光伏产业的能耗分析，投资经济性及其社会效益
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jhlu3
2009-07-10
引言
目前，在全球能源供应紧张和环境问题日益严重的情况下，经济和社会的可持续发展受到了巨大挑战，发展和利用清洁而安全的可再生能源受到了广泛重视。太阳能作为一种资源丰富、分布广泛且可永久利用的可再生能源，具有极大的开发利用潜力[1]。特别是进入21世纪，太阳能光伏发电产业成长非常迅速，据统计，最近五年，世界上太阳能电池总产量以平均每年超过30%的速度增长，2004年，全球太阳电池产量已经达到1194MW，光伏系统总装机容量接近2000MW。光伏产业已经真正成为世界经济发展中的一个独立分支，规模超过数十亿美元[2，3]。
光伏发电是通过先消耗能量再提供能量的方式来运作，以此来获得额外的太阳能。这样，其中就会涉及能量的投入与产出的问题，经济上的投资回报率问题以及社会效益等问题[4]。随着产业规模的快速成长，这些问题是我们在发展光伏产业过程中必须关注的，确保其给人们生活和社会发展提供健康的能源保障和良好的经济支持。
针对光伏产业中涉及到的以上问题，本文尝试通过在对整个光伏产业链中各技术环节分析的基础上，结合对行业内部实际情况的资料调查，提出一种具体可行的方法学，对其中能源的消耗与产出问题及经济上的投资回报收益进行了科学的分析和研究，剖析了其中的问题并得出结论。同时，对光伏产业的社会效益和未来发展进行了深入探讨。
分析思路与研究对象
光伏发电行业是一个跨度很宽的能量密集型，技术密集型和资金密集型的产业，同时，这个产业发展与环境和社会之间关系密切。位于产业链上游的是原材料和各种生产设备等供应商，中间是太阳能电池生产和封装环节的生产者，下游则是各种应用产品及其零部件（包括蓄电池，逆变器等）的开发商和广阔的应用市场。每个环节内部又包括若干个子系统和中间环节，如图1所示，它们共同推动着整个光伏产业的发展。下面具体的分析思路将按照从“上游—电池与组件生产商—下游”的路线来对其中涉及到的各环节中能量的分配和资金的流向进行探讨。
而就具体的研究对象来说谀壳暗墓夥低持校婕暗降募际跆逑捣浅９惴海凑詹牧侠捶职ǎ篏aAs，c-Si，mc-Si，a-Si，CuInSe，CdTe以及各种GaAs与Si的聚光体系等，除了GaAs主要用于空间卫星和飞行器外，真正在陆地上实现规模化应用的主要是Si系列太阳电池，其在目前地面光伏发电市场的占有量超过93%[5]。并且在可预见的未来时间内，因为材料的丰富、工艺的成熟和技术本身的快速发展，在地面太阳能光伏应用市场领域，Si系列太阳能电池会始终占据其主导地位。因此，在分析中，研究内容主要集中在Si系列太阳电池体系中，主要包括：c-Si，mc-Si，a-Si，和Si聚光电池。另外，对薄膜电池来说，不同类型的技术体系工艺接近，考虑的因素基
本相同，像衬底，工艺，和设备等，因此，选择a-Si电池作为薄膜电池的代表性研究对象就可以反映其它类别薄膜电池的情况。
能耗分析
在对光伏发电行业的能耗进行分析之前，首先需要明确的是应该如何来定义能量回收期限。在这里引入净能量的概念来进行分析，并且只在生态系统范畴内来讨论它的意义，其数值是由能量的产出值与能量的消耗值之间的差值来决定的。当能量的产出大于能量的消耗时，净能量为正，反之则为负。而具体到太阳能电池发电来说，能量的产出只能来源于电池板转换的电能，其多少与当地的太阳辐射量，电池的制备工艺和组件结构，电池板的安装特征（如倾斜的角度），其本身的转换效率和运行寿命等息息相关；而能量的消耗则会涉及到多个方面，多个环节。从图1中的产业链结构中可以看到，基本上其中的每一个环节都会涉及到能量的消耗与传递。Karl E.Knapp和Theresa L.Jester通过计算电池板制备过程中能量的直接消耗（如电池制备）与间接消耗（如封装材料，铝线框等）的总和来计算能量的总消耗[6]，把所有的能量都转化为相同数量的电能（单位kWh），然后通过总消耗能量与电池板电能产生速度的比值来计算能量的回收期限。结果得出，制备每千峰瓦单晶硅太阳电池组件需要的总能量为5,600kWh当量的电能，如表1所示，在辐照条件为1,700kWh/m2/y，每天4.7小时日照的条件下，能量回收周期为3.3年。
表1 单晶硅太阳电池组件制备过程中各环节消耗能量当量（kWh/KWp）
基片材料 太阳电池 电池组件 总计 能量回收期
工艺 1380 850 510 2740 1.6
直接材料 1885 — 525 2410 1.4
间接材料 35 415 — 450 0.3
总计 3300 1265 1035 2410
能量回收期 1.9 0.8 0.6 3.3
来源：Home Power
但是，在以上计算中，并没有涉及到电池组件到系统运行期间所需要消耗的能量，而这期间会用到逆变器等辅助部件的投入。这些都会使得能量回收时间延长，按照其所占费用的比例，整个能量回收时间会再延长半年左右（~0.5y），这样，对于单晶硅太阳能电池技术，整个光伏发电独立系统的能量回收时间约为4年。当然，以上计算还与光伏电站的规模有关，一般来说，随着规模的增加，能量回收期会变短一些，因为规模化效应的优势会在其中起作用。但是，如果辐照条件变为1,200 kWh/m2/y，能量的回收时间就需要约5年的时间。总之对于单晶Si太阳电池来说，在其约25~30年的使用周期中，其产生的额外能量相当于其本身消耗的5~7倍左右。当然，随着技术的进步和规模化扩张的优势，能量的回报时间会变得更短。如果商业化Si太阳电池的转换效率达到18%以上（目前转换效率普遍为~15%），并且表面织构技术变得成熟后，能量的回收周期会缩短在2~3年的范围内[7]。另外值得一提的是，现在有许多晶体硅太阳电池片来源于半导体行业中淘汰的单晶硅材料，变废为宝，从这个角度来考虑，因为计算能量消耗的起始点向后移动了许多，能量回收时间会更短，而且还充分利用了资源。
对于多晶硅太阳电池来说，目前其市场份额已经超过单晶硅的规模。据欧盟委员会的统计，2005年光伏市场上多晶硅电池占有58%的份额，单晶硅则占有32%的比例[1]。可以看出，多晶硅技术已经被市场广泛接受，二者的商业化转换效率差别不大，多晶硅技术开发的电池组件的转换效率达到14%已经非常成熟。同时，多晶硅与单晶硅相比，不仅省掉了拉单晶的过程，而且工艺上要更简单一些，这样每单位的耗能就更少。根据计算，多晶硅电池组件制备过程中的耗能约为单晶硅电池组件的70%，这样，其能量的回报时间缩短为3年，或者更短的时间。据美国能源部设定的路线，未来的多晶硅太阳电池的能量回报时间会在2年之内[4]。
a-Si薄膜太阳能电池由于使用非常少的半导体材料，成熟的大面积沉积工艺，相比之下，消耗的能量更少，如晶片电池每峰瓦需要硅材料15~20g，而薄膜电池每峰瓦仅需要硅材料100~400mg。而整个薄膜电池组件耗费的能量相当于晶片电池的1/4左右，当然，其转换效率还需要进一步提高，目前商业化的a-Si组件的转换效率普遍在7%左右，这样，通过计算，其能量的回报时间约需要2.8年，如果效率提高到10%的水平，回报时间会缩短到2年以内，现在CIS太阳电池组件发电时的总能量回报时间就约为2.2年，这样就有很大成本优势。E.A.Alsema[8]描述，并网的屋顶太阳能发电系统，如果采用a-Si薄膜技术，到2007年，能量的回收周期会在一年之内。所以，发展薄膜太阳能电池潜力巨大，效益更高。
为了更高效的利用太阳能，同时能够尽可能地降低组件成本，开发高效的聚光电池技术已经受到广泛重视。现在，带有500倍聚光系统的晶体Si太阳电池的转换效率已经达到28%，组件效率超过21%[9]，并且单位峰瓦消耗的能量也有所降低，这样，其能量回收周期会缩短，约为3年的时间。
通过以上分析和计算可以看出，无论对于那种类型的太阳电池技术来说，其最终的能量回收期限都会远远小于整个组件的使用寿命，随着技术的进步和产业的成熟，未来这一数值还将继续缩短，如图2所示。并且，光伏发电可以产生相当本身消耗能量的5~10倍的额外能量，还可以实现减排温室气体（包括CO2，NOx等）的作用，可以实现能源的清洁利用，对保护环境，节省能源作出很大贡献。可再生能源实验室对这方面进行了统计和分析后表明，用光伏技术发电1000kWh电能，通过与使用传统能源相比，可以少排放8磅（0.454kg）SO2，5磅NOx，和1400磅CO2；如果对于一套每个月能发电415kWh的光伏系统来说，按照其2~3年的能量回收周期来计算，在使用寿命范围内（约30年），可以净减少排放500kg的SO2，330kg的NOx，和100吨的CO2。
图3 不同技术体系发电1kWh所排放的CO2当量对比
这样的结果是通过和传统的标准煤发电技术相对比后计算得到的，一般说来，采用标准煤并网发电1kWh要排放约1000g的CO2，而采用柴油机独立发电1kWh要排放约1100g的CO2，而如果通过光伏技术发相同数量的电，晶体硅技术的并网系统排放CO2约为150g，a-Si薄膜技术的约为50~80g的水平，对于独立光伏发电系统来说，由于需要配备蓄电池等部件会产生额外的CO2，其排放的CO2的量与并网系统相比有所增加，对于晶体硅和薄膜技术来说，发电1kWh分别要排放CO2约300 g和220~250g（如图3所示），但随着电池转换效率的进一步提高，制备工艺的成熟，以及更先进的联接技术的发展，光伏发电的CO2排放水平会继续降低。E.A.Alsema[8]预测到2007年对于并网型晶体硅和非晶硅薄膜技术发电系统的CO2排放量会降低到20~30g/kWh；而离网型光伏发电系统二者的CO2排放量会到220~230g/kWh的水平。这样，光伏发电技术的广泛采用对节省化石燃料和降低温室气体排放提供了非常有潜力的途径。
投资经济性
分析光伏产业的投资经济性问题，需要从经济学的角度来讨论其中的问题，这是和上述从生态学角度来考虑能量问题完全不同的概念。无论如何，不管从能量的角度它是多么可行，都需要从经济学上来分析其产业链内部的资本构成，现金的流动性，财务风险分析和投资收益等微观问题；同时光伏产业作为一个新兴发展起来的实体，更需要从整个产业的高度来分析和研究其宏观经济学特征和运动规律。
首先，从微观角度来看，光伏产业内部包含许多环节，各个环节相对独立又相互制约。在图1中，处于产业链最前端的是天然硅矿石，这是太阳电池中半导体材料的来源，因此，硅矿石的开采与挖掘就形成了第一个相对独立的子产业，目前，市场上硅矿石的价格普遍在150RMB/T，这其中包括采矿权的购买，人力的花费和机械设备的耗损等，因为很难详细了解采矿权的交易价格等具体因素，这一环节的利润也就难以准确计算，如果参照其它采矿行业的水平，其利润率应该在30%或以上。开采出的硅矿石经过运输送到冶炼厂加工成粗硅，即金属硅，这是链条中的第二个子产业，硅矿石需要经过冶炼，精炼和碾磨后，加工成纯度约为99.9%的粗硅，粗硅目前的价格为10 RMB/kg，即10,000 RMB/T，就其经济价值而言，是硅矿石的60~70倍，可以说起“身价倍增”。接下来就是需要对粗硅进行提纯，同样，这个环节不仅是升值的主要步骤，而且是一个资金和技术非常密集型的产业，技术普遍掌握在欧洲，美国和日本手中，他们控制着整个高纯硅行业的市场走向，控制着上游原材料的供应，现在普遍采用的提纯方法是改良的西门子法（占80%），硫烷法和冶金法等三种方法。经过提纯后，材料的纯度提高到ppb~ppt级[10]，其中的过程非常复杂，价格也是翻了几番，达到约600 RMB/kg。到此材料的加工工作完成，开始进入电池的制备阶段，这是其中的第四个子产业，即太阳电池生产。一般来说采用晶片的太阳电池耗材为15~20g/Wp，如果不计损耗，每千克体硅电池峰值功率约50W。电池经过封装，检测后制成组件，目前市场上电池组件的价格约40RMB/Wp，这样50 W的价格为2000 RMB，约为高纯硅价格的3~4倍，但这其中会投入大量的辅助材料，例如像电极材料，封装材料和检测设备以及各种损耗等，因此，增值速度在此急剧降低。而对于 a-Si薄膜电池来说，它的价格对主要取决于衬底材料，制备工艺及封装等，由于其消耗很少的半导体原材料（100~400mg/Wp），对其价格变化并不敏感。目前， a-Si薄膜电池的价格约20 RMB/Wp，远低于晶体硅电池的价格，如果能够解决光衰减等问题并进一步提高其稳定转换效率，大规模的应用一定会普及。
电池组件制备完成后接下来的过程就是光伏发电系统的建立，进入工程应用阶段。这个过程中涉及到组件的运输，系统的设计以及安装调试等过程，对于一般的独立系统来说，安装过程中工程造价为40~45 RMB/Wp，这个费用不再是应用于太阳电池本身的升值。
图4 光伏产业链中各环节的相对增值情况
（1: 硅矿石开采; 2: 金属硅制备; 3: 高纯硅制备; 4: 光伏组件; 5: 工程应用）
如果把光伏产业作为一个整体从宏观来看，现在这个产业的规模已经达到数百亿人民币。拿2004年的情况来说，全球太阳能电池板总出货量为1194MW，按照每瓦40RMB的价格计算，总价值达477.6亿人民币，截止到2005年全世界光伏发电站装机容量达2200 MW（但到2005年中国光伏系统累计装机容量仅55MW），而且目前现在这个产业还在高速成长，据有关部门预测，在未来5年内，全球太阳能电池市场将超过500亿美元的市场规模[2]。
从产业链完整性的角度来看，现在从原材料到组件生产过程中的各环节都已经非常成熟，其中资金流动性也比较稳定，波动性很大的地方还在于后端光伏发电系统的建立和运行方面，其受到很多因素的影响，比如政策上的，经济上的以及环境方面等。光伏电站发电的成本还非常高，达到~8RMB/kWh；光伏电站的初始投入成本非常大，约为2.5~3＄/Wp，这样建立一个50MW的光伏电站，初期需要投入资金1.4亿美金，如果是聚光系统，初期需要投入资金更多一些，如果是采用薄膜电池技术，初期需要投入的资金则更少一些。总之，无论如何从经济上来说，光伏电站的投资收益比较低，资金回收时间比较长。
社会效益
光伏产业作为一个整体对全社会有着广泛而特别的作用。首先，作为一种清洁可再生能源本身来说，利用太阳电池板发电有利于节省不可再生资源，平衡能源的单一供给情况；还可以保护环境，减少温室气体排放；此外，可以带动全球的经济不断的增长，带动就业，据可再生能源实验室分析，每售出100万美元的太阳电池板，可以带来3000个直接和间接就业岗位。最后，重要的一点就是可以让未来世界变得更清洁，更安全，能源更丰富。
但是，光伏发电技术带来的社会效益是一个长期的回报过程，其本身特有的特点是用能量来回收能量，用资金来回收资金的一种技术。在今天，其高速发展的速度还没有降低的迹象，这样就会出现虽然已经建立一定规模的光伏电站，但行业本身在高速发展的同时仍然在消耗大量能源，并且其本身回收能量的速度仍然不能弥补它消耗能源速度的局面。简单的描述就是目前光伏电站发的电能是不能弥补产业链中当前正在消耗的电能，这是一个规模与效能博弈的过程，至少在相当一段时间内还是这样的尴尬情形。举个例子，如果太阳电池板的出货年增长速度保持25%，能量回收期为4年的话，那么一个100MW的光伏电站产生的电能仅够制备和安装25MW新的光伏发电系统，到下一年，新的125MW系统仅能够支持31.25MW的新系统，这样循环往复下去，根本就不会有额外的净能量出现，并且还需要消耗外部一次能源。而现在太阳电池板的出货量增长速度约为35%，要想能够自身发展，能量回收期必须要少于3年的时间，但目前来说还很困难，就是说现在世界范围内光伏系统本身产生的电能不能满足其自身产业规模扩大所需要的能量，光伏产业会在很长一段时期内处于培育阶段。因此，光伏产业本身的增长速度对净能量的变化有直接的决定性，要想缩短净能量产生的时间，最重要的就是提高能量回收周期，推理到最后就是要提高光伏发电的技术（例如提高转换效率，改进生产工艺和开发薄膜电池等）。从一个国家的角度考虑，如果要想实现让光伏发电出现净能量收益，比较经济的方法就是建立足够多的光伏电站发电的同时，把从原材料加工到电池组件生产这些环节放到国外，但是这样就会限制与光伏产业有关的技术和经济的发展，不利于本国享受到光伏经济带来的好处，因此，这又是一个博弈的过程。况且保护环境，节约能源是全世界共同的责任。共存的同时总是有竞争，一种比较经济的办法就是加强基础研究，促进技术开发，掌握最先进的科学技术，然后通过技术授权把生产制造类的环节以转嫁的方式移到别的国家，不仅可以享受产业本身带来的经济上的增长，更抓住了其中最有价值的技术环节，始终保持在先进行列，同时，自身付出的代价得到降低。现在，全球范围内兴起了一股外包的浪潮，许多发达国家都将技术含量低，代价大，环境不友好的环节往不发达地区转移，一方面促进了本国的可持续发展，另一方面还节约了成本，获得经济上的竞争优势。而本国则把工作重点放在科研与技术开发，知识产权的挖掘和经济上的发展，以此来控制整个价值链的发展。如现在的半导体芯片行业，汽车行业等就是这种现象。
具体到太阳能光伏产业上，不应该用单重的身份来看待它，光伏产业应该具有多重的身份，既有经济和技术上的，更有能源上的特殊身份。从能源角度来看，其本身具有“循环特性”，发展这种经济对环境有巨大的影响作用。既可以消耗大量能源，又可以创造大量能源，关键还是取决于一个国家在其中的诉求。目前来看，欧洲国家普遍的是重视环境和能源问题，日本则重视自身技术的发展和本国能源的清洁利用方面，美国则强调多重利益，即重视科学技术的进步，又不想因为能源和环境问题而限制经济上的发展。审视一下国内的情况，光伏组件及相关配件的生产厂商如雨后春笋般出现，产能翻了几番，但在应用一端，目前光伏发电在国内来说还不上规模，并网系统很少，大多都是边远地区建立的小型独立供电系统，最近一年，情况有所改变，国家开始重视能源的可持续发展，特别是《可再生能源法》的颁布，加快了利用清洁能源的步伐。有报道说，我国太阳能产业的产销链条是两头在外：九成以上的原材料依赖进口，九成以上的产品全部出口。这是在用我国宝贵的一次性能源生产环保产品，为国外的环保事业"打工"[11]。其实这样的说法只是表面上的现象，纵观光伏产业链，其包含很多环节，确实是绝大部分多晶硅材料依赖进口，但中国有储量丰富的硅矿石，而且很多都是出口，精炼和提纯都在国外完成，究其原因，问题主要还在于技术上的落后，不能把握到产业链中最有价值的部分，而只能进行简单的组件生产和封装工作。精炼和提纯同样需要一次能源，不仅仅局限在组件生产和封装环节，甚至精炼和提纯环节会需要更多的一次能源，这样看来，并不是在全部消耗国内的一次能源，只不过是在从事一些技术含量和附加值都很低的工作，不能掌控整个局面。而很大一部分产品都出口，关键在于现在国内用户对光伏发电的接受能力还比较弱，对能源的可持续发展的战略重要性认识还不到位，导致产品没有市场，所以只能出口。如果按照现在的模式发展下去，就国内光伏发电产业本身来说，推算下去，至少到2030年，甚至2050年都不会有光伏系统本身产生净能量的出现！需要认清的是本土生产出来的电池板不能在本土发电是不能利用太阳能的，也对本国能源的可持续发展没有任何贡献。最终，应该归因于技术和经济上的双重问题导致了光伏产业的社会效益在国内不能完全体现出来。
结论与建议
太阳能是一种资源丰富的清洁可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发潜力。充分利用太阳能对节省能源，保护环境有重要的意义，同时这也是全球共同的责任和当前义务。光伏产业链是一种内部各环节复杂，技术和资金密集型的，而且还处于高速成长的行业。就其技术体系和应用趋势来看，Si太阳电池会在今后很长一段时间内占有市场主导地位，并且该技术本身还有很大的研究和开发空间，以此可以继续推动光伏发电行业在世界范围内得到更普遍的应用。同时，太阳能薄膜电池由于其自身在耗材和工艺等方面的优点正在被广泛得到推广和应用，未来很可能会成为市场的主流发展方向之一。
在能量的回收方面，各种技术体系的太阳电池组件普遍能够在较短的时间内（一般3~4年）回收在生产过程中所耗费的能量，为节省并提供额外能源提供了有利的保障，但不同技术体系的光伏系统的能量回收期限会有一些差别，在这方面，薄膜电池仍然表现出了潜在的优势，其能量回收周期最短。
除此之外，利用光伏系统发电，能够有效地降低温室气体的排放，特别是并网型光伏发电系统。
在经济上，光伏产业链中大部分环节进入门槛较高，并且技术要求高。但同时，其中的投资收益很高，有的环节实现增值达几十倍。所以目前光伏组件的价格很高，导致发电成本增加，必须通过技术进步来改善其现有成本结构。而光伏发电站也是一种需要较高初始投资的行业，并且其投资回报率有待进一步改善。从整体来看，光伏产业已经达到数十亿美元的规模，很快会突破几百亿，并且其还保持非常高的增长速度在发展。无论如何，发展光伏产业对整个社会和国家有巨大的效益。目前从整体来看，产业本身还处于培育阶段，净能量的绝对回收还需要很长一段时间，并且很大程度上是依赖于技术的进步的。
光伏产业具有的多重身份使得其对于一个国家的能源来说有着战略上的意义。要想能够把握到产业链中最有价值的部分，必须把工作重点放在科研与技术开发上，掌握核心竞争力。不然，技术和经济上的双重问题会导致光伏产业的社会效益在国家内部不能完全体现出来。
针对现在国内光伏产业的现状，认为今后一段时间内应该将重点转移到：
1. 要充分的重视发展光伏产业是一个长期的过程，必须要立足当前，放眼未来，制定一个具有竞争力的发展战略；
2. 在发展产业的同时，强调科学技术的突出作用，加强对这方面的科研和技术开发的投入力度，制定一个可行的评估标准；
3. 具体到具体的技术上来说，硅太阳电池技术要在今后很长一段时间内得到重视，设法掌握这方面技术未来发展的知识产权；同时，薄膜电池技术的研发有举足轻重的作用；
4. 在全国范围内推广光伏发电站的建立，保证本国生产的电池板绝大部分安装在国内实现发电；
5. 重视研究光伏产业的行业特征，把握其内在的运作规律，让其真正为国内的经济和能源发展作贡献；
6. 普及能源保护意识，推广使用可再生能源技术，为创造一个清洁的国内环境承担责任和贡献力量。
