李英峰，張濤，張衡，崔鵬，付在國，高中亮，耿奇，柳志晗，朱群志，李和興，李美成*

（1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206；2.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海市 楊浦區(qū) 200090）

0 引言

地球表面接收到的太陽輻射能大約為8.5×1016W，而全球能源消耗大約為1.5×1013W[1]。人類所利用的太陽能尚不足地球表面接收到的太陽能的1/5 000。與傳統(tǒng)化石能源相比，太陽能還具有清潔性和全球分布均勻的優(yōu)勢[2-3]。開發(fā)太陽能高效綜合利用技術(shù)對解決能源危機(jī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和消除地域發(fā)展不平衡，以及對保持人類社會工業(yè)和科技的高速發(fā)展都具有重要意義。

太陽能的利用主要包括光電轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換2方面，光電轉(zhuǎn)換是將太陽光能直接轉(zhuǎn)變成電能，而光熱轉(zhuǎn)換是將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。光電轉(zhuǎn)換具有無噪音、安裝方便、壽命長、維護(hù)要求少、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是太陽能利用最主要的一種形式。近10年來，全球光伏市場保持快速增長的態(tài)勢，截至2020年年底，全球太陽能光伏裝機(jī)容量達(dá)到了760 GW。一些研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，2050年光伏發(fā)電將占總發(fā)電量的40%以上[4-5]。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的完善和各國政策的驅(qū)動，光伏發(fā)電將有望成為主要電力來源。

太陽能光熱利用指通過集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能加以利用，其通常采用聚光裝置提高工質(zhì)溫度、提升能量品位、拓寬應(yīng)用范圍。根據(jù)工作溫度不同，太陽能光熱利用可分為低溫利用(＜100℃)、中溫利用(100～250℃)和高溫利用(＞250℃)。其中，太陽能低溫?zé)釕?yīng)用主要用于民用供暖、建筑采暖、生活熱水等領(lǐng)域，中溫利用主要應(yīng)用于海水淡化和工業(yè)用熱領(lǐng)域，高溫利用主要是太陽能光熱發(fā)電[6]。

光伏轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)各具有不同的特征。光伏發(fā)電技術(shù)價格較低，但受限于太陽輻照的不穩(wěn)定性和間歇性，光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)將會給電網(wǎng)帶來很大沖擊[7]。光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)可采用大規(guī)模儲熱，常規(guī)設(shè)備與傳統(tǒng)火電相同，并且可以直接輸出高電能質(zhì)量的交流電，與電網(wǎng)匹配性較好，但成本較高。光伏發(fā)電和光熱發(fā)電在技術(shù)層面卻具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。另外，光伏和光熱技術(shù)相結(jié)合有助于降低發(fā)電成本，系統(tǒng)高效地利用太陽能資源。因此，太陽能光伏光熱一體化(photovoltaic/thermal，PV/T)技術(shù)日益受到重視。

太陽能光伏光熱一體化技術(shù)是將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與太陽能集熱技術(shù)有機(jī)結(jié)合。Kern等[8]最早提出了PV/T的思想，即在光伏組件的背面鋪設(shè)流道，通過流體帶走耗散熱能，并對這部分熱能加以收集利用。一方面，提高了單位輻照接收面積上的太陽能利用效率；另一方面，通過流體冷卻，降低光伏電池溫度，提高其光-電效率。PV/T可同時獲得電能和熱能，具有較高的綜合利用效率，是近幾年太陽能利用的研究熱點(diǎn)之一。目前對PV/T的研究集中于光伏模塊與光熱模塊的集成或?qū)訅汗に?、冷卻介質(zhì)、流道結(jié)構(gòu)、集熱器結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計及優(yōu)化。

此外，將太陽能發(fā)電與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等領(lǐng)域相結(jié)合就構(gòu)成的“光伏+”模式，為太陽能的綜合利用提供了一條新的發(fā)展道路，不僅可以解決太陽能能量密度低的局限性，還可以有效利用土地和水面資源。

本文對太陽能的光伏、光熱、光伏光熱一體化綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析、總結(jié)，同時，簡要介紹了“光伏+”模式的發(fā)展現(xiàn)狀，以期為太陽能高效綜合利用技術(shù)的發(fā)展和推廣提供參考。

1 光伏發(fā)電技術(shù)

光伏發(fā)電技術(shù)指利用太陽電池將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。太陽電池是光伏發(fā)電技術(shù)的重要載體。目前，市場占有率最高的是晶硅太陽電池，市場占比超過90%；最具生命力的是鈣鈦礦太陽電池，2022年2月15日全球首個鈣鈦礦集中式光伏電站在衢州市開工。此外，由于硅材料出色的穩(wěn)定性，以及柔性硅的發(fā)現(xiàn)，新型硅基太陽電池近年來也備受關(guān)注。

1.1 晶硅太陽電池技術(shù)

單晶硅太陽電池發(fā)展最早，技術(shù)也最成熟。由于晶硅制造成本的下降和高效晶硅組件的成熟，自2017年單晶硅太陽電池的市場占有率超過多晶硅太陽電池，占到49%；目前，單晶硅太陽電池的市場占有率已經(jīng)超過70%。單晶硅太陽電池技術(shù)的主要發(fā)展趨勢是從P型晶硅電池向N型晶硅電池過渡。

1.1.1 P型晶硅太陽電池技術(shù)

目前，市場上最主流的太陽電池仍然是P型的發(fā)射極及背面鈍化電池(passivated emitter and rear cells，PERC)。PERC電池于2016年開始量產(chǎn)；目前，商業(yè)化尺寸PERC電池的最高效率可達(dá)24.06%。

然而，PERC電池的平均量產(chǎn)效率為22%～22.4%，明顯低于N型晶硅電池；PERC電池的雙面率僅有75%左右，而N型電池的效率可以達(dá)到85%以上；P型晶硅電池的溫度系數(shù)高于N型晶硅太陽電池；P型晶硅電池的弱光性能比N型電池差；并且P型晶硅電池還存在較為明顯的光致衰減效應(yīng)。

1.1.2 N型晶硅太陽電池技術(shù)

N型晶硅太陽電池技術(shù)主要包括背接觸電池(interdigitated back contact，IBC)、異質(zhì)結(jié)電 池(heterojunction with intrinsic thin-layer，HIT)和隧穿氧化層鈍化接觸電池(tunnel oxide passivated contact solar cell，TOPCon)3種。

IBC電池是Sunbackower公司于2015年提出的一種電池技術(shù)，由于正面沒有焊帶遮擋，IBC電池能實現(xiàn)最大化的短路電流。2020年，德國能源研究所制備出了效率為26.6%的IBC電池，短路電流密度達(dá)到了42 mA/cm2[9]。

HIT電池是Panasonic公司于2015年開發(fā)的電池技術(shù)，可以大幅提升電池的填充因子。2021年10月隆基在M6全尺寸單晶硅片上創(chuàng)造了26.3%的HIT電池轉(zhuǎn)換效率，填充因子達(dá)到了86.59%[10]。HIT電池的平均量產(chǎn)效率可以達(dá)到23%～23.6%。

TOPCon電池的概念由弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所(Fraunhofer-ISE)在2013年提出[11]，TOPCon電池是一種基于選擇性載流子原理的隧穿氧化層鈍化接觸太陽電池技術(shù)。2021年，F(xiàn)raunhofer-ISE的TOPCon太陽電池效率達(dá)到了26.0%[12]。TOPCon電池的量產(chǎn)效率可以達(dá)到22.4%～23.1%。

目前，復(fù)雜的制備工藝和成本是制約IBC、HIT和TOPCon電池發(fā)展的關(guān)鍵因素。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測，PERC電池在未來5年將仍保有最高的市場占有率；而TOPCon、HIT和IBC電池的市場份額將逐年增加。長期來看，HIT電池代表了未來晶硅太陽電池技術(shù)的發(fā)展方向。

1.2 鈣鈦礦太陽電池

2009年Kojima等[13]制備出第一塊鈣鈦礦太陽電池。近15年來，鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率從3.8%飆升至25.7%[13-19]，增速遠(yuǎn)超其他太陽電池，為實現(xiàn)低本高效的光伏發(fā)電提供了極具前景的新路徑。為推動鈣鈦礦太陽電池的實用化，研究人員一直朝著進(jìn)一步提升電池效率和運(yùn)行穩(wěn)定性的方向努力。

1.2.1 鈣鈦礦太陽電池性能提升

界面工程、維度工程、組分調(diào)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計、缺陷鈍化和傳輸層優(yōu)化等策略[20-29]已被證明能夠有效提升電池性能。

文獻(xiàn)[28]在電子傳輸層與鈣鈦礦層之間構(gòu)建相干界面抑制缺陷，實現(xiàn)了25.5%的效率；文獻(xiàn)[29]利用2D種子誘導(dǎo)3D鈣鈦礦晶體定向生長，顯著提升鈣鈦礦薄膜晶體質(zhì)量，增強(qiáng)器件性能；華北電力大學(xué)李美成教授團(tuán)隊首次提出并構(gòu)建了鈣鈦礦p-n同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(圖1)，通過自摻雜方法實現(xiàn)了鈣鈦礦材料載流子濃度和分布的精確調(diào)控，有效提升了電池性能[25]。

圖1 鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的截面透射電鏡表征Fig.1 Transmission electron microscope characterization of the cross-sections of perovskite homojunction

1.2.2 鈣鈦礦太陽電池穩(wěn)定性提升

隨著鈣鈦礦電池效率的迅速提升，穩(wěn)定性提升成為其商業(yè)化的關(guān)鍵。由于鈣鈦礦材料對水、氧、熱、紫外光相對敏感[30-33]，電池內(nèi)部存在離子遷移、相轉(zhuǎn)變和材料分解等問題[34-36]，嚴(yán)重影響電池長期高效運(yùn)行。

添加劑、界面修飾、插入層和封裝等方法均可以提高電池穩(wěn)定性[37-41]。例如，李美成教授團(tuán)隊通過在鈣鈦礦材料中引入紅熒烯分子，使鈣鈦礦中的有機(jī)陽離子產(chǎn)生超分子相互作用，有效抑制了離子遷移，提升了電池的穩(wěn)定性[42]；利用聚乙氧基乙烯亞胺的改性層實現(xiàn)了電池紫外穩(wěn)定性提升[43]。

未來，高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽電池邁向大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用還將向著大面積組件制備、綠色生產(chǎn)、防止鉛泄漏等方向發(fā)展。

1.3 新型硅基太陽電池

當(dāng)硅片厚度小于20μm時具有非常好的機(jī)械柔性。新型硅基柔性太陽電池引起了人們廣泛的研究興趣。其中，以PEDOT:PSS(聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽)為空穴傳輸層的PEDOT:PSS/Si雜化電池的研究最為廣泛。然而，硅的光吸收系數(shù)較低，超薄硅片難以實現(xiàn)對太陽光的充分吸收。通過光管理技術(shù)解耦太陽電池的光電性能與厚度的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)充分的光吸收，對提升超薄硅基雜化太陽電池的效率具有決定性作用。

1.3.1 光管理

硅納米線結(jié)構(gòu)可以大幅增強(qiáng)太陽電池的光吸收[44-46]。通過對硅納米線的光管理特性的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，其響應(yīng)波長取決于直徑，光捕獲能力則與其長度成正比[47]；并擬合出了可描述硅納米線長度、直徑與響應(yīng)光譜之間關(guān)系的解析方程[48]。通過探究環(huán)境對硅納米線光學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)硅納米線在PEDOT:PSS中(折射率1.284)的本征吸收變小，有利于陷光增強(qiáng)[49]；硅納米線的表面氧化硅層將使光更容易傳遞至硅襯底中[50]。圓柱形硅納米線往往只有一個響應(yīng)峰，因而僅能實現(xiàn)某一波段的光吸收增強(qiáng)。為此，研究人員探討了錐形硅納米線的光譜響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)錐形硅納米線具有多個光譜響應(yīng)峰，可以實現(xiàn)寬光譜的陷光增強(qiáng)[51]；設(shè)計了三葉形硅納米線，如圖2所示，可以在拓寬響應(yīng)光譜的同時保證響應(yīng)光譜的強(qiáng)度[52]。此外，還可以設(shè)計硅-銀復(fù)合結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)金屬和半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同陷光增強(qiáng)[53-55]。

圖2 三葉形硅納米線結(jié)構(gòu)示意圖及光學(xué)性能Fig.2 Structural diagram and optical properties of trilobal silicon nanowires

無基底的硅納米線陣列具有柔性和透光的優(yōu)勢[56-57]，可以制備成半透明太陽電池[58]。研究人員發(fā)現(xiàn)圓柱形、三葉形、四葉形、三邊形、四邊形、螺旋形等硅納米線陣列均表現(xiàn)出良好的透光性和光吸收性能[59]，其中螺旋形硅納米線的散射光譜的寬度幾乎覆蓋了硅材料的光學(xué)帶隙[60]。進(jìn)一步的器件仿真結(jié)果[59-60]表明，基于三葉形和螺旋形硅納米線陣列的太陽電池具有超高的短路電流密度和轉(zhuǎn)換效率，這證明了光管理可以有效提升光伏器件的性能。

1.3.2 PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池

PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到17%[61-62]。限制其效率提升的關(guān)鍵因素之一是純PEDOT:PSS薄膜的導(dǎo)電性和功函數(shù)均較低，且PEDOT:PSS中存在過多的聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)。提高PEDOT:PSS成膜后的電導(dǎo)率和功函數(shù)，去除過多的PSS成為提升PEDOT:PSS/Si電池性能的主要方式之一。

使用將加入乙二醇的PEDOT:PSS溶液加熱后再加入表面活性劑的方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PEDOT:PSS會出現(xiàn)相的分離與膠聯(lián)[63]。PEDOT相重新膠聯(lián)成高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，且使得該溶液旋涂成膜后PEDOT:PSS的功函數(shù)從4.5 eV提升至4.8 eV。采用該方法對PEDOT:PSS進(jìn)行溶液改性，使PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池的轉(zhuǎn)換效率從11.03%提高至12.38%。

硅表面懸掛鍵也是影響PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池性能的主要因素之一。為此，采用紅熒烯修飾硅表面懸掛鍵，使得含紅熒烯的PEDOT:PSS/Si太陽電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了12.59%(圖3)[64]。通過在硅基底背表面與電極之間插入氧化錫層，可以有效鈍化硅背表面懸掛鍵，同時氧化錫層取代了肖特基勢壘，降低了背面的勢壘高度，使PEDOT:PSS/Si太陽電池的效率達(dá)到了14.1%[65]。

圖3 PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池中硅表面與紅熒烯的相互作用機(jī)制Fig.3 Interaction mechanism between silicon surface and rubrene in PEDOT:PSS/Si solar cells

窗口層對PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池的光吸收的影響非常重要。通過調(diào)控PEDOT:PSS薄膜的厚度發(fā)現(xiàn)，PEDOT:PSS層的最佳厚度為90 nm左右，按此制備的太陽電池器件效率達(dá)到了12.35%[66]。

超薄硅表面的應(yīng)力會因為表面微納結(jié)構(gòu)而集中，難以實現(xiàn)高效率和柔韌性兼容。為此，對超薄硅太陽電池的力學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性進(jìn)行了耦合仿真研究[67]。結(jié)果表明柔性PDMS薄膜陷光結(jié)構(gòu)可以同時提升器件的光吸收和柔韌性：表面應(yīng)力降低33.4%，光吸收提升42.3%，器件轉(zhuǎn)換效率從6.86%提升到9.76%。

除了轉(zhuǎn)換效率，機(jī)械柔性、穩(wěn)定性和大面積制備也將是決定PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池是否具有實用價值的關(guān)鍵。因此，亟需開展PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池的力學(xué)性能、穩(wěn)定性和制備技術(shù)方面的研究工作。

2 光熱技術(shù)

太陽能光熱技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，在高、中、低溫相關(guān)領(lǐng)域都有不同程度的發(fā)展。其中太陽能熱發(fā)電、太陽能建筑采暖與制冷、太陽能熱法海水淡化，以及太陽能工業(yè)熱利用等技術(shù)具有良好應(yīng)用前景。

2.1 太陽能熱發(fā)電

光熱發(fā)電在調(diào)峰調(diào)頻方面存在優(yōu)勢，且具有連續(xù)穩(wěn)定、靈活可調(diào)等特點(diǎn)，在未來可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景[68-69]。如圖4所示，根據(jù)太陽能聚光形式的不同主要分為4種類型：槽式[70]、塔式、碟式和線性菲涅爾式[71]。表1對4種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)效率、應(yīng)用場景等進(jìn)行了梳理。

表1 4種光熱發(fā)電技術(shù)比較Tab.1 Comparison of four photothermal power generation technologies

圖4 光熱發(fā)電技術(shù)類型Fig.4 Types of solar thermal power generation technology

槽式和塔式是當(dāng)前較為主流的2種光熱發(fā)電技術(shù)，其中槽式熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，塔式熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，均已在商業(yè)上獲得成功應(yīng)用。美國加利福尼亞早在1991年建設(shè)了全球首座商業(yè)化SEGS槽式光熱電站，總裝機(jī)容量達(dá)到354 MW[72]。西班牙在2007年建設(shè)了歐洲第一座商業(yè)化塔式熱電站PS10，設(shè)計功率為11 MW，隨后在2012年建成了世界最大的線性菲涅爾式電站PuertoErrado，裝機(jī)容量為30 MW，運(yùn)行溫度達(dá)到270℃[73]。近年來，我國的熱發(fā)電技術(shù)也取得了巨大進(jìn)展。2012年我國在八達(dá)嶺建成了國內(nèi)首個、亞洲最大的塔式熱發(fā)電示范電站，此后，德令哈50 MW導(dǎo)熱油槽式、敦煌100 MW熔鹽塔式、敦煌50 MW熔鹽線性菲涅爾式等光熱示范電站相繼投產(chǎn)。截至2021年年底，我國太陽能熱發(fā)電累計裝機(jī)容量為538 MW(含兆瓦級以上規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng))，其中，塔式、槽式和線性菲涅爾式技術(shù)路線占比分別為60%、28%和12%[74]。

基于蒸汽朗肯循環(huán)的光熱發(fā)電技術(shù)成熟，是當(dāng)前商業(yè)應(yīng)用的主流方向。但這類系統(tǒng)存在聚光集熱面積大、循環(huán)溫度較低、效率較低等問題，阻礙了自身快速發(fā)展[75]。超臨界CO2布雷頓循環(huán)所需的溫度范圍與塔式集熱裝置的集熱溫度相契合，具有進(jìn)一步提升太陽能熱發(fā)電效率的潛力。

美國可再生能源實驗室針對簡單超臨界CO2循環(huán)、再壓縮超臨界CO2循環(huán)、部分冷卻循環(huán)、中間冷卻循環(huán)進(jìn)行比較，分析了4種超臨界CO2循環(huán)在不同條件下的熱力性能[76]。Padilla等[77]對4種典型的太陽熱能驅(qū)動的超臨界CO2循環(huán)進(jìn)行能量分析和?分析。結(jié)果表明，與塔式太陽能集熱裝置耦合的超臨界CO2循環(huán)相比于蒸汽朗肯循環(huán)有更好的熱力性能，通過增加再熱過程，超臨界CO2再壓縮循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱效率和?效率得到進(jìn)一步提升。

太陽輻射具有間歇性和波動性，為了確保太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與最大化利用太陽能資源，通常配置儲能系統(tǒng)，或利用天然氣、油等化石燃料作為補(bǔ)充燃料。澳大利亞Eric Hu課題組最早提出太陽能與燃煤火電機(jī)組耦合方法，研究表明，采用太陽熱系統(tǒng)收集的輔助熱源替代汽輪機(jī)抽汽進(jìn)入常規(guī)電廠回?zé)嵯到y(tǒng)后，理論上可提高火力發(fā)電廠發(fā)電功率約30%[78-79]。光-煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在降低太陽能利用成本、提高太陽能發(fā)電效率的同時，還能降低燃煤消耗、減少碳排放，具有廣闊發(fā)展前景。

華北電力大學(xué)楊勇平團(tuán)隊針對光-煤互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)開展了系列研究[80-82]，利用遺傳算法對太陽能輔助燃煤系統(tǒng)的集熱場進(jìn)行了優(yōu)化；基于熱力學(xué)第二定律提出了太陽能貢獻(xiàn)度法，并利用該方法對太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。此外，該團(tuán)隊提出了塔式太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的不同集成方案，開展了燃煤發(fā)電系統(tǒng)的能量和?分析[83]，探討了蓄熱系統(tǒng)容量對太陽能發(fā)電功率和發(fā)電效率的影響[84]，提出了槽塔相結(jié)合收集太陽能的模式[85]。陳海平團(tuán)隊[86-87]提出擴(kuò)容蒸發(fā)式太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，并與燃煤機(jī)組耦合形成光-煤互補(bǔ)復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)換熱效率。

2.2 太陽能建筑采暖與制冷

建筑能耗在總能耗中占據(jù)較大比例，而建筑能耗結(jié)構(gòu)中2/3的能源用于建筑采暖、制冷和熱水供應(yīng)。因此，充分利用太陽能進(jìn)行采暖、降溫和熱水供應(yīng)是實現(xiàn)建筑節(jié)能的一個有效途徑[88]。太陽能光熱技術(shù)在建筑采暖應(yīng)用領(lǐng)域可分為“被動式”利用技術(shù)和“主動式”利用技術(shù)。

2.2.1 太陽能建筑被動采暖系統(tǒng)

太陽能“被動式”采暖技術(shù)主要是通過建筑朝向、方位和構(gòu)造布局等的設(shè)計達(dá)到提高建筑冬季吸收熱量、控制夏季室內(nèi)過熱、加強(qiáng)自然通風(fēng)等效果。由法國科學(xué)家Trombe發(fā)明的Trombe墻系統(tǒng)是研究最廣泛的太陽能被動采暖系統(tǒng)，如圖5所示。太陽能集熱面與幕墻進(jìn)行一體化設(shè)計，對系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，集熱器的出口溫度可以達(dá)到91.3℃，墻體內(nèi)側(cè)溫度最高可達(dá)23.4℃，內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到41.7℃，具有較好的保溫性能[89]。

圖5 Trombe墻原理圖Fig.5 Schematic diagram of Trombe wall

2.2.2 太陽能建筑主動采暖系統(tǒng)

太陽能“主動式”采暖技術(shù)則是利用各種太陽能集熱設(shè)備對太陽能經(jīng)過吸收、轉(zhuǎn)化、存儲后，由泵或風(fēng)機(jī)將熱量傳輸?shù)讲膳块g，通常與電磁爐、熱泵等輔助供能設(shè)備耦合以增加系統(tǒng)適用性與穩(wěn)定性?；诘蜏剌椛渖岬南嘧儍嵝推桨寮療崞魈柲芄┡到y(tǒng)如圖6所示，在平均集熱器溫度56.5℃下，用于供暖的毛細(xì)管網(wǎng)上方1.5 m處的溫度在19.6～21.4℃范圍內(nèi)，能夠滿足供暖需求[90]。太陽能熱泵系統(tǒng)采用太陽輻照作為蒸發(fā)熱源的熱泵系統(tǒng)，空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統(tǒng)的設(shè)計研究表明，整個機(jī)組的出水溫度可以達(dá)到42.3℃，平均室內(nèi)溫度能夠達(dá)到19.6℃[91]。

圖6 儲熱型太陽能供暖系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of solar heating system with heat storage

太陽能制冷目前主要以太陽能吸收式制冷技術(shù)為主，通過集熱器產(chǎn)出熱源驅(qū)動溴化鋰吸收式制冷機(jī)，其熱源溫度要求范圍通常在72.5～95℃。人們構(gòu)建了平板集熱器驅(qū)動的小型太陽能吸收式制冷系統(tǒng)，對系統(tǒng)進(jìn)行分析與優(yōu)化，如圖7所示。結(jié)果表明，平板集熱器的工作溫度可達(dá)90℃，能夠較好與吸收式制冷機(jī)熱源溫度相匹配，且制冷性能優(yōu)于電壓縮制冷系統(tǒng)[92]。王樹成等人[93]對太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行分析，對集熱器效率隨運(yùn)行溫度變化以及集熱器面積需求量隨時間的變化等因素進(jìn)行了討論。

圖7 小型太陽能吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Schematic diagram of small solar absorption refrigeration system

2.3 太陽能熱法海水淡化

太陽能海水淡化技術(shù)分為熱法與膜法兩大類。利用太陽能產(chǎn)熱加熱海水，經(jīng)濃縮蒸發(fā)冷凝后產(chǎn)出淡水的過程稱之為熱法；利用太陽能發(fā)電驅(qū)使海水無相變地通過半透膜實現(xiàn)淡化過程，稱之為膜法。太陽能熱法海水淡化技術(shù)又可分為直接法和間接法兩大類：直接法即直接利用太陽能在集熱器中對海水進(jìn)行蒸餾；間接法中太陽能集熱器和海水蒸餾裝置是分開的，其中一個用來收集太陽能，另一個用來對海水進(jìn)行脫鹽[93]。典型的熱法太陽能海水淡化方法包括太陽能多級閃蒸、太陽能多效蒸餾、太陽能增濕除濕、太陽能膜蒸餾等。我國首個太陽能海水淡化示范項目采用菲涅爾式聚光集熱系統(tǒng)加熱產(chǎn)出170℃熱蒸汽作為熱源，每年可產(chǎn)出2 000 t淡水。

葉鴻烈等人[94]提出一種聚光直熱式加濕除濕太陽能海水淡化裝置并進(jìn)行了試驗測試，如圖8所示。結(jié)果表明，在平均太陽直射輻照度為692 W/m2時，最大產(chǎn)水速率達(dá)到0.52 kg/h，裝置的平均性能系數(shù)達(dá)到0.84。薛喜東等人[95]基于一種空氣隙膜蒸餾組件，對太陽能空氣隙膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在進(jìn)料溫度為50～80℃時，該系統(tǒng)最大日造水比為3.2，最大日產(chǎn)水量為21.7 L/d，產(chǎn)水電導(dǎo)率穩(wěn)定在20.0μS/cm以下。

圖8 太陽能增濕除濕海水淡化系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of humidified-dehumidified solar water desalination system

2.4 太陽能工業(yè)熱利用

中溫太陽能集熱器的運(yùn)行溫度一般在90℃以上，最高可達(dá)350℃，產(chǎn)生的高溫?zé)崴蛘叩蜏氐蛪赫羝捎糜诙喾N工業(yè)應(yīng)用場景。太陽能工業(yè)熱利用主要有2種型式，適用于許多工業(yè)部門。因此該系統(tǒng)通常含有2種型式：一是采用集熱器直接將工質(zhì)加熱至所需溫度；二是將太陽能系統(tǒng)與鍋爐系統(tǒng)實現(xiàn)熱力集成，冷水經(jīng)太陽能預(yù)熱(加熱至95℃)后，送至鍋爐系統(tǒng)加熱至特定溫度的蒸汽，進(jìn)而使用。工業(yè)熱利用領(lǐng)域為獲得溫度較高的熱水或蒸汽，通常利用聚光技術(shù)來提高熱能品質(zhì)，常用聚光技術(shù)有復(fù)合拋物面集熱器(compound parabolic collector，CPC)與槽式面聚光集熱器，一般不采用高溫點(diǎn)聚光集熱器和平板集熱器。研究人員設(shè)計了一種低截取比的CPC空氣集熱器，發(fā)現(xiàn)集熱器最大出口溫度可達(dá)200℃，低截取比的CPC聚光器可有效減少材料消耗[96]。在實際工程應(yīng)用中，力諾瑞特研發(fā)的U形管式CPC中溫集熱器產(chǎn)品，與鍋爐進(jìn)行熱力集成后，可以將冷水經(jīng)太陽能集熱器預(yù)熱后由鍋爐加熱成150℃的蒸汽供工業(yè)應(yīng)用。

3 光伏光熱一體化技術(shù)

3.1 典型PV/T集熱器結(jié)構(gòu)

PV/T的研究前期集中于以水和空氣作為冷卻介質(zhì)。文獻(xiàn)[97-98]通過理論研究指出，PV/T系統(tǒng)的光電/光熱綜合效率可以達(dá)到60%～80%，明顯高于單獨(dú)的光-電系統(tǒng)或光-熱系統(tǒng)。文獻(xiàn)[99]對光伏/熱水、光伏/熱空氣以及有無玻璃蓋板、有無聚光板的PV/T系統(tǒng)性能進(jìn)行了對比研究，并對不同的PV/T系統(tǒng)的全年運(yùn)行性能及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計算和分析，結(jié)果表明，PV/T可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性，具有更好的成本/效益比。另外，關(guān)于常規(guī)PV/T更多的研究進(jìn)展及研究結(jié)論可參考文獻(xiàn)[100-101]。其中，有研究[102]發(fā)現(xiàn)，以水為冷卻介質(zhì)可獲得比以空氣為冷卻介質(zhì)更好的電池冷卻效果及更高的綜合利用效率，其典型結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 典型PV/T集熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagram of typical PV/T collector

傳統(tǒng)的水冷型PV/T系統(tǒng)在高緯度或是冬季結(jié)冰的地區(qū)使用時，銅管內(nèi)的水易凍結(jié)，從而對管道造成損害，管道的變形會進(jìn)一步引起電池板芯形變，從而造成光伏電池的損壞。此外，由于水冷型PV/T系統(tǒng)中冷卻水直接與管道(銅管或是不銹鋼管等)接觸，會造成管道的腐蝕，降低其使用壽命。引入重力或環(huán)路熱管與熱泵技術(shù)、利用相變蓄熱等措施可有效提升傳統(tǒng)PV/T系統(tǒng)性能，克服水冷型PV/T的缺點(diǎn)。

3.2 重力熱管式PV/T集熱器

重力熱管作為傳熱元件與PV/T技術(shù)的集成方式是，將重力熱管的蒸發(fā)段焊接在吸熱板的背面，將冷凝段插入到定制的集管中。重力熱管式PV/T集熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖10、11所示。

圖10 重力熱管式PV/T集熱器(集管式冷卻)Fig.10 Gravity heat pipe type PV/T collector(header type cooling)

3.2.1 重力熱管式PV/T實驗研究

Pei等[103]對玻璃蓋板對重力熱管式PV/T集熱器性能的影響進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明，玻璃蓋板可提高系統(tǒng)的光熱性能，但會降低系統(tǒng)的光電性能；且無蓋板時系統(tǒng)對環(huán)境變化更加敏感。Fu等[104]實驗研究結(jié)果表明，降低熱管的管間距可以適當(dāng)提高系統(tǒng)的綜合性能。

圖11 重力熱管式PV/T集熱器(套管式冷卻)Fig.11 Gravity heat pipe type PV/T collector(drivepipe type cooling)

3.2.2 重力熱管式PV/T理論研究

文獻(xiàn)[105-107]基于分布參數(shù)法建立了重力熱管式PV/T系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)綜合性能的影響進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明：光熱和光電效率隨質(zhì)量流量、熱管冷凝端截面直徑和熱管數(shù)量的增加而增加，隨集管寬度的增加而降低；系統(tǒng)電增益和PV/T效率隨光伏電池覆蓋率的增加而增加，提高光伏覆蓋率有利于提高太陽輻射利用率，從而提高能量輸出品質(zhì)。針對熱管工質(zhì)，溫暖氣候區(qū)建議采用水，而寒冷氣候區(qū)建議采用R134a。Pei等[108]基于典型氣象數(shù)據(jù)對熱管式PV/T的年運(yùn)行收益進(jìn)行了評估，結(jié)果表明：系統(tǒng)獲得的有效熱能和電能主要依賴該地區(qū)的可用太陽輻射；對于北京地區(qū)，系統(tǒng)全年獲得總熱量和總光電輸出分別為8 165.62～9 101.21 MJ和1 248.75～1 269.28 MJ，全年平均太陽能-熱能貢獻(xiàn)率為46.6%～64.7%。Zhang等[109]通過進(jìn)一步研究表明：熱管式PV/T系統(tǒng)由于熱二極管特性，其夜間損失較小，有效供熱天數(shù)更多，光熱性能較好，但光電性能差別不大；同時，相對設(shè)定終溫和光伏覆蓋率，水箱容積對綜合收益的影響更大。

重力熱管工作的最佳傾角與PV/T的最佳傾角不匹配，研究人員[110]進(jìn)一步建立了傾斜熱管的三維數(shù)學(xué)模型，探究了傾角對熱管式PV/T系統(tǒng)綜合性能的影響。結(jié)果表明：傾斜狀態(tài)下液膜厚度在大部分長度上都是穩(wěn)定的；冷凝端相對薄膜熱阻隨傾角的增大先減小后增大，而蒸發(fā)端與冷凝端的薄膜熱阻呈現(xiàn)相反的變化趨勢；熱管的總熱阻主要由蒸發(fā)端決定，而蒸發(fā)端的熱阻主要由液池的有效高度決定。實驗和模擬結(jié)果均表明，傾角為40°時系統(tǒng)性能最好。

3.3 環(huán)路熱管式PV/T集熱器

重力熱管的蒸發(fā)端和冷凝端位置相對固定，與PV/T技術(shù)結(jié)合時存在諸多限制。環(huán)路熱管的蒸發(fā)端和冷凝端分離的特性使其更易與PV/T利用相結(jié)合。Pei等[111-112]設(shè)計搭建了環(huán)路熱管式PV/T系統(tǒng)與傳統(tǒng)水冷型PV/T系統(tǒng)的對比實驗測試平臺，如圖12所示。實驗結(jié)果表明：環(huán)路熱管式PV/T系統(tǒng)具有更好的溫度均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致較高的光電效率，但由于二次換熱，其光熱性能略差；雖然實驗期間二者光-電、光-熱效率不同，但它們的?效率幾乎一致。二者典型光熱光電綜合效率的擬合曲線也從側(cè)面證實了上述結(jié)論，且長期運(yùn)行性能擬合結(jié)果表明，環(huán)路熱管式PV/T系統(tǒng)具有更高的典型熱效率和典型光熱綜合效率，同時具有較大的熱損系數(shù)。

圖12 環(huán)路熱管式及水冷型PV/T對比測試平臺Fig.12 Comparison setup of loop thermosyphon type and water cooled PV/T collectors

環(huán)路熱管式PV/T中，體積充注量對系統(tǒng)性能的影響最為明顯。張濤等人[113-114]基于長期的室外實測，對不同體積充注量下對太陽能光熱利用及光電光熱綜合利用性能的影響進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明：環(huán)路熱管式太陽能熱水系統(tǒng)的日平均光熱性能隨體積填充比的增大呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，最佳體積充注量在30%～50%，而環(huán)路熱管式PV/T系統(tǒng)的最佳體積充注量為32%～40%；充注量不足會導(dǎo)致集熱器溫度急劇增大，嚴(yán)重影響光-電性能。

3.4 光伏-太陽能熱泵系統(tǒng)

熱泵的低溫蒸發(fā)吸熱與PV/T利用相結(jié)合，可同時實現(xiàn)光伏電池的低溫冷卻及熱能的高溫輸出；與空氣源熱泵結(jié)合時還可克服太陽能的間歇性。基于PV/T的熱泵供暖制冷系統(tǒng)如圖13所示。

圖13 基于PV/T的熱泵供暖制冷系統(tǒng)Fig.13 Schematic diagram of the PV/T refrigeration/heating system

將光伏電池直接層壓在直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器的上表面構(gòu)建了PV/T蒸發(fā)器[115]，結(jié)果表明：一方面，蒸發(fā)器能夠有效降低光伏電池溫度，從而提高其光電轉(zhuǎn)換效率；另一方面，太陽輻照能夠提升熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，進(jìn)而提高能效比。在此基礎(chǔ)上，利用PV/T發(fā)電直接驅(qū)動變頻壓縮機(jī)運(yùn)行，以提高熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能和太陽能利用率，實踐證明，PV/T直驅(qū)式制冷/供熱系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高的太陽能制冷效率[116-117]。

Cai等[118]將PV/T集熱器與空氣換熱器并聯(lián)同時作為熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，提出了空氣源-太陽能復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)，對工質(zhì)在蒸發(fā)側(cè)的遷移分布規(guī)律進(jìn)行了理論研究。結(jié)果表明，復(fù)合熱源能夠彌補(bǔ)單一熱源在低蒸發(fā)溫度和高冷凝溫度等不利工況下運(yùn)行時的缺陷，有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能和穩(wěn)定性。為滿足建筑的多種能量需求，Cai等[119-121]進(jìn)一步將復(fù)合熱源熱泵技術(shù)與多功能熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出太陽能-空氣源復(fù)合熱源多功能熱泵系統(tǒng)，研究了電子膨脹閥開度、環(huán)境溫度以及太陽輻照強(qiáng)度等關(guān)鍵因素對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，并對系統(tǒng)在秋季和冬季氣象條件下的動態(tài)運(yùn)行性能進(jìn)行了戶外實測，初步探討了系統(tǒng)的夜間制冷性能，結(jié)果表明，PV/T雙源熱泵系統(tǒng)在各種工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行，且在節(jié)能和性能改善方面更為有效。

3.5 含相變材料蓄熱的PV/T系統(tǒng)

針對在電池背部設(shè)置換熱通道的平板型PV/T，采用含相變材料(phase change material，PCM)的多層結(jié)構(gòu)PV/T系統(tǒng)來提升性能[122]。多層結(jié)構(gòu)PV/T系統(tǒng)是將PCM層置于PV背板與換熱通道之間，通過蓄熱作用調(diào)節(jié)光伏電池的溫度，夜間還能釋放熱量，用于管路系統(tǒng)冬季防凍，明顯提高傳統(tǒng)PV/T系統(tǒng)[123]的發(fā)電、產(chǎn)熱效率及工作可靠性。研究發(fā)現(xiàn)，在上海地區(qū)秋季典型測試條件下，利用多層結(jié)構(gòu)PV/T系統(tǒng)的平均電效率可提高近1%，綜合效率可提高25.2%。采用類似PCM多層結(jié)構(gòu)的PV/T系統(tǒng)亦獲得了較高的電熱效率。這些研究為相變材料在傳統(tǒng)PV/T系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一個值得深入拓展的方向，可圍繞相變材料的選擇、應(yīng)用位置、布置方式、導(dǎo)熱強(qiáng)化等方面展開。

另外，研究人員開發(fā)出了一種有效的以微膠囊相變材料(microcapsule phase change material，MPCM)漿液為冷卻介質(zhì)的PV/T系統(tǒng)[124-125]。MPCM作為換熱工質(zhì)，可充分發(fā)揮其相變潛熱優(yōu)勢，相同流量條件下能提高換熱量，從而較好地控制電池溫度，但系統(tǒng)的阻力損失并沒有明顯增加。研究發(fā)現(xiàn)，使用MPCM漿液的PV/T系統(tǒng)的性能優(yōu)于使用單純的水或帶有PCM層的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的平均電效率和最大熱效率能得到顯著的提高。即使是低濃度的MPCM漿液，亦可以明顯提高其綜合性能。以上結(jié)果表明該系統(tǒng)在太陽能光伏光熱綜合開發(fā)利用中可行，而且利用相變材料蓄熱可以有多種形式。

4 “光伏+”太陽能綜合利用

隨著太陽電池組件技術(shù)日漸成熟，其應(yīng)用場景從大型光伏電站延伸到更多方面，衍生了包括“光伏+”建筑、基建、農(nóng)業(yè)和交通等多種分布式太陽能綜合利用的方式。

4.1 “光伏+”建筑

光伏與建筑結(jié)合主要有在建筑上安裝的光伏系統(tǒng)(building attached photovoltaic，BAPV)和建筑光伏一體化(building integrated photovoltaic，BIPV)[126-128]2種模式，BAPV是在不破壞建筑物的前提下，將光伏組件附著安裝在建筑物上。而BIPV光伏組件不僅要為建筑物提供電力，同時光伏組件也作為建筑物的一部分，具有建筑物自身的結(jié)構(gòu)和使用功能，即光伏建筑一體化?！肮夥?”建筑減少了光伏組件的占地面積，增加了建筑物的設(shè)計感和美觀度。

BIPV雖然在多方面更具優(yōu)勢，但需要承擔(dān)被替代的傳統(tǒng)建筑材料的功能，更換現(xiàn)有建筑的玻璃、屋頂會造成很大影響，所以，現(xiàn)階段依舊以BAPV為主，后期隨著新建建筑的出現(xiàn)，BIPV的占比會逐漸提高，其發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

4.2 “光伏+”基建

“光伏+”基建指的是光伏組件與基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合。例如，將光伏組件作為路燈、道路警示牌的電源，光伏智能公路等。光伏智能公路中組件產(chǎn)生的電能可以為公路旁的路燈和指示燈提供能源補(bǔ)給，剩余的電能可以傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

新能源汽車的蓬勃發(fā)展為光伏提供了新的“光伏+基建”應(yīng)用場景[129]。在充電樁附近的停車區(qū)域設(shè)置光伏遮陽棚，將光伏電池配上充放電控制裝置及蓄電池，就能在為汽車遮蔽風(fēng)雨的同時實現(xiàn)新能源汽車的零碳排放。

隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，“站點(diǎn)式光伏+5G”的“光伏+基建”具有靈活、方便、高效、節(jié)能等優(yōu)勢，應(yīng)用潛力巨大。5G信號的發(fā)送及傳輸需要消耗巨大的電能，站點(diǎn)式光伏發(fā)電站能夠在很大程度上為5G基站補(bǔ)充電能消耗。同時，5G智能也可以用于站點(diǎn)式光伏，滿足光伏電站的實時數(shù)據(jù)采集和傳輸、遠(yuǎn)程調(diào)度與協(xié)調(diào)控制、多系統(tǒng)高速互聯(lián)等功能，實現(xiàn)電站的實時監(jiān)測和智能運(yùn)維?！肮夥?5G”模式既符合當(dāng)下數(shù)字化經(jīng)濟(jì)的提議，又十分契合中國“雙碳”目標(biāo)重大決議，未來定會有很好的發(fā)展。

4.3 “光伏+”農(nóng)業(yè)

“光伏+”農(nóng)業(yè)指光伏與大棚、畜牧業(yè)和漁業(yè)等的結(jié)合。光伏大棚是在普通大棚的頂部安裝薄膜太陽電池板，將太陽輻射分為植物需要的光能和光伏發(fā)電的光能，既滿足了植物生長的需要，又實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。光伏畜牧則主要利用光伏電池和蓄電池為無電區(qū)牧民提供基本生活供電。

光伏漁業(yè)是在水面上安裝漂浮式光伏形成“上發(fā)電下養(yǎng)殖”的新型節(jié)能農(nóng)業(yè)模式。這一模式存在一些問題：1）水面遮光導(dǎo)致魚塘水生植物產(chǎn)氧量下降；2）光伏組件安裝和絕緣要求更高；3）組件腐蝕更加嚴(yán)重。這一模式的未來發(fā)展應(yīng)著力于尋求最佳安裝面積，解決絕緣、腐蝕問題，使?jié)O業(yè)和光伏結(jié)合，為漁民帶來最大創(chuàng)收。

5 結(jié)論

針對光伏發(fā)電技術(shù)、光熱技術(shù)、光熱一體化和“光伏+”4種太陽能利用技術(shù)進(jìn)行了綜述。介紹了各種太陽能利用技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、原理、技術(shù)分類和現(xiàn)存問題，并對它們的發(fā)展前景和技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1）光伏發(fā)電技術(shù)是解決未來能源需求問題最有前途的技術(shù)之一。晶硅太陽電池正在從P型向更高效率的N型電池轉(zhuǎn)變，其中，HIT電池代表了未來晶硅太陽電池技術(shù)的發(fā)展方向。穩(wěn)定性是制約鈣鈦礦太陽電池開啟商業(yè)化進(jìn)程的主要瓶頸；除此之外，還亟需開發(fā)鈣鈦礦組件的大面積制備工藝。新型硅基雜化太陽電池的研究目前仍集中在獲得高轉(zhuǎn)換效率上；針對其力學(xué)性能、穩(wěn)定性和制備工藝開展研究，有望成為未來一段時間的熱點(diǎn)。

2）光熱發(fā)電具備靈活性調(diào)節(jié)優(yōu)勢，能夠為高比例可再生能源并網(wǎng)情境下電網(wǎng)快速調(diào)峰調(diào)頻奠定安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)；高效率、大容量、高聚光比的光熱發(fā)電技術(shù)是未來主要研究方向。太陽能建筑采暖與制冷技術(shù)是降低建筑中傳統(tǒng)能源消耗、提高工業(yè)加熱清潔化的有效途徑與方法，能為區(qū)域能源供給提供新的思路。太陽能熱法海水淡化技術(shù)可以獨(dú)立運(yùn)行且具有不消耗常規(guī)能源、環(huán)保等優(yōu)勢，大幅提高清潔能源使用比例，同樣具備較好的發(fā)展前景。

3）PV/T技術(shù)具備更好的綜合性能及建筑節(jié)能潛力，特別是與空氣源熱泵結(jié)合可實現(xiàn)全天候工作。目前的研究集中在引入重力或環(huán)路熱管、熱泵技術(shù)、相變蓄熱措施等提升PV/T系統(tǒng)的性能；PV/T技術(shù)未來需著力于集熱器集成工藝與綜合效率及使用壽命的提升及改進(jìn)。

4）“光伏+”模式的探索更使得新型的太陽能利用技術(shù)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)、建筑和基建等領(lǐng)域靈活緊密地結(jié)合起來，進(jìn)一步提高了太陽能綜合利用的效率和靈活性。其中，BIPV、“光伏+充電樁”“光伏+5G”、光伏大棚等技術(shù)均具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>