光伏设备产业分析:技术迭代带动设备更新换代

报告综述

结论:降本增效为光伏行业发展最大的驱动力,目前光伏行业即将步入平价上网元年,国内外光伏装机量的不断扩大催生大量光伏设备需求,行业景气度持续向好。本文通过对产业链的各环节进行梳理,寻找本阶段各环节光伏设备的更新需求,其中将主要聚焦电池片设备的技术迭代,梳理分析异质结电池的扩产所带给光伏设备行业投资机会,建议关注捷佳伟创、迈为股份、帝尔激光、金辰股份、晶盛机电。

不断降本增效,平价上网打开光伏市场大门:我国光伏产业经过螺旋式上升发展已成为可在国际竞争并具备领先优势的产业,“光伏领跑者计划”等政策支持助力行业加速发展,十四五期间,光伏装机量预期或上调;受益于光伏行业技术革新带来的降本增效,我国即将进入平价上网元年,光伏装机规模不断扩大,到25年新增装机量有望翻番,同时国外增量市场不断涌现,荷兰、美国、波兰等国光伏装机量均有较快增长,光伏各环节出口量再创新高;高需求刺激下我国多家企业均发布扩产计划,光伏设备投资持续增长,行业景气度持续向好。

从产业链各环节中寻找光伏设备的投资机遇,电池片技术迭代正在进行时:光伏产业链可分为硅料、硅片、光伏电池片、光伏组件、光伏系统五个环节,其中硅料环节改良西门子技术成熟,竞争格局相对稳固;硅片环节单晶已大规模替代多晶,大硅片的迭代有望继续带来设备更新需求;组件环节半片及叠瓦技术推动设备更新,但技术相对简单;电池片环节技术迭代正在进行时,将是未来光伏设备更新换代的最大成长动力和需求来源,其中电池片技术从传统技术路线铝背场电池(AI-BSF)发展为效率更高采用背钝化技术的PERC电池,并通过对PERC电池的进一步改善研发出一系列PERC+电池(搭载SE、双面技术,使用N型电池的PERT、TOPCon技术),目前新一代技术异质结效率较高,有望成为下一代主流技术。

电池片技术迭代进行中,国产厂商迎来新机遇:HJT电池目前被认为是效率潜力较高的新兴电池技术,与其他几种晶硅电池相比优势较大,但成本高的弊端使其在现阶段还无法达成量产,我们认为PERC及PERC+电池技术短期内仍为扩产主流,长期来看HJT电池技术的优势更加明显,有望成为下一代电池技术。2020年初至9月份,HJT扩产计划已超过27GW,其他PERC+技术的扩产远低于HJT,产业界更加看好HJT的未来发展;未来HJT设备市场将进入高增长阶段,国产设备存在进口替代空间。

通过对光伏设备产业链的分析研究,我们对受益于各环节技术迭代的企业进行了梳理,主要分为两条主线:

①HJT时代加速到来,利好相关设备厂商,建议关注具备HJT设备供应能力的上市公司,在国内已上市的HJT设备相关企业中,建议关注迈为股份、捷佳伟创、帝尔激光和金辰股份。

②大尺寸硅片将继续带来设备的更新换代需求,210或18X技术壁垒更高,建议关注晶体生长设备龙头晶盛机电。

报告摘要:

1.发展历程:不断降本增效,平价上网打开光伏市场大门

光伏产业发展历程

目前,我国光伏产业已发展成为可在国际竞争并具备领先优势的产业。从2019年全球光伏产品的供应格局来看,中国大陆生产的多晶硅、硅片、电池片、组件产能在全球的占比分别为69%、93.7%、77.7%和69.2%;在多晶硅、硅片、电池片、组件各环节产量排名世界前十的企业中,中国企业分别占有7、10、9、8个席位,形成了一批世界级的龙头企业,在全球光伏市场中具有全面的领先优势。

在光伏生产设备方面,目前,我国在硅料生产、硅片加工、电池片生产、组件生产、环保处理、净化工程,以及相关的光伏检测、模拟器等各类生产设备方面,绝大部分已经实现国产化供应,部分产品如湿法清洗设备、制绒设备、扩散炉、管式PECVD、印刷机、单晶炉、多晶铸锭炉、层压机、检测及自动化设备等已有不同程度的出口,并涌现出了一批高端核心设备制造商。2019年,国产设备已经成为企业扩产的主流选择,部分光伏生产设备在技术水平、产能水平、稳定性、配套服务等方面已经或开始超越进口设备。

展望“十四五”规划,站在风口,光伏装载量或上调:非化石能源占一次能源消费比重上调将为大概率事件,占比指标的上调或将在“十四五”期间持续促进行业需求,推动光伏新增装机量的不断上升,未来行业景气度将持续向好。

降本增效是发展关键:补贴幅度不断下降,平价上网近在咫尺

受益于光伏技术不断革新,成本持续下降,光伏将在越来越多的国家成为成本最低的电力来源之一。根据BNEF Bloomberg,在大部分国家,新建光伏电站或陆上风电场已是成本最低的电源,加之技术进步、规模经济的形成和竞争越发激烈,光伏项目的总成本和平准化度电成本不断下降,2020年上半年,固定式光伏发电系统的LCOE为0.05美元/kWh,2010年以来年均降幅达17.37%,与全球LCOE相比一直保持稳定的成本优势。

同时,IRENA预计,在产业链各环节成本持续下降和组件效率不断提升的双重助推下,光伏的全球加权平均LCOE到2030年将降至0.040美元/千瓦时,与2018年相比降幅达58%,继续保持成本优势。

国内需求分析:装机规模到25年新增装机量有望翻番

“531”新政实施,光伏需求增速开始放缓:受益于政策的大力支持和产业的快速发展,我国光伏新增装机量在2017年达到顶峰53GW,2010-2017年CAGR达到93.60%,装机量大幅提升。

疯狂装机的背后,盲目扩产、消纳、补贴缺口等问题逐渐暴露。2018年6月,国家发展改革委、财政部、国家能源局三家联合发布了《关于2018年光伏发电有关事项的通知》,明确加快光伏发电补贴退坡,降低补贴强度,光伏新增装机量开始下降,2018年新增光伏装机量下降至44.26GW,2019年继续下降至30.11GW。

2020年新增装机量有望回升:光伏产业在降本增效需求的驱动下LCOE持续下降,全面平价上网即将实现,根据CPIA的预计,我国2020年全年新增装机量将在35-45GW之间,预计2025年将达到65-80GW,新增装机量有望翻番。

海外增量市场:新兴市场不断涌现,各环节出口量再创新高

在全球市场方面,光伏领域新兴市场不断涌现,全球新增装机超过GW级别的市场数量已达16个以上。

根据CPIA预计,2020年全球装机规模将达到110-135GW,根据BNEF预计,到2022年全装机规模有望达到134-168GW。

海外光伏市场的快速发展促使我国光伏各环节产品出口量快速增长。2019年,我国光伏产品(硅片、电池片、组件)出口总额约207.8亿美元,同比增长29%,“双反”以来首次突破200亿美元,达到历史第二高,各环节产品出口量再创新高。

从出口国家/地区来看,对前十出口市场的光伏产品出口额约为138亿美元,同比增长29%,占光伏产品出口总额的66.4%。其中,亚洲国家有4个,欧洲国家有3个,马来西亚与泰国被挤出前十,荷兰、西班牙挤进前十,且荷兰一跃成为第一出口市场。

从出口企业看,2019年出口光伏产品的企业和贸易公司近4700家,较2018年增加近2000家。其中,出口前十企业的光伏产品出口额约为123.8亿美元,占光伏产品出口总额的59.6%,

扩产计划:海内外需求猛增,多家光伏企业添加扩产计划

近年来,光伏行业企业扩产较为密集,以今年为盛,据EnergyTrend统计,今年上半年,中国光伏企业投资超2000亿元进行扩产,其中,电池片及组件的产能超过300GW。

光伏产业进一步向国内集中:得益于成本、技术、产业链配套的优势,国内企业的主动扩产及海外企业的被动退出,光伏产业进一步向国内集中,退出后的供给缺口将会由有竞争优势的企业填补,未来头部企业扩产计划有望进一步增加。

平价上网,设备先行:光伏设备市场规模不断扩大

高需求刺激光伏设备投资的持续增长:从全球来看,光伏产品价格的快速下滑使光伏发电在越来越多的国家具备了成本竞争力,从而使全球光伏市场快速发展,光伏产品的产量不降反增,进而拉动了光伏设备投资的继续增长。

2019 年,全球光伏设备产业的销售收入增至50 亿美元,同比增长了4.2%。同时,我国光伏设备的市场规模达到了250 亿元,同比增长了13.6%,占全球市场规模的71.4%,全国光伏设备相关企业的数量超过200 家,从业人员超过3 万人,2019 年光伏设备产业的产值超过200亿元。

其中,硅片环节新上设备产能达到49 GW以上,相关设备的市场规模增至89.7 亿元(18.3 万元/MW);电池片环节新上设备的产能达到46 GW,相关设备的市场规模约为138 亿元(30 万元/MW);组件环节相关设备的市场规模约为22.4 亿元(6.8 万元/MW)。

2.光伏产业链:技术迭代带来的设备投资机遇

2.1 产业链概述及其设备情况

太阳能光伏发电是太阳能发电的重要分支,主要是指利用太阳能电池直接将太阳光能转化为电能,而太阳能电池通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换,按照光伏电池片的材质,太阳能电池大致可以分为两类,一类是晶体硅太阳能电池,包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池;另一类是薄膜太阳能电池,主要包括非晶硅太阳能电池、碲化镉太阳能电池以及铜铟镓硒太阳能电池等。

目前,以高纯度硅材料作为主要原材料的晶体硅太阳能电池是主流产品,其产业链可分为硅料、硅片、光伏电池片、光伏组件、光伏系统五个环节。其中,上游为高纯多晶硅的生产,中游为多晶铸锭/单晶拉棒、切片、光伏电池生产、光伏发电组件封装等环节,下游包括集中式光伏电站、分布式光伏电站等光伏发电系统。

晶体硅可分为单晶硅和多晶硅,两者都具有金刚石晶格,具有金属光泽、可导电,并且具有半导体性质。根据不同的硅原料,可制成不同类型的太阳能电池。单晶硅电池具有高电池转换高电池转换率和良好的稳定性,但其成本高,早在20年前,单晶硅电池就突破了20%以上光电转换效率的技术壁垒。多晶硅电池成本低,但其转换效率低于单晶硅太阳能电池。

光伏设备主要集中在制作硅片、电池片及组件板块:在太阳能级多晶硅提取环节主要使用的是硅料提炼设备,在硅片制作环节主要运用各种硅片生产设备(生长、铸锭、开方、切割、清洗、检测等设备),在电池片制作环节主要使用电池生产设备(制绒、扩散、覆膜、蚀刻、测试、分选等设备),在组件环节主要运用组件专用材料生产设备,装机系统主要运用的是各类光伏系统支持部件生产设备。

2.2 硅料:行业呈快速发展趋势,生产线设备投资成本仍有下降空间

硅料作为产业基础原材料,早期曾被国外封锁,2013年后在光伏产业政策的持续驱动下,国内多晶硅厂商技术突飞猛进、生产成本大幅下降,我国多晶硅行业呈现快速发展的趋势。2019 年,我国多晶硅有效产能达 46.6 万吨,产量达 34.2万吨,占全球总产量的 67.3%,同比提升了 9.2 个百分点。2008-2019 年,我国多晶硅产能和产量年复合增长率分别为48.80%和 36.67%,多晶硅原料的供应已经不再是光伏太阳能产业发展的瓶颈。

太阳能级多晶硅生产工艺主要为三氯氢硅西门子法和硅烷流化床法,产品形态分别为棒状硅和颗粒硅。三氯氢硅西门子法生产工艺相对成熟,2019年采用此方法生产出的棒状硅约占全球总产量的97.5%;工艺硅烷流化床法产能目前仅占2.5%, 但N型电池的发展将扩大颗粒硅的市场需求,一旦颗粒硅解决生产稳定性、一致性、规模化以及产品质量的问题,不排除颗粒硅市场份额会出现快速增长,但未来一段时间三氯氢硅西门子法仍将占据主导地位

能源消耗随技术进步逐年下降:多晶硅由于提纯纯度要求高,能源消耗成为太阳能级多晶硅生产成本中占比最高部分,2019年多晶硅企业综合能耗平均值为12.5kgce/kg-Si,其中综合电耗为70kWh/kg-Si,2009-2019年间综合能耗已下降75%,未来随着生产装备技术提升、系统优化能力提高、生产规模增大等,预计到2025年综合能耗可降至10.1kgce/kg-Si,其中综合电耗至2025年还有5%以上的下降空间。

生产线设备投资成本仍有下降空间:随着生产装备技术的进步、单体规模的提高和工艺水平的提升,三氯氢硅西门子发多晶硅生产线设备投资成本逐年下降。2019年投产的万吨级多晶硅生产线设备投资成本已降至1.1亿元/千吨的水平。预计2020年千吨投资可降至1.04亿元/千吨。

2.3 硅片:产能持续扩张,大尺寸带来设备更新换代需求

硅片发展特点1:硅片产量不断提升,进一步向我国龙头企业集中。

硅片发展特点2:单晶替代多晶,单晶炉投料量增长明显。

硅片发展特点3:大硅片化已成大势所趋,尺寸规格百花争鸣

硅片发展特点4:硅片厚度呈下降趋势,薄片化已成主要发展方向

大硅片发展带来的设备更新需求

硅片环节设备:前端设备方面,M6是目前部分设备在拉晶和切片环节可以兼容的最大尺寸,若140型号以上的拉晶炉搭配32吋热场能够生产M6和210MM产品,部分拉晶和切片设备需要重新购置。根据PV InfoLink 测算,今年至少有5,000台拉晶炉搭配32吋热场能够生产210产品,换算产能约55GW,按照硅片端产能来看,完全满足终端对于210的需求。

后端切片环节设备:由硅片环节来看,210mm困难点来自切片设备限制,主要是切片机必须是新上或改造,现阶段尚未量产前提下,新机或改造的费用仍偏高。210在全供应链乃至终端都有改动,产品需求发酵尚需时间酝酿,预估今年度出货量约2GW左右。

电池及组件设备:在电池和组件设备环节,原有电池和组件设备很难兼容210mm设备,需要进行设备的更新。

企业数据显示,156 mm×156 mm 尺寸电池和组件产线改造成166 mm×166 mm 尺寸的产线需要2000万元/GW 以上的技改投资,改造成210 mm×210mm 尺寸则需将大部分环节的设备进行替换,全产业链设备投资合计可达到64000 万元/GW。

2.4 电池片:技术迭代不断推动效率提升,HJT或将成为下一代主流技术

光伏电池片主要为太阳能级硅片通过制绒清洗、扩散制结、硅片刻蚀等一系列工艺生产流程制成,该生产过程对下游应用的性能以及成本有着至关重要的作用。

目前太阳能电池转换效率受到光吸收利用、载流子输运、载流子收集的限制,影响晶体硅电池转换效率的原因主要来自光学损失以及电学损失。

为了提高转换效率,主要从减小入射光的反射、减小正面金属电极遮光、降低电阻损耗、减小载流子复合几个方面着手。

目前不同电池技术市场占比情况:2019 年 BSF 电池在全球市场占比约 39.4%,同比下降 20.6 %。新一代工艺技术PERC 市占率持续提升,根据 CPIA,2019 年新建电池产线均采用 PERC 技术,并且对老旧电池产线进行技改,使得 PERC 迅速反超 BSF 常规电池,占据了超过 50.6%的市场份额。国内户用项目及印度、巴西等海外市场仍对 BSF 保持一定需求。未来新兴工艺技术双面N型PERT电池和异质结(HJT)电池已进入量产,并且会成为未来发展的主要方向之一。

3.HJT:扩产时机已经成熟,国产厂商迎来新机遇

与其他技术相比,HJT未来是否有经济性?

PERC电池为目前最普遍的工艺技术,但光衰问题和转换率较低限制了其未来的发展。

HJT电池目前被认为是效率潜力较高的新兴电池技术,与其他几种晶硅电池相比,除目前成本较高外优势较大:

1. 目前拥有高转换效率,且效率仍有发展潜力。光电转换效率是光伏器件最重要的性能特性,对于光伏电池而言尤其如此。经机构认证的异质结最高效率是2019年11月由汉能创造的25.11%,而HJT叠加IBC技术后(HBC),效率可达26.63%,这是商用晶硅电池的最高效率记录,由Kaneka 于2017年创造。

量产效率方面,天合和晋能目前的效率分别为23.8%和23.85%,晋能称年底将达到24.2%。而根据CPIA,2020年07月22日数据P型PERC单晶普遍量产效率落在22.4%~22.5%之间,也就是在当前节点,HJT量产效率已领先PERC 1.3个百分点。

2. HIT温度系数低,温度升高时效率变化小。环境温度升高时电池转换效率降低,降低的程度取决于温度系数。HJT电池的温度系数低,数值在-0.23%/℃至-0.3%/℃范围内,这意味着HJT光伏组件在实际工作条件下的温度特性优于传统的晶体硅光伏组件。

3. 天然的双面电池,拥有最高的双面率。从HJT电池结构图中可以看到,HJT是天然的双面电池,也因此,HJT拥有超过90%的双面率,在所有类型的双面电池中是最高的。

4. 兼具高效率和低度电成本,具备可观的发掘潜力。当HIT电池效率在22.5%以上,年发电产率最高为1,787kWh/kW,明显高于年发电产率为1594kWh/kW的双面PERC技术。基于135μm薄型HJT电池的LCOE成本最低,每干瓦时仅3.88美分,常规BSF单晶技术LCOE成本最高(4.95美分/kwh),而效率为21.8%的双面PERC,每千瓦时为4.16美分。

5. 可向薄型化发展:异质结电池的制程温度低,上下表面结构对称,无机械应力产生,可以顺利实现薄型化。与此同时,PERC电池由于温度系数较高,对薄片硅片的损伤较大,目前硅片正在逐渐向薄片化发展,更加有利于异质结技术的发展。

阻碍HJT电池量产的原因:

成本较高成为阻碍HJT电池量产的主要原因:目前市面上异质结整线价格较PERC、PERC+等技术更高,但未来HJT 技术的经济效益会随着规模的扩大而提高,整线价格有望下降。

PERC电池的竞争压力:PERC+及TOPCon的市场份额正在快速增长并不断提高任何新技术的市场门槛,由于只有少数公司采用了 HJT 技术,因此暂时可能无法跟上PERC技术的改进速度,部分公司正在研究PERC+及TOPCon,该技术仅需要对现有的电池工艺进行稍微改进,对初始成本的投资小于异质结技术。

供应链的不完善阻碍电池成本的下降:HJT 技术从硅片浆料到生产设备的供应链还不完善,这成为了HJT技术发展的一大限制因素。一方面,很多制造商都在等待供应链的改善。但另一方面,如果没有更多的厂商参与到HJT 技术的开发中,供应链中的其他制造商也就不会致力于采用 HJT 技术。

短期内,PERC及PERC+电池技术仍为扩产主流

与上一代BSF电池技术相比,PERC电池技术效率优势明显,设备仅需添置用来沉积背面钝化层的氧化铝镀膜设备,以及用作背面钝化层激光开槽的激光开槽设备,近两年迅速占据市场份额,成为目前的主流电池技术,2019年,PERC产能约达108GW,占中国总产能66%。

2020年,相比成本昂贵的TOPCon、HJT等新兴电池技术仍具备经济优势,2020年,部分公司PERC及PERC+扩产项目达到86GW。

目前,我国PERC电池生产线关键设备已基本完成国产化,电池投资成本不断降低:2019年,新投产的电池产线均为PERC电池,单条产线产能约250MW,部分原有普通单晶产线也在2019年改为PERC产线。2019年PERC电池产线投资成本已降至30.3万元/MW,同比下降超过27%,随着未来设备生产能力的提高及技术进步,单位设备投资额将进一步下降。

长期看,HJT有望成为下一代电池片技术

HJT生产成本随着产业链的延伸而降低。在电池片环节HJT比PERC成本高出0.18元/W,但是随着产业链向下游延伸,最终组件+BOS成本HJT仅比PERC高出0.01元/W。这种情况的出现主要还是由于相同面积下,HJT高功率导致的低单W成本。下表只计算到了BOS环节,如果我们继续向下延伸,考虑更多环节以及组件整个生命周期内因低光衰、高双面率、低温度系数带来的增益,HJT的成本未来大概率低于PERC电池。

报告节选:

光伏设备产业分析:技术迭代带动设备更新换代
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