光伏帝国双头鹰的另一颗头

中国的光伏产业很强,但“强到什么程度”,少有人知。

定量看,国际能源署(IEA)此前发布的《光伏全球供应链特别报告》显示,自2011年以来,中国已经投资超过500亿美元来扩张光伏设备产能,规模是欧洲的10倍,在价值链上创造了超过30万个制造业就业岗位;中国光伏制造业在太阳能电池板的全部生产环节,从硅料、硅锭、晶圆到电池、组件,都占据全球至少80%的产能,其中最低的是硅料(79.4%),最高的是硅锭(96.8%)。IEA进一步预计,到2025年,中国在某些环节的产能占比将达95%甚至以上[1]

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难怪IEA会用“dominate”(统治、支配、主宰)形容中国光伏的行业地位,甚至称这对全球光伏供应链形成了一定威胁。

“……全球供应链的地理集中度也带来了政府需要应对的潜在挑战 (……the level of geographical concentration in global supply chains also creates potential challenges that governments need to address)。”

如果定性看,《纽约时报》一篇评论将中国光伏产业视为一种重大威胁的态度,更加有趣,上次的“威胁论”可能还是5G [2]

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但太阳能电池板,并不是光伏价值链中唯一被中国企业主导的环节。本文聚焦的正是另一个不那么知名,但在光伏发电系统中同样至关重要的设备——光伏逆变器

一、逆变器,光伏的心脏与大脑

光伏逆变器,也称光伏并网逆变器,能将太阳电池组件产生的直流电转换成频率可调节、可用于生产生活的交流电,是光伏电站除电池板外最核心的设备之一。逆变器也负责最大限度地发挥光伏电池板的发电能力并提供系统故障保护,包括但不限于自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、并网系统所需的一系列功能等。

换言之,光伏逆变器的核心功能,也可以概括为跟踪光伏组件阵列的最大输出功率,将其能量以最小的变换损耗、最佳的电能质量馈入电网。没有这个光伏发电系统的“心脏与大脑”,当前太阳能电池所产生的电能就无法为人类所用。

从产业链位置看,逆变器位于光伏产业位于下游,是在建设发电系统(无论何种形式)的过程中进入链路的。

(关于光伏产业整体概况,可参看果壳硬科技此前发布的《【万字长文】光伏也不难,一篇全看完》)

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光伏产业链构成

从成本上看,光伏逆变器在成本中的占比并不算高,一般情况下在分布式光伏系统中的占比要高于大型地面电站 [3]

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(左图)2021年~2030年我国地面光伏系统初始全投资变化趋势(单位:元/W)

(右图)2021年~2030年我国工商业分布式光伏系统初始全投资变化趋势(单元:元/W)

图源丨CPIA

当前的光伏逆变器有多种分类方式,比较常见且方便理解的,是以产品种类作区分,主要有四种:集中式、组串式、集散式和微型逆变器。其中微型逆变器与其它三种设备区别较大,只可用于小型光伏发电系统,如入户式光伏,不适用于大型系统。

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信息来源:光大证券,果壳硬科技制表[4]

从市场占比看,组串式逆变器已经占据绝对主导地位,集中式逆变器以较大差距位列第二,其他种类则占比很少。根据CPIA给出数据,组串式逆变器占比为69.6%,集中式逆变器占比为27.7%,集散式逆变器的市场占有率约为2.7%,微型逆变器则没有可见的统计数据 [3]

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2021~2030年不同类型逆变器市场占比变化趋势,图源丨CPIA

当前最主流的逆变器产品之所以是组串式,在于:工作电压范围宽,弱光下发电能力强;单个逆变器控制电池组件少,一般仅数十个,远小于集中式逆变器上千的数字,意外故障对整体发电影响效率比较低;运维成本低,故障检测比较容易且出现故障时,排除故障耗时短,故障以及维修造成损失小。

不过需要强调,光伏行业目前除了大型电站外,同样有具体应用场景庞杂,细分种类众多的分布式光伏,如户用光伏、厂房屋顶光伏、高层建筑光伏幕墙等等。对于此类光伏发电设施,国家也有相应的规划,如住建部、国家发展改革委于7月下发的《城乡建设领域碳达峰实施方案》中就提到,到2025年新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%[5]。不同的应用场景,对光伏逆变器也有着不同的需求,且在光伏行业快速发展的当下,技术迭代对行业影响也不能忽视,使得光伏逆变器的市场格局存在一定不确定性。

市场规模方面需要言明,由于逆变器行业内有不止一家龙头企业并未上市,信息披露的不完全造成了一定统计困难,导致受口径影响,不同机构给出的数据存在一定的差异。

从市场规模看,以出货口径统计:IHS Markit给出的2021年光伏逆变器出货量约为218GW,同比增长约27%[6];Wood Mackenzie(伍德麦肯兹)给出数据则超过225GW,同比增长22%[7]

至于光伏逆变器的具体市场竞争格局,不同机构给出排名差异更大,也由此引发了一些争议。好在这些区别并不改变我们在开篇提到的结论:中国企业正在主导光伏逆变器行业

IHS Markit给出排名中,前十名企业的市占率(CR10)合计超过80%,分别为阳光电源、华为、锦浪科技、古瑞瓦特、SMA、固德威、Power Electronics、上能电气、SolarEdge、TMEIC。中国企业包揽前四,在前十占站六个席位,总计拿下约64%的市场份额,最为值得关注的是阳光电源取代华为,成为全球出货量第一的光伏逆变器制造商[6]

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Wood Mackenzie给出的市占率从数字上看与IHS差距不大,CR10略高一些为82%,具体排名则有着一定差异[7]。前十的企业并未发生变化,但前六名的排位完全不同,特别是固德威取代SMA进入前五,意味着出货量最高的五家逆变器制造商均为中国企业。华为和阳光电源的排位由于前者不是上市公司,只能留作悬案。

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事实上,CR10不能完全反应中国逆变器企业在行业中的主导能力。许多企业虽未进入前十,但出货量与排名靠后外企差距并不大。若进一步加算德业股份、正泰电器、禾迈股份等国内逆变器制造商,则中国企业的市占率仍有不小的提升空间。

当前光伏逆变器行业之所以具备相当可观竞争力,主要得益于国内企业稳定的成本控制能力带来的可观价格优势。现阶段国内在几乎每一种类型的逆变器都具有相当明显的成本优势,单瓦成本仅有海外成本的50%甚至20%左右 [8]

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二、降本增效是优化方向

现阶段,国产光伏逆变器已经建立了一定的竞争优势,但这当然不意味着行业就没有了进一步优化的可能。未来的光伏逆变器主要降本路径,集中在关键器件的国产化、功率密度提升和技术创新三个方面。

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图片来源:中金公司[8]

从成本构成上看,光伏逆变器的直接材料占比非常高,超过80%,可大致分为四个部分:功率半导体(主要为IGBT),机构件( 塑胶件、压铸件、散热器、钣金件等),辅材(绝缘材料、包材等),以及其它电子元器件(电容、电感、集成电路等)。光伏逆变器所用的材料普遍价格受上游原材料影响明显,生产难度不高,市场竞争已经十分充分,进一步降本难度大,议价空间也比较有限,对于逆变器进一步降本提供不了太多帮助。

但半导体器件有所不同。功率半导体在逆变器成本中的占比在10%~20%之间,是实现逆变器的直交流逆变功能最核心的元器件,直接决定了设备的转化效率。但是由于IGBT存在着不低的行业壁垒,现阶段国产化水平并不高。

当前的IGBT市场基本由国外企业垄断,英飞凌为绝对龙头,在2020年的IGBT器件市场占比为29.3%,模块市占率更高达36.5%。同期,全球前十的器件供应商中仅有士兰微一家中国企业(2.6%),模组则仅有斯达半导体一家(2.8%)[9]

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信息来源:华经产业研究院,果壳硬科技制图

这使得功率半导体相较于其它器件,具备较强的定价权。也正是2021年以来全球性的半导体短缺以及提价,导致逆变器的利润明显承压,产品毛利率多有下行。伴随着国产半导体的快速发展,未来逆变器行业有望实现IGBT的国产化替代,实现整体降本。

(关于功率半导体行业的更多信息,可参看果壳硬科技此前发表的《充电头里的中国机会》一文。)

功率密度提升,指的是开发等重下功率更高,或是同功率下更轻的产品,从而摊薄结构件/辅材等固定成本,实现相对降本的结果。从产品参数看,当前的各类逆变器,也确实在不断提升额定功率与功率密度,例如阳光电源已经在2021年推出了300kW额定功率的产品 [4]

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信息来源:CPIA[3]

技术迭代就比较直白了。逆变器行业可以通进一步优化产品设计减少用料、改善生产工艺、改用更高效器件等方式,实现成本控制,进一步打开利润空间。

三、下一片天地,储能?

除了光伏之外,当前的逆变器行业的另一个市场方向,是同样火热的储能。

光伏发电,尤其分布式光伏系统,具有天然的间歇性与波动性,接入储能系统实现连续稳定电力供应是广泛认可的解决方案。

为了满足新型电力系统的需求,储能变流器(Power Conversion System,PCS;有时为方便理解也直接称储能逆变器)应运而生。PCS是电化学系统中,连接电池系统与电网,实现电能双向转换的装置,既可在负荷低谷将交流电转换为直流电充入蓄电池,也可在负荷高峰期将储电池内直流电转换为交流电并网。

不过由于功能更为复杂,因此电网对储能逆变器的性能要求也更高,导致其所用元器件数量大幅上升,可达普通光伏逆变器的近两倍,同时复杂的功能也带来了更高的技术壁垒。

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信息来源:天风证券[10]

相应的,尽管整体规模还不算很大,但储能逆变器已经表现出了十分优秀的盈利能力,毛利率较光伏逆变器有着相当明显的优势。以4家在2021年有相关业务披露的上市公司为例:

  • 德业股份:储能逆变器毛利率约41%,微型逆变器约32%,组串式约34%;
  • 锦浪科技:储能逆变器业务毛利率约39%,光伏逆变器业务约25.35%;
  • 固德威:储能业务(包括逆变器和储能电池)毛利率超过40%,光伏逆变器约31%;
  • 上能电气:储能双向变流器及系统集成产品毛利率约25%,光伏逆变器约23%。

受统计口径影响,这些毛利率不能完全反映储能逆变器本身的盈利能力,但总体上不改变其盈利能力更强的事实。

从行业现状看,海外的储能市场起步较早,需求较国内旺盛一些,国内企业在行业内尚没有建立与电池组件和逆变器相近的市场主导地位[10]。不过现阶段储能逆变器的市场规模并不大,与光伏逆变器有着巨大的差距,国内外企业并不存在明显的竞争力差异,主要是商业选择的结果。

对于企业来说,尽管存在一定的技术壁垒,但储能便器和光伏逆变器技术同源,企业转型难度并不是很大。且在国内市场,由产业与政策共同驱动,储能行业已经进入高速发展期,市场增量可观,行业确定性很强,是逆变器企业十分清晰的业务拓展方向。

(关于储能系统对于我国未来能源体系的重大意义,果壳硬科技此前的《十四五中的储能,路要怎么走?》一文已有详细介绍,本文不再展开。)

事实上,很多企业已经受益于储能行业的良好预期。从2021年的业绩看,很多企业的储能业务线均表现出了强劲增长。尽管这种增长与低基数存在一定关系,但已经足够证明发展储能相关设备制造,具备很强的确定性,良好的商业逻辑与成长性也毋庸置疑。

储能逆变器未来的降本路线也较为清晰,与光伏逆变器区别不大,集中在降低元器件价格,特别是功率半导体的国产化替代,且由于元器件使用数量显著得多,国产化替代带来的降本效应还能够得到进一步放大。

逆变器企业若加速开发储能变流器产品,则凭借储能行业快速发展的东风,以及已经建立的并网逆变器竞争优势,我们完全有理由相信,本土行业完全有机会凭借中国的制造业优势,在储能价值链内重现光伏产业的繁荣,国内企业获得商业成功也是自然而然的结果。

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