中國太陽能資源條件良好，擁有發展太陽能利用產業的自然優勢，但技術亟待發展，推廣應用潛力巨大。
本文在對中國太陽能的資源條件和產業特點分析的基礎上，研究了太陽能光熱、光伏發電的關鍵技術、核心裝備和市場現狀，指出了太陽能建築一體化、多能互補等將是太陽能利用技術發展的未來趨勢。
中國正在從太陽能利用的出產和消費大國向創造強國邁進，太陽能光熱裝置的產量多年來保持世界第一，光伏電池中的多晶矽材料已實現了大幅度的國產化和規模化，光伏發電已具備大規模應用的市場條件。
隨著一系列優惠政策的頒佈和實施，中國太陽能利用產業的健康發展得到了有效保障和積極推動，已形成良好的投資機制。
光熱利用技術
- 太陽能光熱利用現狀
中國太陽能熱水器的年產量和保有量處於世界前列，但人均太陽能集熱面積仍小於太陽能技術先進國家。
中國農村地區太陽能光熱利用技術得到了普及和推廣，太陽能熱水器的使用量已超過城市。
然而，農村地區所使用的太陽能集熱技術仍較為落後，光熱收集和轉換效率不高，產品質量參差不齊。
部分廠商為了追求價格低廉，產品效能引數不符合相關國家標準的規定，其安全性、可靠性、耐久性無法保證，產品質量和技術水平有待提高。
- 太陽能低溫集熱技術
集熱器是太陽能熱水系統中的核心部件，主要包括真空管式和平板式。
太陽能熱水系統集熱器
玻璃真空管式集熱器技術成熟度高，市場價格相對較高，耐壓能力一般小於0.1 MPa，單位採光面積相對較少，裝置可靠性較差，容易出現漏水、破碎、爆管等現象，但傳熱損失小，熱能利用率高，在冬季具有較好的抗凍效能。
平板型集熱器的執行壓力可在0.6MPa以上，單位採光面積相對較大，裝置可靠性高，構件模組化程度高，但熱損失較大，在冬季抗凍效能較差，市場價格相對較低。
目前，玻璃真空管集熱器佔據了中國太陽能熱水器市場的主導地位，而平板型集熱器非常適宜作太陽能建築一體化的功能建材，在發達國家已得到廣泛採用。
國內生產平板型集熱器的廠商也在逐漸增多，太陽能集熱器“南板北管”的格局正在形成。
低溫集熱也可以透過太陽池實現。太陽池是一個垂直深度方向含鹽量具有一定梯度的鹽水池，底部濃鹽水吸可以收並集熱儲存太陽的可見光和紫外線部分輻射能量，中國對太陽池技術的研究起步較晚，目前主要處於實驗室研發階段。
- 太陽能中高溫集熱技術
提高太陽能光熱利用效率和經濟性的根本途徑在於提高太陽能的集熱溫度。
太陽能中高溫集熱用於發電的太陽能利用效率與光伏發電系統相近，且在相同發電規模下佔地面積更少，產生的熱能更便於儲存管理，可保證電站輸出功率更平穩、輸電品質更高。
此外，中高溫集熱發電後的餘熱還可在冬季期用於居民供暖，進一步提高綜合效率和經濟性。
太陽能中高溫集熱器
太陽能中高溫集熱技術關鍵在於設計和製造高效可靠的集熱器，目前普遍採用槽式集熱器、蝶式集熱器、塔式集熱器以及菲尼爾透鏡聚光集熱器。
技術難點集中在：
1）集熱器表面的吸熱塗層
中高溫集熱器要選用對光譜選擇性好的耐高溫吸熱塗層材料，以保持對不同波長光波的高吸收率和低發射率，同時在高溫下有良好的熱穩定性，基體材質一般選用不鏽鋼、碳鋼等金屬材料。
對於基體表面的加工處理和塗覆工藝都需進行嚴格控制，以保證塗層厚度均勻，吸熱面溫度一致。
2）集熱金屬管與真空玻璃間的密封連線
集熱金屬管與真空玻璃管間的密封連線是保障裝置可靠執行的關鍵。
在密封連線時需要嚴格保證波形膨脹節在高溫下的強度和剛度能與玻璃管相匹配，並解決內外管工作時因溫差而引起的失效問題。
此外，集熱管連線處的機械效能必須滿足迴圈工質的工況引數，保證工作執行的可靠性。
中高溫真空集熱管
光伏發電技術
- 太陽能光伏發電技術現狀
國內光伏產業在迅猛發展，但仍面臨諸多挑戰。
光伏元件的原材料（晶矽）的生產屬於高能耗和高汙染的工業專案。
中國光伏產業處於明顯的產能過剩狀態，光伏發電產品主要依靠歐美市場，但近期光伏產品的需求增速減緩，國內市場一時難以消化富餘的產能，光伏企業的生存環境正在不斷惡化。
光伏發電系統的輸出功率不穩定，大規模儲電技術尚未成熟，對電網的安全執行造成了一定影響，目前主要以分散式系統為主，就地消納所發的電能，發展規模受到極大限制。
- 太陽能光伏/光熱一體化技術
光伏轉換效率通常會隨著溫度的上升而下降，為提高轉化效率，降低電池板的受熱溫度，將空氣或液態工質對電池板進行迴圈冷卻，實現在光伏電池輸出電能的同時對外供給熱能，即太陽能光伏/光熱一體化（PV-T）。
該技術可以提高光伏電池的轉化效率，且可以利用電池板收集的熱能，提高太陽能的綜合利用效率，減少系統的佔地面積，降低成本。
太陽能光伏/光熱一體化技術
在無冷卻方式執行時，太陽能電池板溫度可達40~60℃，透過冷卻後電池板溫度可下降約20℃，且保持發電效率10%~13%、集熱效率55%~65%、太陽能綜合利用效率在70%以上。
該技術還可透過調整光伏電池片的覆蓋密度改變PV-T輸出的熱電比例，進一步提高系統執行的經濟性。
目前PV-T的生產成本還較高，但隨著整合製造技術的發展和生產規模的擴大，光伏/光熱一體化技術將成為太陽能利用產業發展的又一動力因素。
太陽能利用技術發展趨勢
- 太陽能建築一體化
太陽能光熱、光電轉換構件均已實現模組化，且可與儲能裝置分離執行，因此採光部件與建築的結合方式也更加靈活多樣，可將太陽能元件完全融入到建築體系中，並與周圍環境和諧統一。
太陽能建築一體化
中國太陽能建築一體化技術還處於起步階段，還需開展深度設計，不斷補充和完善相關的設計標準和施工規程，在建築設計時充分考慮太陽能部件的最佳安裝執行引數和支撐結構安全性，以及屋面防水、保溫、排水、避雷等各項措施，真正將太陽能系統與建築整體統一協調。
- 太陽能海水淡化
利用太陽能進行海水或苦鹹水淡化的能量的方式有：利用太陽能產生熱能以驅動海水相變過程蒸餾（可分為直接法和間接法）；利用太陽能發電以驅動膜淡化過程。
國內在海南省樂東縣自主建造完成了首個太陽能光熱海水淡化商業示範工程專案，該系統可充分發揮菲涅爾透鏡太陽能集熱和多效蒸餾海水淡化各自的技術優勢，提高了太陽能海水淡化系統的穩定性和經濟性，為太陽能光熱海水淡化裝備技術的產業化應用奠定了基礎，將為沿海地區及海島利用開發提供用水保障。
線性菲涅爾式集熱的多效蒸餾海水淡化系統
鋁是一種比較廉價的替代金屬，Zhu等透過在三維多孔氧化鋁模板中，自組裝鋁奈米顆粒製備出等離子激元鋁黑體材料，實現了高達96%的吸收比及91%的光熱轉換效率。
Zhou等開發了一套2級的太陽能膜蒸餾系統實現高效水分收集和最佳化，能夠實現更好的產水速率和更高的淡水回收效果，且分開蒸汽冷凝面和吸光塗層面。
- 多能互補與微能網
透過將太陽能與其他形式能源配合使用，可實現各能源間的空間分佈、時間季節及能源品味的互補，確保系統穩定地供應使用者所需的能量，推動能源、環境、資源的可持續性發展。
多能互補系統可因地制宜地發展太陽能與常規能源或可再生能源相結合的多能互補系統。
配合智慧型電網和儲能技術，實現對多種能源有機結合和綜合管理，形成高效合理的微能網，滿足使用者多層次的能源需求。
- 太陽能多元化應用
將太陽能與其他形式能源轉化技術相結合是擴充套件太陽能應用領域的有效途徑，也是實現各種能源品味對口、梯級利用的重要手段。
太陽能+空氣/地源熱泵以常規能源為輔助加熱系統，可實現全天侯不間斷熱源供給；
太陽能+空氣/地源熱泵
太陽能空調可為建築提供室溫調節、食品冷藏、冷凍保鮮等功能；
太陽能空調
太陽能通風是利用太陽能加熱空氣產生浮力效應，實現建築自然通風，改善內部空氣條件；
太陽能通風
太陽能照明利用反光或導光技術將外部太陽光引入建築內部，節約建築系統的電能消耗。
太陽能照明
太陽能+海水淡化的利用方式有：
利用太陽能蒸餾器直接加熱海水實現蒸發淡化，可在能源緊缺、環境惡劣的條件下獨立執行，環境適應性強，投資少；
太陽能蒸餾器
將外部太陽光引入建築內部，利用自然光為不透光區域提供照明；
以反光或導光技術將外部太陽光引入建築內部
利用太陽能光伏發電驅動反滲透淡化，適用於光照資源豐富但水資源匱乏地區。
利用太陽能光伏發電驅動反滲透淡化
結論
在此階段，中國的光熱利用已逐步完成產業升級，中高溫集熱技術得到了普遍重視和開發。
光伏發電裝置的生產成本得到了顯著下降，為今後大規模應用奠定了良好的市場條件。
太陽能建築一體化、多能互補以及多元化應用將會成為太陽能技術未來發展的重要趨勢，大規模利用太陽能的新時代即將來臨。
本文作者：路紹琰，吳丹，馬來波，高春娟，王亮，張輝，張琦
作者簡介：路紹琰，自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，工程師，研究方向為現海水化學資源利用。
論文全文發表於《科技導報》2021年第19期，原標題為《中國太陽能利用技術發展概況及趨勢》，本文有刪減，歡迎訂閱檢視。
