呂偉中 編譯

(甘肅自然能源研究所，蘭州730046)

0 引言

在全球能源短缺愈發(fā)加劇的背景下，加大可再生能源利用，尤其是太陽(yáng)能利用已成為世界各國(guó)的共識(shí)。除了成熟的光伏發(fā)電技術(shù)外，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)也已得到廣泛普及。太陽(yáng)能熱利用技術(shù)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為熱能，并運(yùn)用其能量加熱熱水、產(chǎn)生蒸汽和發(fā)電等，本文僅針對(duì)太陽(yáng)能熱利用在太陽(yáng)能集熱器及工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析。熱能的最大優(yōu)勢(shì)是可利用保溫技術(shù)來(lái)儲(chǔ)備能量。國(guó)際能源署(IEA)下屬的太陽(yáng)能加熱和冷卻技術(shù)合作計(jì)劃 (SHC TCP)每年都會(huì)在其框架內(nèi)發(fā)布《全球太陽(yáng)能制熱報(bào)告》，本文從中僅摘編2021年當(dāng)年和累計(jì)的全球太陽(yáng)能熱裝機(jī)容量及與太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)相關(guān)的部分內(nèi)容，并引用來(lái)自70多個(gè)國(guó)家的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及部分國(guó)際機(jī)構(gòu)和部分專家提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)整理、歸納和分析，得出相應(yīng)結(jié)論，以供國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能業(yè)內(nèi)人士參考。

1 2021年全球太陽(yáng)能熱裝機(jī)容量

全球在運(yùn)行的各類太陽(yáng)能集熱器 (以水為工質(zhì))的累計(jì)裝機(jī)容量從2000年的62 GW(集熱面積約為8900萬(wàn)m2)增長(zhǎng)到2021年的522 GW(集熱面積約為7.46億m2)[1]；相應(yīng)的其年熱能產(chǎn)量從2000年的51 TWh增至2021年的425 TWh[2]，具體如圖1所示。

圖1 2000—2021年全球在運(yùn)行的太陽(yáng)能集熱器的累計(jì)裝機(jī)容量和年熱能產(chǎn)量Fig. 1 Accumulated installed capacity and annual thermal energy production of solar collectors in operation worldwide from 2000 to 2021

2021年全球新增太陽(yáng)能集熱器裝機(jī)容量為21 GW(集熱面積約為3100萬(wàn)m2)，相較于2020年，新增集熱面積增長(zhǎng)3%，是連續(xù)7年下降后的首次增長(zhǎng)。

2001—2021年全球的太陽(yáng)能集熱器年裝機(jī)容量和年凈增容量如圖2所示。

圖2 2001—2021年全球的太陽(yáng)能集熱器年裝機(jī)容量和年凈增容量Fig. 2 Annual installed capacity and annual net capacity increase of solar collectors worldwide from 2001 to 2021

截至2021年底，全球在運(yùn)行的太陽(yáng)能集熱器累計(jì)裝機(jī)容量為522 GW，該值僅次于風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量(837 GW)和光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量(942 GW)；而地?zé)崮芎吞?yáng)能熱發(fā)電在裝機(jī)容量方面落后于這3種技術(shù)，具體如圖3所示。

圖3 截至2021年底全球各類能源的累計(jì)裝機(jī)容量和2021年能源供應(yīng)量Fig. 3 As of the end of 2021，cumulative installed capacity and energy supply of various types of energy worldwide in 2021

從圖3可以看出：2021年太陽(yáng)能集熱器能夠提供425 TWh的熱量，而風(fēng)電機(jī)組可提供1980 TWh的電力，光伏發(fā)電系統(tǒng)可提供1138 TWh的電力[3]。

中國(guó)在全球太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)規(guī)模方面占據(jù)主導(dǎo)地位，2021年全球新增的21 GW太陽(yáng)能集熱器裝機(jī)容量中，中國(guó)占83%，約為18 GW；早在2006年，中國(guó)的太陽(yáng)能集熱器裝機(jī)容量已占全球市場(chǎng)份額的69%。

根據(jù)是否有玻璃蓋板，太陽(yáng)能集熱器可分為有玻璃蓋板太陽(yáng)能集熱器和無(wú)玻璃蓋板太陽(yáng)能集熱器。其中，采用有玻璃蓋板太陽(yáng)能集熱器的集熱系統(tǒng)包括泵送太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和熱虹吸太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。中國(guó)有數(shù)千個(gè)小型的熱虹吸太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中有75%安裝在城市公寓樓和單戶住宅上。2006—2021年中國(guó)有玻璃蓋板太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中兩種太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的裝機(jī)容量占比如圖4所示。

圖4 2006—2021年中國(guó)有玻璃蓋板太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中兩種太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的裝機(jī)容量占比Fig. 4 Proportion of installed capacity of two types of solar heating systems with glass cover plates in China from 2006 to 2021

2006年以來(lái)，在中國(guó)政府的財(cái)政激勵(lì)，以及鼓勵(lì)北方城市使用可再生能源替代傳統(tǒng)化石燃料進(jìn)行采暖以減少碳排放的多重措施下，中國(guó)的太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)發(fā)生了根本性變化，泵送太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的份額大幅增長(zhǎng)。2021年，中國(guó)新安裝的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中，泵送太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的裝機(jī)容量占比為74%，而熱虹吸太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的裝機(jī)容量占比僅為26%。此外，中國(guó)近年來(lái)還建設(shè)了多個(gè)可靠有效的太陽(yáng)能集中供熱示范項(xiàng)目。

目前，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的利用方式逐漸從給生活用水加熱轉(zhuǎn)向太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)、區(qū)域供熱，以及工業(yè)過(guò)程制熱[4]。與此同時(shí)，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的規(guī)模也在顯著增加。

截至2021年底，全球已安裝的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的裝機(jī)容量相當(dāng)于節(jié)省4570萬(wàn)t石油和減少1.475億t二氧化碳排放。這表明太陽(yáng)能熱利用在減少全球溫室氣體排放方面做出了重大貢獻(xiàn)。

2 2021年太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

相較于2020年，2021年全球太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)率為3%[5]。中國(guó)作為全球最大的太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)，市場(chǎng)規(guī)模也取得1%的小幅增長(zhǎng)；意大利以83%市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)率的穩(wěn)健增長(zhǎng)令人矚目，其次是巴西(28%)、美國(guó)(19%)、希臘(18%)、波蘭(17%)和印度(16%)。2021年全球太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)率較高的國(guó)家如圖5所示。

圖5 2021年全球太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)率較高的國(guó)家Fig. 5 Countries with high growth rates in the global solar thermal utilization market size in 2021

太陽(yáng)能區(qū)域供熱市場(chǎng)方面，2021年，丹麥的市場(chǎng)份額下降幅度最大，降幅達(dá)到45%；對(duì)于其他區(qū)域供熱曾經(jīng)占有較大市場(chǎng)份額的國(guó)家而言，其市場(chǎng)份額也有所下降，比如：西班牙下降19%，奧地利下降7%，塞浦路斯下降5%，南非下降12%，澳大利亞下降3%。

2.1 小型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)

小型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)，以及由其衍生的用于單戶住宅、公寓樓、多戶住宅、酒店和公共建筑中的加熱熱水和采暖的太陽(yáng)能綜合系統(tǒng)，約占全球每年太陽(yáng)能制熱量的60%。

在利用太陽(yáng)能加熱熱水方面，使用復(fù)雜技術(shù)的泵送太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在歐洲和中國(guó)大部分地區(qū)開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位；而在亞洲(除中國(guó)外)、拉丁美洲、撒哈拉以南非洲和地中海地區(qū)，熱虹吸太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)則占主導(dǎo)地位。在2021年全球太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)率較高的7個(gè)國(guó)家中，熱虹吸太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)占據(jù)了其中5個(gè)國(guó)家的主要市場(chǎng)份額。

2.2 大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)

對(duì)于大型(指單個(gè)裝機(jī)容量大于等于350 kW、集熱面積大于等于500 m2)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的使用，自20世紀(jì)80 年代初以來(lái)，歐洲的丹麥、瑞典、奧地利、德國(guó)、西班牙和希臘等國(guó)家是通過(guò)將其與當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域供熱網(wǎng)連接，或?qū)⑵浒惭b在大型住宅、商業(yè)和公共建筑上來(lái)使用。從20世紀(jì)80年代初到2016年，大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)市場(chǎng)主要集中在歐洲。

2021年，中國(guó)新安裝的20套大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)占全球市場(chǎng)份額的75%，其總集熱面積約為151000 m2，主要用于區(qū)域和大型建筑的供熱、供暖；法國(guó)新安裝的大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的總集熱面積約為10600 m2，僅次于中國(guó)，位居第2。丹麥主導(dǎo)大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)市場(chǎng)的時(shí)間約為10年，特別是在太陽(yáng)能區(qū)域供熱領(lǐng)域。然而，由于能源技術(shù)、政策和資金條件的劇烈變化，2020年丹麥在太陽(yáng)能區(qū)域供熱領(lǐng)域的市場(chǎng)份額出現(xiàn)較大變動(dòng)，導(dǎo)致其在2021年全球大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)市場(chǎng)的排名降至第3。2021年，奧地利新安裝的大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的總集熱面積為7950 m2，排名第4；德國(guó)新安裝的大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的總集熱面積為5691 m2，排名第5；土耳其新安裝的大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的總集熱面積為5621 m2，排名第6。

根據(jù)記錄在冊(cè)的數(shù)據(jù)，截至2021年底，全球已累計(jì)有530套大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)投入運(yùn)行，這些系統(tǒng)總裝機(jī)容量為1970 MW，總集熱面積約為280萬(wàn)m2。

2.2.1 太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)

可為區(qū)域供熱的大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱為“太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)”)是大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的主要組成部分。截至2021年底，全球累計(jì)有299個(gè)太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)投入了運(yùn)行，其總裝機(jī)容量為1645 MW，總集熱面積約為23500 m2。

全球可用于大型住宅、商業(yè)和公共建筑的太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)在1985—2021年的安裝數(shù)量和累計(jì)集熱面積如圖6所示。

圖6 全球太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)在1985—2021年的系統(tǒng)數(shù)量和累計(jì)集熱面積Fig. 6 System number and cumulative heat collection area of global solar regional heating system from 1985 to 2021

丹麥在太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)的安裝數(shù)量和總集熱面積方面均領(lǐng)先于其他國(guó)家，截至2021年底，其太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)的裝機(jī)容量為1126 MW，總集熱面積為1608401 m2，安裝的系統(tǒng)數(shù)量為125套。

除了丹麥(125套)和中國(guó)(41套)的太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)之外，其他國(guó)家也對(duì)這種類型的供熱方式表現(xiàn)出越來(lái)越大的興趣，因?yàn)樵摲绞綖樯鐓^(qū)和城市供熱部門脫碳提供了絕佳機(jī)會(huì)。截至2021年底，不同國(guó)家的太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)的總裝機(jī)容量、總集熱面積和安裝的總系統(tǒng)數(shù)量如圖7所示。

圖7 截至2021年底，不同國(guó)家的太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)的總裝機(jī)容量、總集熱面積和總系統(tǒng)數(shù)量Fig. 7 By the end of 2021，total installed capacity，total heat collection area and total number of solar energy district heating system in different countries

截至2021年底，德國(guó)的太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)共有45套。除中國(guó)和歐洲之外，太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)還安裝在沙特阿拉伯、日本、吉爾吉斯斯坦、俄羅斯、美國(guó)、加拿大和南非等國(guó)家和地區(qū)。

2.2.2 太陽(yáng)能建筑供熱系統(tǒng)

除太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)外，可為住宅、商業(yè)和公共建筑供熱的大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱為“太陽(yáng)能建筑供熱系統(tǒng)”)是大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的第2大組成部分。截至2021年底，全球累計(jì)約有230個(gè)太陽(yáng)能建筑供熱系統(tǒng)正在為住宅、商業(yè)和公共建筑供熱，這些系統(tǒng)總裝機(jī)容量為324 MW，總集熱面積約為463100 m2。截至2021年底，不同國(guó)家的太陽(yáng)能建筑供熱系統(tǒng)的總裝機(jī)容量、總集熱面積和總系統(tǒng)數(shù)量如圖8所示。

圖8 截至2021年底，不同國(guó)家的太陽(yáng)能建筑供熱系統(tǒng)的總裝機(jī)容量、總集熱面積和總系統(tǒng)數(shù)量Fig. 8 By the end of 2021，total installed capacity，total heat collection area and total number of system installation of solar energy building heating system in different countrie

從圖8可以看出：中國(guó)擁有84套太陽(yáng)能建筑供熱系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為223 MW，處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位；其次是土耳其，擁有18套太陽(yáng)能建筑供熱系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為14.2 MW；拉丁美洲排名第3，擁有16套太陽(yáng)能建筑供熱系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為11.6 MW。

除了希臘、法國(guó)、奧地利、瑞士、波蘭和西班牙等歐洲國(guó)家，越來(lái)越多的太陽(yáng)能建筑供熱系統(tǒng)出現(xiàn)在拉丁美洲(比如：巴西、墨西哥)、中東和北非地區(qū)(比如：迪拜、約旦、科威特、阿聯(lián)酋)，以及部分亞洲地區(qū)(比如：柬埔寨、印度、泰國(guó))。這些系統(tǒng)通常安裝在醫(yī)院、酒店和體育中心等區(qū)域。

2.3 太陽(yáng)能工業(yè)熱利用(SHIP)

在全球范圍內(nèi)，各國(guó)都很關(guān)注工業(yè)過(guò)程中的太陽(yáng)能制熱系統(tǒng)[6-8]，此類系統(tǒng)的安裝數(shù)量每年都在穩(wěn)步增長(zhǎng)，涉及小型示范項(xiàng)目到大型(系統(tǒng)裝機(jī)容量至少為100 MW)示范項(xiàng)目。

眾所周知，許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程需要大量的熱能，這使該行業(yè)成為太陽(yáng)能熱利用最有前景的應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)所需熱能的溫度高低，可以由不同類型的太陽(yáng)能集熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如：太陽(yáng)能空氣集熱器、平板太陽(yáng)能集熱器、真空管太陽(yáng)能集熱器及聚光太陽(yáng)能集熱器可產(chǎn)生溫度高達(dá)100℃的熱能，而舍弗勒碟形集熱器、線性菲涅爾集熱器和槽式拋物面集熱器可產(chǎn)生溫度高達(dá)400℃的熱能。

根據(jù)太陽(yáng)能市場(chǎng)研究和國(guó)際交流機(jī)構(gòu)Solrico在2022年初發(fā)表的一項(xiàng)研究及AEE INTEC的一項(xiàng)調(diào)查，2021年全球至少新增78座SHIP站，總集熱面積為51539 m2，總裝機(jī)容量為36 MW。因此，投入運(yùn)營(yíng)的SHIP項(xiàng)目總數(shù)至少有975個(gè)，總集熱面積約為123萬(wàn)m2。

從不同方面對(duì)全球394個(gè)記錄在冊(cè)的SHIP系統(tǒng)作了分析，這些系統(tǒng)的總集熱面積為 1012613 m2，總裝機(jī)容量為 507 MW。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上最大的SHIP系統(tǒng)是位于阿曼的Miraah項(xiàng)目，其裝機(jī)容量為300 MW，占所有394個(gè)SHIP系統(tǒng)總裝機(jī)容量的59%；第2大SHIP系統(tǒng)應(yīng)用在澳大利亞的某溫室項(xiàng)目中，總裝機(jī)容量為36.6 MW；第3大SHIP系統(tǒng)應(yīng)用在智利某銅礦的銅提取過(guò)程中，總裝機(jī)容量為27.5 MW。這3個(gè)系統(tǒng)的總裝機(jī)容量占全球SHIP系統(tǒng)總裝機(jī)容量的71%。

在全球394個(gè)SHIP系統(tǒng)中，截至 2022年3月底，按集熱面積、集熱器類型、行業(yè)類別和國(guó)家劃分的SHIP系統(tǒng)的裝機(jī)容量和系統(tǒng)數(shù)量分別如圖9～圖12所示。需要說(shuō)明的是：圖12中僅列舉了系統(tǒng)總裝機(jī)容量大于等于0.7 MW (總集熱面積大于等于1000 m2)的國(guó)家，即394套SHIP系統(tǒng)中的377套，占總裝機(jī)容量的99%以上。

圖9 截至 2022年3月底，按集熱面積劃分的SHIP系統(tǒng)的裝機(jī)容量和系統(tǒng)數(shù)量Fig. 9 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems divided by heat collection area

圖10 截至 2022年3月底，按集熱器類型劃分的SHIP系統(tǒng)的裝機(jī)容量和系統(tǒng)數(shù)量Fig. 10 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems by collector type

圖11 截至 2022年3月底，按行業(yè)類別劃分的SHIP系統(tǒng)的裝機(jī)容量和系統(tǒng)數(shù)量Fig. 11 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems by industry category

圖12 截至 2022年3月底，按國(guó)家劃分的SHIP系統(tǒng)的裝機(jī)容量和系統(tǒng)數(shù)量Fig. 12 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems by country

結(jié)合圖9中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：所有SHIP系統(tǒng)中，3個(gè)SHIP系統(tǒng)的總集熱面積屬于大于30000 m2的范圍，每個(gè)系統(tǒng)的裝機(jī)容量均超過(guò)了21 MW；54個(gè)系統(tǒng)的總集熱面積在10000～29999 m2之間，這些系統(tǒng)的裝機(jī)容量在 0.7～21.0 MW之間；64個(gè)系統(tǒng)的總集熱面積在500～9999 m2之間，每個(gè)系統(tǒng)的裝機(jī)容量在0.35～0.70 MW之間；273個(gè)系統(tǒng)的總集熱面積小于500 m2，每個(gè)系統(tǒng)的裝機(jī)容量低于0.35 MW。

從圖10可以看出：按集熱器類型劃分的SHIP系統(tǒng)中，采用平板太陽(yáng)能集熱器的系統(tǒng)數(shù)量最多，為174個(gè)，總集熱面積超過(guò)180000 m2；采用真空管太陽(yáng)能集熱器的系統(tǒng)數(shù)量為67個(gè)，總集熱面積約為80000 m2；采用槽式拋物面集熱器的系統(tǒng)數(shù)量為59個(gè)，但其總集熱面積最大，達(dá)到670000 m2。

從圖11可以看出：這394個(gè)SHIP系統(tǒng)的行業(yè)類別主要集中在采礦、食品、農(nóng)業(yè)和紡織領(lǐng)域。相較于2020年，食品和飲品行業(yè)的系統(tǒng)數(shù)量在2021年再次增長(zhǎng)，二者共包含159套SHIP系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為59 MW。采礦業(yè)方面，在394個(gè)SHIP系統(tǒng)中裝機(jī)容量最大的3個(gè)系統(tǒng)，有兩個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用與采礦業(yè)相關(guān)，二者的總裝機(jī)容量占采礦業(yè)總裝機(jī)容量的65%。農(nóng)業(yè)方面，共有51套系統(tǒng)，其中有31套是應(yīng)用在2021年新建的制熱工廠中，51套系統(tǒng)的總裝機(jī)容量為54 MW。

從圖12可以看出：墨西哥、德國(guó)和印度安裝的SHIP系統(tǒng)數(shù)量最多，其次是奧地利、美國(guó)和中國(guó)。雖然阿曼僅安裝了1套系統(tǒng)，但其憑該系統(tǒng)的大裝機(jī)容量在裝機(jī)容量方面位居第一。

對(duì)全球394套SHIP系統(tǒng)中集熱面積大于5000 m2(相當(dāng)于裝機(jī)容量大于3.5 MW)的所有SHIP系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[7]，具體如表1所示。

表1 集熱面積大于5000 m2的SHIP系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景Table 1 Application scenarios for SHIP systems with heat collection area greater than 5000 m2

2.4 太陽(yáng)能加熱溫室

除了可應(yīng)用于傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域外，太陽(yáng)能制熱系統(tǒng)一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域是農(nóng)業(yè)溫室，將太陽(yáng)能制熱系統(tǒng)用于種植花卉和蔬菜的溫室的加熱。對(duì)全球用于溫室加熱的太陽(yáng)能制熱系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 全球用于溫室加熱的太陽(yáng)能制熱系統(tǒng)Table 2 Global solar thermal system for greenhouse heating

2.5 光伏-熱(PVT)系統(tǒng)

PVT系統(tǒng)是在同一個(gè)集熱器中應(yīng)用太陽(yáng)能熱能和太陽(yáng)能電力，使其既可以發(fā)電也可以制熱，從而達(dá)到更高的單位面積產(chǎn)量，尤其在可用屋頂面積有限的情況下，這一應(yīng)用尤其重要。由于此集熱器既能發(fā)電也能制熱，因此在分析其裝機(jī)容量時(shí)，分別以熱裝機(jī)容量和電裝機(jī)容量來(lái)區(qū)分其制熱和發(fā)電容量。根據(jù)PVT系統(tǒng)采用的集熱器類型不同，其產(chǎn)生的溫度在-20～150℃之間，應(yīng)用范圍廣泛。近年來(lái)，全球?qū)VT集熱器的興趣穩(wěn)步增長(zhǎng)，促使眾多專業(yè)的PVT 集熱器供應(yīng)商進(jìn)入太陽(yáng)能應(yīng)用市場(chǎng)。

根據(jù)全球38家PVT集熱器制造商的數(shù)據(jù)，PVT集熱器市場(chǎng)在2017—2020年間平均年增長(zhǎng)9%。2021年，PVT集熱器市場(chǎng)的全球市場(chǎng)增長(zhǎng)速度提高到13%左右；其在歐洲市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度甚至更快，達(dá)到21%；2021年其新增熱裝機(jī)容量和電裝機(jī)容量分別為79.8 MW和27.6 MW。2017—2021年全球PVT集熱器市場(chǎng)的發(fā)展?fàn)顩r如圖13所示。

圖13 2017—2021年全球PVT集熱器市場(chǎng)的發(fā)展?fàn)顩rFig. 13 Development status of global market of PVT collectors from 2017 to 2021

從圖13可以看出：截至2021年底，PVT集熱器累計(jì)熱裝機(jī)容量為751 MW、電裝機(jī)容量為254 MW。未覆蓋的水PVT集熱器是PVT集熱器的主要類型，其在全球PVT集熱器裝機(jī)容量中占60%；其次是空氣PVT集熱器，其占比為37%；有覆蓋的水PVT集熱器的占比為3%；真空管PVT集熱器和聚光型PVT集熱器的占比更小。

2021年，全球范圍內(nèi)至少新安裝了6036套PVT系統(tǒng)。因此，截至2021年底，累計(jì)運(yùn)行的PVT系統(tǒng)數(shù)量為33956套。這些系統(tǒng)中，77.2%用于太陽(yáng)能空氣(預(yù))加熱/冷卻建筑；9.5%是為生活熱水和供暖提供熱量；8.9%是為單戶住宅提供生活熱水；剩余的4.4%是為多戶住宅、酒店、醫(yī)院和學(xué)校等提供生活熱水，以及為包括游泳池在內(nèi)的其他應(yīng)用提供熱力和電力，這其中還包括區(qū)域供熱和工業(yè)應(yīng)用。

截至2021 年底，按PVT系統(tǒng)類型劃分的集熱器類型和系統(tǒng)數(shù)量如圖14所示。

圖14 截至2021 年底，按PVT系統(tǒng)類型劃分的集熱器類型和系統(tǒng)數(shù)量Fig. 14 As of the end of 2021，types of collectors and number of systems classified by PVT system types

從圖14可以看出：太陽(yáng)能空氣系統(tǒng)主導(dǎo)著PVT市場(chǎng)。在全球范圍內(nèi)，法國(guó)在太陽(yáng)能空氣系統(tǒng)市場(chǎng)占主導(dǎo)地位，在該國(guó)幾乎所有新制造的PVT集熱器都是空氣PVT集熱器。但未覆蓋的水PVT 集熱器才是最常見(jiàn)的技術(shù)，截至 2021年底，累計(jì)在運(yùn)行的采用該類型PVT 集熱器的PVT系統(tǒng)共有9039套，總集熱面積為844544 m2。在圖14所示的這些PVT系統(tǒng)中，36%的PVT系統(tǒng)是用于單戶和多戶住宅、酒店和醫(yī)院的生活熱水制備；約35%的PVT系統(tǒng)是為家庭供熱和供電，并為生活熱水和采暖(組合系統(tǒng))提供電加熱。

2.6 太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)

全球太陽(yáng)能制冷市場(chǎng)將繼續(xù)增長(zhǎng)，特別是在新興國(guó)家，到2050年，37%的電力需求增長(zhǎng)將來(lái)自空調(diào)的電力需求。因此，使用太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)，包括利用太陽(yáng)熱能和光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)，具有巨大的應(yīng)用潛力。

太陽(yáng)能制冷仍然是一個(gè)機(jī)會(huì)市場(chǎng)，截至2021年，全球累計(jì)安裝了2000多套此系統(tǒng)。功率低于20 kW的小型機(jī)組主要瞄準(zhǔn)大眾市場(chǎng)；而功率為350～2000 kW 的太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)以應(yīng)用于大中型項(xiàng)目為主。在全球的中小型(功率＜350 kW)太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)中，歐洲市場(chǎng)的占比為70%。

使用制冷功率大于350kW/100RT(冷凍噸)的熱吸收式制冷機(jī)的太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)在性能上有顯著提高，同時(shí)降低了成本。此外，太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)采用大型平板式太陽(yáng)能集熱器在集熱溫度高達(dá)120 ℃時(shí)也有助于其制冷性能的改善。性能的提高與規(guī)模經(jīng)濟(jì)相結(jié)合，使太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)應(yīng)用在大型辦公樓、酒店、醫(yī)院等商業(yè)領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域時(shí)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

世界上最大的太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)位于美國(guó)的亞利桑那州，于2014年5月投入使用。2018年全球又新增了4個(gè)大型太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)，其中，意大利的兩個(gè)系統(tǒng)和新加坡的1個(gè)系統(tǒng)均使用真空管太陽(yáng)能集熱器，約旦的1個(gè)系統(tǒng)使用線性菲涅爾集熱器為冷水機(jī)組提供熱量。2020年，兩套功率較大的太陽(yáng)能制冷裝置投入使用，一套應(yīng)用于奧地利格拉茨的660 kW制冷工廠，另一套位于阿聯(lián)酋的一家工廠，而2021 年無(wú)新增大型太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)投入使用。

2.7 太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)的主要用途是給建筑物供暖，此外還可以用于空氣通風(fēng)和作物加工或干燥。太陽(yáng)能空氣加熱技術(shù)是目前未被充分利用的太陽(yáng)能技術(shù)。全球新冠疫情爆發(fā)增加了建筑物內(nèi)部對(duì)新鮮空氣的需求，也增大了對(duì)能源的需求，從而導(dǎo)致二氧化碳的排放量增加，但太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)是絕佳的解決方案。

太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)可以集成到建筑物中，通?？梢詼p少建筑加熱所需傳統(tǒng)能源的20%～30%。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)主要用于干燥方面。

太陽(yáng)能空氣集熱器是太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)的主要組成部分。對(duì)截至2020年底，全球記錄在冊(cè)的太陽(yáng)能空氣集熱器總集熱面積超過(guò)10000 m2的國(guó)家進(jìn)行了列舉，具體如表3所示。

表3 截至2020年底，全球太陽(yáng)能空氣集熱器總集熱面積超過(guò)10000 m2的國(guó)家Table 3 As of the end of 2020，total heat collection area of global solar air collector exceeding 10000 m2 countries

截至2020年底，全球太陽(yáng)能空氣集熱器的累計(jì)裝機(jī)容量為985 MW(集熱面積為1405962 m2)。2020年全球新增太陽(yáng)能空氣集熱器的裝機(jī)容量為12 MW(集熱面積為17000 m2)。

利用太陽(yáng)能空氣集熱器采暖在歐洲不常見(jiàn)，而在北美，將建筑與太陽(yáng)能空氣集熱器集成是商業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域和公共市場(chǎng)中最流行的太陽(yáng)能熱利用形式。

3 結(jié)論

本文從《全球太陽(yáng)能制熱報(bào)告》中摘編2021年當(dāng)年和累計(jì)的全球太陽(yáng)能熱裝機(jī)容量及與太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)相關(guān)的部分內(nèi)容，并引用來(lái)自70多個(gè)國(guó)家的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及部分國(guó)際機(jī)構(gòu)和部分專家提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)整理、歸納和分析后得到以下結(jié)論：

1)截至2021年底，累計(jì)運(yùn)行的太陽(yáng)能集熱器裝機(jī)容量為522 GW，對(duì)應(yīng)的集熱面積為7.46億m2。相較于2020年，2021年全球太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)3%，中國(guó)在太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)規(guī)模上依舊占據(jù)主導(dǎo)地位。截至2021年底，全球已安裝的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的裝機(jī)容量相當(dāng)于節(jié)省4570萬(wàn)t石油和減少1.475億t二氧化碳排放。

2) 2021年，全球新建了 44 套大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)(單個(gè)裝機(jī)容量大于等于350 kW、集熱面積大于等于500 m2)，總裝機(jī)容量為 142 MW。其中21套安裝在歐洲，20套安裝在中國(guó)，3套安裝在墨西哥。截至2021年底，全球已累計(jì)有530套大型太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)投入運(yùn)行，這些系統(tǒng)總裝機(jī)容量為1970 MW，總集熱面積約為280 萬(wàn) m2。

3) 2021年全球至少新增78座SHIP站，總集熱面積為51539 m2，總裝機(jī)容量為36 MW。因此，投入運(yùn)營(yíng)的SHIP項(xiàng)目總數(shù)至少有975個(gè)，總集熱面積約為123萬(wàn)m2。

4) 2021年，PVT集熱器市場(chǎng)的全球市場(chǎng)增長(zhǎng)速度提高到13%左右；其在歐洲市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度達(dá)到21%；該年至少有 6036 臺(tái)新 PVT 系統(tǒng)投入使用。截至2021年底，PVT集熱器累計(jì)熱裝機(jī)容量為751 MW、電裝機(jī)容量為254 MW。

綜上可知，太陽(yáng)能熱利用是太陽(yáng)能利用技術(shù)中非常重要的一環(huán)，太陽(yáng)能熱能也是一種重要的可再生能源應(yīng)用形式，對(duì)解決能源和環(huán)境危機(jī)，保持人類社會(huì)的生存和發(fā)展意義重大，是目前可再生能源研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

從能源安全和清潔利用角度出發(fā)，世界各國(guó)都把太陽(yáng)能熱利用的商業(yè)化開(kāi)發(fā)和應(yīng)用作為重要發(fā)展措施，其對(duì)全球能源可持續(xù)發(fā)展、碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。