2021年全球太陽能熱利用市場分析

呂偉中 編譯

(甘肅自然能源研究所，蘭州730046)

0 引言

在全球能源短缺愈發加劇的背景下，加大可再生能源利用，尤其是太陽能利用已成為世界各國的共識。除了成熟的光伏發電技術外，太陽能熱利用技術也已得到廣泛普及。太陽能熱利用技術是將太陽能轉為熱能，并運用其能量加熱熱水、產生蒸汽和發電等，本文僅針對太陽能熱利用在太陽能集熱器及工業領域的應用進行分析。熱能的最大優勢是可利用保溫技術來儲備能量。國際能源署(IEA)下屬的太陽能加熱和冷卻技術合作計劃 (SHC TCP)每年都會在其框架內發布《全球太陽能制熱報告》，本文從中僅摘編2021年當年和累計的全球太陽能熱裝機容量及與太陽能熱利用市場發展趨勢相關的部分內容，并引用來自70多個國家的詳細統計數據，以及部分國際機構和部分專家提供的數據，經整理、歸納和分析，得出相應結論，以供國內太陽能業內人士參考。

1 2021年全球太陽能熱裝機容量

全球在運行的各類太陽能集熱器 (以水為工質)的累計裝機容量從2000年的62 GW(集熱面積約為8900萬m2)增長到2021年的522 GW(集熱面積約為7.46億m2)[1]；相應的其年熱能產量從2000年的51 TWh增至2021年的425 TWh[2]，具體如圖1所示。

圖1 2000—2021年全球在運行的太陽能集熱器的累計裝機容量和年熱能產量Fig. 1 Accumulated installed capacity and annual thermal energy production of solar collectors in operation worldwide from 2000 to 2021

2021年全球新增太陽能集熱器裝機容量為21 GW(集熱面積約為3100萬m2)，相較于2020年，新增集熱面積增長3%，是連續7年下降后的首次增長。

2001—2021年全球的太陽能集熱器年裝機容量和年凈增容量如圖2所示。

圖2 2001—2021年全球的太陽能集熱器年裝機容量和年凈增容量Fig. 2 Annual installed capacity and annual net capacity increase of solar collectors worldwide from 2001 to 2021

截至2021年底，全球在運行的太陽能集熱器累計裝機容量為522 GW，該值僅次于風電累計裝機容量(837 GW)和光伏發電累計裝機容量(942 GW)；而地熱能和太陽能熱發電在裝機容量方面落后于這3種技術，具體如圖3所示。

圖3 截至2021年底全球各類能源的累計裝機容量和2021年能源供應量Fig. 3 As of the end of 2021，cumulative installed capacity and energy supply of various types of energy worldwide in 2021

從圖3可以看出：2021年太陽能集熱器能夠提供425 TWh的熱量，而風電機組可提供1980 TWh的電力，光伏發電系統可提供1138 TWh的電力[3]。

中國在全球太陽能熱利用市場規模方面占據主導地位，2021年全球新增的21 GW太陽能集熱器裝機容量中，中國占83%，約為18 GW；早在2006年，中國的太陽能集熱器裝機容量已占全球市場份額的69%。

根據是否有玻璃蓋板，太陽能集熱器可分為有玻璃蓋板太陽能集熱器和無玻璃蓋板太陽能集熱器。其中，采用有玻璃蓋板太陽能集熱器的集熱系統包括泵送太陽能集熱系統和熱虹吸太陽能集熱系統。中國有數千個小型的熱虹吸太陽能集熱系統，這些系統中有75%安裝在城市公寓樓和單戶住宅上。2006—2021年中國有玻璃蓋板太陽能集熱系統中兩種太陽能集熱系統的裝機容量占比如圖4所示。

圖4 2006—2021年中國有玻璃蓋板太陽能集熱系統中兩種太陽能集熱系統的裝機容量占比Fig. 4 Proportion of installed capacity of two types of solar heating systems with glass cover plates in China from 2006 to 2021

2006年以來，在中國政府的財政激勵，以及鼓勵北方城市使用可再生能源替代傳統化石燃料進行采暖以減少碳排放的多重措施下，中國的太陽能熱利用市場發生了根本性變化，泵送太陽能集熱系統的份額大幅增長。2021年，中國新安裝的太陽能集熱系統中，泵送太陽能集熱系統的裝機容量占比為74%，而熱虹吸太陽能集熱系統的裝機容量占比僅為26%。此外，中國近年來還建設了多個可靠有效的太陽能集中供熱示范項目。

目前，太陽能集熱系統的利用方式逐漸從給生活用水加熱轉向太陽能綜合利用系統、區域供熱，以及工業過程制熱[4]。與此同時，太陽能集熱系統的規模也在顯著增加。

截至2021年底，全球已安裝的太陽能集熱系統的裝機容量相當于節省4570萬t石油和減少1.475億t二氧化碳排放。這表明太陽能熱利用在減少全球溫室氣體排放方面做出了重大貢獻。

2 2021年太陽能熱利用市場發展現狀

相較于2020年，2021年全球太陽能熱利用市場規模增長率為3%[5]。中國作為全球最大的太陽能熱利用市場，市場規模也取得1%的小幅增長；意大利以83%市場規模增長率的穩健增長令人矚目，其次是巴西(28%)、美國(19%)、希臘(18%)、波蘭(17%)和印度(16%)。2021年全球太陽能熱利用市場規模增長率較高的國家如圖5所示。

圖5 2021年全球太陽能熱利用市場規模增長率較高的國家Fig. 5 Countries with high growth rates in the global solar thermal utilization market size in 2021

太陽能區域供熱市場方面，2021年，丹麥的市場份額下降幅度最大，降幅達到45%；對于其他區域供熱曾經占有較大市場份額的國家而言，其市場份額也有所下降，比如：西班牙下降19%，奧地利下降7%，塞浦路斯下降5%，南非下降12%，澳大利亞下降3%。

2.1 小型太陽能供熱系統

小型太陽能供熱系統，以及由其衍生的用于單戶住宅、公寓樓、多戶住宅、酒店和公共建筑中的加熱熱水和采暖的太陽能綜合系統，約占全球每年太陽能制熱量的60%。

在利用太陽能加熱熱水方面，使用復雜技術的泵送太陽能集熱系統在歐洲和中國大部分地區開始占據主導地位；而在亞洲(除中國外)、拉丁美洲、撒哈拉以南非洲和地中海地區，熱虹吸太陽能集熱系統則占主導地位。在2021年全球太陽能熱利用市場規模增長率較高的7個國家中，熱虹吸太陽能集熱系統占據了其中5個國家的主要市場份額。

2.2 大型太陽能供熱系統

對于大型(指單個裝機容量大于等于350 kW、集熱面積大于等于500 m2)太陽能供熱系統的使用，自20世紀80 年代初以來，歐洲的丹麥、瑞典、奧地利、德國、西班牙和希臘等國家是通過將其與當地的區域供熱網連接，或將其安裝在大型住宅、商業和公共建筑上來使用。從20世紀80年代初到2016年，大型太陽能供熱系統市場主要集中在歐洲。

2021年，中國新安裝的20套大型太陽能供熱系統占全球市場份額的75%，其總集熱面積約為151000 m2，主要用于區域和大型建筑的供熱、供暖；法國新安裝的大型太陽能供熱系統的總集熱面積約為10600 m2，僅次于中國，位居第2。丹麥主導大型太陽能供熱系統市場的時間約為10年，特別是在太陽能區域供熱領域。然而，由于能源技術、政策和資金條件的劇烈變化，2020年丹麥在太陽能區域供熱領域的市場份額出現較大變動，導致其在2021年全球大型太陽能供熱系統市場的排名降至第3。2021年，奧地利新安裝的大型太陽能供熱系統的總集熱面積為7950 m2，排名第4；德國新安裝的大型太陽能供熱系統的總集熱面積為5691 m2，排名第5；土耳其新安裝的大型太陽能供熱系統的總集熱面積為5621 m2，排名第6。

根據記錄在冊的數據，截至2021年底，全球已累計有530套大型太陽能供熱系統投入運行，這些系統總裝機容量為1970 MW，總集熱面積約為280萬m2。

2.2.1 太陽能區域供熱系統

可為區域供熱的大型太陽能供熱系統(下文簡稱為“太陽能區域供熱系統”)是大型太陽能供熱系統的主要組成部分。截至2021年底，全球累計有299個太陽能區域供熱系統投入了運行，其總裝機容量為1645 MW，總集熱面積約為23500 m2。

全球可用于大型住宅、商業和公共建筑的太陽能區域供熱系統在1985—2021年的安裝數量和累計集熱面積如圖6所示。

圖6 全球太陽能區域供熱系統在1985—2021年的系統數量和累計集熱面積Fig. 6 System number and cumulative heat collection area of global solar regional heating system from 1985 to 2021

丹麥在太陽能區域供熱系統的安裝數量和總集熱面積方面均領先于其他國家，截至2021年底，其太陽能區域供熱系統的裝機容量為1126 MW，總集熱面積為1608401 m2，安裝的系統數量為125套。

除了丹麥(125套)和中國(41套)的太陽能區域供熱系統之外，其他國家也對這種類型的供熱方式表現出越來越大的興趣，因為該方式為社區和城市供熱部門脫碳提供了絕佳機會。截至2021年底，不同國家的太陽能區域供熱系統的總裝機容量、總集熱面積和安裝的總系統數量如圖7所示。

圖7 截至2021年底，不同國家的太陽能區域供熱系統的總裝機容量、總集熱面積和總系統數量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，德國的太陽能區域供熱系統共有45套。除中國和歐洲之外，太陽能區域供熱系統還安裝在沙特阿拉伯、日本、吉爾吉斯斯坦、俄羅斯、美國、加拿大和南非等國家和地區。

2.2.2 太陽能建筑供熱系統

除太陽能區域供熱系統外，可為住宅、商業和公共建筑供熱的大型太陽能供熱系統(下文簡稱為“太陽能建筑供熱系統”)是大型太陽能供熱系統的第2大組成部分。截至2021年底，全球累計約有230個太陽能建筑供熱系統正在為住宅、商業和公共建筑供熱，這些系統總裝機容量為324 MW，總集熱面積約為463100 m2。截至2021年底，不同國家的太陽能建筑供熱系統的總裝機容量、總集熱面積和總系統數量如圖8所示。

圖8 截至2021年底，不同國家的太陽能建筑供熱系統的總裝機容量、總集熱面積和總系統數量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

從圖8可以看出：中國擁有84套太陽能建筑供熱系統，總裝機容量為223 MW，處于市場領先地位；其次是土耳其，擁有18套太陽能建筑供熱系統，總裝機容量為14.2 MW；拉丁美洲排名第3，擁有16套太陽能建筑供熱系統，總裝機容量為11.6 MW。

除了希臘、法國、奧地利、瑞士、波蘭和西班牙等歐洲國家，越來越多的太陽能建筑供熱系統出現在拉丁美洲(比如：巴西、墨西哥)、中東和北非地區(比如：迪拜、約旦、科威特、阿聯酋)，以及部分亞洲地區(比如：柬埔寨、印度、泰國)。這些系統通常安裝在醫院、酒店和體育中心等區域。

2.3 太陽能工業熱利用(SHIP)

在全球范圍內，各國都很關注工業過程中的太陽能制熱系統[6-8]，此類系統的安裝數量每年都在穩步增長，涉及小型示范項目到大型(系統裝機容量至少為100 MW)示范項目。

眾所周知，許多工業生產過程需要大量的熱能，這使該行業成為太陽能熱利用最有前景的應用市場。根據所需熱能的溫度高低，可以由不同類型的太陽能集熱器來實現。例如：太陽能空氣集熱器、平板太陽能集熱器、真空管太陽能集熱器及聚光太陽能集熱器可產生溫度高達100℃的熱能，而舍弗勒碟形集熱器、線性菲涅爾集熱器和槽式拋物面集熱器可產生溫度高達400℃的熱能。

根據太陽能市場研究和國際交流機構Solrico在2022年初發表的一項研究及AEE INTEC的一項調查，2021年全球至少新增78座SHIP站，總集熱面積為51539 m2，總裝機容量為36 MW。因此，投入運營的SHIP項目總數至少有975個，總集熱面積約為123萬m2。

從不同方面對全球394個記錄在冊的SHIP系統作了分析，這些系統的總集熱面積為 1012613 m2，總裝機容量為 507 MW。根據統計，世界上最大的SHIP系統是位于阿曼的Miraah項目，其裝機容量為300 MW，占所有394個SHIP系統總裝機容量的59%；第2大SHIP系統應用在澳大利亞的某溫室項目中，總裝機容量為36.6 MW；第3大SHIP系統應用在智利某銅礦的銅提取過程中，總裝機容量為27.5 MW。這3個系統的總裝機容量占全球SHIP系統總裝機容量的71%。

在全球394個SHIP系統中，截至 2022年3月底，按集熱面積、集熱器類型、行業類別和國家劃分的SHIP系統的裝機容量和系統數量分別如圖9～圖12所示。需要說明的是：圖12中僅列舉了系統總裝機容量大于等于0.7 MW (總集熱面積大于等于1000 m2)的國家，即394套SHIP系統中的377套，占總裝機容量的99%以上。

圖9 截至 2022年3月底，按集熱面積劃分的SHIP系統的裝機容量和系統數量Fig. 9 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems divided by heat collection area

圖10 截至 2022年3月底，按集熱器類型劃分的SHIP系統的裝機容量和系統數量Fig. 10 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems by collector type

圖11 截至 2022年3月底，按行業類別劃分的SHIP系統的裝機容量和系統數量Fig. 11 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems by industry category

圖12 截至 2022年3月底，按國家劃分的SHIP系統的裝機容量和系統數量Fig. 12 As of the end of March 2022，installed capacity and number of SHIP systems by country

結合圖9中的數據可以發現：所有SHIP系統中，3個SHIP系統的總集熱面積屬于大于30000 m2的范圍，每個系統的裝機容量均超過了21 MW；54個系統的總集熱面積在10000～29999 m2之間，這些系統的裝機容量在 0.7～21.0 MW之間；64個系統的總集熱面積在500～9999 m2之間，每個系統的裝機容量在0.35～0.70 MW之間；273個系統的總集熱面積小于500 m2，每個系統的裝機容量低于0.35 MW。

從圖10可以看出：按集熱器類型劃分的SHIP系統中，采用平板太陽能集熱器的系統數量最多，為174個，總集熱面積超過180000 m2；采用真空管太陽能集熱器的系統數量為67個，總集熱面積約為80000 m2；采用槽式拋物面集熱器的系統數量為59個，但其總集熱面積最大，達到670000 m2。

從圖11可以看出：這394個SHIP系統的行業類別主要集中在采礦、食品、農業和紡織領域。相較于2020年，食品和飲品行業的系統數量在2021年再次增長，二者共包含159套SHIP系統，總裝機容量為59 MW。采礦業方面，在394個SHIP系統中裝機容量最大的3個系統，有兩個系統的應用與采礦業相關，二者的總裝機容量占采礦業總裝機容量的65%。農業方面，共有51套系統，其中有31套是應用在2021年新建的制熱工廠中，51套系統的總裝機容量為54 MW。

從圖12可以看出：墨西哥、德國和印度安裝的SHIP系統數量最多，其次是奧地利、美國和中國。雖然阿曼僅安裝了1套系統，但其憑該系統的大裝機容量在裝機容量方面位居第一。

對全球394套SHIP系統中集熱面積大于5000 m2(相當于裝機容量大于3.5 MW)的所有SHIP系統的應用場景進行了統計[7]，具體如表1所示。

表1 集熱面積大于5000 m2的SHIP系統的應用場景Table 1 Application scenarios for SHIP systems with heat collection area greater than 5000 m2

2.4 太陽能加熱溫室

除了可應用于傳統的工業領域外，太陽能制熱系統一個新的應用領域是農業溫室，將太陽能制熱系統用于種植花卉和蔬菜的溫室的加熱。對全球用于溫室加熱的太陽能制熱系統進行了統計，如表2所示。

表2 全球用于溫室加熱的太陽能制熱系統Table 2 Global solar thermal system for greenhouse heating

2.5 光伏-熱(PVT)系統

PVT系統是在同一個集熱器中應用太陽能熱能和太陽能電力，使其既可以發電也可以制熱，從而達到更高的單位面積產量，尤其在可用屋頂面積有限的情況下，這一應用尤其重要。由于此集熱器既能發電也能制熱，因此在分析其裝機容量時，分別以熱裝機容量和電裝機容量來區分其制熱和發電容量。根據PVT系統采用的集熱器類型不同，其產生的溫度在-20～150℃之間，應用范圍廣泛。近年來，全球對PVT集熱器的興趣穩步增長，促使眾多專業的PVT 集熱器供應商進入太陽能應用市場。

根據全球38家PVT集熱器制造商的數據，PVT集熱器市場在2017—2020年間平均年增長9%。2021年，PVT集熱器市場的全球市場增長速度提高到13%左右；其在歐洲市場的增長速度甚至更快，達到21%；2021年其新增熱裝機容量和電裝機容量分別為79.8 MW和27.6 MW。2017—2021年全球PVT集熱器市場的發展狀況如圖13所示。

圖13 2017—2021年全球PVT集熱器市場的發展狀況Fig. 13 Development status of global market of PVT collectors from 2017 to 2021

從圖13可以看出：截至2021年底，PVT集熱器累計熱裝機容量為751 MW、電裝機容量為254 MW。未覆蓋的水PVT集熱器是PVT集熱器的主要類型，其在全球PVT集熱器裝機容量中占60%；其次是空氣PVT集熱器，其占比為37%；有覆蓋的水PVT集熱器的占比為3%；真空管PVT集熱器和聚光型PVT集熱器的占比更小。

2021年，全球范圍內至少新安裝了6036套PVT系統。因此，截至2021年底，累計運行的PVT系統數量為33956套。這些系統中，77.2%用于太陽能空氣(預)加熱/冷卻建筑；9.5%是為生活熱水和供暖提供熱量；8.9%是為單戶住宅提供生活熱水；剩余的4.4%是為多戶住宅、酒店、醫院和學校等提供生活熱水，以及為包括游泳池在內的其他應用提供熱力和電力，這其中還包括區域供熱和工業應用。

截至2021 年底，按PVT系統類型劃分的集熱器類型和系統數量如圖14所示。

圖14 截至2021 年底，按PVT系統類型劃分的集熱器類型和系統數量Fig. 14 As of the end of 2021，types of collectors and number of systems classified by PVT system types

從圖14可以看出：太陽能空氣系統主導著PVT市場。在全球范圍內，法國在太陽能空氣系統市場占主導地位，在該國幾乎所有新制造的PVT集熱器都是空氣PVT集熱器。但未覆蓋的水PVT 集熱器才是最常見的技術，截至 2021年底，累計在運行的采用該類型PVT 集熱器的PVT系統共有9039套，總集熱面積為844544 m2。在圖14所示的這些PVT系統中，36%的PVT系統是用于單戶和多戶住宅、酒店和醫院的生活熱水制備；約35%的PVT系統是為家庭供熱和供電，并為生活熱水和采暖(組合系統)提供電加熱。

2.6 太陽能制冷系統

全球太陽能制冷市場將繼續增長，特別是在新興國家，到2050年，37%的電力需求增長將來自空調的電力需求。因此，使用太陽能制冷系統，包括利用太陽熱能和光伏發電驅動的太陽能制冷系統，具有巨大的應用潛力。

太陽能制冷仍然是一個機會市場，截至2021年，全球累計安裝了2000多套此系統。功率低于20 kW的小型機組主要瞄準大眾市場；而功率為350～2000 kW 的太陽能制冷系統以應用于大中型項目為主。在全球的中小型(功率＜350 kW)太陽能制冷系統中，歐洲市場的占比為70%。

使用制冷功率大于350kW/100RT(冷凍噸)的熱吸收式制冷機的太陽能制冷系統在性能上有顯著提高，同時降低了成本。此外，太陽能制冷系統采用大型平板式太陽能集熱器在集熱溫度高達120 ℃時也有助于其制冷性能的改善。性能的提高與規模經濟相結合，使太陽能制冷系統應用在大型辦公樓、酒店、醫院等商業領域及工業領域時具有成本競爭力。

世界上最大的太陽能制冷系統位于美國的亞利桑那州，于2014年5月投入使用。2018年全球又新增了4個大型太陽能制冷系統，其中，意大利的兩個系統和新加坡的1個系統均使用真空管太陽能集熱器，約旦的1個系統使用線性菲涅爾集熱器為冷水機組提供熱量。2020年，兩套功率較大的太陽能制冷裝置投入使用，一套應用于奧地利格拉茨的660 kW制冷工廠，另一套位于阿聯酋的一家工廠，而2021 年無新增大型太陽能制冷系統投入使用。

2.7 太陽能空氣加熱系統

太陽能空氣加熱系統的主要用途是給建筑物供暖，此外還可以用于空氣通風和作物加工或干燥。太陽能空氣加熱技術是目前未被充分利用的太陽能技術。全球新冠疫情爆發增加了建筑物內部對新鮮空氣的需求，也增大了對能源的需求，從而導致二氧化碳的排放量增加，但太陽能空氣加熱系統是絕佳的解決方案。

太陽能空氣加熱系統可以集成到建筑物中，通?？梢詼p少建筑加熱所需傳統能源的20%～30%。在農業應用中，太陽能空氣加熱系統主要用于干燥方面。

太陽能空氣集熱器是太陽能空氣加熱系統的主要組成部分。對截至2020年底，全球記錄在冊的太陽能空氣集熱器總集熱面積超過10000 m2的國家進行了列舉，具體如表3所示。

表3 截至2020年底，全球太陽能空氣集熱器總集熱面積超過10000 m2的國家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，全球太陽能空氣集熱器的累計裝機容量為985 MW(集熱面積為1405962 m2)。2020年全球新增太陽能空氣集熱器的裝機容量為12 MW(集熱面積為17000 m2)。

利用太陽能空氣集熱器采暖在歐洲不常見，而在北美，將建筑與太陽能空氣集熱器集成是商業、工業領域和公共市場中最流行的太陽能熱利用形式。

3 結論

本文從《全球太陽能制熱報告》中摘編2021年當年和累計的全球太陽能熱裝機容量及與太陽能熱利用市場發展趨勢相關的部分內容，并引用來自70多個國家的詳細統計數據，以及部分國際機構和部分專家提供的數據，經整理、歸納和分析后得到以下結論：

1)截至2021年底，累計運行的太陽能集熱器裝機容量為522 GW，對應的集熱面積為7.46億m2。相較于2020年，2021年全球太陽能熱利用市場規模增長3%，中國在太陽能熱利用市場規模上依舊占據主導地位。截至2021年底，全球已安裝的太陽能集熱系統的裝機容量相當于節省4570萬t石油和減少1.475億t二氧化碳排放。

2) 2021年，全球新建了 44 套大型太陽能供熱系統(單個裝機容量大于等于350 kW、集熱面積大于等于500 m2)，總裝機容量為 142 MW。其中21套安裝在歐洲，20套安裝在中國，3套安裝在墨西哥。截至2021年底，全球已累計有530套大型太陽能供熱系統投入運行，這些系統總裝機容量為1970 MW，總集熱面積約為280 萬 m2。

3) 2021年全球至少新增78座SHIP站，總集熱面積為51539 m2，總裝機容量為36 MW。因此，投入運營的SHIP項目總數至少有975個，總集熱面積約為123萬m2。

4) 2021年，PVT集熱器市場的全球市場增長速度提高到13%左右；其在歐洲市場的增長速度達到21%；該年至少有 6036 臺新 PVT 系統投入使用。截至2021年底，PVT集熱器累計熱裝機容量為751 MW、電裝機容量為254 MW。

綜上可知，太陽能熱利用是太陽能利用技術中非常重要的一環，太陽能熱能也是一種重要的可再生能源應用形式，對解決能源和環境危機，保持人類社會的生存和發展意義重大，是目前可再生能源研究的熱點問題。

從能源安全和清潔利用角度出發，世界各國都把太陽能熱利用的商業化開發和應用作為重要發展措施，其對全球能源可持續發展、碳達峰與碳中和戰略目標的實現具有重要意義。