殷志强：太阳能热利用科技与产业发展

　　由科学技术部国际合作司主办、由中华国际科学交流基金会承办的“首届中国科技创新国际论坛”于2007年9月15-16日在北京友谊宾馆举行。本届论坛的主题为“新能源技术创新与政策扶持”。新浪财经独家图文直播本次会议。以下为清华大学教授殷志强做《太阳能热利用科技与产业发展》主题演讲。

　　殷志强：尊敬的主席、各位专家、各位同行，我来给大家介绍一下太阳能热利用科技与产业发展。

　　一，引言。可再生

能源目前在国际上的战略地位不断提高，德国和英国通过立法宣布在2020年可再生能源在全部能源结构中占20%。瑞典在未来15年内要结束运油的历史，在心理和技术上为迎接无油世界做准备。欧盟提出2050年可再生能源中大概占50%。众多一些研究单位研究未来能源，大体上都差不多，人类的化学能源在2030年达到开采的高峰。未来能源在2050年、2100年，大家都看好太阳能发电，指的是光伏发电，所以大力发展可再生能源是必然选择。

　　这是2007年4月份国际能源机构的一个报告。到2006年底世界总保有量166兆平方米，中国占了9000万平方米，占了53.6%。1990年以后，中国成了最大的集热器的生产跟使用国。世界其他国家发展也很快。但是按照国际上的计算，一千人拥有的太阳能集热器的面积来算，中国排第十位。这个表里头，一个是黄颜色的，是总装量。从2004年，IEA国际能源机构和美国澳大利亚他们共同讨论一下，把太阳能集热器的安装量每平方米有个折算系数，这样能把太阳能集热器和光伏、风能进行比较。可以看到集热器安装量比风能发电安装量大，但是贡献没有风力发电大。第二是地热，主要指深层地热，不是地表热供给。光伏分量比较小，光热发电分量更小。

　　我们国家太阳辐射资源。1971年到2000年30年的平均结果，从国家气象局一起合作弄到的资料。我们把它分成四个区域。这是太阳能的光谱，太阳的辐射能量照到地球上，能量集中在0.3到3微米的波长，可见光一般在0.4到0.7微米，能够吸收整个谱的能量。光子波长能量大，波长的电子不能产生电。

　　我们可以分成四个区域。这四个区域，丰富区占了96%，这跟过去的分区名称有变化。如果跟欧洲相比，我们国家全部的地区都是太阳能资源可以利用的，每年太阳能照到960万平方公里的中国领土上相当于1.7亿万吨标煤的能量。到一定时候，水电、风电与生物质能的资源利用趋于饱和，而太阳辐射的能量很大，而且持久。

　　二、太阳能热水器技术的发展。我们国家追溯历史在1958年，天津大学有12.6平米的太阳能浴室。到1973年世界能源危机，寻求可再生能源，我国在上世纪70年代末起，加大研发与生产太阳能集热器。1979年前后我国有些单位迎头研发全玻璃真空管集热器。

清华大学运用电真空物理的背景，坚持了下来。结构就是一个拉长的暖棚，只不过在内玻璃管上有一层选择性吸收涂层。

　　清华大学的发明专利就是铝—氮/铝太阳选择性吸收涂层，在世界上开创用单个铝阴极通过磁控溅射制备红外低发射率低层、铝—氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和淡化铝减反膜三个部分。使用真空管的集热器可在严寒、低太阳辐射下利用，很适合多种气候。

　　这是一个选择性吸收涂层的结构，吸收层每层只有10到30个纳米，低发射层是到150纳米。想要达到科研的水平产量要减一半。

　　第四方面关于太阳光热发电，这部分我省略，它是将低密度太阳能集中，聚光方法产生高温介质，推动传统发电设备产生电能。

　　第五，太阳能热利用产业的发展。在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术，通过产学研结合，生产性能价格比较好的介质。

　　2001年到2006年太阳能热利用产业快速发展。2006年销售额近300亿元，提供就业机会60多万个。中国太阳热水器2005年安装量为世界的77%。真空管型约占世界总产量的90%以上，硼硅玻璃3.3年产量约占世界70%，吸气剂约占世界95%以上，年约1.9亿支真空集热管用，年约0.9亿支显象管用。大量显象管都在中国生产，吸气剂也在中国生产。有三个方面我们已经走在前面。

　　形成配套的产业链。3.3的玻璃30万吨其中用于真空管有28万吨。真空管镀膜生产线1000条及配套设备，生产能力为2亿支，装配约2000万平方米太阳能热水器，还有配套设备。一些骨干企业做了技术改造，提高了企业的装备水平和条件。

　　六，核心技术与创新的思考。

　　第一，一个科学技术走到前沿，特别是学术带头人，如果走不到前沿，就跟打仗一样，你都不知道前方阵地在什么地方，恐怕你只能在原地兜圈子。回顾1979年到1982年，当时清华搞的是电镀，还是采用化学的方式。到1979年到1982年搞了第一次产业化，这种电镀的方法由于液体对环境不友好，目前世界上这种工艺正在逐渐减少。1980年到1985年进行了真空蒸发技术，当时美国、加拿大以真空蒸发为主，在澳大利亚是建设溅射为主。1983年到现在我们采用的是磁控溅射技术，中间吸收层是铝—氮/铝的复合膜。

　　这个创新的过程是这样的，我很有幸在1982年被邀请到悉尼大学，悉尼大学有一个很重要的专利技术，就是铜和不锈钢。第一步想办法提高专业技术的太阳吸收层，我增加一个阴极，也就是增加一个靶，我把它提高到0.95左右。他们用铜做底层，用不锈钢做吸收层，等于二靶、三靶，做好三个靶以后写论文没有问题，如果要搞产业化必须降低成本，必须使设备简化，如果三个靶可以看到周围圆圈是玻璃管，只能接受三分之一材料的利用率。所以最好用一个靶，做了二十几种方案，最后用铝靶。单阴极是最经济的，因为既要满足低层的低发射，金是老大、银老二、铜老三，第四是铝。金、银不可能产生化合物，银的氧化物在二三百度就升华了。金是真金不怕火来炼。这不是我当初发明的一种先知先觉，而是后来逐渐感觉到后面没有。

　　现在对于一个大学的老师来说，困难的是科研搞了以后，要不要走到产业化去，只要做一个几平方米的涂层，做了一些微观的分析，里头又有电磁场理论计算，然后就够了，准备新题目，那时候我是副教授。也包括学校的力量和我的老师，鼓励要往前走，要产业化。因为我们搞的是应用物理，不是搞理论物理。这样子我们在1985年做了一代磁控溅射镀膜机。1991年到了第二代，采用了周期永磁场，这是正交比较强的地方，但是这种阴极做150炉，这个还不行。再开发到第三代，利用旋转的磁场，这台东西可以高达800炉，整个又提高了很多。这就是我一直困惑的问题，在这上面花这么大力气，有的也不是我自己做的。外表面到了第二、第三代就是这种前开门式的。现在发展走第四代，连续镀膜，提高生产力，降低成本，提高质量。进一步深入机理的研究，实际上表层就是纳米结构，但是我从来不提，因为我在上个世纪80年代就知道纳米结构，后来什么都是纳米了。只能说表面的颗粒大小是纳米级的。另外在2004年有一个光电子谱很准确分析下来，我们名义上叫铝氮铝，实际是铝加上铝的氮氧化物，这并不是我们故意加的。刚才说生产上有问题，所以继续研究开发。到2003年，AR有了重大进展以后，做出来的膜是0.95。还要研究集热器的结构，这是1987年申请的专利。

　　我们看到热水器的应用，东边是北京，西边是拉萨，北边到漠河，南边到海南三亚。三亚现在有两家五星级酒店，他们应用了集热器。首先是喜来登酒店，晴天获得150吨热水，旁边是万豪酒店。再就是清华附中。

　　实验的硬软条件，仪器与设备水平，如果没有足够好的仪器和足够好的设备是很难做工作的。我在悉尼大学有这样的仪器，而且全部开放，全部让你操作。他把理学大楼钥匙给你，实验室钥匙给你。人要有理、化基础与动手能力。我现在在清华大学研究生也带、本科生也带，目前大学生培养在动手能力不如以前，为什么不如以前呢？我带一个学生，他把图烘烤烘烤，烘箱断电了，急得他一天都没办成，其实就是保险丝断了。真正的叶片的核心设计技术我们国家还缺，一般玩计算机的那都不算数。

　　产学研结合。开始原创所花的时间并不多，我就是做一个方案，重点突破的时间也不过几天时间，当然很兴奋。可是实际上后面就不是几天，也不是几年，可能要十年、十五年，而且这是要靠大家来做的，不是一个人就能做完的。花时间要多，还得要团结人，现在我们讲的和谐。科技人员必须跨出这一步，使得科研成为实际的第一生产力。

　　创造制度尚不完善。

　　我还注了两点。检验周期，全生命周期能量效益分析。

　　太阳能从补充能源过渡到替代能源任重道远。

　　谢谢。