我国太阳电池产业的发展急需超洁净钢盘条的支撑(2011-7-20).doc

我国太阳能光伏产业的发展急需高洁净钢盘条的支撑
内容提要：文章就太阳能光伏产业的发展和优质高碳超洁净对晶体硅切割需求的迫切性提出希望和建议。
关键词：太阳能，光伏产业，晶体硅，切割钢丝，超洁净钢。
提纲：
1：太阳能光伏产业发展的态势和展望。
2：晶体硅光伏电池的产业链。
3：关于晶体硅棒的切割和优质钢的关系。
4：研制与开发超洁净钢盘条，应纳入“向钢要得更多”的高效率，高回报的战略发展
范畴。
5：结语。

1：太阳能光伏产业发展的态势和展望。
随着全球气候变暖等环境问题的日益严重，开发新能源和可再生能源的意义重大。温家宝总理在2009年12月哥本哈根气候变化会议上承诺，到2020年单位国内生产总直二氧化碳排放比2005年下降40%~45%；2020年中国非化石能源消费总量的比重占15%。为此新能源行业在“十二五规划”中成为重要的一环，列入“战略性新兴产业规划”中的七大领域之一。2010年12月2日，联合国坎昆气候大会开幕之际，中国财政部，科技部，住房和城乡建设部，国家能源局四部局加上国家电网总公司在京召开会议，宣布：在去年和今年国内应用示范工程陆续建成的基础上，在近两年内将进一步扩大示范，推动国内光伏发电规模化应用。“力争2012年以后每年国内应用规模不低于1000兆瓦（1吉瓦，或1000万千瓦）。国务院发布的“关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定中宣布，到2020年，新能源要成为国民经济的先导产业，要开拓更加多元化的太阳能光伏发电市场。国家关于新能源行业的种种动作和政策都表明，太阳能光伏将在中国有大发展。
中国目前已经成为全球最大的光伏发电设备的生产国。中国2009年生产了4吉瓦的光伏组件，今年预计产量将超过6吉瓦（更有乐观的估计，这个数字可能会达到7-8吉瓦）。但是，中国生产的光伏电池组件96%以上销往国外，国内市场的应用量仅占4%不到。
我国光伏发电应用与国际先进水平相比，差距确实很大。例如德国，人口8000万，国土面积36万平方公里，年安装光伏设施达到4个吉瓦。而人口为德国的15倍，国土面积为德国30倍的中国，年安装光伏组件的量只有德国的1/4。国际市场在享受“中国制造的清洁能源，而高能耗，高污染确留在中国”的同时，又出于种种偏见，不断向中国发出“制裁”，企图压制中国的光伏发电产业的快速发展。经济界有一个理论：“市场在别人手里，就永远会做噩梦”。
进入2011年，国家将“发展新能源和可再生能源”成为“十二五”规划中的重中之重。相关的高层领导终于意识到“生产在中国，应用在外国”的种种弊端，而准备“规模化”的启动光伏发电产业的内需市场。无疑是指明了我国光伏发电产业的方向。
目前国家中长期规划中，可再生能源发电2020年要达到总装机容量20GW (2万MW)的发展目标，也就是说每年至少需要发展100多万KW(1000MW) 装机容量的可再生能源发电系统。晶体硅片是制作光伏太阳能电池的主要材料，根据计算，每生产1MW的太阳能电池组件需要17吨左右的晶体硅原料。
据相关资料，综观光伏发电产业的发展。欧盟提出到2020年光伏发电装机计划达到400GW(吉瓦)，日本提出到2020年28GW,印度也提出达到20GW。相比，国有关专家认为中国应该是25GW。如果提高对光伏发电发展应用速度的预期，使光伏发电占总发电量的1%，那么光伏发电装机容量应在2020年达到50GW。如果更加乐观，光伏发电的装机容量达到100GW。此时光伏发电也仅占总的发电装机容量的2%。
表2 2005-2015年世界多晶材料产量预测（万吨）

图表 18：2004-2008年世界多晶硅的产量及2009-2015年的预测

以上资料来自“长江证券研究所”
绿色能源的推广和近年来半导体产业的超常规发展，硅片市场的供需已极度不平衡。硅原料的供不应求。切割加工能力的落后和生产切割钢丝的高碳，超洁净钢的依赖进口，造成了产业链的“瓶颈”，严重阻碍了我国太阳能和半导体产业的发展。因此，未来的3至5年间，将是中国乃至世界晶硅产业快速发展的黄金时期。
据相关专家测算， 到2015年光伏发电的成本做到1元/1千瓦时是完全可以，而到2020年光伏发电的成本可以达到0.6-0.8元/千瓦时，基本实现平价上网。可见我国的光伏发电产业将方兴未艾。
2：光伏发电的应用和晶体硅光伏生产的产业链：
2.1：光伏发电的应用：
新能源中，太阳光伏产业最重要的用途是建立太阳能光伏发电站。光伏发电最基础的元件是“硅晶体电池片”，它是由晶体硅薄片（厚度0.16mm~0.10mm，边长为125mm×125mm,或156mm×156mm的单晶硅或多晶硅片）为基板，采用半导体微电子技术，在基片上生成PN＋结阵列，通过制作正，负电极，生成保护层，反射层，烧结底板，封装而成。单个硅晶体电池片的光伏开路电压大致为0.527V(光电转换率约18%)功率2.8W，最大光生电流5.245A（该数据有微小的差异）。多晶硅其纯净度达到5--6N（99.9999%）,改良西门子法生产的多晶硅达到9~11N(1N代表1个9)。单晶硅电池片和多晶硅电池片的性能差异是由于纯净度引起光电换率的差异，导致最大工作电压的不同，形成产品价格的区别。但是，无论单晶和多晶硅电池片必须经过切片，形成硅光电池，组成单晶硅或多晶硅的太阳能光伏组件，才能进入实用工程。
太阳能光伏组件的主要参数如表1所示。
表1 部分单晶硅太阳能光伏组件的主要应用参数
最大功率
组件尺寸
电池
电池片数量
组件净重
最大工作电压
最大工作电流
开路电压
短路电流
240W
1850×1069×45
125×125
8×12/96
25KG
50V
4.8A
60.4V
5..3A
240W
1642×994×40
156×156
6×10/60
25KG
32..2V
7.45A
37..3V
8..39A
200W
1850×1069×45
125×125
8×12/96
25KG
47..5V
4..21A
57..8V
4..8A
180W
1850×808×35
125×125
6×12/72
15..5KG
36V
5A
44..8V
5..3A
部分多晶硅太阳能光伏组件的主要应用参数
最大功率
组件尺寸
电池
电池片数量
组件净重
最大工作电压
最大工作电流
开路电压
短路电流
240W
1958×994×50
156×156
6×12/72
26KG
34.4V
6..98A
43..6V
7..65A
200W
1642×994×40
156×156
6×10/60
22..5KG
29..6V
6.75A
36..0V
7..82A
180W
1482×992×45
156×156
6×19/54
17 KG
25..68V
7.01A
32..51V
7..7A
注：上表数据，引自江阴市福斯光伏科技有限公司产品样本
太阳能发电的应用分下列的情况：
①：离岛式太阳能发电和应用。例如太阳能路灯，太阳能汽车，太阳能飞机和边缘农村，牧场等太阳能发电的应用。它由太阳能光伏发电组件，蓄电池，电流变换器，用电器组成大的独立发电和应用的集合体。（世界最大的太阳能飞机“太阳驱动”号：翼展长度63.4米,覆盖1.2万块太阳能电池板,5月13日飞行12小时39分后在比利时首都布鲁塞尔降落。）

②：太阳能光伏建筑一体化

图2 太阳能光伏建筑一体化示意图
将太阳能光伏组件与建筑有机结合融合为不可分割的整体。用光伏屋面瓦（或屋顶）取代传统的建筑材料，用光伏立面墙取代传统的土木墙，如图2。光伏电能除自用外可以通过用户侧并网的方式与公共电网实现光伏建筑的绿色能源。我国的建筑屋顶的面积总计约100亿平方米。若10%的屋顶装上光伏屋顶，发电量等于再造了一个“三峡发电站”。我国的“金太阳工程”已经通过示范项目取得初步的成果。据财政部介绍，2009年，2010年中央财政已经安排了100亿元支持了1000多MW（兆瓦）金太阳和太阳能光电建筑应用示范项目。政府采购和政策导向是当前光伏需求的主要动力，德国政府实施的兴建１０万个太阳能发电屋顶的目标。意大利计划兴建一万个太阳能发电屋顶。日本政府已实现安装７０００套屋顶太阳能发电系统。美国政府提出实施“百万屋顶计划”使我国的太阳能发电设备96%用于出口。
③：太阳能光伏电站
太阳能光伏电站是光伏组件的大宗和主要用途之一。它分独立光伏发电系统（离网），并网发电系统和风，光互补发电系统。它的容量从几百瓦到兆瓦级（MW）。现在中国太阳能企业的产能规模已经进入“G”时代，产能达到吉瓦级的能力（GM即吉瓦=1000MW=1000兆瓦=10亿瓦）。
太阳能光伏电站是由太阳能光伏组件，以巨大的阵列，智能的太阳能光照跟随机构，智能功率控制器控制，配套蓄电池储存并将直流电源逆变为电网工频的交流电供用户使用或输入电网，它是高科技新型的发电系统，
我国已初步掌握了并网光伏发电系统的关键技术，包括cvtpwm 最大功率跟踪控制技术、并网逆变技术、系统的实时数据采集和数据传输技术等，具备了设计和建造实用的一定规模的并网光伏发电系统的能力。
如图3。

2.2：晶体硅光伏生产的产业链：
光伏产业链是一条从上到下的垂直庞大的链条：硅料－晶体硅棒-多线锯切割－硅片－晶体硅片光伏电池－光伏组件—系统安装。
其中硅片切割，就是在研磨液配合下，用高强度超细切割钢丝将单晶硅或者多晶硅的固体硅锭锯成片状，如图4所示。图4 硅片切割过程

图5 多线切割机在切割晶体硅片
现代多线切割机，可有1000条切割钢丝相互平行地缠绕在导线轮上形成一个切割网，马达驱动导线轮使整个切割网带着超精细碳化硅粉高速移动，进行研磨切割，如图5。一般机上的晶体硅棒需要7~8工作小时才能完成。切割时必须精确控制切割钢丝直径、切割速度和总的切割面积，在硅片不破碎的情况下，使切割出的硅片厚度一致，并缩短切割时间。太阳能光伏电池片最为核心的两大技术指标就是电池片的厚度和光电转换效率，都取决于切割的工艺技术和晶片的表面质量。所以晶体硅片的切割成为产业链的关键环节。
切割钢丝是晶体硅片切割的一次性消耗材料。据测算每切割一公斤晶体硅需要消耗φ0.12mm的钢丝0.80公斤。2010年我国多晶硅产量约1.6万吨进口1.3万吨,2011年预计需要5万多吨,则需要切割钢丝4万吨。随着光伏产业的发展预计每年需要消耗高品质的切割钢丝10-15万吨。鉴于产品为超细规格和成品的超长度定尺要求，所以成品合格率随盘条的品质而产生很大的影太响。
3：关于晶体硅棒的切割和优质钢的关系。
太阳能光伏产业除了晶体硅太阳能电池组件外，尚有多晶硅太阳能薄膜电池，和太阳能燃料电池等几种形式。但是从实际规模化生产中晶体硅太阳能光伏电池是目前无法替代的产品。甚至在今后十几年中尚不可能。
切割钢丝是高级钢丝，它作为多线锯的磨料载体。在电子行业和太阳能光伏电池生产中是将硅锭切割为晶片的关键一次性的消耗材料。切割钢丝与普通高碳钢丝相比，性能指标高于琴钢丝。对于以硅片为基底的光伏电池来说，晶体硅原材料和切割成本在电池总成本中占据较大部分。为了节约晶体硅原材料，降低成本,光伏电池硅片的厚度从原来的0.33mm 降低到了0.18mm~0.22mm，这个趋势还将继续。现在切割钢丝直径已经从原来的0.18mm~0.16mm 降低到0.10mm~0.14mm，甚至硅片厚度将变成 0.10mm~0.08mm。以期在同样的硅块上切割出更多的硅片，提高产量，同样可以减少了晶体硅原料的用量。由于晶体硅棒上所有硅片都是同时切割。切割网以5~25 m/s的速度走线，切割中途发生断丝，则需要退出硅棒，重新二次切割。两次切割的误差，会使切割部分的硅片产生台阶或厚薄不均匀，甚至产生废次品。 因此，切割钢丝的短尺或中间断丝都是切割中禁止的。由于切割钢丝是作为碳化硅研磨浆料的载体而连续高速走线，需要连续研磨7~8个小时完成切割。所以钢丝必须具有3600MPa以上的抗拉强度。此外超长度定尺，每盘的定尺长度，一般为：250Km，450Km和精密排线、工字轮收卷的品质高等。这极高的质量指标所以，生产超细规格的优质高碳镀层钢丝，超洁净高碳钢的原料成为关键（0.8%C---0.9%的过共析钢）。同时也迫切需要金属制品行业对钢丝深度加工技术的创新与提升。
在切割钢丝超细拉拔中，为了保证超长度的定尺，钢的夹杂物是产生断丝的主要原因。所以形成低熔点夹杂物，让其良好的形变性能在拉丝过程中变形，破碎，微细化到无害尺寸是最有效的方法。
如此优质的钢材目前我国的太阳能光伏产业的晶体硅切割钢丝生产的原料，基本都是从日本神户制钢，新日铁，JFE,德国撒斯特为主。其价格高达1.6万元/吨（人民币）。
高附加值的原料在外，污染大的钢丝深度加工在国内，又成为太阳能光伏产业链中的“非正常”现象。据统计，在太阳能光伏电池产业链，我国每年有500MW晶体硅太阳能电池生产能力的生产线在建。目前，瑞士HCT公司，Meyert Burger公司，日本Takatori（高鸟）等少数著名制造厂商先后掌握了该项关键技术，相应的多丝切割机床产品，占领中国市场，生产电池片的印刷，上浆，烘干，检测等全套的生产线几乎全进口。所以在我国成为太阳能光伏发电设备的产能成为世界第一的同时，高附加值的回报却悉数流向了国外，应该引起有关部门的高度重视与警惕，不改变上述的极不对称的现象，正是“天理难容”啊！。
4：研制与开发超洁净钢盘条，应纳入“向钢要得更多”的高效率，
高回报的战略发展范畴。
到“十一五“我国的粗钢产量已经达到6亿吨。满足了国民经济高速发展的需要，众所周知，我国的钢铁产品以普通钢材为主，特殊，高品质钢材需要尽进口。钢铁工业需要进口矿石，出口一般性能的粗钢才能维持产销平衡。钢铁工业是物耗大户，粗放式的钢铁产业结构，成为我国的实现降低碳排放承诺的沉重负担。

欧洲，奥钢联主席在2003年就提出“不是要更多的钢，而是要向钢要得更多！”的口号。在降低温室气体排放，保护地球，遏制环境日益恶化的严峻形势下。同样，我国钢铁工业应该在满足国民经济发展的基本需求的基础上，不追求更多的钢产能，不追求更多的“GDP”,而是要发展，研究，生产，高性能的优质钢材，从钢中取得更高的附加值，才是我国钢铁工业的可持续发展的战略目标。但是向”钢要得更多”首先需要经济，人才，科研的强大的支持与投入；需要甚至更痛苦的将”增长观念“的更新的过程，才能形成一种发展的战略范畴。

。对于超洁净钢的生产，我国资深的冶金专家翁于庆院士早在2007年的一次报告中就介绍：对优质汽车弹簧钢丝用材提出非金属夹杂物的形貌和可变形，细化特征进行的研究，并提出了超洁净钢的控制策略。和实验性的工艺技术路线。需要要采用先进的冶炼装备，通过严格控制的脱氧，精炼，减少钢中夹杂物得含量。通过渣洗法进行夹杂物得无害化处理。

江苏江阴市华方机电科技有限公司也曾在2010年就切割钢丝生产原料的可拉拔性研究与北京科技大学材料与控制工程学院，材料与控制工程系立项进行研究。
江阴华方机电科技有限公司自2008年即开展太阳能光伏晶体硅切割钢丝的装备和生产的研究。我公司的重要客户河南恒星股份有限公司，嘉兴东方钢帘线有限公司，江苏宏图金属制品有限公司，山东华勤集团，河北巨力股份有限公司，河北衡水澳德隆钢丝有限公司，河北衡水永利钢丝制品有限公司，企业都对我们提出对于超洁净，高碳钢盘条的强烈需求，以确保切割钢丝生产设备能稳定地生产出合格产品。
以上说明，尽管我国不乏资深的冶金专家和科研人员的研究和呼吁以及来自社会的民间努力。但是分散的努力往往难以形成巨大的合力。
科技的就是支撑经济的发展，引领技术进步。我们殷切期望，太阳能光伏切割钢丝生产专用盘条的研发能得到国家培育战略性新兴产业，优化调整能源结构，提高技术创新能力的科技政策的支撑。加强我国的超洁净优质钢的开发力度。
太阳能光伏切割钢丝生产用的优质盘条，年消耗量估计为20多万吨的需求量，如果加上钢帘线专用盘条仅近200多万吨。对于一个年产几千万吨钢的企业来说，可能排不上号，而且不是简单的工艺改进所能凑效的。只有将它纳入“向钢要得更多！”的战略范畴，才能有大手笔建立起我国的超洁净优质钢材的科研，冶炼，轧制和深度加工的生产体系。只有只样，发展新能源，新材料的命脉才不会受制于人。“待到山花烂漫时”象“瑞士军刀”钢材，“山特维克”硬质合金和不锈钢材就不会引起我们中国巨大的向往了。
5：结语。
太阳能光伏产业的飞速发展，再次让全世界领略了“中国制造”的强大震撼力。但是我们应该清醒的看到我们在太阳能光伏产业链中力量还不强，处于初级阶段，只占据着低端技术，低附加值的领域，而关键的原材料受到国外的制约。光伏产业中大量的技术壁垒和高端领域，需要我们去攻克去占领。光伏产业也蕴藏着巨大的商机。为了在“十二五”期间打造完整的光伏产业链，催化我们冶金行业，装备制造行业，必须不断技术更新以满足发展的需要，到2020年中国成长为全球光伏产业的第一大市场将充满希望。

江苏省，江阴市华方机电科技有限公司
作者：吴文晨
参考文献： 钢铁工业最近简况及对金属制品发展的点滴认识
---------------中国金属学会：翁于庆
从轧钢看—我们要考虑的几个问题
-----------------中国钢铁科技集团公司：陈其安
光伏时代--------2011-1月第五期
现代光伏-------2011-2月