以科技创新开创太阳能中温热利用发展新时代 ——“2018 太阳能中温热

　　习总书记在“十九大”所做的报告中全面阐述了加快生态文明体制改革、推进绿色发展、建设美丽中国的战略部署。可再生能源在绿色发展中肩负重要的历史使命。

　　1 月8 日，以“创新驱动太阳能中温热利用发展”为主题的2018 太阳能中温热利用技术大会在北京隆重召开。大会旨在通过与会产学研专家研讨，探讨以技术创新为驱动力的太阳能中温热利用产业发展之路，以太阳能清洁热能应用助力绿色发展。

　　学报》、《太阳能》杂志共同承办，得到了全国太阳能标准化技术委员会、国家太阳能热水器质量监督检验中心( 北京)、国家太阳能光热产业技术创新战略联盟、中国节能协会太阳能专业委员会、国家重点研发计划“藏区、西北及高原地区利用可再生能源采暖空调新技术”项目组、国家重点研发计划“近零能耗建筑技术体系及关键技术开发”项目组的大力支持。此次会议也是庆祝中国可再生能源学会成立40 周年举办的第一场纪念活动。

　　中国可再生能源学会秘书长祁和生在开幕式致辞中表示，回顾过去，经过多年的发展，我国的太阳能热利用技术已发展成为可再生能源领域市场化程度最成熟的可再生能源技术之一，行业产量和市场规模连续多年位居世界第一，为我国调整能源结构、促进可持续发展贡献了力量。当前，我国经济正处于由高速增长转向高质量发展的新时期，太阳能热利用技术也逐步从太阳能热水应用向太阳能供暖、空调、工农业用热等中温领域发展，太阳能中温热利用大有可为。

　　据了解，本次大会是国内第一次聚焦太阳能中温热利用的专业性技术会议。中国工程院院士刘加平教授，中国工程院院士、中国可再生能源学会理事长谭天伟教授，中国可再生能源学会副理事长李宝山，中国21 世纪议程管理中心主管宋敏，中国可再生能源学会秘书长祁和生，清华大学殷志强教授，北京工业大学马重芳教授，中国建筑科学研究院有限公司专业总工徐伟研究员，北京市建筑设计研究院有限公司徐宏庆总工，上海交通大学王如竹教授，中国科技大学季杰教授，中科院电工所王志峰研究员，中国可再生能研究院有限公司教授级高工何涛等领导和专家学者，以及企业家、研究生、大学生在内的逾200位代表出席了大会，大会报告内容丰富、充满新意、深入细致、产学研融合、针对性强、精彩纷呈，开幕式由何涛主持。

　　国际知名太阳能热利用专家——美国加州大学太阳能研究所罗兰• 温斯顿(Roland Winston) 特向大会发来贺信，他说道：“美国加州大学太阳能研究所是以在全世界范围推广太阳能应用作为初心而成立的，我们的研究有很大一部分是聚焦于太阳能中温热利用。这次会议在中国一个关键的时间点召开，昭示着太阳能界发展新的里程碑。太阳能中温热利用是一片未开垦的处女地，亟待研究者、工业伙伴、政策制定者和金融界共同合作，以迎接人类面临的共同挑战”。

　　据专家介绍，中温热利用是介于低温、高温中间，尚待深入开发的新领域，特别是在太阳能供热制冷、太阳能工农业用热、太阳能海水淡化等方面，由于其所涉及的领域最广、潜力最大，具有广阔的应用前景。国家能源局在《太阳能发展“十三五”规划》中明确提出，要因地制宜推广太阳能供暖制冷技术，在东北、华北等集中供暖地区，积极推进太阳能与常规能源融合，采取集中式与分布式结合的方式进行建筑供暖；在集中供暖未覆盖地区，结合当地可再生能源资源，大力推动太阳能、地热能、生物质锅炉等小型可再生能源供热；在需要冷热双供的华东、华中地区，以及传统集中供暖未覆盖的长三角、珠三角等地区，重点采用太阳能、地热能供暖制冷技术。鼓励在条件适宜的中小城镇、民用及公共建筑上推广太阳能区域性供暖系统，建设太阳能热水、采暖和制冷的三联供系统。2018 年8 月27 日，财政部、生态环境部、住建部和国家能源局联合发布通知，继第一批12 个试点城市后，又有23个城市入围第二批中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点名单，将获得中央财政支持。太阳能热利用在清洁采暖中具有可挖掘的应用潜力。

　　为表彰为我国太阳能中温热利用事业做出贡献的单位和个人，组委会特邀请专家评选出2018 太阳能中温热利用技术大会“杰出贡献人物奖”4 个、“工程创新奖”4 个、“学术创新奖”8个和“优秀论文奖”11 个。清华大学殷志强教授、首都师范大学李申生教授、中国建筑科学研究院有限公司郑瑞澄研究员、北京工业大学马重芳教授荣获“杰出贡献人物奖”。

　　北京华业阳光新能源有限公司的内蒙赤峰太阳能中温集热器蓄热供暖工程、中国建筑科学研究院有限公司的中温太阳能集热吸收式空调工程、四季沐歌科技集团有限公司的河北益民股份太阳能跨季节蓄热供热工程、四季沐歌科技集团有限公司的金川县人民医院太阳能热水采暖项目荣获“工程创新奖”。

　　山东力诺瑞特新能源有限公司的中温太阳真空集热管及中温太阳集热器、广东五星太阳能股份有限公司的大尺寸高效平板太阳能集热器、北京金阳科创太阳能技术有限公司的带遮热板的中温真空管太阳能集热器、河北道荣新能源科技有限公司的太阳能中温PTR 集热管、山东龙光天旭太阳能有限公司的太阳能集热用高硼硅玻璃管、北京佑陆科技有限公司的曲面菲涅尔透射式中温太阳能集热器、四川中仟合力新能源技术有源学会热利用专业委员会秘书长、中国建筑科学限公司的T160 槽式中温太阳能集热器、四季沐歌科技集团有限公司的高效平板太阳能集热器荣获“技术创新奖”。

　　本次大会共收到37 篇专业投稿，经专家评审，《太阳能新风预热供暖墙系统热性能实验研究》《新型吸收- 压缩混合太阳能热泵系统的实验研究》《基于光热比的PTC 太阳能供热系统设计》《槽式太阳能新型腔式吸热器的热性能模拟与实验研究》《PVT 热泵热电冷联供系统技术经济性分析》《相变蓄冷技术在公共建筑太阳能空调系统中的应用研究》《槽式太阳能集热管关键技术突破及其产业化》，共7 篇论文获得“优秀论文奖”，并被推荐到《太阳能学报》《太阳能》杂志，将在6 个月内优先发表。同时， 《太阳能学报》

　　《太阳能》杂志2016～2018 年度已发表论文《带遮热板的热管式真空管集热器中温性能的理论与实验研究》《一种采用腔体吸收器的线性菲涅尔太阳集热器性能分析与优化》《辐射遮热板对高温真空集热管热损的影响研究》《一种圆柱面线聚焦菲涅尔式太阳能中温集热系统的研究》，共4 篇论文也获得了“优秀论文奖”。

　　中国工程院院士、中国建筑学会建筑物理分会理事长刘加平在《建筑节能与太阳能利用》的报告中指出：

　　如果采用全国水平面太阳辐射总量分布图进行分析，很容易得到的结果是：除了成都平原资源匮乏外，似乎全国其他地区的太阳辐射资源都很丰富，都可以作为建筑采暖和降温的辅助能源。事实上并非如此。

　　1) 1 月份：①严寒气候区1 月份室外气温很低，其中大部分辐射资源匮乏，不适合利用太阳能采暖；②夏热冬冷气候区1 月份室外气温较为温和，但其大部分冬季太阳辐射资源匮乏；③青藏高原、新疆及河西走廊地区，部分可以利用太阳能采暖；④唯有拉萨、日喀则等地，可完全依靠太阳能采暖。

　　2) 7 月份：①新疆大部分地区可以利用太阳能降温( 蒸发冷却技术、光伏直流驱动技术等)，其余内陆地区比较勉强；②只有我国南海地区，四季气候如夏，4 个季节的太阳辐射资源都较为丰富。在建筑容积率较低的情况下，可实现全年太阳能制冷。

　　3) 青藏高原是利用太阳能采暖的最佳地区，巧妙地分配被动式设计和主动式系统承担的比例，完全可实现零采暖能耗。①青藏高原属于高海拔大陆性寒冷气候，气候参数的分布特征为：冬季漫长且日平均温度偏高( ≌ -5 ℃ )、温度日较差大、连续阴寒及降雪的频率低，但其夏季凉爽；②建筑设计的对策为：非平衡保温设计( 保温性能各向异性)、不考虑夏季防热。

　　4) 关于热气候区建筑节能与太阳能利用问题。我国热气候区泛指夏热冬暖气候区，包括：海南、台湾、香港、澳门全境，广东、广西大部，福建南部、云南小部等27°N 以南至曾母暗沙区域。热气候区建筑节能设计的核心为处理好建筑形体、立面等与太阳辐射的关系：①对于住宅、办公建筑等，所有外围护结构必须做遮阳处理，以保证门窗、幕墙等透明围护结构无太阳直射进入，实体结构外表面不受到太阳直照；②对于机场航站楼、高铁站房、商业中心等，应严格杜绝太阳直射到透明围护结构；③利用太阳能光伏直流驱动供冷空调系统。

　　中国工程院院士、中国可再生能源学会理事长谭天伟在《可再生能源多能互补驱动绿色生物炼制》的报告中指出：

　　生物炼制能够将生物质转化为一系列产品和能源的可持续过程，产品包括食物、饲料、材料和化学品，能源包括电力、燃料和热力，生物炼制在循环( 生物) 经济中发挥了重要作用。

　　生物炼制各过程均需要外部能量输入，而可再生能源电力、热能与生物炼制过程具有较高匹配度，可再生能源多能互补促可进生物炼制可持续发展。

　　1) 可再生能源应用新技术需要在以下方面取得突破：高效储能载体和储能技术的开发；太阳能、地热能等可再生能源多能互补系统构建模式和与生物炼制系统耦合；高效能量转换技术，如微生物燃料电池技术等。

　　3) 发展先进的生物质能工艺，更充分地利用废物流，实现乡村地区的能源平衡，如基于生物燃气的分布式能源系统。

　　4) 可再生能源用于生物炼制热能供应方面，比如，太阳能蒸汽驱油技术与天然气蒸汽成本相当，可替代80% 蒸汽需求；生物质加工产品分离方面，如燃料乙醇蒸馏、发酵保温等为单元操作加热、提供蒸汽。

　　中国建筑科学研究院有限公司专业总工程师、中国可再生能源学会热利用专委会主任徐伟在《清洁供暖技术与应用》的报告中指出：

　　大气污染防治与能源结构转型的需要促成了清洁供暖的国家行动，约1 年时间，国家多部委连发17 个清洁供暖直接相关文件，将实现：

　　2019 年清洁取暖率50%、2021 年清洁取暖率70%，替代散烧煤1.5 亿t 的总体目标。由此引导约6000 亿级资金快速涌入清洁供暖领域。清洁取暖可持续不返煤的3 个重要条件为：初投资在接受水平内；运行成本适合农村经济水平，运行成本25 元/㎡ 以内( 以60 ㎡ 采暖面积计)；解决农民做饭问题。寿命期年费用30 元/㎡ 以内的技术主要包括：污水源热泵、工业余热、空气源热泵( 热风型)、小规模成型秸秆生物质、生物质热风机( 松木原料)。技术路线必须因地制宜。

　　太阳能供暖的特点是：太阳能被动房无需任何运营成本但其利用不稳定；主动式太阳能系统需要辅助能源系统。被动房适用太阳能资源良好地区；主动式在太阳能资源良好且只在白天使用的办公楼、教学楼等更具应用优势，虽然其存在市场需求，但初投资较高。

　　国家发改委能源研究所可再生能源中心胡润青副研究员在《可再生能源供热政策现状和需求》的报告中指出：

　　为了打好蓝天保卫战，国家高度重视北方地区清洁取暖，2017年12 月，国家10 部委发布《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021 年)》，提出到2021 年，供暖面积要分别达到：地热10 亿㎡，生物质21亿㎡，太阳能5000 万㎡，清洁燃煤110 亿㎡，天然气18 亿㎡，电供暖( 含热泵)15 亿㎡。国家为此出台了多方面政策支持。

　　虽然可再生能源供热技术发展快，但市场任重道远，目前面临市场下滑的严峻挑战：地热能成为供热市场增长的主力，太阳能从2014 年以来市场连续4 年下滑，生物质能近2 年或有增长；距离“十三五”中提出的目标——太阳能集热面积达8 亿㎡、生物质能年利用量约5800 万吨标准煤、地热供暖建筑面积达16 亿㎡，仍有较大差距，预示着未来市场潜力巨大。

　　太阳能热利用2020 年8 亿㎡ 目标的实现依赖供暖市场，虽然零售市场继续下滑，但热水工程市场持续增长，户用供暖系统、集中供暖、跨季节蓄热、工农业供热等供暖等领域的市场潜力大。

　　可再生能源供热主要发展模式可分为：1) 单一能源品种，包括：①工商业热力——能源合同管理，如生物质锅炉、太阳能热力；②集中供热( 以可再生能源为主)——特许经营权，如生物质热电联产、中深层地热供暖、太阳能；③户用系统——用户投资和政府补贴相结合，如太阳能热水、生物质锅炉、热泵系统。2) 互补系统，包括：①区域能源站——多种分布式能源互补，如可再生能源、常规能源，有多种商业模式，如特许经营权、用户投资；②集中供热( 以可再生能源为辅)——纳入常规供热体系，如热泵系统、生物质供热、太阳能热水。

　　清华大学教授、启迪清洁能源研究院院长殷志强在《中温太阳能集热器之探》的报告中介绍了我国和世界各国的太阳能中低温热利用行业状况，以及各种太阳能热利用集热装置的发展情况，特别介绍了我国研制的CPC 真空管集热器的研发、性能和应用现状。

　　1) 光热性能。①要保证测试数据的准确性。②建议以一个特征归一化温度表示其在中温太阳集热器的瞬时效率的水准。在太阳能热利用的中温区间，最高工作温度分别120 ℃、150 ℃、200 ℃和250 ℃时，集热器的运行效率应该是特征归一化温度在0.09、0.12、0.15 和0.19 时对应的效率，只看集热器效率曲线的截距是无意义的。

　　2) 产品使用耐久性好。3) 产品性价比高。2018 年，全球太阳能集热器的总销量为3543万㎡；我国总保有量保持增长，达到4.82 亿㎡，我国的太阳能集热器产量和保有量保持第一，但千人均都不在世界前列。工业用能中，热能占74%，其中，由煤供45%，天然气供30%，石油供15%，可再生能源供9%，其他供1%；其中，低温到中中温的热能占近50%，这比较容易由可再生能源提供。因此，太阳能中温热利用方向好，值得深入研究开发利用。

　　中国可再生能源学会热利用专业委员会秘书长、中国建筑科学研究院有限公司教授级高工何涛在《不同太阳能供暖形式比较分析》的报告中指出：

　　在户用太阳能供暖方面，国外户用太阳能热水、供暖系统是目前的研究重点，在建筑密度低、布局分散、居民科学素养高的地区，适宜于推广户用太阳能供暖系统。国内从“十一五”开始研究此系统，将太阳能与电加热相结合，操作相对复杂、集成度较低；“十三五”开始研发集成度高、操作灵活的户用多能源互补供热装置；并进行了《多能源互补供热系统》《太阳能供热采暖工程技术规范》的编制工作。

　　在太阳能集中区域供暖方面，从2010 年开始，全球太阳能区域供热呈现爆发式增长，主要贡献来自于欧洲丹麦、奥地利、德国和中国。MW 级太阳能集中区域供暖因规模效应导致成本下降，发展迅猛。

　　2) 太阳能供暖，尤其是集中式太阳能区域供暖是目前国际发展的趋势和方向。资源丰富区实现100% 太阳能供暖是完全可能的。

　　3) 被动式太阳能技术是降低建筑能耗的重要方式，可有效提高室内温度，但节能效果有一定局限性，需要被动、主动相结合的太阳能供暖。

　　4) 空气集热系统启动快、耐冻、效率较低，可结合空心楼板等蓄热措施实施，但既有建筑需对结构进行较大改造，适宜在新建建筑中使用。

　　6) 分散式系统适合在建筑密度低、布局分散、居民操作水平高的建筑中使用；对于成片建设、需求相似的既有建筑群，适合采用集中式系统。

　　7) 需充分借鉴国外的先进经验，但应实事求是，结合我国的自然资源和社会发展水平，同时充分考虑太阳能集热器对外观风貌、地域文化、民族特色的影响。

　　上海交通大学制冷与低温工程研究所所长、教育部太阳能工程研究中心主任王如竹在《太阳能中温集热及热能利用的思考》的报告中指出：

　　目前太阳能利用方式主要为光伏发电、太阳能聚光发电和太阳能热水器，用途较为局限。该如何拓展太阳能的利用范围，以增加太阳能在能源结构中的比例？采用太阳能满足工业热力能耗和建筑供暖制冷能耗，达到节能减排的效果，需要更高的温度来满足工业和建筑的供暖制冷多种热能需求，采用兼顾经济性和热能品位的中温太阳能技术(100～250 ℃ )，可满足工业和建筑能耗需求。

　　为此需要与此相关的太阳能集热器产业化生产技术：1) 非跟踪CPC 太阳能真空管集热器，采用水、油等为工质，集热温度达到150 ℃；能够稳定生产蒸汽等，集热效率40%；满足工业用能和太阳能制冷需求；2) 采用简单太阳跟踪技术，集热温度达到250 ℃，能够稳定生产蒸汽等；3) 采用非真空管太阳能集热技术，例如，腔体式太阳能吸收器等，实现太阳能中温集热。

　　1) 聚光非跟踪太阳能中温集热器关键技术主要包括：①增透技术：溶胶- 凝胶技术，可实现3% 增透的产业化指标，增透膜生产线 规格的真空管。②吸收发射技术：通过混合反应气体、钛靶- 铝靶双靶共溅射、恒压控制减反层电压、引进缓冲层、增加粘结层等工艺控制，涂层的吸收比可达到0.96(AM1.5)，半球发射比达0.033(150±5 ℃ )；耐温性能增强，在线 h，太阳吸收比和发射比无明显衰减。③真空维持技术：蒸散型吸气剂+ 特效吸气剂，真空机组采用分子泵、连续排气台。④防高温氧化技术：铝片接触时间优化，增加15～20 s，电解池温度均匀性和稳定

　　性优化，镍盐质量的控制，镀层更稳定，耐温更高，集热器连续工作在150～200 ℃，镀镍铜管表面没有锈蚀或麻点。⑤聚光非跟踪反光板技术：建立非跟踪反射器的渐开线模型，建立非跟踪反射器的物理模型并作光线模拟，用Tracepro进行光线跟踪，确定最终的CPC 曲线，截取后实现各个角度入射光线的聚光吸收。

　　①涂层设计：涂层性能通过经工艺优化吸收比94.2%，发射比6.3%。涂层性能稳定：在空气中，380 ℃下烘烤1000 h，膜层PC 值衰减0.0065；在空气中，380 ℃下烘烤600 h，膜层PC 值最大衰减0.009。②高温集热管技术：Φ102 外管为高硼硅3.3 玻璃，Φ102 内管为SUS301 钢管，规格为0.9 m、1.0 m、1.5 m、2.1 m，利用集热管生产线的镀膜、熔封技术，实现了该产品的批量化生产。③聚光器：聚光器反光板反射率不低于88%；通过光敏跟踪器控制电机，进行水平方向的转动。④集热器强度校核：模拟计算，40 m/s风速下最大mises 应力156 MPa，位于立柱根部，小于立柱材料Q235 钢材的屈服强度。⑤集热器安装施工：基础螺栓的安装间距偏差全部在-2～2 mm 间波动；重要程度精度控制依次是间距、直线度、立柱高度、垂直度；测量工装水平度是否与扭矩管一致，保证工装侧面与扭矩管侧面在一个平面端部定位，采用螺杆定位。

　　中国科学技术大学教授、中国可再生能源学会热利用专委会副主任委员季杰在《太阳能光电光热综合利用(PV/T) 研究》的报告中指出：

　　PV/T将太阳电池和太阳能集热技术相结合，在太阳能转换为电能的同时，由集热组件中的冷却介质带走电池的热量并加以利用，同时产生电、热2 种收益。PV/T 包括电力- 热水、电力- 热空气采暖、电力- 热泵、电力- 高温应用等多种应用形式。以太阳能光伏/ 热水集热为例，主要有以下几种技术形式：

　　1) 肋管式PV/T。通过对平板太阳能集热器及光伏模块的对比发现：肋管式PV/T 的全天平均热效率可达40%，为传统太阳能热水系统热效率的75%；全天平均电效率可达10%，略低于光伏模块的热效率。

　　2) 微通道热管PV/T。将微通道热管作为换热模块，具有以下优点：吸热板温度分布均匀，可以有效避免热应力对电池的破坏，工质不易冻结，解决冬天冻结问题对于PV/T 系统的危害，水路简单，减少水循环功耗。

　　3) 相变蓄热型PV/T。该形式的优势在于：白天，系统温度达到相变温度时，相变材料融化吸收热量，减缓系统温度上升速率，使系统温度分布均匀，减少热应力对电池的损坏，提高电池效率；冬天夜晚，相变材料凝结时放出热量，防止系统温度低于冰点，避免冻结。

　　4) 外置式PV/T 系统。其设计优点在于：将光伏电池层压于玻璃盖板，减小热应力，提高系统可靠性，避免边框阴影对光伏电池的影响，降低电池温度，提高光电性能。外置式PV/T 全天平均电效率可达9.50%，比内置式PV/T(8.06%)提高了17.87%。外置式PV/T 的电池温度最高比内置式PV/T 的电池温度低22 ℃；电池温度更加均匀，热应力减弱，系统可靠性增强；水箱终温可达到48.8 ℃，光热性能可以满足生活用水需要。由于透光率减小时，覆盖率增大，电池温度升高，导致光电性能降低。所以，相比于多晶硅电池PV/T，在高温时，碲化镉电池PV/T 表现出更高的光电性能。

　　中国科学院电工研究所研究员、中国科学院太阳能热利用与光伏系统重点实验室主任王志峰做了《张家口黄帝城太阳能跨季节储热技术要点分析》的报告，在报告中提到了张家口黄帝城太阳能跨季节储热试验示范项目中的核心技术、技术指标及项目将实现的目标。

　　1) 核心技术：①大容量跨季节储热池低热损及斜温层控制技术；②适用于严寒寒冷地区的廉价高效太阳能集热技术；③多能互补系统集成优化设计及智能化控制运维技术。

　　2) 技术指标：①储热水体总计30 万m3，综合热损率30%；②集热系统冬季出水温度达到90℃，热效率50%；③供热成本低于0.3 元/kWhth，具备产业化前景。

　　3) 项目将实现的目标：太阳能大容量跨季节储热(10 万m3 以上)，多能互补集中供热技术研究和示范，可100%、全天候供热，可与其他可再生能源结合达到环境和经济最优。

　　储热是世界第二大储能技术，熔盐代替导热油是解决热工水力学问题的根本技术途径。熔盐是一种性能优良的中高温传热蓄热介质，其具有传热无相变、传热均匀稳定、传热性能好、系统压力小、使用温度较高、价格低、安全可靠等特点，但也存在容易凝固而堵塞管路的缺点。

　　截至2017 年底，全球储能装机容量中约有4 GW 的储热主要是由太阳能热发电熔盐传热，实际上用于火电厂灵活性改造、谷电蓄热供暖等蓄热供热累计达3 GW 以上。弃风、弃光或谷电加热熔盐蓄热技术在工业供热中有广泛的应用空间，可以为工业用热设备提供水蒸汽、热空气或其他高温液体和蒸气。

　　塞北农光互补智慧能源特色小镇一期项目采用“农光互补+ 供热模式”，拟投资约3.3 亿元。该项目采用线性菲涅尔式太阳能集热系统作为热源利用线性菲涅尔式反射聚光集热器收集太阳能，用于加热吸收工质，储热介质采用四元盐。为提高土地利用率，该项目将太阳能镜场整体抬高3 m，在镜场下部可直接种植农作物，实现农业和太阳能镜场的完美结合。

　　在两天会议期间，专家在太阳能集热技术最新进展、储能技术进展、太阳能中温热利用技术研究与市场化发展、太阳能中温热利用在工农业及建筑供暖和空调中的应用、高温平板集热技术、跨季节蓄热集中供热技术、太阳能供暖制冷技术、太阳能中温标准的国际化、检测与应用等方面进行了深入探讨。与会代表表示，报告水平高、接地气，参会收获良多，受益匪浅，希望参加下一届大会。