江苏省能源研究会主办（2016.12.18）

卷首语

能源是人类生存与文明进步的基础，人类利用能源是从可再生能源的利用开始的，薪柴燃烧、风车、水车在生产中的运用等；蒸汽机的发明推动了第一次工业革命；电力的发明推动了第二次工业革命；随着人类认识和利用自然的水平和能力不断提高，人们为了大规模地利用可再生能源不懈努力，特别是在应对全球气候变化的大背景下，可再生能源中非碳能源的规模化利用问题得到了更加广泛的关注。

江苏省能源研究会致力于能源的高效清洁利用、可再生能源的规模化利用以及碳减排及其资源化利用等领域的学术进步与科技创新，致力于为会员朋友打造不同形式的学术与技术的交流平台，电子刊物《能源科技快讯》就是这样的平台之一，希望借助这样的新媒体平台，为学科的发展、产业的发展以及会员的发展提供服务和机会。

《能源科技快讯》重点推介能源高效清洁利用、可再生能源的规模化利用以及碳减排及其资源化利用等领域的最新科技创新成果，拓展读者的视野，为研究者提供借鉴。

本期简介

太阳能是最主要的可再生的非碳能源，从某种意义上来说，太阳能也与风能、地热能、生物质能等可再生能源有着密不可分的联系。本期《能源科技快讯》以主要推荐“美国太阳能技术取得重大进展”和“多种太阳能技术与建筑一体化的应用研究”等两篇报道，前者主要介绍了美国太阳能技术进展及其发电成本的下降目标；后者主要介绍太阳能与建筑一体化的技术及其示范应用成果。

1、美国太阳能技术取得重大进展（引自《石油石化节能与减排》2015年第5卷 第4期）

    美国太阳能技术取得重大进展，据美国能源部网站 2015 年 5 月报道，美国太阳能办公室支持的“Sunshot”计划，目标是到2020 年使太阳能技术与传统能源相比具有成本竞争力。通过减少近 75 %（以 2010 年水平为基准）的公用事业规模太阳能发电装机成本、使在无成本补贴情况下降至约 0.06 美元/千瓦时，可以迅速推动美国太阳能发电的大规模应用。在太阳能技术领域的投资可以帮助美国重新建立在太阳能技术和市场的领先地位，减少发电对环境的影响，并增强美国经济竞争力。

太阳能办公室采用多种方式来实现“Sunshot”计划目标：光伏（PV）研究与开发让美国在科技论文、专利等方面都处于世界领先地位，为太阳能产业提供技术优势；聚焦式太阳能发电（CSP）提高系统效率，同时开发先进的蓄热器提供可调度型电能；系统集成主要开发太阳能和输电网的集成技术，包括电力电子设备和系统层面的可再生能源集成研究；通过与州和地方层面的利益相关方合作，削减平衡系统软成本，这些软成本占系统成本的 50 % 以上；制造业竞争力创新投资那些能提高美国公司在太阳能整体价值链上具竞争实力的技术（如设备和生产流程自动化）；孵化器投资支持小型企业，帮助产品和服务迅速商业化，同时吸引后续民间资本。

到 2020 年，美国太阳能预期将实现以下目标：聚焦式太阳能发电均化发电成本为 0.06 美元/千瓦时；公用事业规模的光伏系统价格为 1 美元/瓦；商业化规模的光伏系统价格为 1.25 美元/瓦；住宅规模的光伏系统价格为 1.5 美元/瓦；到 2014年底，即 10 年期的“Sunshot”计划启动四年来，2020 年的计划目标已经实现了 70 %。具体成果如下：聚焦式太阳能发电均化发电成本达到了 0.13 美元/千瓦时；公用事业规模的光伏系统价格达到了1.68 美元/瓦；商业化规模的光伏系统价格达到了2.38 美元/瓦；住宅规模的光伏系统价格达到了 3.12美元/瓦。

2016 年的首要任务是，充分利用上一财年对聚焦式太阳能发电子系统的研究，在 1～10 兆瓦的规模范围验证 CSP 系统的集成技术成果；研究光伏电池和模块的新方向，以及“Sunshot”计划外、具有降低光伏系统成本潜力的新方法；关注商业规模的太阳能系统，重点关注装机质量并制定先进的员工训练标准；开发能够降低成本、提高太阳能系统电力电子可靠性和功能性的前沿技术；通过投资先进制造业的研发，提高美国制造业和市场需求的契合程度。

目前已取得的关键成绩包括：1）聚焦式太阳能发电技术商业化：利用美国能源部的投资已经实现了大规模商业化聚焦式太阳能发电技术的应用，装机容量达 1.3 吉瓦；2）领先光伏研发：过去 35年中，美国能源部支持的国家实验室已经将太阳能电池效率提高了 50 %，创造了世界纪录；3）提高系统集成：Sunshot 研发项目宣布了“小型发电机互连程序”，将使住宅用和商业化太阳能的交互联接流程化；4）减少繁文缛节：Sunshot 计划与各州和当地政府合作，让太阳能开发利用的相关程序更加迅速便捷，同时降低费用成本。“屋顶太阳能挑战”项目第一阶段就将许可获得时间缩减了 40 %，费用减少 12 %，同时给超过 4 700

万人提供了利用太阳能的机会；5）Sunshot 孵化器：自 2007 年起，Sunshot 孵化器计划为小型企业提供前期帮助，让其能尽快将新产品和服务带向市场。目前总投资约 1 亿美元，吸引了超过 20亿美元的后续民间资本投资；6）建立熟练的太阳能员工队伍：“太阳能指导训练网络”涵盖了49 个州的 400 多所高校，来帮助满足太阳能产业日益增长的员工需求，同时注重招募退伍军人。

“太阳能指导训练网络”（SITN）已经培训了太阳能领域的员工３万多名，并努力在 2020 年前实现培训 5 万名员工。

2、多种太阳能技术与建筑一体化的应用研究（引自《太阳能学报》2016年第37卷第2期）

在建筑上采用太阳能技术能够承担部分建筑能耗，降低化石能源的使用比重，因而获得了国内外学者的广泛关注。首先，在太阳能与建筑一体化组件研究方面，在保证高效的基础上，太阳能组件由功能单一性转向多功能性。季 杰等［1］提出了一种新型的太阳能双效集热器，既可在冬季提供热空气供给建筑采暖，也可在其他季节提供生活热水。此外，还提出太阳能光伏热水模块一体墙，可同时进行光伏发电和生活热水的制取，光电光热综合性能效率可达 70%［2］。其次，太阳能在建筑上的应用形式多元化发展（包括太阳能光伏发电［3］、热水［4］、采暖、制冷［5，6］、通风［7］等）为建筑提供电力、空调、生活热水等所需的能源消耗。总之太阳能技术与建筑一体化得到了持续发展，在上述研究基础上，采用多种太阳能节能技术与建筑一体化越来越多的应用于工程示范当中。翟晓强等［8］针对上海市生态建筑示范楼，介绍了太阳能供热水、空调、地板采暖、自然通风等系统在典型工况下的运行特性。Atikol 等［9］介绍了北塞浦路斯（North Cyprus）太阳能建筑，建筑集成了太阳能光伏、热水、采暖以及自然冷却等技术。

本文介绍一栋建在合肥中国科学技术大学校内的太阳能示范建筑。作为研究太阳能建筑一体化的实验平台，该建筑集成了光伏、制冷采暖空调、热水等太阳能技术，提供一个多种太阳能技术与建筑一体化的设计方案，并针对各个系统开展实验研究，对所获得数据进行分析。

1 太阳能示范建筑

该示范建筑为双层斜屋面木结构办公用房，总面积 265.6 m 2 。图 1 为太阳能组件在建筑上安装的实物图。从图 1 可看到，在安装结构设计中，太阳能主动双效集热器和光伏热水模块分别安装在示范建筑一层与二层南向斜屋面上，太阳能被动双效集热器和PV-Trombe 墙分别嵌入在一层和二层南向墙面上。此外，真空管集热器安装在示范建筑西侧（图中未显示）。设计方案充分利用建筑向阳面积，将集热器与建筑围护结构一体化，最大程度采集太阳能。

图1太阳能建筑示范楼

在太阳能组件功能设计中，采用太阳能主、被动双效集热器在冬季提供热空气供建筑采暖，其他季节作为太阳热水器提供生活热水；采用太阳能光伏热水模块同时进行光伏发电和获取生活热水；采用 PV-Trombe 墙对建筑进行被动采暖和光伏发电；采用真空管集热器对吸收式制冷提供热源。以太阳集热器作为核心组件所组成的系统包括太阳能光伏发电系统，热水系统，主、被动采暖系统，制冷空调系统等。

1.1 太阳能光伏发电系统

太阳能光伏系统采用当地发电当地使用的发电策略，由太阳能光伏热水模块和 PV-Trombe 墙分别连接逆变并网控制器组成，与校园局域网并网。根据模块的功能，光伏热水模块在发电的同时获取热水，可对太阳电池降温，提高发电效率 ［10］；PV-Trombe 墙在冬季将热量传递到房间内进行供暖，在其他季节则通过上下通风口对电池冷却。前者太阳电池面积为 28.0 m 2 ，后者太阳电池面积为10.0 m 2 ，所采用的电池均为多晶硅电池。

1.2 太阳能热水系统

该建筑太阳能热水系统由太阳能主、被动双效集热器（主动双效集热器面积 44.2 m 2 ，被动双效集热器面积 11.3 m 2 ），光伏热水模块（集热面积 43.3m 2 ），真空管集热器（安装面积 100.0 m 2 ）分别作为核心部件组成 3 个相互独立的系统。其中，光伏热水模块中采用防冻液（丙二醇）作为工质，利用板式换热器与保温蓄热水箱进行换热，防止冬季结冰，保证系统全年运行。真空管集热器主要在夏季为太阳能吸收式制冷系统提供驱动热源。

1.3 太阳能主、被动采暖系统

该建筑冬季利用太阳能采暖设计方案中，对南北两侧房间同时供暖。考虑到太阳能被动采暖易于维护、成本低，但局限在向阳房间；太阳能主动采暖灵活性好，但经济性差。方案采用主、被动相结合的供暖策略，发挥各自优点，使用热空气进行供暖。采用空气采暖具有系统结构简单、无防冻问题等优点。方案中，南向房间采用太阳能被动双效集热器和 PV-Trombe 墙，利用自然对流提供被动供暖；北向房间采用太阳能主动双效集热器加热外界空气，通过风机和管道将热空气输送到需要的房间。集热器的安装做到与建筑围护结构一体化设计，造型美观。

1.4 太阳能制冷空调系统

该建筑太阳能制冷设计方案中，采用热水型溴化锂单效吸收式制冷机，由太阳能热水驱动。系统由真空管集热器、蓄热水箱、吸收式制冷机、冷却塔以及室内毛细管辐射制冷末端组成。采用毛细管辐射制冷末端，通过增加换热面积，降低对冷冻水温度要求，更好地匹配太阳能吸收式制冷。方案采用的毛细管辐射制冷末端包括毛细管吊顶和毛细管重力除湿柜。前者将毛细管铺设在吊顶天花板或墙壁，冷水在外径为 4.3 mm 的毛细管中流动，冷却室内天花板或墙壁表面，通过冷面辐射对房间降温。后者毛细管内置于柜体内部，管内流动的冷冻水低于露点温度，可致空气在管壁凝结，冷凝水由于重力作用汇聚到底端，通过排泄孔排出房间，达到降温除湿功能。吸收式制冷机额定制冷功率为23 kW，热源额定工作温度为 90.0 ℃，停机阈值温度为 70.0 ℃，真空管集热器提供的热水温度能够匹配制冷机工作温度范围。

2 实验结果和分析（略）

3 结 论

本文介绍了一个采用多种太阳能节能技术与建筑一体化方案，由太阳能提供建筑采暖、制冷空调，电力以及生活热水等能耗需求。通过实验数据，分析了太阳能节能技术在建筑上的运行特性，主要结论如下：

1）在建筑上应用的太阳能光伏组件包括光伏热水模块和 PV-Trombe 墙，在秋季晴朗天气下，可提供 18.1 kWh 的电量，发电效率分别为 10.5%和8.5%。

2）建筑在晴朗天气下，由太阳能主、被动双效集热器（冬季除外）和光伏热水模块可各获得热水1 t，满足生活热水的需要。

3）建筑采暖采用太阳能主、被动采暖相结合策略，南北两侧房间温度几乎相同，平均温度为17.1 ℃，最高温度为 21.0 ℃。根据 PMV 判定，房间热舒适性良好。

4）建筑制冷采用太阳能吸收式制冷空调以及毛细管辐射制冷末端相结合的系统。在夏季工况下，办公运行时间，供冷房间平均温度为 26.2 ℃，对比房间为 36.2 ℃，制冷效果显著，平均制冷功率17.0 kW，平均制冷 COP 为 0.6，供冷房间热舒适性良好。

编后语

太阳能光伏发电是目前各国竞相推广的太阳能规模化利用技术，光伏发电成本是其规模化利用的瓶颈制约因素，美国太阳能办公室支持的“Sunshot”计划中，明确提出到2020 年使太阳能技术与传统能源相比具有成本竞争力。即到 2020 年，美国太阳能预期将实现以下目标：聚焦式太阳能发电均化发电成本为 0.06 美元/千瓦时；公用事业规模的光伏系统价格为 1 美元/瓦；商业化规模的光伏系统价格为 1.25 美元/瓦；住宅规模的光伏系统价格为 1.5 美元/瓦。这些指标对国内同行具有借鉴价值和意义。

太阳能相对而言能量密度低、不稳定，更适合于分布式应用，太阳能建筑一体化是通用分布式应用的主要形式。多种太阳能技术与建筑一体化的应用研究，介绍了一种由太阳能提供建筑采暖、制冷空调，电力以及生活热水等能耗需求的太阳能建筑一体化解决方案，具有借鉴错用。