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深度剖析:伴随光伏行业发展的“硅产业链”全貌

原标题:深度剖析:伴随光伏行业发展的“硅产业链”全貌

自硅晶体的半导体特性被发现和运用之后,几乎改变了人类的思维方式,一是光伏的发明将太阳光辐射能直接转换为电能,二是制成各种集成电路。前者拓展了清洁能源的边界,而后者的发明更是为现代信息奠定基础。

近年来,由于受分布式光伏发展强劲带动,国内硅晶体需求旺盛。我国多晶硅产能快速提升,2017年底产能接近35万吨;自2014年开始,我国产能利用率极高,接近满产;2016年全球多晶硅料产量为37万吨,我国的产量占全球的52.43%为19.5万吨,但仍进口14了万吨。硅片产量63GW,占全球总产量 的91.30%;太阳能电池产量49GW,占全球总产量69GW 的71.01%;电池组件产量达到53GW,占全球总产量72GW 的73.61%。

引言:在上海自然博物馆入口的一面墙上有这么一句话:“如果宇宙是答案,那么什么是问题?”不同世纪的岩层、多样的生物以及人类走出非洲后的全球迁徙,原来我们花了100万年才进入青铜时代,而现代科技的发展却是加速度的几何倍增长,我们就这样从碳基时代悄无声息的切换到了硅基时代。碳,驱动世界万物生长,驱动机械的运动;硅,驱动着能源与计算,驱动高阶进化。如果有一天,硅基文明将能源和计算合为一体,如果人类将被取代,那么,是否现在就该问问“什么是答案“。

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硅产业链

人类走过石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代,在聚集和相互融合的过程中是一场旷日持久的信息积累与交互,聚集能量塑造文明。而人类的文明应该以什么来定义?也许有人认为是科技进步,或是科技进步后的经济水平,从物质的角度来看,我觉得或许可以是材料。如果以工业革命来划分,前两次是煤炭与石油的应用,第三次人类社会的变革引领便是计算机,相对应的便是“碳时代”与“硅时代”。

自硅晶体的半导体特性被发现和运用之后,几乎改变了人类的思维方式,一是光伏的发明将太阳光辐射能直接转换为电能,二是制成各种集成电路。前者拓展了清洁能源的边界,而后者的发明更是为现代信息奠定基础。

来源:扑克财经

无论是光伏还是半导体,原料都离不开硅。地球上存在的硅是极为常见的一种元素,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中,不过它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式存在。硅在宇宙中的储量排在第八位,在地壳中它是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%),因此硅元素的取得并不难。

工业硅又称金属硅,是由硅石和碳质还原剂在矿热炉内冶炼成的产品,是制作多晶硅的原料。我国的工业硅在产能与产量方面都是全球第一,世界占比逾50%,且继续呈上升趋势。2016年我国的工业硅产能达到460万吨,产能连续扩张,然而2016年产量仅为210万吨,产能利用率低。此外,我国的工业硅生产集中程度不高,前10家工业硅企业产量只占到全国产量的34%左右。

来源:产业信息网

在工业硅的下游需求中,出口占到很重要的一部分,占比约30%,但由于西方国家对我国实行反倾销,我国的工业硅出口效益低;其次铝合金、有机硅和多晶硅是我国工业硅的主要下游应用。2014年时我国工业硅产量和需求量基本保持平衡,不过自2015年以来出现了供大于需的情形。

铝合金和有机硅都是工业硅的下游应用,在这篇文章中我们主要阐述多晶硅这一分支。多晶硅的生产工艺其实就是硅的提纯工艺,多晶硅料可分为电子级多晶硅料和光伏级多晶硅料,顾名思义前者进而生产集成电路而后者主要生产光伏材料。两者的区别就在于电子级和光伏级的纯度不同,且两种硅料都有一二三级之分,第三级的纯度最高。通常来说光伏级多晶硅纯度为6-11N,电子级多晶硅为9-12N,N可以简单理解为纯度的表示。从纯度上来说,光伏级多晶硅料是低于电子级的多晶硅料的,半导体工业用硅必须进行高度提纯。半导体多晶硅一直以来都是高新技术材料,制造难度高,我国技术很难达到,因此被欧美日所垄断。而欧美又用几十年的电子级多晶硅提纯技术来发展太阳能级多晶硅,比我们具有先天的技术优势。2016年全球的多晶硅产量为37万吨,中国占比52.7%为19.5万吨,而国内的硅片产能占全球的70%,因此仍有40%左右的硅料需要通过进口来补充。

多晶硅料通过铸锭形成多晶硅锭,或者通过拉晶形成单晶硅棒,然后切片制作成硅片。硅产业链比较复杂,可以简单的理解为多晶硅片和单晶硅片是平行关系,不过单晶硅片的性能要远优于多晶硅片,两者的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著;单晶硅片被称为“世界上最纯净的物质”。

中国的多晶硅工业起步于20世纪50年代,60年代中期实现了产业化,到70年代,生产厂家曾经发展到20多家。但由于工艺技术落后,环境污染严重,消耗大,成本高等原因,绝大部分企业亏损而相继停产或转产。到目前为止,国内有多晶硅生产条件的单位有洛阳中硅高科技有限公司、峨嵋半导体材料厂(所)、四川新光硅业科技有限责任公司、亚洲硅业(青海)有限公司4家企业。

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光伏行业里的硅

2.1 全球光伏行业的发展画片

早在1990年德国就提出了“2000个光伏屋顶计划”,德国拥有世界上最成熟的光伏市场,2009年光伏装机总量为全球第一。全球光伏发展更上一个台阶则是在2000年,全球光伏安装总量为1000MW,标志着太阳能时代的开始。

在国内,2001年推出了“光明工程计划”,2009年开展“金太阳”工程,2010年启动了国内太阳能发电市场。这一系列的进步是我国光伏行业的第二次跳跃,主要是受到国际大环境的影响、政府项目的拉动,而第一次跳跃是在20世纪80年代以引进多条太阳能电池生产线为标志。不过,在中央财政拨付了大量资金用于节能降耗和推动可再生能源的发展的同时,光伏行业出现了严重的骗补问题。“金太阳”工程补贴给“项目投资者”一笔达到项目总投资50%的资金,而这50%的资金在项目投建前一般就会预支其中的70%,剩余30%在完工后支付。这一优厚的待遇就造成了“项目投资者”实际建设的电站规模与申报规模根本不符,或是在建设上以次充好,甚至不去考虑以后并网发电是否可行,一切所谓的光伏项目仅仅都是为了套取补贴。

在2006年,欧洲国家就有3.2GW的光伏装机容量,明显高于同期美国的0.4GW和日本的1.6GW。由于欧洲的先发优势,从2008至2013年间,欧洲国家的光伏装机总量的全球占比始终维持在60%左右,直至2012年欧洲的光伏行业一直维持着高技术、高增长的态势。2012年之后,全球的光伏市场格局改变,老牌光伏强国新装机量出现低增长,但依然在累计装机量上保持优势。新兴光伏国家在2012年后开始蓄力,2016年我国的新增光伏装机量达到了34.54GW,同比增长126.31%;美国也在2012年出现爆发增长,当年的新增装机量同比为135%,而后趋于稳定,2106年为同比增加80%。

2.2 我国为什么要发展光伏

我国光伏行业出现了“骗补”的恶劣行为,但是国家依然对光伏行业进行扶持,光伏装机也在近两年大幅增长,我国为何要提倡光伏发展,尤其是分布式光伏?

首先,为了顺应能源结构的改变。发展清洁能源是保护环节的必要手段,我国正在由以煤炭为主的能源结构向多种能源并存的结构转变,其中清洁能源比例逐渐提升。除此之外,能源结构多元化有利于国家能源安全。

其次,分布式电源并网有利于电网的进一步完善。分布式电源主要是接入配电网,而分布式电源的并网,一定会要求配电网做出一定的改变,以保证将电能可以经济安全地供给负荷工作,从而对配电网进行升级改造,这无疑对整个电网系统坚强可靠性的提高有着很重要的助推作用。

最后,推动储能模式的改变。电网是只有输电功能而没有储电功能的,多余的发电量没有足量使用的话就会出现“弃电”。而分布式的家庭光伏会是储能发展的良好模式,在发电高峰时将富裕电量充入电池,发电低谷时释放供应负载,起到削峰填谷的作用。其实特斯拉的powerwall就是一个很好的太阳能+储能的例子。

2.3 中国光伏行业的发展潜力

经过前期调整,目前行业已经进入复苏周期。而从光伏发电行业的发展趋势来看,分布式光伏发电将会成为光伏行业的重点方向,相对于集中式光伏电站,分布式光伏电站的资源利用率更高、弃光率低、建设更为容易。

2016年11月我国推出的“太阳能发电发展‚十三五‛规划”指出到2020年太阳能发电装机达到1.1亿千瓦以上,其中分布式光伏6000万千瓦以上,而目前截至2017年末最宽泛口径统计下的分布式光伏项目仅为10GW,我国的光伏发展有巨大的空间。

2016年底,发改委分资源区降低了2017年光伏电站的标杆上网电价,同时明确,光伏标杆电价根据成本变化情况每年调整一次。按规定,2017年1月1日前备案并纳入2016年财政补贴规模管理的光伏发电项目,于6月30日前装机并网,执行2016年光伏发电上网标杆电价和补贴标准。各光伏企业为了享受2015年的光伏上网电价,争先在6月底前建成光伏电站并网。受此带动,光伏企业迎来一波“抢装潮”。

2017年上半年,光伏行业由于“6.30”抢装,上半年新增装机24.4GW,同比增长9%,其中分布式光伏7.11GW,同比增长2.9倍。而三季度抢装结束后,光伏装机热度不减,截至三季度末,中国光伏新增装机容量达43GW,已超过去年全年装机容量。其中光伏电站27.7GW,同比增加3%;分布式光伏15.3GW,同比增长近4倍。2017全年新增装机53.06WG,继续保持稳步增长势头。

在光伏的整个产业链中的各环节,我国的产量基本都达到了全球产量占比的一半,是名副其实的光伏生产国。由于受分布式光伏发展强劲带动,国内硅晶体需求旺盛。我国多晶硅产能快速提升,2017年底产能接近35万吨;自2014年开始,我国产能利用率极高,接近满产;2016年全球多晶硅料产量为37万吨,我国的产量占全球的52.43%为19.5万吨,但仍进口14了万吨。硅片产量63GW,占全球总产量的91.30%;太阳能电池产量49GW,占全球总产量69GW的71.01%;电池组件产量达到53GW,占全球总产量72GW的73.61%。

然而,在上述数据中还是可以发现,在光伏产业链中,我国多晶硅料的自给率相较于其他环节较低,整个光伏产业链呈现“两头大,中间小”的特点。值得欣慰的是中国光伏“两头在外”的局面已经得到大幅度的改善,产业链各环节生产规模全球占比均超过50%,继续位居全球首位。近年来我国的多晶硅自给率也逐渐上升,2016年自给率超过50%,光伏电池组件出口约21.3GW,国内新增光伏装机容量约34.54GW,光伏电池组件产量的自我消化率已经超过50%。

2.4 光伏行业的前景:硅片成本降低,经济效益逐渐显现

在政策从上至下的推动光伏行业前进的同时,光伏级硅片的成本也在下降,经济效益逐渐体现也自下而上的推动了整个行业的发展。

我国是世界上主要的硅片生产国,在全球的前十大硅片生产商中,中国的生产商占据绝对优势,2016年其全球硅片的全球占比为73.4%。

来源:新时代证券

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2018年光伏硅片的供需情况

硅业分会认为2018年国内多晶硅产能扩张将达到新的高点,新增产能约12-13万吨/年,达到40万吨/年,同比大幅增长45%,但是绝大部分产能可能要到下半年才会释放。因此预计2018年国内产量大约在26-28万吨,进口量将维持在13-15万吨左右,故2018年国内总供应量约39-43万吨。需求方面,硅业分会预计2018年全球装机量可能呈现低速增长。其中,国内光伏装机容量在经历历史高点后将于2018年可能略有缩减,预计2018年全球100-110GW、国内50-55GW的装机量,硅片电池片等将进入重建库存阶段,预计2018年国内硅片产量在90-100GW,多晶硅消耗量在36-40万吨。预计2018全年基本上供需平衡,特别是上半年,而下半年出现供大于求的失衡状态。但从产品线来看会出现分化,单晶硅或紧张,产品价格出现明显差距。

来源:硅业分会

光伏的技术路线开始转变,单晶硅比例提高;硅片成本下降,平价上网正在加速实现。在光伏产业的主要制造环节中,上游的多晶硅、硅片毛利率仍处于较高水平,因此多晶硅和硅片的国产化水平需快速提高。从对重点公司的毛利率统计来看,光伏产业链上游的多晶硅料、硅片环节,平均毛利率在40~50%左右,中下游的电池片、组件的平均毛利率在8~15%左右。

来源:华创证券

过去光伏多使用多晶硅片,因为多晶硅片的价格比单晶硅片的价格更具有优势,不过从转换效率上来看,常规多晶量产转换效率在18.8%,而常规单晶效率在20-20.2%。单晶环节可以通过提高拉速、连续投料等技术提高单位产出降低单位成本,多晶则由于金刚线切片需在电池片环节解决制绒问题,目前尚未完全应用。

根据中国电子信息产业发展研究院预测,2025年单晶硅片的市场份额将达到50%。2015年以来,单晶由于硅片端金刚线切片的导入实现了成本的快速下降,因而市场渗透率在不断攀升,2016年光伏单晶渗透率27%,2017上半年光伏单晶渗透率就达到了35%。2017年,单晶硅片的产销率基本为100%。从需求与供给来看,2017年单晶硅片需求为35亿片,而2017年单晶硅片产能为36亿片。单晶硅片产品抢手,尚未完全摆脱供不应求的局面。但单晶硅片产能扩张迅猛,2018年底,单晶硅片产能达64.6-68.6亿片,产能将不再是限制单晶硅片发展的因素。单晶硅片与多晶硅片的竞争以及单晶硅片产商之间的竞争将会加剧,单晶硅片的高毛利率将难以维持。但与此同时,拥有技术优势和成本优势的企业将会在竞争中处于主动地位。

来源:申万宏源证券

注:本文作部分摘录,仅选取了原文中与光伏行业相关内容。

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