道,两者相交于B点。在赤道坐标系中,太阳的位置S由时角ω和赤纬角δ两个坐标决定。θ图1-8 赤道坐标系图

① 时角ω 相对于圆弧QB,从天子午圈上的Q点起算(即从太阳的正午起算),规定顺时针方向为正,逆时针方向为负,即上午为负,下午为正。通常用ω表示,其数值等于离正午的时间(小时)乘以15°。

② 赤纬角δ 同赤道平面平行的平面与地球的交线称为地球的纬度。通常将太阳的直射点的纬度,即太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹角称为赤纬角,通常以δ表示。地球上赤纬角的变化如图1-9所示。对于太阳来说,春分日和秋分日的δ=0°,向北极由0°变化到夏至日的+23.45°;向南极由0°变化到冬至日的-23.45°。赤纬角是时间的连续函数,其变化率在春分日和秋分日最大,大约一天变化0.5°。赤纬角仅仅与一年中的哪一天有关,而与地点无关,即地球上任何位置的赤纬角都是相同的。图1-9 地球上赤纬角的变化

赤纬角可用Cooper方程近似计算:(1-1)

上述公式中,n为一年中的日期序号。例如,元旦为n=1,春分日为n=81,12月31日为n=365。这是一个近似计算公式,具体计算时不能得到春分日、秋分日的δ值同时为0的结果。更加精确的计算可用以下近似计算公式:(1-2)

式中,N=92.975为从春分日到夏至日的天数;α为从春分日开11始计算的天数;

N=93.269为从夏至日到秋分日的天数;α为从夏至日开始计算22的天数;

N=89.865为从秋分日到冬至日的天数;α为从秋分日开始计算33的天数;

N=89.012为从冬至日到春分日的天数;α为从冬至日开始计算44的天数;

例如,在春分日,α=0,以此类推。1

式(1-2)比式(1-1)计算值的精确度提高了5倍,但计算较复杂,所以在一般情况下都用式(1-1)来计算赤纬角δ。

(2)地平坐标系

人在地区上观看空中的太阳相对地面的位置时,太阳相对地球的位置是相对于地面而言的,通常用高度角和方位角两个坐标决定,如图1-10所示。在某个时刻,由于地球上各处的位置不同,因而各处的高度角和方位角也不相同。图1-10 地平坐标系

① 天顶角θ 天顶角就是太阳光线OP与地平面法线QP之间的夹Z角。

② 高度角α 高度角就是太阳光线OP与其在地平面上投影线PgS之间的夹角,它表示太阳高出水平面的角度。高度角与天顶角之间的关系为θ+α=90°ZS(1-3)

③ 方位角γ 方位角就是太阳光线在地平面上的投影与地平面S上正南方向间的夹角γ。它表示太阳光线的水平投影偏离正南方向的S角度,取正南方向为起始点(即0°),向西(顺时针方向)为正,向东为负。

(3)太阳能角的计算

① 太阳高度角的计算 高度角与天顶角、纬度(φ)、赤纬角及时角之间的关系为sinα=cosθ=sinφsinδ+cosφcosδcosωSZ(1-4)

在太阳正午时,ω=0(正午以前为负,正午以后为正),上式可简化为sinα=cosθ=sinφsinδ+cosφcosδ=cos(φ-δ)=sin[90°±(φ-δ)]SZ(1-5)

当正午太阳在天顶角以南(即对于北半球而言,φ>δ)时α=90°-(φ-δ)S(1-6)

当正午太阳在天顶角以北(即对于南半球而言,φ<δ)时α=90°+(φ-δ)S(1-7)

② 方位角γ的计算 方位角与赤纬角、高度角、纬度及时角之S间的关系为sinγ=cosδsinω/sinαSS(1-8)(1-9)

③ 日出、日落时的时角ω 日出、日落时太阳高度角为0°,由S式(1-4)可得cosω=-tanφtanδS(1-10)

日出时的时角为ω,其角度为负值;日落时的时角为ω,其角SrSs度为正值。对于某一地点而言,太阳日出与日落时的时角相对于太阳正午是对称的。

④ 日照时间N 日照时间是当地从日出到日落之间的时间间隔。由于地球每小时自转15°,所以日照时间N可以用日出、日落时角的绝对值之和除以15°得到:(1-11)

⑤ 日出、日落时的方位角 日出、日落时太阳高度角为0°,此时,cosα=1,sinα=0,由式(1-9)可得SS(1-12)

由此可知,由上述公式所得到的日出、日落时的方位角都有两组解,但只有一组是正确的解。我国所处位置大致可划分为北热带(0°~23.45°)和北温带(23.45°~66.55°)两个气候带,当太阳赤纬角δ>0°(夏半年)时,太阳升起和降落都落在北面的象限(即数学上的第一、二象限);当太阳赤纬角δ<0°(冬半年)时,太阳升起和降落都落在南面的象限(即数学上的第三、四象限)。1.1.5 我国的太阳能资源

太阳能资源的区划通常采用三种方式。

第一级区划按年太阳辐射量分区。

第二级区划是利用各月日照时数大于6h的天数这一要素为指标。一年中各月日照时数大于6h的天数最大值与最小值之比值,可看作当地太阳能资源全年变幅大小的一种度量,比值越小说明太阳能资源全年变化越稳定,就越有利于太阳能资源的利用。此外,最大值与最小值出现的季节也说明了当地太阳能资源分布的一种特征。

太阳光在一天中实际的照射时数称日照时间。日照时间可分为最大可能日照时间与地理的或地形的可能日照时间,太阳边缘升起与降落之间的时段称为最大可能日照时间,太阳辐射能够达到一个给定平面的最长时段称为地理的或地形的可能日照时间。日照时间又可以分为天文日照时间和实际日照时间。天文日照时间是假设某地为晴天的日照时间,也就是实际日照时间的上限。实际日照时间与天文日照时间的比值称为日照率,可用来衡量一个地方为晴天的概率。日照率由以下公式确定:日照率(1-13)

若干年的年日照时间与年份数的比值称为年平均日照时间,此指标是太阳能利用价值的评估指标之一,全国主要城市的年平均日照及最佳安装倾角见表1-2。表1-2 全国主要城市的年平均日照及最佳安装倾角

第三级区划是利用太阳能日变化的特征值作为指标。其规定为,以当地真太阳时(实际上日常用的计时是平太阳时,平太阳时假设地球绕太阳是标准的圆形,一年中每天都是均匀的。北京时间是平太阳时,每天都是24小时。而如果考虑地球绕日运行的轨道是椭圆的,则地球相对于太阳的自转并不是均匀的,每天并不都是24小时,有时候少有时候多。考虑到该因素得到的是真太阳时。真太阳时要求每天的中午12点,太阳处在头顶最高)。9~10时的年平均日照时数作为上午日照情况的代表,同样以11~13时代表中午,以14~15时代表下午。哪一段的年平均日照时数长,则表示该段有利于太阳能的利用。第三级区划指标说明了一天中太阳能利用的最佳或不利时段。

为了便于太阳能资源的开发与利用,按年太阳总辐射量空间分布,也就是第一级区划方法,中国气象科学研究院根据1971~2000年太阳能资源分布实测数据将我国太阳能资源划分为四个区域,如图1-11所示。图1-11 中国太阳能资源分布示意图222(Ⅰ:≥6300MJ/m;Ⅱ :5040~6300MJ/m;Ⅲ :3780~5040MJ/m;Ⅳ:<3780MJ/2m;钓鱼岛、南海诸岛略)

Ⅰ.太阳能资源最丰富带:西藏大部、新疆南部以及青海、甘肃2和内蒙古的西部。这些地区的年太阳辐照量超过6300MJ/m,年总辐22射量大于1750kW·h/m,平均日辐射量大于4.8kW·h/m,而且月际最大与最小可利用日数的比值较小,年变化较稳定,是太阳能资源利用条件最佳的地区。

Ⅱ.太阳能资源很丰富带:新疆大部、青海和甘肃东部、宁夏、陕西、河北、山东东北部、山西大部、内蒙古东部、东北西南部、内蒙古东部、东北西南部、云南、四川西南部。该地区年太阳辐照量为225040~6300MJ/m,年总辐射量在1400~1750kW·h/m之间,平均日2辐射量在3.8~4.8kW·h/m之间,大部分地区可利用时数的年变化比较稳定。

Ⅲ.太阳能资源较丰富带:其年太阳辐照量为3780~5040 MJ/22m,年总辐射量在1050~1400kW·h/m之间,平均日辐射量在2.9~23.8kW·h/m之间,它主要包括黑龙江、吉林、辽宁、安徽、江西、山西南部、内蒙古东北部、河南、山东大部、江苏、浙江、湖北、湖南、福建、广东、广西、海南东部、四川和贵州大部、西藏东南部、台湾。

Ⅳ.太阳能资源一般带:太阳能资源一般带的年太阳辐照量小于223780MJ/m,年总辐射量小于1050kW·h/m,平均日辐射量小于22.9kW·h/m,它主要包括四川中部、贵州北部、湖南西北部以及重庆市。1.1.6 太阳能利用的基本形式

太阳能利用的基本方式有三种:太阳能热利用、太阳能热发电和太阳能光伏发电。

(1)太阳能热利用

太阳能热利用的基本原理是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器三种。根据其所能达到的温度和用途的不同,太阳能热利用可分为低温利用(<200℃)、中温利用(200~800℃)和高温利用(>800℃)。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等,中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等,高温利用主要有高温太阳炉等。

太阳能热利用技术有几大特点:①技术比较成熟、商业化程度较高;②太阳能热效率比较高,如太阳能热水器、太阳灶、太阳能干燥器,其平均热效率均能达到50%左右;③应用范围广,具有广阔的市场,如农业、畜牧业、种植业、建筑业、工业、服务业和人类日常生活领域均能推广和应用。

(2)太阳能热发电

太阳能热发电是先将太阳辐射能转换为热能,然后再按照某种发电方式将热能转换为电能的一种发电方式。

太阳能热发电技术可分为两大类型:一类是利用太阳热能直接发电,如利用半导体材料或金属材料的温差发电、真空器件中的热电子和热离子发电、碱金属的热电转换以及磁流体发电等。其特点是发电装置本体无活动部件。但它们目前的功率均很小,有的仍处于原理性试验阶段,尚未进入商业化应用。另一类是太阳能热动力发电,就是说,先把热能转换成机械能,然后再把机械能转换为电能。这种类型已达到实际应用的水平。美国、西班牙、以色列等国家和地区已建成具有一定规模的实用电站,通常所说的太阳能热发电即为这种类型的太阳能热发电系统。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来,将某种工质加热到数百摄氏度的高温,然后经过热交换器产生高温高压的过热蒸汽,驱动汽轮机并带动发电机发电。从汽轮机出来的蒸汽,压力和温度均已大为降低,经冷凝器凝结成液体后,被重新泵回热交换器,又开始新的循环。世界上现有的太阳能热发电系统大致可分为槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统三大基本类型。

亚洲首座太阳能热发电实验电站,我国首个、亚洲最大的塔式太阳能热发电电站——八达岭太阳能热发电实验电站,历经6年科研攻关和施工建设于2012年8月在延庆建成,并成功发电。这也使我国成为继美国、西班牙、以色列之后,世界上第四个掌握太阳能热发电技术的国家。该实验电站位于八达岭镇大浮坨村,热发电实验基地占地300亩,基地内包括一个高119m的集热塔和100面共1万平方米的定日镜。2013年6月,该电站发电并入国家电网。电站正在建设1MW槽式热发电系统,投入使用后,发电量将进一步增加。

随着新技术、新材料和新工艺的不断发展,研究开发工作的不断深入,并随着常规能源的涨价和资源的逐步匮乏,以及大量燃用化石能源对环境影响的日益突出,发展太阳能热发电技术将会逐渐显现出其经济社会的合理性。特别是在常规能源匮乏、交通不便而太阳能资源丰富的边远地区,当需要热电联合开发时,采用太阳能热发电技术是切实可行的。

(3)太阳能光伏发电

太阳能光伏发电是利用半导体的光生伏打效应将太阳辐射能直接转换成电能,太阳能光伏发电的基本装置是太阳能电池。

太阳能电池本身无法单独构成发电系统,还必须根据不同的发电系统配备不同的辅助设备,如控制器、逆变器、储能蓄电池等。光伏发电系统可以配以蓄电池而构成可以独立工作的发电系统,也可以不带蓄电池,直接将太阳电池发出的电力馈入电网,构成并网发电系统。独立和并网光伏发电系统的设备配置如图1-12和图1-13所示。图1-12 独立光伏发电系统示意图图1-13 并网光伏发电系统示意图

光伏发电具有许多优点,如安全可靠、无噪声、无污染,能量随处可得,不受地域限制,无须消耗燃料,无机械转动部件,故障率低,维护简便,可以无人值守,建站周期较短,规模大小随意,无须架设输电线路,可以方便地与建筑物相结合等。这些优点都是常规发电和其他发电方式所不及的。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源可以无处不在。1.2 太阳能光伏发电现状与发展前景

太阳能光伏发电最早可追溯自1954年由贝尔实验室所发明出来的太阳能电池,当时研发的动机只是希望能为偏远地区提供电能供给,那时太阳能电池的效率只有6%。从1957年苏联发射第一颗人造卫星开始,一直到1969年美国宇航员登陆月球,太阳能光伏发电技术在空间领域得到了充分发挥,在其他领域也得到了越来越广泛的应用。1.2.1 世界光伏发电的发展现状1.2.1.1 发展综述

受欧债危机等影响,传统光伏装机大国如德国、意大利等普遍下调补贴费率,但在2012 年全球仍新增光伏装机容量29.7GW,同比增长3.6%。从装机分布看,欧洲新增光伏装机量约为18.2GW,其中德国以7.6GW 的装机容量重回全球首位,同比增长2%;意大利则由2011的全球第一下滑至2012年的全球第四,装机量3.0GW。与此同时,全球光伏装机市场发展重心逐渐向新兴光伏国家倾斜,中、美、日光伏市场正在加快崛起。中国在2012 年的新增光伏装机容量达到4.5GW,同比增长66.7%,成为仅次于德国的全球第二大光伏市场;美国以3.3GW 的装机容量位居全球第三,同比增长78.6%;日本光伏应用市场延续了2011 年的上升势头,光伏新增装机容量近2.0GW,约占全球新增光伏装机市场的6%,同比增长53.8%。截止到2012 年底,全球光伏累计装机容量突破100GW。1.2.1.2 全球光伏制造业发展现状

(1)多晶硅行业

从产量看,多晶硅产量保持平稳发展。2012 年全球产能达40 万吨,同比增长20%,产量约23.4 万吨。其中,电子级多晶硅产量约2.5万吨,其余为太阳能级多晶硅。受供需关系所影响,多晶硅价格下降较快,全球多晶硅价格降幅达30% 以上,至2012 年底,多晶硅现货价格仅约为16 美元/千克。从区域发展角度看,全球多晶硅进入四国争霸阶段。2012 年,我国以7.1 万吨的产量位居全球首位,美国以5.9 万吨位居第二,韩国、德国和日本产量分别为4.1万吨、4万吨和1.3万吨。其中,我国和韩国主要生产太阳能级多晶硅,日本主要供应电子级多晶硅,美国和德国则兼而有之。而在产能方面,我国以19万吨的产能稳居全球第一,美国以8.6 万吨的产能位居第二,韩国以5.7 万吨的产能位居第三,德国和日本约为5.5 万吨和1.9 万吨。从发展势头看,逐渐形成中、美、韩、德四国拉锯,日本则盯紧电子级多晶硅这一细分市场。

从企业发展角度看,全球多晶硅产业集中度趋高。全球前十家多晶硅产量排名如表1-3所示,德国Wacker公司以3.8 万吨的产量位居全球首位,我国江苏中能公司以3.7万吨的产量位居次席,韩国OCI、美国Hemlock 和美国REC 公司分别以3.3万吨、3.1万吨和2.1万吨位居三到五位。前十家多晶硅产量已占据全球多晶硅总产量的79%。号称“四大金刚”的前四家多晶硅企业产能占全球的45%,产量则占据全球的59.4%。表1-3 2012 年全球十大多晶硅企业产量情况

(2)硅片行业

产业规模保持平稳发展,产业集中度不断提高。2012年,全球硅片产能超过60GW,同比增长7.1%,每瓦耗硅量已下降至6g/W以下,部分企业的耗硅量已下降至5.2g/W。2012 年硅片产量保持平稳,达36GW,与2011年基本持平。图1-14所示为2007~2012 年全球硅片产能/产量情况,从图中可以看出,近年来硅片产量的增长由前几年的快速增长转至平稳发展。从发展区域看,全球硅片产量逐渐集中在亚太地区,尤其是我国,我国硅片产能已超过40GW,占据全球总产能的67% 以上,2012 年全球硅片产量主要分布在:中国大陆、中国台湾地区、日本、韩国和欧洲等国家和地区。表1-4所示为2012 年生产规模最大的前十家硅片企业的产能情况,从表中可以看出,这十家硅片产能达26GW,产量达16.6GW,约占全球总产量的46%。其中中国大陆占据7 家,这7 家硅片企业的产能也占据了前十大硅片产能的75%,最大的保利协鑫硅片产能已达8GW,产量达5.6GW。图1-14 2007~2012 年全球硅片产能/产量情况表1-4 2012年全球主要硅片企业产能/产量情况 单位:MW

(3)电池片行业

全球电池片生产规模保持增长势头。2012年,全球太阳能电池片产能超过70GW(含薄膜电池),产量达37.4GW,与2011 年的35GW 相比,同比增长6.9%。2005~2012 年全球电池片产量情况如表1-5所示。在电池种类上,晶体硅电池产量约为33GW,薄膜电池约为4GW,聚光电池约为100MW。在区域分布上,中国大陆以21GW产量位居全球首位,接下来分别为中国台湾、日本、欧洲、美国等国家或地区。值得关注的是,由于2012年美国对中国大陆生产的晶硅电池片征收23%~249%不等的关税,部分中国大陆企业纷纷通过使用中国台湾等第三方电池片,以规避美国“双反”征税,促使中国台湾等地区的晶硅电池片快速发展。尤其是中国台湾地区,依托于自身强劲的半导体产业基础,再加上美国“双反”的有利因素,使其产量同比增长达22%,远高于全球增幅。表1-5 2005~2012 年全球太阳能电池片产量 单位:MW

产业集中度略有提高。从生产企业看,全球前十家企业电池片产量达到14.6GW,约占全球总产量的39%,同比增长2 个百分点。在电池类型上,九家为晶硅电池生产企业,只有美国First Solar 一家薄膜电池企业(CdTe 薄膜电池)。在区域布局上,中国大陆和中国台湾地区共占据8 席,另外两家分别为美国First Solar 和韩国韩华集团(韩华集团2012 年收购德国最大电池片生产企业Q-Cells 的晶硅电池业务,其总产能达到2250MW),其中中国英利以2GW 的产量位居全球首位,其晶硅电池片产能也已达到2450MW,美国First Solar 公司则以1.9GW 的产量位居第二(主要是CdTe 薄膜电池),而中国晶澳则以1.8GW的产量位居全球第三,其产能也已达到2.8GW。具体详见表1-6。表1-6 2012 年全球主要电池片企业产能/产量情况 单位:MW

(4)电池组件行业

组件产量依然保持平稳增长势头。2012 年产能达70GW,同比增长11.1%,产量达37.2GW,同比增长6.3%。从区域看,中国依然是太阳能电池组件的最大生产国,产量达23GW,主要是晶体硅电池(占比达到98%),欧洲则以近4GW 的产量位居第二(其中薄膜电池占比约为20%),日本以约2.4GW 产量位居第三(其中薄膜电池约600MW,占比达25%)。而韩国、马来西亚、新加坡等亚洲国家产量也达到GW 量级。

从产业集中度看,全球出货量最大的前十家组件企业产量达13.9GW,占世界总产量的38%,同比增长2个百分点。在这十家光伏企业中,中国占据六席,美国占据两席,日本和韩国各占一席。其中英利以近2.3GW 的产量位居第一,First Solar(美国)以1.9GW 位居第二,尚德、天合、阿特斯、晶澳、Sharp(日本)、Sunpower(美国)、韩华(韩国)和晶科分别以1.7GW、1.7 GW、1.6GW、1.1 GW、1.06 GW、0.925 GW、0.85 GW和0.84 GW分列第三到第十位。

(5)薄膜电池行业

由于晶硅电池生产成本与售价大幅下降,造成薄膜电池因为光电转换的效率不及晶硅电池、成本优势不明显等原因丧失了对晶硅电池的竞争优势。因此,近年来薄膜电池产量出现下滑态势。2012 年,全球薄膜电池产量约3530MW,同比下降13.9%。其中硅基薄膜电池950MW,CIGS约680MW,CdTe约1900MW,中国大陆薄膜电池产量约400MW,几乎均为硅基薄膜电池。虽然薄膜电池产量出现下滑,但有分析机构统计,薄膜电池市场规模在2012 年近30 亿美元。如果First Solar 等CIGS 主要薄膜厂商在效率、成本、产量和市场路线方面取得突破的话,薄膜市场在2016年有望回暖至76亿美元的规模。

在薄膜电池产量下降的同时,其占全球光伏市场的市场份额也在逐步下滑。在2010 年前,由于多晶硅价格较高,晶硅电池生产成本一直居高不下,薄膜电池相较于晶硅电池成本优势明显,因此虽然薄膜电池的光电转换效率较低,但其市场份额依然不断上升,并在2009年达到最高16.5% 的市场份额。但由于晶硅电池组件生产成本大幅下降(0.6美元/瓦左右),产业化转换效率不断提高(单晶硅组件16.5%,多晶硅组件15.5%),而薄膜电池技术却迟迟得不到突破,薄膜电池相较晶硅电池的优势逐渐丧失,因此市场份额也逐渐下滑,至2012年,薄膜电池所占市场份额为9.4%。

(6)光伏设备行业

因欧债危机冲击,加上德国和意大利政府对光伏发电补助对策的动向不明,导致光伏产品生产厂设备投资转趋慎重。据统计,2011年全球光伏设备销售收入130 亿美元,2012 年下降到36 亿美元。2011 年有23家供应商的光伏设备营收超过1亿美元,而2012年仅有8 家,相信这种局面不会持续太久,在不久的将来全球光伏设备销售收入仍会突破100 亿美元的大关。全球主要光伏设备厂商及其光伏业务领域如表1-7所示。表1-7 全球主要光伏设备厂商及其光伏业务领域

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