Kaiyun官方网站登录入口网址 太阳能杂志：太阳能热利用技术研究进展与展望

概括

太阳能热利用是可再生能源应用的重要形式之一。梳理了近年来我国在太阳能集热储热等关键部件以及系统设计方法等集成技术方面取得的重要突破，以及太阳能热水供应、太阳能采暖、太阳能制冷等最新应用形式。回顾了太阳能工业和农业应用。总结了太阳能热利用的进展并展望了太阳能热利用的发展趋势。我国太阳能热利用的应用形式主要是太阳能热水供应，已向智能化、精细化方向发展。在清洁供暖工艺和“双碳”目标的推动下，我国太阳能热利用技术在供暖、制冷、工农业等领域的应用逐渐增多，应用形式呈现多元化发展。基于太阳能的多能源协同供能系统可以有效解决太阳能资源不稳定问题，同时提高系统经济性，是未来低碳发展的重要方向。

关键词：太阳能热利用技术；太阳能热水；太阳能供暖；太阳能制冷；多能源协同供能系统；研究进展；发展趋势 CLC号：TU831.6/TU832.1+7/TK519 文档识别码：ADOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20240531.01

在“双碳”目标背景下，我国可再生能源应用总量大幅增长。以太阳能、风能为代表的可再生能源应用已成为支撑我国应对气候变化、实现“双碳”目标的重要途径之一。 。

据国际能源署（IEA）统计，2021年全球最终热能消耗中，工业过程热能消耗占53%，建筑采暖和热水供应热能消耗占44%，工业生产过程热能消耗占44%。其余用于农业应用，例如温室。热能消耗[1]。太阳能热利用技术不仅可以提供热水和供暖，还可以用于工农业供热。它是除光伏发电、风电之外应用最广泛的可再生能源应用形式。但据IEA统计，2021年全球供暖需求中，可再生能源提供的热量仅占全球总消费量的11%。因此，在应对全球气候变化的推动下，太阳能热利用技术具有巨大的发展潜力。

2021年，我国太阳能热利用系统累计装机量约占全球太阳能热利用系统累计装机量的72.8%[1]。近年来，随着户用太阳能热水市场的逐渐饱和以及光伏发电、热泵等可再生能源应用的冲击，全球太阳能热利用系统新增装机规模略有下降。然而，在碳中和目标的背景下，太阳能热利用的应用对于减少常规化石能源的消耗、促进低碳转型具有重要作用。

基于此，本文总结了近年来太阳能集热与储存等关键部件以及系统设计方法等集成技术的重要突破，分析了太阳能热水供应、太阳能采暖、太阳能热水器的应用形式。制冷、太阳能工业和农业应用。总结了太阳能热利用技术的最新进展，展望了太阳能热利用技术的发展趋势。

1 整体发展

1.1 国际形势

为应对全球气候变化和俄乌冲突引发的能源安全问题，可再生能源供暖引起了世界各国政府的关注。例如，美国通过《降低通货膨胀法案》、欧盟公布“REpowerEU”能源转型行动计划等，计划逐步摆脱对化石能源的依赖，推动可再生能源供热发展。

据国际能源署太阳能供暖与制冷委员会（IEASHC TCP）统计，截至2022年底，全球太阳能热利用系统运行容量为542GW（集热面积约7.74亿平方米），年发电量供应量约为442TWh。 ，可减少二氧化碳排放1.53亿吨。 2022年全球可再生能源发电量及能源供应量如图1所示[1]。 2004年至2022年全球太阳能热利用系统每年新增集热面积和年增长率如图2所示[1]。

从应用形式来看，全球太阳能热利用的应用形式包括太阳能热水供应、太阳能采暖、太阳能制冷、太阳能工农业应用、光伏光热一体化（PV/T）应用等。根据IEA统计SHC TCP，从系统装机容量来看，到2022年，为单户住宅提供生活热水或供暖的户用太阳能热利用系统装机容量将占全球太阳能热利用总装机容量的60%左右系统。 %。在欧洲和中国，由于光伏发电和热泵行业的影响，较为复杂的机械循环热水系统占很大比例；但在除中国以外的亚洲其他国家以及南美洲、南部非洲等地区，仍然使用家用重力系统。循环热水系统是主要应用形式。

在能源低碳转型带动下，太阳能集中供热项目、太阳能工业热利用项目装机容量逐步增加。截至2022年底，全球大型太阳能区域供热项目数量约325个，主要分布在丹麦、中国、德国等国家，总装机容量1.80GW，同比增长约10个与2021年相比，德国统计局统计，截至2022年底，全球至少有1089个太阳能工业热利用项目在运营，总安装量容量超过856兆瓦。

1.2 国内情况

截至2023年底，我国太阳能热利用系统运行容量达367GW（集热面积约5.36亿平方米），为减少二氧化碳排放做出了重要贡献。 2004年至2023年我国太阳能热利用系统每年新增集热器面积及年增长率如图3所示。

从产品类型来看，真空管太阳能集热器作业量占我国太阳能热利用作业量的85.6%。 2023年，我国新增集热面积2189.8万平方米，其中真空管太阳能集热器和平板太阳能集热器新增面积分别占比76.8%和23.2%。平板太阳能集热器由于易于与建筑物集成，具有巨大的市场发展潜力。图4显示了2004年至2023年我国每年新增集热器面积及不同类型太阳能集热器的比例。

从应用规模来看，我国太阳能热利用市场中，工程市场占比逐年增加，2023年将达到76%。零售市场主要为家用太阳能热水器。在2012年前后推出的“家电下乡”政策的支持下，我国农村地区家用太阳能热水器装机量大幅增长；但随着农村地区装机逐渐饱和，目前太阳能热水器的市场份额在热利用系统新增装机容量中，户用太阳能热水器占比逐年下降，分布式太阳能占比逐年下降。宾馆、学校等公共建筑的热水工程逐年增加。 2006-2023年中国太阳能热利用零售市场和工程市场占比如图5所示。

2023年中国太阳能热利用市场新增装机容量中，分布式太阳能热水项目占比59.30%；除太阳能热水项目外，太阳能采暖项目、太阳能工业热利用项目等应用形式占比约为17.00%，表明太阳能热利用应用形式正在向多元化发展，如图6所示。

2 关键产品技术进展

2.1 太阳能集热技术

集热器是太阳能热利用系统的关键组成部分。在“十三五”国家重点研发计划支持下，中国建筑科学研究院有限公司（以下简称“中国建筑科学研究院”）与日出东方控股有限公司日出东方有限公司（以下简称“日出东方”）对抗氧化剂、高效选择性吸热膜层和太阳能集热腔体的含水率控制技术进行了研究[2-3]。通过优化树脂重量配比，研制出抗氧化高效选择性吸热膜层；明确了腔体内空气状态的变化规律和保温材料的水汽平衡，提高了太阳能集热器保温材料和腔体结构的优化设计方法，有效解决了太阳能集热器的腐蚀和老化问题。集热板芯，大大增强了太阳能集热器对温湿度交替环境的耐候性，提高了太阳能的利用效率。收集器使用寿命和系统应用性能。除传统技术外，光伏光热一体化应用是提高太阳能利用率的重要形式。中国科学技术大学的研究团队提出了一种两级系统，将PV/T组件与带有温差发电片的太阳能集热器串联，实现全天连续发电。但该系统的发电效率仍然较低，夜间平均发电效率为1.46%[4]。因此，需要进一步研究改进系统结构，以提高其发电效率并降低系统的复杂性。

2.2 蓄热技术

由于太阳能热利用系统的间歇运行，储热技术是保证能源供应稳定的关键、有效的方法之一。目前常用的储热技术包括以水为介质的显热储热技术和使用相变材料的相变储热技术。

在技​​术研究领域，目前的研究主要集中在相变储热技术。相变储热技术是利用相变材料（PCM）发生一定形式的相变，在相变过程中释放或吸收潜热，从而实现热能的储存和利用。其蓄热密度高，温度近似恒定。 、储热效率高等优点，是目前最重要的储能方式之一。但相变储热的热稳定性有待加强。由于相变材料价格较高，因此该技术的成熟度低于显热储存技术。目前，相变蓄热的应用仍主要以工程示范为主。目前相变蓄热技术的研究主要集中在提高传热性能、增强稳定性以及相变蓄热的结构设计上[5]，以提高蓄热效率。例如：吴斌等人。 [6]开发了径向相变再生器。与平翅片相比，径向翅片各翅片单元之间的相变材料导热更加均匀，凝固时间缩短31%。 ;姚莉等.文献[7]通过拓扑优化方法设计了新型蓄热室翅片结构，提高了蓄热室内部温度分布的均匀性；罗开义等. [8] 郑伟波等. [9]均提出添加铜或镍金属泡沫形成复合材料，利用复合材料改善相变材料内部的温度分布均匀性，从而提高设备的能源效率；刘云等.文献[10]研究了颗粒结构参数对蓄热体蓄热性能的影响。影响规则；严全英等. [11] 蒋敬之等.文献[12]均采用石蜡作为相变材料，研究自然对流对管壳式和套管式相变蓄热换热器传热性能的影响。

在工程应用领域，以水为介质的显热储热技术具有比热容大、成本低等优点，在太阳能热利用工程中得到广泛应用。目前工程应用领域的研究主要集中在蓄热池的施工技术上，旨在减少蓄热体温度分层、保温不良等因素造成的热量损失。中国建设科学研究院联合日出东方、西安建筑科技大学等单位，基于大型太阳能蓄热池施工技术，提出了蓄热池的最佳结构特性参数。他们充分利用蓄热体的温度分层现象，建造了大型地下储罐。建立了储热池蓄水体与周围土壤热平衡的计算模型，提出了排热动态扰动下储热池关键参数的设计方法，提高了储热池关键参数的设计方法，提高了计算的科学性和准确性。长周期蓄热池设计；研制了排水透汽装置，提出了柔性浮动保温技术体系，有效解决了这一问题。大型地下蓄热池边坡稳定、防渗漏、保温等问题。目前，相关技术已应用于西藏自治区浪卡子县太阳能供热项目储热池的设计和建设，并取得了良好的运行效果。

一般来说，储热设备是太阳能热利用系统的重要组成部分。以水为介质的显热储热技术具有成本低、安全稳定等优点，已广泛应用于太阳能热利用系统中。但该技术也存在体积大、蓄热密度低等局限性。相变蓄热技术是当前蓄热技术的研究热点。虽然技术研究取得了一定突破，但在实际使用中仍存在不稳定、效率低等问题，需要进一步研究开发。

2.3 运行控制

除了单个产品性能外kaiyun欧洲杯app，系统运行控制方法也是实现太阳能热利用系统高效运行的关键。目前的研究重点主要是基于太阳能的多能源协同供能系统各方面的调控。在大型太阳能供电系统的运行和控制方面，庄兆本[13]分析了太阳能集热系统的热/水平衡性能，提出了一种结合太阳辐照度、环境温度和入口的太阳能集中方法。温度。集热系统的变流量调节方法提高了集热系统的集热效率。周锡超等.文献[14]分析了储热季节不同运行策略对季节性储热供暖系统性能的影响。研究发现，季节性蓄热体的温度分层对系统的集热性能影响较大，尤其是在蓄热季节末期，与温差控制策略相比，蓄热体的集热效率采用变流量恒温运行策略时，系统性能最高可提升4.8%。

另外，在建筑太阳能热利用系统中，由于太阳能热利用的不稳定性，通常与光伏发电、热泵、蓄热等形式相结合。在此状态下，太阳能热利用系统的运行控制应根据建筑能耗进行。结合智能管控系统，根据建筑能源需求和能源生产预测，调整太阳能热利用系统的供热和蓄热。例如：孔祥强等。 [15]构建了基于多元线性回归算法的直膨式太阳能热泵系统性能预测模型；何迪等人。 [16]基于粒子群优化（PSO）算法优化了径向基函数（RBF）神经网络。网络模型，从而提高PV/T系统发电和集热的预测精度。上述预测方法为基于预测的系统运行控制提供了研究基础。目前的建筑能源管理系统中，主要关注的是暖通空调的系统能耗，而对其他子系统的关注较少[17]。因此，基于“产-储-供-用”耦合的系统运行控制有待进一步发展。

3 应用技术最新进展

近年来，在“双碳”目标的推动下，太阳能热利用技术在太阳能热水系统、太阳能采暖系统、太阳能制冷空调系统、太阳能工农业应用等领域取得了快速发展。

3.1太阳能热水系统太阳能热水系统的应用

相对成熟，目前市场更加关注智能控制系统。例如：山东利诺瑞特新能源有限公司推出了太阳能热水器智能控制系统，通过实时监测和控制，可以提高系统运行的可靠性和稳定性。性别。

针对太阳能热水系统碳减排评估方法，中国建设科学研究院与阳光集团有限公司开展了太阳能热利用系统碳减排计算方法研究，建立了碳减排试验场，并根据实测数据和仿真研究提出。制定了不同气候资源条件下太阳能热利用系统实际运行碳减排量的计算方法，国家标准《太阳能热利用项目型温室气体减排评估技术规范》（尚未出台）已正式实施），可为太阳能热利用系统碳减排评估提供科学合理的标准化方法。

3.2 太阳能供暖系统

近年来，随着清洁供暖和低碳转型的推进，太阳能采暖技术已成为太阳能热利用的重要方向。我国太阳能采暖项目逐渐增多，特别是在太阳能资源丰富的西部地区（例如：西藏自治区），建设了一批太阳能采暖项目。太阳能供热系统研究主要集中在太阳能集热、蓄热、辅助能源等容量配置的设计和优化方法，以及大型太阳能集热场的串并联优化。

中国建筑科学研究院联合日出东方等单位，依托“十三五”国家重点研发项目支持，针对太阳能集热器数量多、组合方式复杂、针对大型集热场中的不平衡流量分布问题，以精确预测集热性能为目标，建立了不规则太阳能集热器阵列的水热平衡分析模型，提出了最佳串并联比的优化设计方法和最佳流动参数开发了太阳能集热器，并引入最小遮挡距离参数来优化太阳能集热器阵列的不凝气体排放。该设计可为大型太阳能集热场的设计提供技术支撑。该技术已应用于世界海拔最高、国内最大的西藏自治区仲巴县太阳能热电联产项目。根据第三方测试结果，其集热系统的太阳能转换效率可达59.1%。

此外，针对以太阳能为主的多能源协同供能系统存在的系统冗余、协同程度低、实际运行效率差等问题，建立了典型模型来研究建筑能耗特性以及多能源协同供能系统的供应。针对能源特性耦合研究，提出了太阳能多能源协同设计方法，开发了建筑太阳能供电系统优化设计方法和工具，可实现太阳能集热/发电、蓄热、发电逐小时一体化储存、供暖和制冷电力。耦合计算。经验证，该方法计算的每小时集热发电结果偏差在10%以内，大大提高了多能源协同供能系统“产-储-供-用”的协同性并且可以支持太阳能。多功能协同大规模应用。

3.3 太阳能制冷系统

在高效太阳能制冷技术领域，国际上IEASHC TCP先后设立了多个研究项目：任务38“太阳能空调与制冷”、任务48“太阳能制冷系统质量保证与支持”、任务53“新一代太阳能供暖”和制冷技术”的使命是开展高效太阳能制冷技术的研究，致力于不断提高太阳能制冷系统的能源效率。美国加州大学对复合抛物面集热器（CPC）驱动的太阳能制冷系统进行了实验性能研究。制冷系统平均日效率达到0.36～0.39。意大利那不勒斯大学提出的新型槽式太阳能集热器（PTC），太阳能制冷系统的实测峰值效率可达0.6。

目前，我国太阳能制冷的技术路线主要有太阳能集热器与吸收式或吸附式制冷相结合、光伏发电与压缩式制冷相结合等。由于制冷系统需要同时处理热负荷和湿负荷，理想的制冷循环的蒸发温度约为5～7℃。但满足该温度要求的太阳能制冷系统的制冷性能系数（COP）较低，在0.3~0.4之间。针对上述问题，上海交通大学的研究人员[18]引入除湿换热循环，对吸收循环、压缩循环和除湿循环的高效匹配耦合进行研究，共同构建了除湿空调的理论循环。由太阳能电能驱动，开发了太阳能热能与蒸汽压缩制冷循环耦合的原型空调进行了测试。经过第三方测试，样机实测制冷量高达16kW，光热COP为0.56，电功率COP为7.12。该技术已在新加坡滨海湾公园应用，运行效果良好，进一步提高了太阳能制冷的能源效率，拓展了太阳能制冷系统的应用场景。

3.4 太阳能热利用技术在太阳能工农业中的应用

在工农业方面也广泛应用，涵盖纺织、原油加热、食品加工、农业大棚、农业养殖、农副产品加工等领域。

在农业应用领域，研究主要集中在太阳能在温室和农产品干燥领域的应用。例如，为解决北方地区温室内外温差大、夜间降温快等问题，王建川等人[19] 蒋璐琳等.文献[20]分别提出了太阳能与相变蓄热结合的利用、太阳能与地源热泵结合的利用。以提高温室的室内温度。陈等人。 [21]提出了一种将窄槽集热器（NTC）与固体除湿器相结合的温室热湿度控制系统（HHNG），可以将温室夜间相对湿度从94.2%降低到81.3%。 %。在农产品干燥方面，在当前小规模能源消耗场景下，通过建设简易太阳能干燥装置即可实现太阳能100%利用，满足干燥能源需求。在大规模连续生产能源场景中，太阳能很难实现100%利用，需要结合辅助系统来克服太阳能间歇性和不稳定等问题[22]。例如：刘硕南[23]研究了太阳能热泵耦合干燥装置的运行方式对香菇品质的影响，发现太阳能热泵耦合干燥装置的间歇运行干燥方式下香菇品质最好。辅助热泵。

在工业应用领域，太阳能热利用技术已应用于公园集中供暖、纺织[24-25]、食品加工[26]、石油开采、原油管道加热[27]等领域。例如：朱克庆等人。 [26]分析了太阳能蒸汽用于主食加热的可行性和经济性，提出了太阳能蒸汽用于主食加热的潜力。吴阳阳等. [28]开展了“太阳能+工业余热”协同相变储能原油加热系统开发研究。他们以经济、环保、可靠为目标，提出了该系统用于寒冷地区浮顶油罐的加热。维持温度下的最佳运行策略；此外，还协助大庆油田建立了第一个太阳能热利用实验平台，实现太阳能利用率提高20%至25%。

此外，太阳能热利用技术还可应用于太阳能海水淡化[29]、太阳能制氢[30-31]、太阳能催化还原二氧化碳[32]等领域，利用太阳能替代传统能源。能源，推动绿色低碳发展。从全球范围来看Kaiyun官方网站登录入口网址，利用太阳能满足工业过程的热能需求呈现出良好的发展趋势。

4 太阳能热利用工程实例

4.1 太阳能热水系统 太阳能热水系统

它是我国最常见的太阳能热利用系统形式。 2023年，太阳能热水系统新增装机容量将占全国太阳能热利用系统新增装机容量的83.0%，其中59.3%为分布式太阳能热水项目。主要应用场景是医院、酒店、学校等公共建筑。生活热水供应。

4.1.1聊城一中太阳能热水项目

该项目位于山东省聊城第一中学高铁新城校区。它采用平板太阳能集热器和真空管太阳能集热器加上空气源热泵系统。位于校园9号、13号、14号、15号宿舍楼。该项目将在2023年9月完成，预计每年将节省300吨标准煤炭。实际场景如图7所示。

4.1.2北京的住宅太阳能供水项目

该项目是一个无罐壁挂式太阳能热水项目，位于北京海迪安区的一个住宅区。这是一个安置住房装修项目。使用无罐真空管太阳能热水系统，并与气壁安装的锅炉结合，以确保能源供应稳定性和节能；集成并安装在整个建筑物的立面上，加热零件和系统的热存储部分都可以节省室内能量。和屋顶空间，实际视图如图8所示。

4.2太阳能加热项目

4.2.1西藏自治区中巴县的太阳能加工项目

该项目是“关键技术和清洁能源的证明结合了建筑物的冷却Kaiyu体育下载，供暖和发电”项目，该项目在“第十三个五年计划”国家关键研发计划中。它位于西藏自治区的中巴县，高度为4,700m。目前，它是世界上最高的大型太阳能项目。加热和电源项目。该系统由一个太阳能热场 +一个储藏钢罐组成，可以满足各种建筑物的供暖需求，例如地方政府机构，医院，学校和住宅，总计115,500平方米；同时，该项目配备了一个光伏发电系统，该系统满足了热收集泵，循环泵和其他类型的电气设备的需求。目前，该项目已投入运营，其在2022年加热期间的太阳能保证率已被衡量达到100％。它的风景和功能区域分布如图9所示。

4.2.2在某些季节，河北省的热存储太阳能供暖项目

该项目位于Hebei Province的Zhangjiakou City。这是一个季节性的热存储太阳能加热项目。收集器面积为12,500平方米，热存储容量为60,000立方米，加热面积约为50,000平方米。在这个项目中，平板太阳能收集器安装在头顶上，不占用任何土地区域。实际视图如图10所示。

4.3太阳能工业和农业应用工程

4.3.1 Shanxi省的太阳能干燥项目该项目位于Shanxi省林芬市。它使用270平方米的双通太阳能收集器管，其额定功率为176 kW。在09:00至18:00的时间内，太阳能可以100％满足。对于干燥需求，空气源热泵干燥单元在其他时间提供能量。该项目已于2023年3月完成，其景观如图11所示。

4.3.2奶牛场的巴氏杀菌项目

该项目位于江苏省的Lianyungang City。它使用太阳能热收集系统来收集热量并将其存储在水箱中。然后，它为恒温水箱提供基本的水温，并通过电加热设备将热水温度提高到80°C，然后再提供巴氏杀菌。在牛奶存储容器中对牛奶进行消毒的设备。该项目采用了能源级联利用方法，从而有效地提高了太阳能利用率。场景图如图12所示。

5 总结与展望

本文列出了中国在近年来太阳能热利用技术的关键设备和系统整合中的重要技术突破，并总结了太阳能热水供应，太阳能供暖，太阳能制冷，太阳能工业和农业应用以及其他应用程序的最新进展。总而言之，得出以下主要结论：

1）中国太阳能热利用的应用形式主要是太阳能热水供应，它已朝着智能和改进的方向发展。

2）在干净的加热过程和“双重碳”目标的驱动下，中国的太阳能热利用技术逐渐增加了其在供暖，制冷，工业和农业中的应用，以及太阳能热利用技术的应用形式正在以多样化的方式发展。

3）基于太阳能的多能协作能源供应系统可以有效地解决太阳能不稳定性的问题，同时改善系统经济，并且是未来低碳发展的重要方向。目前，太阳能多能协作能源供应系统为“生产存储 - 供应使用”的每种链接提出了一种设计方法。将来，应该进一步智能和简化，以促进太阳能多能协作能源供应系统的高质量和大规模应用。 。

[参考]

[1] IEA太阳能加热与冷却（SHC）计划。 2023年在全球范围内太阳热[R/OL]。 （2024-06-11）。