吕伟中 编译
(甘肃自然能源研究所，兰州730046)
在全球能源短缺愈发加剧的背景下，加大可再生能源利用，尤其是太阳能利用已成为世界各国的共识。除了成熟的光伏发电技术外，太阳能热利用技术也已得到广泛普及。太阳能热利用技术是将太阳能转为热能，并运用其能量加热热水、产生蒸汽和发电等，本文仅针对太阳能热利用在太阳能集热器及工业领域的应用进行分析。热能的最大优势是可利用保温技术来储备能量。国际能源署(IEA)下属的太阳能加热和冷却技术合作计划 (SHC TCP)每年都会在其框架内发布《全球太阳能制热报告》，本文从中仅摘编2021年当年和累计的全球太阳能热装机容量及与太阳能热利用市场发展趋势相关的部分内容，并引用来自70多个国家的详细统计数据，以及部分国际机构和部分专家提供的数据，经整理、归纳和分析，得出相应结论，以供国内太阳能业内人士参考。
全球在运行的各类太阳能集热器 (以水为工质)的累计装机容量从2000年的62 GW(集热面积约为8900万m2)增长到2021年的522 GW(集热面积约为7.46亿m2)[1]；
相应的其年热能产量从2000年的51 TWh增至2021年的425 TWh[2]，具体如图1所示。
图1 2000—2021年全球在运行的太阳能集热器的累计装机容量和年热能产量Fig. 1 Accumulated installed capacity and annual thermal energy production of solar collectors in operation worldwide from 2000 to 2021
2021年全球新增太阳能集热器装机容量为21 GW(集热面积约为3100万m2)，相较于2020年，新增集热面积增长3%，是连续7年下降后的首次增长。
2001—2021年全球的太阳能集热器年装机容量和年净增容量如图2所示。
图2 2001—2021年全球的太阳能集热器年装机容量和年净增容量Fig. 2 Annual installed capacity and annual net capacity increase of solar collectors worldwide from 2001 to 2021
截至2021年底，全球在运行的太阳能集热器累计装机容量为522 GW，该值仅次于风电累计装机容量(837 GW)和光伏发电累计装机容量(942 GW)；
而地热能和太阳能热发电在装机容量方面落后于这3种技术，具体如图3所示。
图3 截至2021年底全球各类能源的累计装机容量和2021年能源供应量Fig. 3 As of the end of 2021，cumulative installed capacity and energy supply of various types of energy worldwide in 2021
从图3可以看出：2021年太阳能集热器能够提供425 TWh的热量，而风电机组可提供1980 TWh的电力，光伏发电系统可提供1138 TWh的电力[3]。
中国在全球太阳能热利用市场规模方面占据主导地位，2021年全球新增的21 GW太阳能集热器装机容量中，中国占83%，约为18 GW；
早在2006年，中国的太阳能集热器装机容量已占全球市场份额的69%。
根据是否有玻璃盖板，太阳能集热器可分为有玻璃盖板太阳能集热器和无玻璃盖板太阳能集热器。其中，采用有玻璃盖板太阳能集热器的集热系统包括泵送太阳能集热系统和热虹吸太阳能集热系统。中国有数千个小型的热虹吸太阳能集热系统，这些系统中有75%安装在城市公寓楼和单户住宅上。2006—2021年中国有玻璃盖板太阳能集热系统中两种太阳能集热系统的装机容量占比如图4所示。
图4 2006—2021年中国有玻璃盖板太阳能集热系统中两种太阳能集热系统的装机容量占比Fig. 4 Proportion of installed capacity of two types of solar heating systems with glass cover plates in China from 2006 to 2021
2006年以来，在中国政府的财政激励，以及鼓励北方城市使用可再生能源替代传统化石燃料进行采暖以减少碳排放的多重措施下，中国的太阳能热利用市场发生了根本性变化，泵送太阳能集热系统的份额大幅增长。2021年，中国新安装的太阳能集热系统中，泵送太阳能集热系统的装机容量占比为74%，而热虹吸太阳能集热系统的装机容量占比仅为26%。此外，中国近年来还建设了多个可靠有效的太阳能集中供热示范项目。
目前，太阳能集热系统的利用方式逐渐从给生活用水加热转向太阳能综合利用系统、区域供热，以及工业过程制热[4]。与此同时，太阳能集热系统的规模也在显着增加。
截至2021年底，全球已安装的太阳能集热系统的装机容量相当于节省4570万t石油和减少1.475亿t二氧化碳排放。这表明太阳能热利用在减少全球温室气体排放方面做出了重大贡献。
相较于2020年，2021年全球太阳能热利用市场规模增长率为3%[5]。中国作为全球最大的太阳能热利用市场，市场规模也取得1%的小幅增长；
意大利以83%市场规模增长率的稳健增长令人瞩目，其次是巴西(28%)、美国(19%)、希腊(18%)、波兰(17%)和印度(16%)。2021年全球太阳能热利用市场规模增长率较高的国家如图5所示。
图5 2021年全球太阳能热利用市场规模增长率较高的国家Fig. 5 Countries with high growth rates in the global solar thermal utilization market size in 2021
太阳能区域供热市场方面，2021年，丹麦的市场份额下降幅度最大，降幅达到45%；
对于其他区域供热曾经占有较大市场份额的国家而言，其市场份额也有所下降，比如：西班牙下降19%，奥地利下降7%，塞浦路斯下降5%，南非下降12%，澳大利亚下降3%。
2.1 小型太阳能供热系统
小型太阳能供热系统，以及由其衍生的用于单户住宅、公寓楼、多户住宅、酒店和公共建筑中的加热热水和采暖的太阳能综合系统，约占全球每年太阳能制热量的60%。
在利用太阳能加热热水方面，使用复杂技术的泵送太阳能集热系统在欧洲和中国大部分地区开始占据主导地位；
而在亚洲(除中国外)、拉丁美洲、撒哈拉以南非洲和地中海地区，热虹吸太阳能集热系统则占主导地位。在2021年全球太阳能热利用市场规模增长率较高的7个国家中，热虹吸太阳能集热系统占据了其中5个国家的主要市场份额。
2.2 大型太阳能供热系统
对于大型(指单个装机容量大于等于350 kW、集热面积大于等于500 m2)太阳能供热系统的使用，自20世纪80 年代初以来，欧洲的丹麦、瑞典、奥地利、德国、西班牙和希腊等国家是通过将其与当地的区域供热网连接，或将其安装在大型住宅、商业和公共建筑上来使用。从20世纪80年代初到2016年，大型太阳能供热系统市场主要集中在欧洲。
2021年，中国新安装的20套大型太阳能供热系统占全球市场份额的75%，其总集热面积约为151000 m2，主要用于区域和大型建筑的供热、供暖；
法国新安装的大型太阳能供热系统的总集热面积约为10600 m2，仅次于中国，位居第2。丹麦主导大型太阳能供热系统市场的时间约为10年，特别是在太阳能区域供热领域。然而，由于能源技术、政策和资金条件的剧烈变化，2020年丹麦在太阳能区域供热领域的市场份额出现较大变动，导致其在2021年全球大型太阳能供热系统市场的排名降至第3。2021年，奥地利新安装的大型太阳能供热系统的总集热面积为7950 m2，排名第4；
德国新安装的大型太阳能供热系统的总集热面积为5691 m2，排名第5；
土耳其新安装的大型太阳能供热系统的总集热面积为5621 m2，排名第6。
根据记录在册的数据，截至2021年底，全球已累计有530套大型太阳能供热系统投入运行，这些系统总装机容量为1970 MW，总集热面积约为280万m2。
2.2.1 太阳能区域供热系统
可为区域供热的大型太阳能供热系统(下文简称为“太阳能区域供热系统”)是大型太阳能供热系统的主要组成部分。截至2021年底，全球累计有299个太阳能区域供热系统投入了运行，其总装机容量为1645 MW，总集热面积约为23500 m2。
全球可用于大型住宅、商业和公共建筑的太阳能区域供热系统在1985—2021年的安装数量和累计集热面积如图6所示。
图6 全球太阳能区域供热系统在1985—2021年的系统数量和累计集热面积Fig. 6 System number and cumulative heat collection area of global solar regional heating system from 1985 to 2021
丹麦在太阳能区域供热系统的安装数量和总集热面积方面均领先于其他国家，截至2021年底，其太阳能区域供热系统的装机容量为1126 MW，总集热面积为1608401 m2，安装的系统数量为125套。
除了丹麦(125套)和中国(41套)的太阳能区域供热系统之外，其他国家也对这种类型的供热方式表现出越来越大的兴趣，因为该方式为社区和城市供热部门脱碳提供了绝佳机会。截至2021年底，不同国家的太阳能区域供热系统的总装机容量、总集热面积和安装的总系统数量如图7所示。
图7 截至2021年底，不同国家的太阳能区域供热系统的总装机容量、总集热面积和总系统数量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，德国的太阳能区域供热系统共有45套。除中国和欧洲之外，太阳能区域供热系统还安装在沙特阿拉伯、日本、吉尔吉斯斯坦、俄罗斯、美国、加拿大和南非等国家和地区。
2.2.2 太阳能建筑供热系统
除太阳能区域供热系统外，可为住宅、商业和公共建筑供热的大型太阳能供热系统(下文简称为“太阳能建筑供热系统”)是大型太阳能供热系统的第2大组成部分。截至2021年底，全球累计约有230个太阳能建筑供热系统正在为住宅、商业和公共建筑供热，这些系统总装机容量为324 MW，总集热面积约为463100 m2。截至2021年底，不同国家的太阳能建筑供热系统的总装机容量、总集热面积和总系统数量如图8所示。
图8 截至2021年底，不同国家的太阳能建筑供热系统的总装机容量、总集热面积和总系统数量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
从图8可以看出：中国拥有84套太阳能建筑供热系统，总装机容量为223 MW，处于市场领先地位；
其次是土耳其，拥有18套太阳能建筑供热系统，总装机容量为14.2 MW；
拉丁美洲排名第3，拥有16套太阳能建筑供热系统，总装机容量为11.6 MW。
除了希腊、法国、奥地利、瑞士、波兰和西班牙等欧洲国家，越来越多的太阳能建筑供热系统出现在拉丁美洲(比如：巴西、墨西哥)、中东和北非地区(比如：迪拜、约旦、科威特、阿联酋)，以及部分亚洲地区(比如：柬埔寨、印度、泰国)。这些系统通常安装在医院、酒店和体育中心等区域。
2.3 太阳能工业热利用(SHIP)
在全球范围内，各国都很关注工业过程中的太阳能制热系统[6-8]，此类系统的安装数量每年都在稳步增长，涉及小型示范项目到大型(系统装机容量至少为100 MW)示范项目。
众所周知，许多工业生产过程需要大量的热能，这使该行业成为太阳能热利用最有前景的应用市场。根据所需热能的温度高低，可以由不同类型的太阳能集热器来实现。例如：太阳能空气集热器、平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器及聚光太阳能集热器可产生温度高达100℃的热能，而舍弗勒碟形集热器、线性菲涅尔集热器和槽式抛物面集热器可产生温度高达400℃的热能。
根据太阳能市场研究和国际交流机构Solrico在2022年初发表的一项研究及AEE INTEC的一项调查，2021年全球至少新增78座SHIP站，总集热面积为51539 m2，总装机容量为36 MW。因此，投入运营的SHIP项目总数至少有975个，总集热面积约为123万m2。
从不同方面对全球394个记录在册的SHIP系统作了分析，这些系统的总集热面积为 1012613 m2，总装机容量为 507 MW。根据统计，世界上最大的SHIP系统是位于阿曼的Miraah项目，其装机容量为300 MW，占所有394个SHIP系统总装机容量的59%；
第2大SHIP系统应用在澳大利亚的某温室项目中，总装机容量为36.6 MW；
第3大SHIP系统应用在智利某铜矿的铜提取过程中，总装机容量为27.5 MW。这3个系统的总装机容量占全球SHIP系统总装机容量的71%。
在全球394个SHIP系统中，截至 2022年3月底，按集热面积、集热器类型、行业类别和国家划分的SHIP系统的装机容量和系统数量分别如图9～图12所示。需要说明的是：图12中仅列举了系统总装机容量大于等于0.7 MW (总集热面积大于等于1000 m2)的国家，即394套SHIP系统中的377套，占总装机容量的99%以上。
图9 截至 2022年3月底，按集热面积划分的SHIP系统的装机容量和系统数量Fig. 9 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems divided by heat collection area
图10 截至 2022年3月底，按集热器类型划分的SHIP系统的装机容量和系统数量Fig. 10 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems by collector type
图11 截至 2022年3月底，按行业类别划分的SHIP系统的装机容量和系统数量Fig. 11 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems by industry category
图12 截至 2022年3月底，按国家划分的SHIP系统的装机容量和系统数量Fig. 12 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems by country
结合图9中的数据可以发现：所有SHIP系统中，3个SHIP系统的总集热面积属于大于30000 m2的范围，每个系统的装机容量均超过了21 MW；
54个系统的总集热面积在10000～29999 m2之间，这些系统的装机容量在 0.7～21.0 MW之间；
64个系统的总集热面积在500～9999 m2之间，每个系统的装机容量在0.35～0.70 MW之间；
273个系统的总集热面积小于500 m2，每个系统的装机容量低于0.35 MW。
从图10可以看出：按集热器类型划分的SHIP系统中，采用平板太阳能集热器的系统数量最多，为174个，总集热面积超过180000 m2；
采用真空管太阳能集热器的系统数量为67个，总集热面积约为80000 m2；
采用槽式抛物面集热器的系统数量为59个，但其总集热面积最大，达到670000 m2。
从图11可以看出：这394个SHIP系统的行业类别主要集中在采矿、食品、农业和纺织领域。相较于2020年，食品和饮品行业的系统数量在2021年再次增长，二者共包含159套SHIP系统，总装机容量为59 MW。采矿业方面，在394个SHIP系统中装机容量最大的3个系统，有两个系统的应用与采矿业相关，二者的总装机容量占采矿业总装机容量的65%。农业方面，共有51套系统，其中有31套是应用在2021年新建的制热工厂中，51套系统的总装机容量为54 MW。
从图12可以看出：墨西哥、德国和印度安装的SHIP系统数量最多，其次是奥地利、美国和中国。虽然阿曼仅安装了1套系统，但其凭该系统的大装机容量在装机容量方面位居第一。
对全球394套SHIP系统中集热面积大于5000 m2(相当于装机容量大于3.5 MW)的所有SHIP系统的应用场景进行了统计[7]，具体如表1所示。
表1 集热面积大于5000 m2的SHIP系统的应用场景Table 1 Application scenarios for SHIP systems with heat collection area greater than 5000 m2
2.4 太阳能加热温室
除了可应用于传统的工业领域外，太阳能制热系统一个新的应用领域是农业温室，将太阳能制热系统用于种植花卉和蔬菜的温室的加热。对全球用于温室加热的太阳能制热系统进行了统计，如表2所示。
表2 全球用于温室加热的太阳能制热系统Table 2 Global solar thermal system for greenhouse heating
2.5 光伏-热(PVT)系统
PVT系统是在同一个集热器中应用太阳能热能和太阳能电力，使其既可以发电也可以制热，从而达到更高的单位面积产量，尤其在可用屋顶面积有限的情况下，这一应用尤其重要。由于此集热器既能发电也能制热，因此在分析其装机容量时，分别以热装机容量和电装机容量来区分其制热和发电容量。根据PVT系统采用的集热器类型不同，其产生的温度在-20～150℃之间，应用范围广泛。近年来，全球对PVT集热器的兴趣稳步增长，促使众多专业的PVT 集热器供应商进入太阳能应用市场。
根据全球38家PVT集热器制造商的数据，PVT集热器市场在2017—2020年间平均年增长9%。2021年，PVT集热器市场的全球市场增长速度提高到13%左右；
其在欧洲市场的增长速度甚至更快，达到21%；
2021年其新增热装机容量和电装机容量分别为79.8 MW和27.6 MW。2017—2021年全球PVT集热器市场的发展状况如图13所示。
图13 2017—2021年全球PVT集热器市场的发展状况Fig. 13 Development status of global market of PVT collectors from 2017 to 2021
从图13可以看出：截至2021年底，PVT集热器累计热装机容量为751 MW、电装机容量为254 MW。未覆盖的水PVT集热器是PVT集热器的主要类型，其在全球PVT集热器装机容量中占60%；
其次是空气PVT集热器，其占比为37%；
有覆盖的水PVT集热器的占比为3%；
真空管PVT集热器和聚光型PVT集热器的占比更小。
2021年，全球范围内至少新安装了6036套PVT系统。因此，截至2021年底，累计运行的PVT系统数量为33956套。这些系统中，77.2%用于太阳能空气(预)加热/冷却建筑；
9.5%是为生活热水和供暖提供热量；
8.9%是为单户住宅提供生活热水；
剩余的4.4%是为多户住宅、酒店、医院和学校等提供生活热水，以及为包括游泳池在内的其他应用提供热力和电力，这其中还包括区域供热和工业应用。
截至2021 年底，按PVT系统类型划分的集热器类型和系统数量如图14所示。
图14 截至2021 年底，按PVT系统类型划分的集热器类型和系统数量Fig. 14 As of the end of 2021，types of collectors and number of systems classified by PVT system types
从图14可以看出：太阳能空气系统主导着PVT市场。在全球范围内，法国在太阳能空气系统市场占主导地位，在该国几乎所有新制造的PVT集热器都是空气PVT集热器。但未覆盖的水PVT 集热器才是最常见的技术，截至 2021年底，累计在运行的采用该类型PVT 集热器的PVT系统共有9039套，总集热面积为844544 m2。在图14所示的这些PVT系统中，36%的PVT系统是用于单户和多户住宅、酒店和医院的生活热水制备；
约35%的PVT系统是为家庭供热和供电，并为生活热水和采暖(组合系统)提供电加热。
2.6 太阳能制冷系统
全球太阳能制冷市场将继续增长，特别是在新兴国家，到2050年，37%的电力需求增长将来自空调的电力需求。因此，使用太阳能制冷系统，包括利用太阳热能和光伏发电驱动的太阳能制冷系统，具有巨大的应用潜力。
太阳能制冷仍然是一个机会市场，截至2021年，全球累计安装了2000多套此系统。功率低于20 kW的小型机组主要瞄准大众市场；
而功率为350～2000 kW 的太阳能制冷系统以应用于大中型项目为主。在全球的中小型(功率＜350 kW)太阳能制冷系统中，欧洲市场的占比为70%。
使用制冷功率大于350kW/100RT(冷冻吨)的热吸收式制冷机的太阳能制冷系统在性能上有显著提高，同时降低了成本。此外，太阳能制冷系统采用大型平板式太阳能集热器在集热温度高达120 ℃时也有助于其制冷性能的改善。性能的提高与规模经济相结合，使太阳能制冷系统应用在大型办公楼、酒店、医院等商业领域及工业领域时具有成本竞争力。
世界上最大的太阳能制冷系统位于美国的亚利桑那州，于2014年5月投入使用。2018年全球又新增了4个大型太阳能制冷系统，其中，意大利的两个系统和新加坡的1个系统均使用真空管太阳能集热器，约旦的1个系统使用线性菲涅尔集热器为冷水机组提供热量。2020年，两套功率较大的太阳能制冷装置投入使用，一套应用于奥地利格拉茨的660 kW制冷工厂，另一套位于阿联酋的一家工厂，而2021 年无新增大型太阳能制冷系统投入使用。
2.7 太阳能空气加热系统
太阳能空气加热系统的主要用途是给建筑物供暖，此外还可以用于空气通风和作物加工或干燥。太阳能空气加热技术是目前未被充分利用的太阳能技术。全球新冠疫情爆发增加了建筑物内部对新鲜空气的需求，也增大了对能源的需求，从而导致二氧化碳的排放量增加，但太阳能空气加热系统是绝佳的解决方案。
太阳能空气加热系统可以集成到建筑物中，通常可以减少建筑加热所需传统能源的20%～30%。在农业应用中，太阳能空气加热系统主要用于干燥方面。
太阳能空气集热器是太阳能空气加热系统的主要组成部分。对截至2020年底，全球记录在册的太阳能空气集热器总集热面积超过10000 m2的国家进行了列举，具体如表3所示。
表3 截至2020年底，全球太阳能空气集热器总集热面积超过10000 m2的国家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，全球太阳能空气集热器的累计装机容量为985 MW(集热面积为1405962 m2)。2020年全球新增太阳能空气集热器的装机容量为12 MW(集热面积为17000 m2)。
利用太阳能空气集热器采暖在欧洲不常见，而在北美，将建筑与太阳能空气集热器集成是商业、工业领域和公共市场中最流行的太阳能热利用形式。
本文从《全球太阳能制热报告》中摘编2021年当年和累计的全球太阳能热装机容量及与太阳能热利用市场发展趋势相关的部分内容，并引用来自70多个国家的详细统计数据，以及部分国际机构和部分专家提供的数据，经整理、归纳和分析后得到以下结论：
1)截至2021年底，累计运行的太阳能集热器装机容量为522 GW，对应的集热面积为7.46亿m2。相较于2020年，2021年全球太阳能热利用市场规模增长3%，中国在太阳能热利用市场规模上依旧占据主导地位。截至2021年底，全球已安装的太阳能集热系统的装机容量相当于节省4570万t石油和减少1.475亿t二氧化碳排放。
2) 2021年，全球新建了 44 套大型太阳能供热系统(单个装机容量大于等于350 kW、集热面积大于等于500 m2)，总装机容量为 142 MW。其中21套安装在欧洲，20套安装在中国，3套安装在墨西哥。截至2021年底，全球已累计有530套大型太阳能供热系统投入运行，这些系统总装机容量为1970 MW，总集热面积约为280 万 m2。
3) 2021年全球至少新增78座SHIP站，总集热面积为51539 m2，总装机容量为36 MW。因此，投入运营的SHIP项目总数至少有975个，总集热面积约为123万m2。
4) 2021年，PVT集热器市场的全球市场增长速度提高到13%左右；
其在欧洲市场的增长速度达到21%；
该年至少有 6036 台新 PVT 系统投入使用。截至2021年底，PVT集热器累计热装机容量为751 MW、电装机容量为254 MW。
综上可知，太阳能热利用是太阳能利用技术中非常重要的一环，太阳能热能也是一种重要的可再生能源应用形式，对解决能源和环境危机，保持人类社会的生存和发展意义重大，是目前可再生能源研究的热点问题。
从能源安全和清洁利用角度出发，世界各国都把太阳能热利用的商业化开发和应用作为重要发展措施，其对全球能源可持续发展、碳达峰与碳中和战略目标的实现具有重要意义。
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