中国太阳能光电光热技术及应用.docx
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中国太阳能光电光热技术及应用
中国太阳能光电/光热技术及应用
XiandeFangn,DingkunLi
空调和制冷，南京航空航天大学，御道街29，中国南京210016
摘要
在中国，由于对气候变化的关注、环境保护以及能源短缺，人们对于太阳能光伏和热能的应用的研究和开发，给予了越来越多的关注。
一些研究成果已付诸于实践，并且已经形成一个可观的太阳能市场。
其中，太阳能热水器（SWHS），光伏（PV）电池，光伏发电，光电/光热（PV/T）系统已取得了最广泛的普及。
本项研究仔细研究了中国太阳能资源、光伏发电技术及应用，太阳能光热应用的发展，光电/光热系统的研究和开发。
结果表明，在过去的10年里，中国已成为世界上最大的太阳能光伏电池和太阳能热水器生产商。
2011年。
中国的太阳能光伏产品占全世界的42%，而太阳能热水器累计安装量占全世界的2/3。
中国太阳能热水器发展的一个趋势是太阳能热水器与建筑结构的整合一体化，而太阳能光伏和热水系统预计将主导太阳能建筑应用。
本文指出附着于中国太阳能光伏产业上的问题，并提出解决问题的一些建议。
关键字：
太阳能光伏电池热热水器制冷机太阳能光电/光热
目录
摘要1
1.引言3
2.中国太阳能资源及能源需求3
2.1太阳能资源3
2.2能源需求4
3.中国光伏技术的应用6
3.1中国光伏系统的典型类型6
3.2中国光伏产业现状6
3.3中国太阳能光伏发电技术水平及价格8
4.中国太阳能光热技术及应用9
4.1太阳能热水器9
4.1.1太阳能热水器的市场组成部分9
4.1.2太阳能热水器的生产和累计量10
4.1.3太阳能热水器的市场结构10
4.1.4太阳能热水器的安装11
4.2太阳能建筑12
4.2.1被动式太阳能加热建筑12
4.2.2主动和混合太阳能建筑12
4.3太阳能灶13
5.中国光电/光热系统的研究和开发13
5.1光电/光热液体系统14
5.1.1平板光电/光热热水系统的研究14
5.1.2聚光PV/T热水系统的研究15
5.2PV/T热泵系统16
6结果与讨论18
6.1中国太阳能的发展和应用的状态概要18
6.2中国光伏产业存在的问题18
6.3建议19
参考文献20
1.引言
20世纪70年代，能源危机的公示激起了许多对中国太阳能研究、发展及应用的关注。
由于能源短缺及对气候变化的忧虑，导致这种关注愈加深厚。
对于推动可再生能源的应用，中国一贯追求进取型的政策。
2006年1月1日开始实施中华人民共和国可再生能源法。
法律敦促地方政府制定政策，规定可再生能源的发展和应用，其中太阳能是一个重要的元素。
从那时起，一些法律法规陆续出台，如“节约能源法”，“可再生能源中期和长期发展计划”和“民用建筑节能条例”[1,2]。
有效地实施中国人民共和国可再生能源法，已经建立了几个全国性的和许多省级和市级水平的可再生能源发展基金，金融财政补贴，和利率和减税奖励，其中一些特定的，是针对于太阳能能源的发展和应用。
2006年，中国财政部（MOF）和住房和城乡发展部联合下发了“可再生能源发展的具体资金管理办法”，“可再生能源建筑应用的特定基金管理暂行办法”。
2009年，财政部发布了政府财政补贴暂行办法“太阳能光电建筑”[4]，财政部和科学技术部（MOST）联合下发财政补贴管理暂行办法“金太阳计划”[3]。
中国已成为世界上最大的可再生能源的投资者。
2011年，中国在可再生能源投资520亿美元，约达全球总投资的1/5并高于其他所有国家[5]。
2010年底，可再生能源的利用，共有581个示范项目，47个示范城市和98个示范县[2]。
2011年，可再生能源的使用量约占中国能源消费总量的8％。
中国政府有一个议程，使得可再生能源比例到2020年增加至15％，其中太阳能发挥了重要作用[6]。
本项研究对太阳能资源以及中国的太阳能光伏和热应用提供了全面的评论，包括光伏电池，太阳能热水器（SWHS），太阳能建筑，太阳能灶，光电/光热（PV/T）系统的开发和应用现状。
本评论向人们提供了严格的对中国的太阳能技术的开发和应用的理解。
本项研究还针对中国光伏产业的问题进行了分析，并提出解决问题的措施。
2.中国太阳能资源及能源需求
2.1太阳能资源
中国拥有丰富的太阳能资源。
据估计，中国旱地表面接收太阳能量大约50﹡1013亿焦耳/年。
范围从33.5到83.7亿焦耳/平方年，可分为五个区域，如表1中所列的太阳辐射。
太阳能资源的区域分布的主要特点为：
（1）中国每年接收的太阳辐射总量的三分之二约50亿焦耳/平方年，一年需要超过2200小时的光照射。
（2）太阳辐射总量最大的地区在青藏高原，太阳辐射总量最小的地区在四川盆地，两个地区均位于北纬22度-35度之间。
（3）中国太阳辐射总量西部比东部高，除西藏和新疆南部地区外的大多数地区都比北方地区的太阳辐射总量少。
（4）太阳能资源的地理分布与全国电力负荷分布不相符。
在沙漠和高原地区，太阳能资源丰富，但电力需求相对较小。
相反，沿海地区的电力负载高，而太阳能资源不足。
这对中国太阳能的应用提出了一个重大的挑战，特别是太阳能光伏发电的发展，因为太阳能资源丰富的地区都远离电力负荷中心所在地[7]。
区域
日照
小时/年
太阳辐射总量
GJ/（平方米*年）
地区
I
3200–3300
6.70–8.37
新疆南部，甘肃北部，宁夏北部，青臧高原
II
3000–3200
5.86–6.70
河北南部，陕西北部，内蒙古南部，宁夏南部，青海东部，西藏东南部，新疆南部
III
2200–3000
5.02–5.86
山东，河南，河北东南部，山西南部，新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北部，甘肃东南部，广东南部，福建南部，江苏北部，安徽北部
IV
1400–2200
4.19–5.02
中东和长江下游地区，福建，浙江，广东
V
1000–1400
3.35–4.19
四川，贵州，重庆
2.2能源需求
在过去的30年中，中国年均国内生产总值以9％以上的平均增长率增长，这使得能源消耗快速增加。
2006年中国一次能源消费量258680万吨标煤（万吨标准煤），2011年增长至3478.0万吨标准煤，5年间同比增长34.5％[8]。
与此同时，从2006年到2011年,中国一次能源生产量从2321.7万吨标准煤，增长至3130万吨标准煤，5年间增长34.8％。
平均而言，5年之内能源进口量占11％。
表2显示了中国的能源生产和消耗[8-11]，从它可以看出，在过去的5年中，中国的电力需求增加了66％。
从长期的角度来看，传统的电力是不能够满足日益增长的电力需求。
快速发展的可再生能源发电，包括光伏发电，预计可以填补这个缺口。
表2：
中国的能源生产及消耗
年份
GDP
增长率（%）
主要能源（PE）生产（Mtce）
生产PE的增长率（%）
PE消耗（Mtce）
PE消耗增长率（%）
电耗（109kW）
电耗增长率（%）
2001
8.3
1438.8
6.5
1504.1
3.3
1468.3
8.7
2002
9.1
1506.6
4.7
1594.3
6.0
1638.4
11.6
2003
10.0
1719.1
14.1
1837.9
15.3
1889.1
15.3
2004
10.1
1996.5
14.4
2134.6
16.1
2173.5
15.1
2005
11.3
2162.2
10.0
2360.0
10.6
2477.9
14.0
2006
12.7
2321.7
7.4
2586.8
99.6
2824.8
14.0
2007
14.2
2472.3
6.5
2805.1
8.4
3245.8
14.9
2008
9.6
2605.5
5.4
2914.5
3.9
3426.8
5.6
2009
9.2
2746.2
5.4
3066.5
5.2
2659.5
6.8
2010
10.4
2969.2
8.1
3249.4
6.0
4192.3
14.6
2011
9.2
3130.0
5.4
3478.0
7.0
4692.8
11.9
2010年至2011年，全球能源消耗从5.1%增长至2.5%，而中国的能源消耗从6.0%增长至7.0%。
图1显示了在2010年的一次能源消耗的燃料。
如图可知，油是在世界上的主要燃料，而煤是在中国的主要燃料。
在中国，煤炭占能源消耗的70％以上，而且这一数字在过去十年中变化不大。
由于化石燃料价格的上涨和日益令人担忧的环境问题，中国的燃煤电厂都面临着巨大的压力。
图1：
主要燃料的能源消耗
由于面临能源安全和保护环境的这一难题，中国需要积极实施国家太阳能任务。
“十二五”规划计划中国的光伏（PV）安装目标，从2015年的10-15万千瓦增长至2020年的50万千瓦。
这是一种加快中国太阳能光伏发电的开发和应用的有力推动力。
虽然目前光伏发电价格远高于常规燃煤发电，但它具有自身独特的长远竞争力。
3.中国光伏技术的应用
3.1中国光伏系统的典型类型
中国有两种典型的类型的光伏发电系统：
单机系统与电网连接系统[13,14]。
电网连接光伏系统由光伏阵列，一个逆变器，以及控制器构成（如图2所示）。
它直接将太阳光能转换成电能，并通过逆变器将电力传输到电网。
电网连接光伏系统大都用于大型光伏发电或与建筑的结合之中。
图2：
电网连接光伏发电系统图3：
独立光伏发电系统
一个独立光伏发电系统由光伏阵列、逆变器，和一个控制器构成，并且它通常还具有一个蓄电池（图3）。
若没有蓄电池，在没有阳光时，直接使用独立光伏系统产生的电力是无法实现供电的。
中国大多数的独立光伏系统都配有蓄电池。
如今，这些光伏系统常用于小型家用光伏机组，光伏电站，照明系统，通信基地，每年中国边远地区、非电气化地区有至少3-4兆瓦的需求量，在中国光伏照明系统已经被广泛使用。
3.2中国光伏产业现状
中国光伏产业增长迅速，并已经形成光伏产业链。
2007年，中国光伏电池的产量超过了德国和日本，从那时起，中国已经成为全球最大的光伏电池生产国。
中国光伏发电的最新装机容量达到22亿瓦（GW），2011年，第一次达到千兆瓦（GW）规模，使中国成为意大利和德国之后的第三大光伏安装国。
据估计，中国的光伏安装量在2012年达到45亿瓦（GW），占全球总量的14％。
中国光伏产品的年产量与年安装量如表3所示[15-18]，可以看出，中国的光伏产业以出口为主，虽然国内市场的需求快速增加，但仍然不足。
表3：
中国光伏产品的年产量与年安装量
年份
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
年产量
4.5
10
10
50
200
400
1088
2600
4011
10500
21000
年安装
4.5
12
10
10
8
10
20
40
160
500
2200
累计安装
30
42
52
62
70
80
100
140
300
800
3000
自2009年由财政部和科技部发起金色太阳能计划以来，这种情况逐步发生变化，国内市场也日趋严格[4]。
这项计划包括光伏建筑一体化（BIPV）系统，大规模的电网连接的光伏电站，以及支持光伏产业的研究和发展基金的上网电价补贴政策，旨在安装超过500兆瓦（MW）光伏组件。
中国已经开始实施的政策，包括太阳能光伏发电装置的直接补助，从而扩大国内太阳能光伏发电需求。
中国的光伏产品与全球光伏产品的比较如表4所示。
可以看出，虽然约90％的光伏产品销往海外，但中国国内光伏产品的需求依旧迅速增加。
与2010年相比，中国2011年无论是最新的光伏发电装置量还是累计光伏安装量均在世界上的比例份额增加一倍之多，分别从3％增加至7.9％，从2％至4.5％。
据NPDSolarbuzz可知[19]，2012年第四季度，中国消耗了的全球出货量的33％。
表4：
中国的光伏产品与全球光伏产品的比较
2010
2011
世界
中国
中国所占比例（%）
世界
中国
中国所占比例（%）
年产量
20.5
10.5
51.2
50
21
42
年安装
10.5
0.5
3.0
27.7
2.2
7.9
累计安装
39.7
0.8
2.0
67.4
3.0
4.5
在中国的光伏发电装置中，电网连接光伏系统得到了迅速的增益。
在实施金太阳计划中，2011年之前批准的有294个容量为642兆瓦的电网连接的项目，说明中国国内电网连接光伏市场正迅速扩大。
2006年电网连接光伏系统仅占的太阳能光伏发电总装机容量的5％[20]，并在2011年增至80％以上。
表5所示为中国光伏产品累计安装的分解量，BIPV即光伏建筑一体化，BAPV即建筑附加光伏。
大规模光伏电站和光伏建筑一体化系统迅速发展。
2011年，中国拥有10以上的10兆瓦的光伏电站，最大的大型光伏电站是位于徐州的20兆瓦的光伏电站。
3.13兆瓦的上海世博会系统是最大的光伏建筑一体化系统。
表5：
中国光伏产品累计安装的分解量
市场
2009
2010
数量
份额（%）
数量
份额（%）
农村电气化
58
19.3
75
9.4
通信行业
40
13.3
42
5.3
光伏产品
40
13.3
40
5.0
BIPV/BAPV系统
73.1
24.4
256
32.0
沙漠/戈壁的大型光伏电站
88.9
29.6
387
48.4
总计
300
100
800
100
2011年，在全球排名前10位的太阳能光伏电池制造商，控制了全球一半左右的产量，其中6个来自中国大陆，3个来自中国台湾，如表6所示[21]。
目前，在中国，有50多个太阳能电池和300多个太阳能组件公司。
我国拥有丰富的石英砂和石英矿床，因此可以制造特殊用途的材料和硬件，从而使得光伏产业得以快速发展。
表6：
全球排名前10位的太阳能光伏电池制造商
排名
制造商
国家
容量
成立时间
1
尚德
中国大陆
2400
2001
2
晶澳太阳能
中国大陆
2100
2005
3
天合光能
中国大陆
1900
1997
4
英利绿色能源
中国大陆
1700
1998
5
茂迪
中国台湾
1500
1981
6
昱晶
中国台湾
1500
2005
7
加拿大太阳能
中国大陆
1300
2001
8
新日光能源
中国台湾
1300
2005
9
韩华太阳能一号
韩国
1100
2004
10
晶科能源
中国大陆
1100
2006
3.3中国太阳能光伏发电技术水平及价格
中国整体光伏技术仍是处于较低的水平，在太阳能电池和组件转换效率上，大多数企业落后于世界先进水平的（表7）[16]。
而在新型高效太阳能电池组件和高纯硅，薄膜和高浓度光伏电池技术的研究上，中国也落后于其他领先国家。
至于产品线，我国的光伏制造商大多是进口来自欧洲、美国或日本的主要设备，这使得在不久的将来，中国很难使自己的产品在高端市场中，与那些发达国家的产品进行竞争。
表7：
太阳能电池效率[16]
光伏电池类型
实验室最大效率（％）
商业最大效率（％）
中国
国际
中国
国际
单硅光伏电池
20.4
25
19
22
多晶硅光伏电池
18
20.3
16
16.9
砷化镓光伏电池
29.25
42.3
26
铜铟镓硒光伏电池
14.3
20.3
15.7
镉碲光伏电池
13.38
6.7
8-10
燃料敏化太阳能电池
8.1
11.1
硅太阳能电池
17.27
23
在过去的2002年至2012年的10年中，光伏组件价格下降90％。
从2008年组件价格的骤然迅速下降，主要是因为由于严峻的出口环境所造成的全球市场需求的突然下降，如全球金融危机的影响，德国的一个明显急转回的上网电价，以及美国同时征收对中国的反倾销和反补贴税的双重救济。
在2012年年底，光伏组件价格减少至0.55-0.91美元。
目前，光伏发电相较于与常规发电，其成本仍然过高。
即使调整其时间、传输优势、温室气体减排的益处后，光伏发电的社会效益仍然小于中国的社会成本。
例如，对于2011年7月1日或在此之后（在2012年7月1日以前）批准的太阳能光伏发电项目，直至2012年年底仍尚未正式运营，除西藏外设置为1.0元/千瓦时的上网电价，其关税持续处于是1.15元/千瓦时。
而这一价格远高于常规电力的电价。
但中国太阳能光伏行业仍然取得了良好的利润率，并在2012年得到可以扩张的通知，这大部分得益于政府的政策及补贴。
4.中国太阳能光热技术及应用
4.1太阳能热水器
4.1.1太阳能热水器的市场组成部分
中国热水器市场中主要有三大类：
电热水器，燃气热水器，太阳能热水器（SWHS）。
太阳能热水器竞争激烈，并已成为国内极具吸引力工业的一部分。
据Huicong的研究可知[22]，太阳能热水器（SWHS）占中国热水器市场份额的22％（图4）。
图4：
中国热水器市场份额分配
约70％的热水器销售到乡村，太阳能热水器的所有权率达90％，而电热水器和燃气热水器分别达到7％及2％[23,24]。
4.1.2太阳能热水器的生产和累计量
图5和图6显示了太阳能热水器每年（从2000年至2011年）的年产量和累计量状况[25-28]。
2000年至2005年，其产量年均增加22％；2005年至2010年，其产量年均增长约27％。
2011年，太阳能热水器产量达到57600000平方米，累计装机容量达1.94亿平方米。
我国已成为世界上最大的太阳能热水器市场，持有约2/3的累计容量。
2010年，共有约5000家涉及开发，生产，销售，及安装太阳能热水器（SWHS）的公司，员工约有3.5万名。
图5：
太阳能热水器产量图6：
太阳能热水器的累计容量
4.1.3太阳能热水器的市场结构
中国太阳能热水器主要有三种类型：
批量，平板，真空管类型，其中真空管式的太阳能热水器拥有最大的市场份额（图7）。
2007年，中国太阳能热水器（SWHS）的95.35％为真空管系统，只有4.65％为平板型[29]。
与此相反，在欧盟，其中85.58％为平板系统，而只有8.74％为真空管[30]。
图7：
中国市场的太阳能热水器的份额比例
4.1.4太阳能热水器的安装
在中国，有两个主要的太阳能热水器的安装方式：
屋顶式（图8和图9）和阳台式（图10）。
图8显示了一种典型的安装方式，即太阳能热水器（SWHS）放置在屋顶上。
图9显示了另一种常见的屋顶安装的方式，即太阳能热水器（SWHS）被嵌入到建筑物的屋顶。
图8：
中国屋顶式太阳能热水器[31]图9：
嵌入到建筑物屋顶的太阳能热水器
图10显示了一个建设在北京奥林匹克中心的新能源利用示范项目，其太阳能热水器（SWHS）与建筑物的阳台一体化。
通过适当的设计和安装，与建筑物一体化的太阳能热水器（SWHS）不仅可以提供热水服务，同时也可在冬季用于取暖。
图10：
北京奥林匹克中心的能源示范建筑
4.2太阳能建筑
4.2.1被动式太阳能加热建筑
中国首个被动式太阳能加热建筑（PSHB）始建于1977年，甘肃民勤县[33]。
被动式太阳能加热建筑（PSHB）历经了1991至1995年间年均54.5％的增长率最快的时期。
但在2000年以后，其增长速率变得更慢，只有1.4％，如图11所示[34-36]。
增长缓慢的主要原因之一是的被动式太阳能加热建筑（PSHB）技术需要加以改进，以降低低收入家庭的建设成本，以及增加其更好的舒适度。
传统被动式太阳能加热建筑（PSHBs）使用特隆布（Trombe）墙壁，直接受益窗，阳光间或屋顶池塘。
中国开发了几种新类型的收集太阳能的方法。
FangandLi[37]对带有装格子的太阳能墙的被动式太阳能加热建筑（PSHB）进行了研究，如图12所示。
在北京地区发现的另一种类型通常是直接受益窗与特隆布墙或安装有格子的太阳能墙，以及墙上所有的直接受益窗相结合。
图11：
被动式太阳能热建筑的累计容量图12：
格式墙（b）和格式太阳能墙的建筑（a）
中国实施了一些合作方案和示范项目。
最早的一个是中国与德国合作项目，即通过建在北京大兴县一个村庄的几个被动式太阳能加热建筑（PSHBs），实现研究和示范。
2004年6月，全球环境基金为建设分布在山西、甘肃、青海等地的农村地区的29个被动式太阳能加热医院提供资金，并已顺利建成。
其总建筑面积为7860平方米。
相较于正常的房屋，大多数的被动式太阳能加热建筑（PSHBs）可以节省60-80％的热量。
被动式太阳能加热建筑（PSHB）的第一成本通常会增加12-40％，而获得回报的时间范围约3至10年[38]。
4.2.2主动和混合太阳能建筑
在过去的十年间，主动和混合动力的太阳能建筑已在中国得以迅速发展。
大多数新能源示范项目利用了多种技术，如太阳能热水器，光伏，热泵子系统（图9）与被动式太阳能加热建筑（PSHB）相结合。
热利用子系统可以提供热水、供暖和制冷服务，而光伏子系统为照明和家用电器提供电力。
2005年，太阳能建筑，包括被动式、主动式以及混合式的建筑，累计量达到1500万平方米[39]，而且估计2010年约达到2千万平方米[26]。
考虑到纯粹的被动式太阳能建筑自2005年以来增长了一些，可知它就是中国自2005年以来主动式、混合式太阳能建筑以年均增长1百万平方米的原因所在。
4.3太阳能灶
图13所示为中国太阳能灶的累计量。
[26,36,40-42]。
自1995年起，年均稳定增长约20,300个。
在中国大部分地区，每年太阳能灶要工作150-200天。
平均而言，一个太阳能灶每年可以节省柴火约1000公斤，在1-2年内将获得收回投资;每个太阳能灶面积约2平方米，其售价在60-80美元之间。
图13：
中国太阳能灶的累计量图14：
中国太阳能灶的区域分布
在太阳能是丰富的地区，如甘肃，西藏，青海，宁夏等省偏远山区，大多数都在使用太阳能灶，（图14）。
5.中国光电/光热系统的研究和开发
光伏电池的吸收高达80％的太阳辐射量，其中只有5-20％转化为电能，剩余的能量变成热能，从而导致在晴天时，光伏层压板的温度比环境温度高达35℃[43]。
由于光伏电池变热，其效率变低，这可能会导致发电的大幅降低。
解决这个问题的最佳途径是光电/光热（PV/T）技术[44:
]。
根据集电极自身含有的循环介质，光电/光热（PV/T）系统可以分为：
光电/光热空气系统[45,46]，光电/光热液系统，光电/光热热泵系统，以及光电/光热供热管网系统。
光电/光热空气系统的效率低于其他三类，而且也并不复杂。
因此，在中国，光电/光热空气系统的研究活动
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