中国太阳能热利用技术“十二五”进展与“十三五”展望

2016-10-14郑瑞澄王敏李博佳张昕宇何涛

太阳能 2016年5期

关键词：集热器十二五供热

■ 郑瑞澄王敏李博佳张昕宇何涛

（1.中国建筑科学研究院；2.中国可再生能源学会热利用专业委员会）

中国太阳能热利用技术“十二五”进展与“十三五”展望

■ 郑瑞澄1，2*王敏1，2李博佳1，2张昕宇1，2何涛1，2

（1.中国建筑科学研究院；2.中国可再生能源学会热利用专业委员会）

针对太阳能热利用技术的主要应用类型，分别阐述了太阳能热水、太阳能供热采暖、太阳能制冷空调、太阳能干燥、太阳灶、太阳能蒸馏与海水淡化、太阳能热发电技术在“十二五”期间(2011～2015)的发展，以及对这些技术在“十三五”期间(2016～2020)的技术进步预期和应用推广展望。

太阳能热水；太阳能供热采暖；太阳能制冷空调；太阳能干燥；太阳灶；太阳能蒸馏；太阳能热发电

0　引言

太阳能热利用技术有较多分支，分类的依据也有所不同；根据太阳能热利用系统可达到的工作温度，可分为太阳能低温热利用(<100 ℃)、太阳能中温热利用(100～250 ℃)和太阳能高温热利用(>250 ℃)3大类型；按照应用领域，则可分为太阳能热水、供热采暖、制冷空调、太阳能干燥、太阳灶、太阳能蒸馏、太阳能热发电等技术类型。

“十二五”期间，太阳能热利用的技术发展既有机遇，又有挑战。机遇是由于空气污染造成的严重雾霾现象，提高了全社会对改变现有能源结构的关注度，给作为可再生清洁能源的太阳能应用带来了更大的发展空间；各级政府陆续出台相关政策，如可再生能源建筑应用示范项目/示范县/市/省、新能源示范城市等。挑战是随着经济下行压力的增大，特别是房地产泡沫的发生，使与之有紧密关联度的一些太阳能热利用技术遭遇了发展瓶颈。因此，需要全行业总结经验、积极面对，以期早日走出困境[1]。

“十三五”是我国经济结构调整、机制转型的关键时期，努力支持各类新能源技术的创新发展和产业化规模的不断扩大，已是国家既定的大政方针；国家“十三五”规划也提出了较高的可再生能源发展目标。在此背景下，“十三五”时期太阳能热利用技术的发展，既有比过去更好的政策条件，又有比过去更加严峻的市场环境。只有着眼于技术进步，不断提高产品质量，扩大应用范围，才能迎接挑战，使我国从太阳能热利用的产量大国，变为太阳能热利用的品质大国；同时，为国家经济的战略转型做出应有的贡献。

1　“十二五”技术进展

1.1热利用产业

1.1.1概述

我国是太阳能热利用大国，产业和市场规模均位居世界第一。太阳能集热器、家用太阳能热水系统及水箱、控制器等相关部件是太阳能热利用企业的主流产品。

与国外企业不同的是，我国生产量最大、应用最多的是各类真空管型太阳能集热器和紧凑式家用太阳能热水系统；而发达国家则主要是生产平板型集热器和分离式太阳能热水系统。虽然产品类型已开始有所变化，但这一状况在“十二五”期间仍然持续。

1.1.2产业化规模[2]

图1显示了我国2005～2015年的太阳能集热器年销售量。可以看出，年销售量在“十二五”的前3年呈增长趋势，但在后2年则与国家的整体经济形势相同，改为下滑；而真空管型太阳能集热器仍占销售总额的90%以上。

图1　太阳能集热器年销售量及年装机容量

1.1.3新产品开发

“十二五”期间太阳能热利用的新产品开发及其产业化成果主要集中在以下3方面：

1)高效中温真空管型太阳能集热器。研制的中温集热器在平均工作温度150 ℃、归一化温差Tm*为0.13 (m2·℃)/W时，效率达到52.2%；高温性能优越，并实现产业化，年产量规模为真空管30万只，集热器10万台。

2)平板型太阳能集热器选择性吸收涂层。研制出具有自主知识产权的平板集热器选择性涂层，吸收比为0.94～0.95，发射比为0.05～0.07，抗老化性能优于国外产品；通过引进、吸收、再开发，在四川、山东、福建等地完成了多条选择吸收性涂层吸热板的自动化生产线，并形成1100万m2的生产能力，使中国跃居成为选择性吸收涂层吸热板的世界第一生产大国。

3)新型空气集热器。研制开发了适宜空气介质、新型结构的平板空气集热器，并形成产业化。

图2　中温太阳能集热器瞬时效率曲线

1.2太阳能热水

1.2.1概述

太阳能热水是我国可再生能源领域唯一通过市场发展增长的技术。图3为我国在2005～2015年的太阳能集热器总热装机容量，其中的最大份额即是太阳能热水的应用。虽然“十二五”后期的热装机容量增速减缓，但仍保持上升势头，并持续排名世界第1，约占世界总容量的70%；但因人口众多，如按每千人集热器的装机量，则排名世界第9。

图3　太阳能集热器总量及总热装机容量

太阳能热水应用在“十二五”期间最重要的变化是紧凑式家用太阳能热水器在农村市场的日益普及、建筑一体化太阳能热水系统强制安装政策在城市的陆续推行，以及所引发的产品和技术转型。

1.2.2紧凑式家用太阳能热水器

紧凑式家用太阳能热水器是我国特有的太阳能热利用产品，过去在东部中小城市已达到很高的普及率。“十二五”期间，由于被列入了国家“家电下乡补贴政策”和“节能补贴政策”的产品名单，使紧凑式家用太阳能热水器在农村市场的应用得以快速增长；在东部经济发达地区的农村，市场已接近饱和。

2011年发布实施的GB 26969-2011《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》对紧凑式太阳能热水器的性能提升起到了很大的促进作用。标准给出了根据“能效系数”划分的“能效等级”，分为3级，1级最高，3级则仅是可进入市场的合格产品。按照目前国家质检中心对紧凑式家用太阳能热水器所做的产品能效检测，绝大部分产品的能效等级可达1级标准，说明紧凑式家用太阳能热水器的节能效益很好。

1.2.3建筑一体化太阳能热水系统

GB 50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》在“十二五”期间已完成了修订，目前“报批稿”已上报住建部，应会在2016年中发布实施。该标准自实施以来，对建筑一体化太阳能热水系统的发展起到了极大的促进作用，其技术进步主要反映在以下3方面：

1)系统形式与建筑类型、功能的适配性。住宅是热水需求量最大的建筑类型之一，而我国城市住宅建筑又以高层住宅居多，这就决定了在城市使用的太阳能热水系统要有鲜明的中国特色，系统形式应与建筑类型、功能有良好的适配性。无论是集中集热-集中供热、集中集热-分散供热系统，还是分散集热-分散供热系统，其系统优化设计和施工安装技术在“十二五”期间均得到了迅速发展。例如，为简化集中集热-集中供热系统控制和运行管理而开发的集热-蓄热一体式真空管型太阳能集热器、为解决热水收费难题的集中集热-分散系统运行方式，以及承压能力提高的间接式分散集热-分散供热系统等，都是为适应中国国情所做的技术创新。

2)系统与建筑的一体化结合。本世纪初提出的太阳能热水系统建筑一体化，于“十二五”期间在系统与建筑结合的一体化设计、安装方面有了长足进步。各地涌现出不少集热系统与建筑结合的创新安装模式。例如，为解决屋顶面积不足，在屋顶设计专用的预制钢框架安装集热器，研制开发符合建筑模数、可替代阳台栏板的平板型太阳能集热器(图4)，以及相应的构造节点、施工方法等，从而在保证系统和建筑围护结构安全性的同时，兼顾建筑物的美观性。

图4　阳台栏板式太阳能集热器

3)系统的自动控制与热计量。太阳能具有不稳定性，相对于常规能源热水系统，太阳能热水系统的自动控制更为重要，只有保证自动控制系统合理设计，才能真正实现系统的安全、稳定运行并获得预期节能效益。“十二五”期间，系统的自动控制在原常用技术的基础上有了更多的创新发展，例如，为解决集中集热-分散供热系统的均匀供热，研发的分户换热控制已用于实际工程。此外，由于可再生能源建筑应用示范等国家支持的项目在完成后必须进行测评，从而极大促进了系统热计量的技术进步，对系统性能的现场检测已成为国家、地方质检机构的日常业务，而且在部分工程中实现了利用互联网技术的系统性能长期监测和数据远传。

1.3太阳能供热采暖

1.3.1概述

我国的太阳能供热采暖技术从 2000 年之后起步并逐渐开始发展，“十二五”期间则是该项技术从示范工程到规模化应用的重要转型期。目前我国已形成了较为完善的太阳能供热采暖技术支撑体系，比如，GB 50495-2009 《太阳能供热采暖工程技术规范》于2009年8月发布实施，2011年3月中国建筑工业出版社出版发行了与此标准配套的《太阳能供热采暖工程应用技术手册》；此外，由中国建筑科学研究院开发的“太阳能供热采暖空调系统优化设计软件”，也可为相关工程设计人员提供便利、可靠的设计工具[3]。

由于有国家和各级地方政府的重视和推动，“十二五”期间在我国各地相继建成了一批太阳能供热采暖的示范工程，其中以短期蓄热系统居多，但也有少量的季节蓄热系统。太阳能供热采暖系统需要的集热器面积更多，限于我国城市建筑的密集度，目前短期蓄热系统主要适用于东部经济发达地区的乡镇、农村，而季节蓄热系统则主要适用于地广人稀的西部地区。

1.3.2短期蓄热太阳能供热采暖

短期蓄热太阳能供热采暖示范工程在北京郊区农村的建设规模最大，建成使用的太阳能供热采暖农村住宅已超过40万m2。通过对典型住宅全采暖季的使用效果监测，在不开启辅助热源设备，即系统太阳能保证率100%的条件下，冬季平均室温为12 ℃，晴天可达到16 ℃。选取典型建筑所做的经济分析显示，每户系统的增量投资约为3万元，系统使用寿命15年时，系统的费效比(太阳能热价)为0.44元/kWh。

图5　北京郊区太阳能供热采暖农村住宅

1.3.3季节蓄热太阳能供热采暖

丹麦、德国、加拿大等发达国家有先进的季节蓄热太阳能供热采暖技术，也建成了数量众多的实际工程。以丹麦为例，其所完成的季节蓄热太阳能区域供热采暖项目的总太阳能集热器面积约40万m2，且出现了市场化发展前景。相比之下，我国尚处于起步阶段，差距很大。但在“十二五”期间完成的中-丹可再生能源发展项目“大型太阳能区域供热系统的测试、研究和示范”，起到了引进丹麦太阳能区域供热采暖项目经验、推进太阳能区域供热技术在中国的大规模应用、建立完善的中国太阳能区域供热技术体系的作用，极大提升了中国季节蓄热太阳能供热采暖的技术能力，为其在“十三五”的跨越式发展奠定了良好基础。

1.4太阳能制冷空调

1.4.1概述

“十二五”期间发布实施的GB 50787-2012《民用建筑太阳能空调工程技术规范》，对规范太阳能空调系统的设计、施工和验收，起到了非常重要的作用。此外，开发研制了适用于太阳能应用的热力制冷机组，包括50 kW吸附式制冷机组、1.n效吸收式制冷机组等。

太阳能制冷空调目前仍处于应用示范阶段，在低温制冷领域，其技术提升反映在吸附式空调系统在低温贮粮中的实际应用，以及建成了低于10冷吨小型吸收式制冷空调的示范工程等；在中温制冷领域，则是开发了槽式集热器太阳能制冷空调成套技术，并建成若干实际应用示范工程。

1.4.2低温制冷太阳能空调

硅胶-水太阳能吸附式空调系统已应用于中央贮备粮某直属粮库，其功能是冷却试验粮仓内的上部隔离层，抑制夏秋季仓内表层粮温的回升，从而降低了贮粮的运行成本。

“十二五”期间在小型吸收式制冷空调系统的实际应用方面有了重大突破，2013年建成的总集热面积323 m2的35 kW溴化锂吸收式空调系统，至今已稳定运行3年，其实际检测的集热系统效率为50 %，在夏季室外平均环境温度32℃、平均室温达到26 ℃条件下的系统太阳能保证率为83%。

1.4.3中温制冷太阳能空调

我国利用聚光型太阳能集热器的太阳能制冷空调技术在“十二五”期间有了跨越式发展，用于空调系统的槽式太阳能集热器已实现产业化，建成的示范工程也取得了良好的应用效果；对某一实际工程所做的检测表明，集热系统效率为55%，夏季室外平均环境温度30 ℃、平均室温达到25.6 ℃条件下的系统太阳能保证率为68%。

图6　槽式集热器太阳能制冷空调系统

1.5太阳能干燥

1.5.1概述

我国的太阳能干燥经历了从简单小试到较完善生产试验的发展历程，目前已建成各类太阳能干燥装置200多座，累计集热面积400万m2以上，广泛运用于各种干燥领域[4]。

就太阳能干燥装置的规模而言，多数是采光面积200 m2以内的中小型装置；干燥对象以谷物、烟草、水果等农副产品为主，其次是木材；干燥装置仍采用温室型、集热器型或两者的组合型；辅助热源则更多地使用了热泵。

“十二五”期间发布实施了NB/T 34022-2015《太阳能干燥系统通用技术要求》，这是太阳能干燥领域的第一部行业标准，标准提出的设计参数、性能指标和部件要求等，对太阳能干燥装置的优化设计和规范化施工有重要指导作用。

1.5.2温室型太阳能干燥

由于自身的构造特点，温室或半温室型太阳能干燥室的保温性能偏差降低了其太阳能利用系数，故添加贮热装置成为避免这一缺点的重要措施。近年来开发研制的相变贮热木材太阳能干燥装置较之通常的显热贮热，有高贮能密度、易与运行系统匹配、易控制的优点，将日益发展为贮热的首选方式。

1.5.3集热器型太阳能干燥

太阳能空气集热器是集热器型太阳能干燥装置的关键部件，空气集热器的性能优劣将直接影响干燥装置的功能和效果。为应对产业转型的压力，已有越来越多的企业致力于高效太阳能空气集热器的开发。“十二五”期间发布实施的GB/ T 2697-2011《太阳能空气集热器技术条件》和GB/T 26977-2011《太阳能空气集热器热性能试验方法》，极大地推动了太阳能空气集热器产品的质量提升。

1.6太阳灶

1.6.1概述

太阳灶是我国从1970年代末就已开发应用的热利用产品，由于在国内的西部偏远地区，以及非洲、巴基斯坦、阿富汗等国家一直有市场需求，其技术、产业和应用规模始终处于稳定发展的模式，目前全国太阳灶的保有量超过200万台。

就太阳灶的类型来说，由于我国的烹饪特点，箱式太阳灶的灶温低于200 ℃不能用于炒菜，故聚光式太阳灶的应用数量大于箱式太阳灶。

1.6.2聚光式太阳灶

聚光式太阳灶的灶面结构设计经历了从正抛物面到偏抛物面、从轴外聚光到轴上聚光的发展；在选用的灶体材料上，经历了从以水泥、铸铁等重质材料为主，到以薄钢板、塑料等轻质材料的发展；近年来也开发出多种太阳灶的自动跟踪系统，只是受量产规模限制，成本较高。这些技术创新均为今后聚光太阳灶的轻量化、商品化、自动化奠定了良好基础。

1.6.3箱式太阳灶

随着我国人民生活和消费水平的不断提高，休闲旅游已成为人们普遍享受的生活方式，带动了对野外烹饪工具的市场需求，从而促进了箱式太阳灶的发展。箱式太阳灶体积小、易携带、使用方便、无环境污染的绿色产品，是最适宜于野炊的灶具。因此，近年来已有企业开发了可用于野外烧烤的箱式太阳灶等，并形成量产。

1.7太阳能蒸馏与海水/苦咸水淡化

我国的人均水资源拥有量只有世界人均水资源的1/4，被联合国列为13个最贫水国家之一。因此，太阳能蒸馏与海水/苦咸水淡化是热利用领域持续关注的技术方向，也是一些高等院校和科研机构不断投入的研究课题。但长久以来，除有少量的海水/苦咸水淡化装置投入试验性的示范运行外，该项技术在国内仍处于理论和试验研究的发展阶段。不过近年来在技术本身的突破创新方面有较好的进展，例如已取得发明专利的“太阳能压气蒸馏海水淡化装置”等。

1.8太阳能热发电

“十二五”期间我国的太阳能热发电仍处于技术研发与集成示范的产业化导入阶段，包括槽式、塔式、碟式、菲涅尔式4种太阳能热发电技术均有不同程度的技术研发与示范投入。在关键部件的开发方面，涌现出一批企业投入槽式真空管、定日镜、斯特林机等产品、装备的研发与产能建设，其中以槽式真空管和玻璃反射镜最为突出。目前国内槽式真空管生产企业已超过14家，反射镜生产企业超过7家，部分产品通过国外专业检测机构检测，性能参数达到国际水平。

据不完全统计，我国已搭建的太阳能高温集热系统有22个，包括国内完成的首座1 MW塔式示范电站(采用直接过热式塔式吸热器，直接推动汽轮机发电)、青海德令哈50 MW塔式电站一期工程的集成探索工作(2013年成功产汽，容量10 MW)等。

为改变我国欠缺太阳能热发电关键设备检测装置的现状，通过“十二五”国家科技支撑计划项目研发完成的移动式槽式集热器性能检测平台填补了国内在该领域的空白，提升了检测能力。

2　“十三五”技术展望

2.1热利用产业

在中国经济新常态发展的大环境下，“十三五”期间的太阳能热利用产业同样处于整合、升级的重要转型期，将会有一批企业被淘汰，而逐渐形成由创新型骨干企业真正占据市场主流的产业化局面。

产业化开发的重点则是针对适宜于工业太阳能中、高温热利用的新产品、新装置、新工艺等，以及该领域已有产品、装置的性能提升和工艺改进，如工作温度高于250 ℃的高温集热管等。

2.2太阳能热水

由于建筑一体化太阳能热水系统已成为太阳能热水应用的主要形式，进一步提高技术水平、彻底扭转过去普遍存在的低价竞争等不利于其发展的市场局面，是“十三五”期间的主要任务。

太阳能热水是最为成熟的热利用技术，但对应用广泛的建筑一体化系统来说，仍有很大的技术提升空间，主要包括集中系统的集成优化设计、系统自动控制和热计量，以及模块化、分离式家用系统的性能提升和新产品开发等。此外，需加大对优良工程的推介力度，例如编辑出版典型工程实例图集，并通过相应的宣讲培训，在提高企业系统集成商技术水平的同时，也使政府、媒体、公众等对太阳能热水的作用和效益有更加全面的了解，从而促进政府加强对强制安装政策的监管，使该项技术能够更加健康地发展。

2.3太阳能供热采暖

在太阳能建筑热利用领域，太阳能供热采暖是继太阳能热水之后最为成熟的技术，“十三五”将实现该项技术规模化推广的应用前景。

GB 50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》列入了住建部2016年的标准修订计划，并在2016年初启动了修订工作，将于2017年底前完成标准的报批。修订后的标准将增补和细化在季节蓄热、空气集热和热电联产等方面的太阳能供热采暖技术措施，会极大提高我国太阳能供热采暖系统的优化设计水平，以及大、中型太阳能供暖区域热力站的建设能力。

在国家“十三五”科技支撑计划中，已列入多项涉及太阳能供热采暖的研发项目，研究内容涵盖适用于热力站新型集热器的开发、季节蓄热技术、与太阳能热发电配套的供热技术等，同时完成相应技术在实际工程中的应用示范。这些项目完成后，将会在更大范围内缩小该领域我国和北欧等发达国家的技术差距，特别是提升大型系统的设计水平。

西藏高原虽然气候寒冷，但过去因历史原因未被列入采暖区，致使冬季建筑物内的舒适度极差。解决这一重大的民生问题，利用西藏得天独厚的太阳能资源进行供暖，已成为西藏各级政府关注的焦点。因此，“十三五”期间将在西藏建设规模化的太阳能供热采暖示范工程，包括太阳能热电联产供热系统等，将使中国的太阳能供热采暖技术水平位居世界前列。

2.4太阳能制冷空调

近年来由于太阳电池成本的不断降低，使利用光伏发电系统的太阳能电制冷空调有了较好的发展空间，甚至在国内外造成了替代太阳能热力空调的舆论环境。但我国绝大部分地区的建筑物既需冬季供暖，又需夏季空调降温，这就为太阳能热力制冷空调提供了有利的应用基础。因为利用同一太阳能集热系统进行冬季供暖、夏季制冷和全年供热水，可实现更高的性价比和更好的效益，所以，今后仍要不断提高我国太阳能热力制冷空调的技术水平和应用规模。

目前能够投入实际应用的大多是小型太阳能制冷空调系统，因此，改善已研制开发的50 kW吸附式和1.n效吸收式小型制冷机的性能、质量，并实现产业化，是“十三五”期间该领域应予以提升的关键技术。此外，系统的自动控制、实现全年优化运行，从而达到太阳能利用效益的最大化，也是应予以关注的技术进步重点。制冷量低于50 kW小型制冷机的制造技术，始终由日本、德国等发达国家掌握，如何打破这一局面，开发中国自有知识产权产品，则应是今后的努力方向。

2.5太阳能干燥

跟过去相比，“十三五”将是迎来太阳能工农业热利用大发展的时期，给太阳能干燥的技术进步和应用推广带来了良好契机。我国是农业生产与出口大国，近年来农、副、林业的产品加工业发展迅速，而产品干燥是加工过程中的一个重要工艺，要求较低的干燥温度，与太阳能低温热利用相匹配。因此，具有缩短干燥周期、提高产品质量等优势的太阳能干燥将会是今后在太阳能工农业热利用领域可大面积普及推广的一项技术。

我国日照条件好的农村地区大多经济欠发达，因此，太阳能干燥发展的技术路线应对小型、简易的温室型太阳能干燥室与高端的大型集热器型太阳能干燥装置予以同样的重视；解决低成本的太阳能有效储能问题、提高现有各类空气集热器的性能质量、开发适宜于不同物料干燥的新型高效空气集热器、完善与热泵等辅助能源设备联合运行系统的集成和控制技术等，应是该领域技术发展的重点方向；此外，应加大推广力度，拓宽应用范围，建设针对多种不同产品的示范工程，积累经验，进一步提高系统的优化设计和运行管理水平。

2.6太阳灶

旅游业是国家经济转型大力扶植的产业之一，因此，研制开发方便携带、适宜于野外烹饪、烧水的高效、低成本箱式太阳灶，并形成合理规模的产业化，是今后太阳灶技术发展的方向。

2.7太阳能蒸馏与海水淡化

“十三五”应是我国太阳能蒸馏与海水淡化技术从理论、试验研究向应用示范的重要转型期，如何将太阳能利用与海水淡化技术有机结合是今后关注的热点。应开展的工作包括：太阳能系统与传统海水淡化系统的匹配、建立最优设计理论、研发用于海水淡化的新型材料和太阳能收集系统、提高综合经济性、研究与海水淡化排放关联的环境问题等。同时，选择缺乏淡水资源的海洋岛、礁建设海水淡化示范工程，通过实际应用提升整体技术能力。

2.8太阳能热发电［5］

“十三五”期间，太阳能热发电的技术路线将致力于提高光电转换效率、降低成本，通过储热技术的进步和联合运行技术的应用，推进太阳能热发电向承担基本电力负荷的方向转变。

1)槽式：以导热油为传热介质的槽式热发电系统为主流技术，以熔融盐、直接蒸汽发生(DSG)为代表的第二代技术逐步发展，并开始商业化应用；

2)塔式：DSG塔式热发电系统为主流技术，作为第二代技术的熔融盐技术逐步完善并推向商业化应用；

3)碟式：适宜于太阳能碟式发电技术的国产斯特林发电机的设计与制造技术逐渐完善，逐步推向商业化应用，从而带动太阳能热发电在分布式电力系统中的发展；

4)菲涅尔式：以DSG技术为主、菲涅尔太阳能热发电所涉及的膨胀机技术等逐步成熟，推动太阳能热电联产技术在规模化电站的发展，以及与工业用能相结合的热电联产应用。