光伏用铝——“双碳”背景下最具增长潜力的铝应用领域

张琪

中国光伏市场概述

当前，“双碳”目标已成为贯穿我国经济社会发展的主题，可再生能源成为市场关注的焦点。国家能源局在2021年10月20日首次明确发文，要求各电网企业按照“能并尽并”“多发满发”原则，对具备并网条件的风电、光伏发电项目保障及时并网；实现新能源发电项目多发满发，进一步提高电力供应能力。加快风电、光伏发电项目建设和并网发电，将进一步缓解电力供需紧张形势，助力完成能耗双控目标[1]，对实现能源转型和“双碳”目标具有重要意义。

我国幅员辽阔，绝大部分地区常年光照充沛，具备发展太阳能产业的基本条件。太阳能发电包括光热发电（CSV）和光伏发电（PV）。光热发电由于技术复杂、初始投资和运营成本高昂、无法在人口密集区建设等原因，发展速度相对缓慢[2]。光伏发电利用半导体的光生伏特效应而将光能直接转化为电能，关键元件是太阳能电池，晶硅电池是目前主流的太阳能电池，占全球市场份额的93%。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的光伏组件，再配合控制器、逆变器、支架、负载等部件就形成了光伏发电系统[3]（见图1）。

中国的光伏发电商业化发展始于2000年左右，到2007年，我国已成为生产光伏电池最多的国家，并向国外出口。近10年來，在国家的电费补贴、光伏扶贫政策支持和企业的技术创新等多重利好因素驱动下，光伏行业进入快速发展期。光伏电池量产转换效率不断突破，中标电价、电站投资成本大幅降低，目前青海地区部分光伏发电项目度电成本已接近甚至低于当地燃煤标杆电价，未来仍有下降空间。2019年1月9日，国家发展和改革委员会（以下简称“国家发改委”）、国家能源局《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》正式出台后，国家逐步减少直至停止光伏项目补贴，光伏发电回归市场化竞争阶段。2021年3月26日，国家发展和改革委、财政部、中国人民银行、银保监会、国家能源局5部委联合发布通知，通过灵活放贷、核发绿证等形式加大金融支持力度，促进风电和光伏发电等行业有序发展。

中国光伏产业已形成从硅料、硅片、电池片组件、光伏制造设备到系统集成和应用的完善产业链，是全球光伏组件的最大生产国和出口国。截至2020年底，中国光伏新增装机连续8年位居世界第1，累计装机容量253GW，连续6年全球第1，而光伏组件出口量也已占国内总出货量的60%以上。

当前，我国以风能、光能、核能和生物质能源为代表的非化石能源消费比重仅占15.9%，可再生能源替代化石能源还需经历较长时间，但实现“双碳”目标的大势不可逆转。2021年10月24日，中共中央、国务院《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中提出：到2030年，非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW（1200GW）以上；到2060年，非化石能源消费比重达到80%以上[4]。光伏产业在国家明确的量化目标指引下，将迎来发展的“黄金时代”。

2 光伏用铝生产及市场分析

2.1 光伏用铝生产技术成熟

铝在光伏发电领域的应用主要是边框、支架、铝浆。铝浆作为阳极浆料涂覆在电池片，用量较少，2020年全球太阳能电池浆料消耗2.2万t。边框用于固定、密封太阳能电池组件，起到保护玻璃边缘、加强光伏组件密封性能和提高光伏组件整体机械强度的作用，还便于光伏组件的运输和现场安装，目前普遍采用铝型材制作。支架是光伏发电系统中为摆放、安装、固定太阳能面板而设计的支撑结构，材质一般采用铝合金或热浸镀锌碳钢，目前国内应用以钢支架为主，而出口则以铝支架为主（见图2）。

在生产过程中，支架采用T5状态6005铝合金，边框采用6005—T5或6063—T5/T6铝合金，常见铝棒规格为120mm，挤压机吨位在1200～2000美t即可。挤出型材经过淬火、人工时效增加力学性能，然后喷砂使表面形成哑光效果，再经过阳极氧化提高耐腐蚀性和耐磨性（光伏用铝型材生产工艺流程见图3）。支架采用银白阳极氧化或不进行表面处理，边框采用磨砂银白氧化、磨砂黑色氧化、银白电泳和黑色消光电泳等。上述工序后需进行贴膜，防止后期深加工产生磕碰伤，提高成品率。

一套完整的铝边框由2条长边，2条短边组装而成，中间用角码连接，因此边框材料的边缘需锯切成45°角。锯切完成后进行冲孔，通常长边需要冲安装孔、落水孔、接地标志和铆点，短边冲接地标志、落水孔和铆点。短边在冲铆点之前还需要塞角码，方便组件厂家直接安装（见图4）。

可以看出，光伏用铝型材生产流程与建筑—结构型材较为相似，但光伏电池安装在户外或野外地区，常年累月经受自然天气考验，使用寿命25～30年，因而其质量要求比一般铝型材要高，而且目前国内生产的光伏电池组件有一半以上用于出口，国外市场对产品要求严格，因此光伏用铝型材在生产过程中的工艺控制尤为重要，具体表现在：①原材料要求严格，经过阳极氧化处理后的废料不能再重新熔炼铸棒使用，以避免挤压后型材表面产生小黑点、毛刺或夹灰；②挤压模具需要进行仔细抛光，挤压过程严格控制温度和挤出速度，避免产生黑线和焊合线；③一般工业铝型材硬度达到8HW以上即可，而光伏边框铝型材要达到12HW甚至15HW，淬火后人工时效的时间控制很关键；④普通铝型材氧化膜厚度为10μm，而光伏边框铝型材氧化膜厚要达到15μm以上。

综合来看，光伏铝型材属于中高档工业铝型材产品，对设备要求不高，但对包括熔铸、铝挤压、热处理、表面处理在内的各个工序要求严格。生产工艺和过程控制的稳定性直接决定了产品的成品率，进而影响到生产成本。目前国内工艺技术成熟，技术门槛适中，边框铝型材加工费在5000～6000元/t。

2.2 光伏用铝量已达百万吨规模

近年来，为降低光伏组件生产成本，铝合金边框型材壁厚不断减薄，对加工企业来说提高了技术工艺要求，单位吉瓦光伏组件用铝量也有所降低，安泰科经市场调查后认为，1套铝边框重量2.2～3.8kg，2016—2018年1GW装机需用铝型材1.1万t，2019—2020年1GW装机用铝量为1.0万t，其中边框型材0.65万t，支架型材0.35万t。

中国光伏行业协会数据显示，2020年国内光伏电池产量为127.0GW，其中国内新增装机48.2GW，出口78.8GW，对铝型材的需求量为127.0万t，光伏型材已成为为数不多的年用量达到百万吨规模的工业型材（见表1）。2016—2020年，中国光伏产业对铝型材需求的年复合增长率为19.9%。

2.3 铝合金是光伏组件不可替代的重要辅材

光伏组件由电池片、玻璃、铝合金、EVA等多种材料组成，由于铝合金具有轻质、耐腐蚀、易加工、回收价值高、美观等优势，光伏组件最初即采用铝边框，铝边框在光伏组件的成本构成中占比约9%～12%（见图5）。一直以来，组件厂家致力于提高组件效率、降低组件成本，特别是铝价的上涨，也让厂家考虑其他边框替代方案，例如无框双玻组件、钢边框、高分子材料边框（如橡胶）、复合材料边框（如玻璃钢）等。目前国内支架较多采用钢材料，因此也有厂家尝试采用钢边框的可行性，但经使用后发现在光伏边框应用中较铝边框有诸多不足之处。

在性能方面，经过多年的使用验证，铝与玻璃等其他辅材具有良好的兼容性，在承载风雪时能够与玻璃保持同步形变；而钢边框不仅加工精度低，且与玻璃弹性模量差异较大，在恶劣天气下易产生局部应力集中，造成组件爆板。

在成本方面，1GW组件钢边框重量是铝边框的3倍左右，运输和安装成本高。虽然铝边框初始投入高，但维护成本低，且随着光伏组件这类新兴产业废物循环利用市场形成，退役光伏组件中的铝完全可实现闭环回收。

在使用场景方面，单位面积铝支架质量重约1.5kg，钢支架为3.5kg，因此钢边框组件和钢支架安装后，对于承载力一般彩钢瓦屋面顶来说增大了承重风险，限制了屋顶分布式光伏电站应用。此外，在风沙、水中等腐蚀性较强的场景，边框和支架均需采用铝合金。

3 “十四五”期间光伏用铝发展前景分析

3.1 光伏用鋁需求影响因素分析

光伏用铝需求与光伏产业的发展前景和方向密切相关，虽然我国光伏产业已具备雄厚的产业基础，但未来仍将面临一些挑战。国内方面，主要是如何提高光电消纳水平，使光伏发电更好地发挥降碳作用。国外方面，出口规模能否继续保持增长对我国光伏产业未来发展也很重要。

西北地区是国内光电资源相对较为丰富的地区，适宜建设大型集中式光伏，但以往当地因消纳水平有限造成弃光现象较为严重，且光伏发电受限于光照时间、气候等自然因素影响，无法平稳输出电力。弃光和自然特性等因素导致目前尽管光伏装机占全国发电设备装机总量的11.5%，但发电量仅占总发电量的3.4%。

针对上述问题的解决方案有3种：一是把西北大量富余的电力输送到用电集中的中东部地区，即建设特高压输电网络；二是在用户端附近建设光伏发电站，实现就地消纳，即建设分布式光伏电站；三是把多余的电量存储起来，等需要的时候再用，即研发推广成熟的光伏储能项目。

目前，我国已建设和拟建多条特高压输电线路用于光伏电力的输送。2021年11月10日，中国和美国在联合国气候变化格拉斯哥大会期间达成并发布的《中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》提出，为减少二氧化碳排放，鼓励整合太阳能、储能和其他更接近电力使用端的清洁能源解决方案的分布式发电政策[5]。未来，分布式光伏和“光伏+储能”模式将成为加速解决光伏发电消纳和储存问题的重要措施。

3.1.1 分布式光伏改善消纳水平并助力工厂降碳

分布式光伏发电将小型光伏发电系统安装在用户场地附近，运行方式以用户侧“自发自用、余电上网”为特征，具有靠近负载、就地消纳、减少发送、即发即用等优势。《国民经济和社会发展十四五规划和2035年远景目标纲要》中提出要加快发展东中部分布式能源，2021年6月20日，国家能源局综合司下发的《关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》明确要求：党政机关建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于50%，学校、医院等公共建筑不低于40%，工商业厂房屋顶不低于30%，农村居民屋顶不低于20%[5]。据不完全统计，24个省市自治区陆续发布了政策文件，启动分布式光伏整县推进试点工作。

在“自发自用、余电上网”模式下，工厂提供厂房屋顶资源，光伏应用企业免费提供和安装光伏系统，所发出的电卖给屋顶资源业主，自发自用部分在跟业主结算电费时，参照屋顶资源所在地的工商业实时用电价格给予一定折扣，多余电力接入电网。

当前，根据能耗双控政策，企业利用光伏发电等可再生能源产生的用能量不计入能源消耗总量考核；另一方面，在工商业用户电价市场化改革中，多个省市区的尖峰与高峰时段的用电价格浮动区间都进行了上调，高耗能企业的用电成本将大大增加。因此，建设分布式光伏一方面可以获取到低度电成本的电力资源，降低产品成本，同时也将成为高耗能行业实现减碳的有力途径。

有色金属作为碳排放重点行业，也已经积极行动。以铝行业为例，电解铝厂、铝加工厂屋顶面积大且平坦，通常拥有20年以上的使用权，是条件适宜的闲置屋顶资源，适合开发兆瓦以上大型屋顶电站。《关于完善电解铝行业阶梯电价政策的通知》指出，鼓励电解铝企业提高风电、光伏发电等非水可再生能源利用水平，基于清洁能源利用水平动态调整加价标准[7]。宝武铝业科技有限公司、洛阳香江万基铝业有限公司、广西柳州银海铝业股份有限公司等铝企业已率先开始建设屋顶分布式光伏电站项目，并且还可参与碳交易和绿电交易。电解铝行业将被纳入第二批碳排放交易，光伏发电所形成的国家核证自愿减排量（CCER）可以抵销碳排放配额；光伏发电企业可获得绿色证书（绿证），参与绿色电力交易或单独出售绿证。

在“双碳”目标和“整县推进”背景下，分布式光伏行业的市场认可度已大幅提升，屋顶资源业主的装机热情也持续高涨。2021年1—10月，全国光伏新增装机容量为29.3GW，同比增长34.0%，其中集中式光伏10.3 GW，分布式光伏19.0GW，分布式光伏新增装机容量首超集中式装机容量，占比达64.9%（见图6）。

3.1.2 “光伏+”模式推进光伏发电多元布局

光伏发电提供的清洁电力在直接降低碳排放的同时，也正逐步成为其他清洁能源系统的催化剂。光伏与氢能、新能源汽车之间的合作将推进光伏发电多元化布局。

“光伏+氢能”利用光伏发电技术把光能转化为电能，利用电能制取氢气。光伏制氢可以用来消纳光伏发电的多余电力，将电力转化成氢能源，且称之为“绿氢”。氢能不仅是清洁能源，也是一种比较高效的储能方式。2021年以来，国外大型铝企业已经开始尝试使用氢气以降低碳排放：挪威海德鲁公司旗下绿氢公司Hydro Havrand与壳牌新能源有限公司探索利用可再生电力生产氢气的潜力；力拓集团和日本住友商事株式会社在澳大利亚昆士兰的Yarwun氧化铝厂建立氢气中试工厂，利用氢气替代天然气；阿联酋环球铝业集团与美国通用电气公司合作，探索使用氢气作为燃料代替天然气。

虽然目前国内铝企业还未涉足氢能产业，但光伏巨头已率先入局该领域：宝丰能源于2019年启动了200MW光伏发电及2万标方/h电解水制氢储能项目，已部分建成并已投入生产；阳光电源拥有全国首套光伏离网制氢系统，全国最大PWM制氢整流电源5MW和国内首款绿氢SEP50 PEM电解槽；隆基股份成立西安隆基氢能科技有限公司，首台碱性水电解槽已于2021年10月下线。“光伏+氢能”已成为未来新能源最具发展潜力的方向之一。

“光伏+新能源汽车”方面，目前国内已落地的“光储充”一体化项目是由光伏、充电桩、储能等系统组成，充电站通过光伏系统发电后，将电能储存在电池中，供新能源汽车日常充电。光伏系统、储能电池和充电设施形成一个微网，共同完成日光这一清洁能源的可持续利用，真正实现清洁电力、绿色出行。

特斯拉光储充一体化超级充电站（见图7）于2021年7月在上海正式启用，其中的Powerwall是专业设计的太阳能存储系统，全球安装量已经超过25万个。这款设备使用圆柱形锂电池作为电芯，铝箔可作为锂电池的正极集流体，是生产锂电池的关键材料之一。未来随着储能电池的发展，也将带动铝电池箔需求量的上升。

3.1.3 海外需求将持续提振光伏组件出口

中国自2007年开始成为光伏电池组件第一大出口国。2011年美国和欧州相继对我国出口的光伏产品发起双反调查，此后美国还先后发起了“双反”和“201调查”，对我国光伏产品出口造成了一定影响。但随着中国光伏企業业务的全球化程度加深，且国外新兴市场不断涌现，上述负面影响目前已经被大大削弱。

2020年，我国光伏组件出口至全球211个国家和地区，出口量达78.8 GW，同比增长18.3%，占总出货量的62.0%，国外市场的需求拉动作用非常明显。2022年以来，欧洲、日本、澳大利亚等传统市场活力不减，印度、巴西、智利等发展中国家开始发力，表现抢眼，巴基斯坦、希腊等新兴市场不断出现。2021年1—10月，光伏组件出口量82.2GW，同比增长32.2%；出口金额198.3亿美元，同比增长44.8%。

从外部环境来看，全球已有130多个国家和地区提出了“零碳”或“碳中和”目标。各国相继出台碳减排规划和碳认证机制，共同推动疫情后世界经济“绿色复苏”。可持续性的政策支持及电价不断下降带来的竞争力，使可再生能源的发展上升至空前的战略高度，全球光伏市场发展明显加快，全球吉瓦级市场数量由2018年的11个增至2021的20个。

从自身来看，我国出口优势明显，目前已有多项前沿技术取得全球领先水平，产品性价比全球最优，各环节产能规模全球第1，产业自给率也最强，基本上实现国产化。全球组件厂商出货量前10名中，中国占据8席。预计2021年全年光伏组件出口量将首次超过100GW。

3.2 光伏用铝消费预测

国际方面，国内外多家机构均预测2021年全球新增装机规模将超过150GW。到2025年，全球光伏市场新增装机规模将达到270～330GW。

国内方面，2021年新增光伏装机规模53GW，略不及年初预期，主要是因为指标下发滞后以及能耗双控下限电、停产带来的产业链各环节原材料供应短缺、价格上涨。2021年12月8日，中央经济工作会议提出新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制，为光伏行业保供稳价提供强大支持。2022年，在大规模光伏项目储备的推动下，新增装机或将增至 75GW以上。预计到2025年，我国光伏新增装机规模将达到90～110GW，光伏组件出口量预计为140～180GW。

在光伏行业快速发展的带动下，光伏用铝将成为国内未来最具增长潜力的铝应用领域。综合考虑国内和出口市场，预计“十四五”期间国内光伏用铝需求量的年复合增长率为17.0%，到2025年光伏用铝将达到255万t（见图8）。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.01.013

参考文献

[1] 国家能源局综合司.关于积极推动新能源发电项目能并尽并、多发满发有关工作的通知[EB/OL].（2021—10—20）.http：// www.nea.gov.cn/2021-10/20/c_1310257171.htm.

[2] 王明菊，王辉.太阳能光伏发电技术现状与发展探讨[J].能源与节能，2021（7）：37.

[3] 熊慧，刘丁.铝材在太阳能发电装备中的应用[J].中国铝业，2010（12）：1—6.

[4] 国务院.关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见[EB/OL].（2021—10—24）.http：//www.gov.cn/ zhengce/2021-10/24/content_5644613.htm.

[5] 生态环境部.中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言[EB/OL].（2021-11-11.）https：//www.mee.gov. cn/ywdt/hjywnews/202111/t20211111_959900.shtml.

[6] 国家能源局综合司.关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知[EB/OL].（2021—09—08）.http：//zfxxgk. nea.gov.cn/2021-09/08/c_1310186582.htm.

[7] 国家发展改革委.关于完善电解铝行业阶梯电价政策的通知[EB/OL].（2021—08—27.）.https：//www.ndrc.gov.cn/xwdt/ xwfb/202108/t20210827_1294894_ext.html.