太陽能技術應用于公共設施設計

王 龍

（長沙理工大學 設計藝術學院，湖南 長沙 410014）

能源危機迫在眉睫，世界經濟的現(xiàn)代化，得益于即將枯竭的化石能源，如石油、天然氣、煤炭等的廣泛投入與利用。這種現(xiàn)代經濟是建立在化石能源基礎上的一種經濟，然而，它將在二十一世紀上半葉迅速枯竭。出于生存的原因，也是出于世界經濟的可持續(xù)發(fā)展，要克服能源危機，出路不僅在于節(jié)約能源，更在于大力發(fā)展可再生能源，用可再生能源和原料全面取代化石能源，進行一場新的工業(yè)革命。以太陽能為主的可再生能源的利用潛力就顯得格外突顯了。

經過幾十年探索和實踐應用，太陽能已經被視為新能源的代表。太陽能是一種潔凈和可持續(xù)產生的能源，是未來社會能源的主要發(fā)展方向之一。發(fā)展太陽能科技可減少在發(fā)電過程中使用的礦物燃料，從而減輕空氣的污染及全球暖化等諸多的問題。我國的太陽能產業(yè)規(guī)模位居世界第一，是全球太陽能熱利用生產和使用量最大的國家，也是重要的太陽能光伏電池生產國，我國擁有較為成熟的太陽能技術，大力推動我國的太陽能產品的設計和開發(fā)，是我國發(fā)展領先能源技術、可持續(xù)發(fā)展產業(yè)和環(huán)保產品設計的重大機遇。隨著光伏電力的應用、光熱的利用技術的逐步成熟，生物質燃料能源的利用等與太陽能相關的能源利用已經走進了我們的生活，并正在改變著我們的生活。

城市公共環(huán)境與設施是體現(xiàn)資源節(jié)約與環(huán)保理念的重點區(qū)域。節(jié)能環(huán)保的城市公共環(huán)境能充分展現(xiàn)城市的品位與理念。城市中的公共設施設備，例如路燈、道路指示牌、公交車站等，已成為城市與人之間不可或缺的一部分。而要維持這些設施設備的正常運轉，亦是需要能源的供給。太陽能光伏電力技術的日趨成熟及廣泛的應用，可以較大程度地解決這部分電力的供應。對于一座城市而言，這將節(jié)省一大塊的電力資源。對于城市的經濟建設和社會發(fā)展也將起到較為重要的示范作用。

城市的生存和發(fā)展必須具備較為完善的基礎設施。我國改革開放三十多年來，城市的基礎設施發(fā)生了質的變化，公共環(huán)境得到了很大的改善。例如城市的亮化（即城市照明）近十年來成為每個城市建設的一個重要部分，而且發(fā)展非常迅速，它對完善城市功能、改善城市環(huán)境，提高人民生活水平均發(fā)揮了積極地作用。但總體上說，城市照明的水平還不高，建設市場混亂，忽視照明設計的文化品位與環(huán)境的和諧，單純的追求亮度，造成光污染，使用低效的照明設備，電能浪費嚴重，加劇城市的用電緊張?！肮?jié)能”成為需要解決的問題。不僅是在城市市政照明中，公共設施設備的正常運轉亦是需要考慮這些因素，所以，以人為本、全心全意為城市服務的節(jié)能問題被廣泛地提及。堅持節(jié)約能源，保護環(huán)境，開發(fā)新能源新技術，服務城市環(huán)境。在這其中，新能源的開發(fā)利用無疑是節(jié)能環(huán)保主題的亮點，它必將成為今后城市公共環(huán)境設計的重要依據。

城市公共設施是城市空間構成中不可或缺的主要元素，它的設計和處理，在很大程度上能體現(xiàn)城市的文明程度和文化品質，也是體現(xiàn)城市品味、提高城市趣味的重要環(huán)節(jié)。從塑造城市形象的視角出發(fā)，審視城市公共設施對城市影響力、競爭力的作用可以看到，成功的城市公共設施設計可以創(chuàng)造出一個城市強烈的地域感和可認知感，培育城市知名度和影響力，成為拉動城市發(fā)展的一個重要增長點。

從研究的意義上，太陽能公共設施起到體現(xiàn)城市節(jié)能環(huán)保的一個示范作用，節(jié)能環(huán)保一直在設計領域中得到足夠的認識和重視。近幾年，從設計領域的專業(yè)人才到市政建設的政府部門乃至媒體輿論、百姓大眾都把城市公共設施的節(jié)能環(huán)保設計和投入提到了應有的地位。但太陽能公共設施始終沒有得到應有的普及應用，因此研究和設計太陽能公共設施具有較大的實際意義和應用價值。

一、太陽能技術應用的實例

太陽能是一種輻射能，利用時要轉換成其它形式的能量。如通過集熱器，將太陽能轉換為熱能；利用光伏效應，將太陽能轉換為電能；通過光合作用，將太陽能轉換為生物質能等等。目前，太陽能的熱利用和各種光電產品都得到較大的發(fā)展。

（一）太陽能建筑

有關人士預測，未來的城市是生態(tài)城市，未來的建筑是生態(tài)建筑。而生態(tài)城市和生態(tài)建筑的一個顯著的特點是太陽能技術得到充分利用。因此，從一定程度上講，生態(tài)建筑即“太陽能建筑”，而生態(tài)城市即“太陽能城市”。到那時，建筑物的許多構件將是太陽能集熱器，或是太陽能電池板，它既是大建筑物圍護結構的一部分，又為建筑物提供部分能源。

現(xiàn)代的太陽熱能科技將陽光聚合，并運用其能量產生熱水、蒸氣和電力。除了運用適當?shù)目萍紒硎占柲芡?，建筑物亦可利用太陽的光和熱能。德國弗萊堡著名的“完全自足太陽房”就是一座完全依靠太陽能采暖、發(fā)電，而不依賴常規(guī)能源的零消耗建筑，至今已有11年了。該房已引起各界人士的密切關注，希望通過此項研究能使人類找到一條利用可再生的清潔能源的新路。

[38]騰訊網：《中國成為柬埔寨第一大客源國》，http://zj.qq.com/a/20180201/008563.htm，2018年2月1日。

塞浦路斯等國家還發(fā)展了在建筑規(guī)劃和設計中利用太陽能的軟件，以便在房屋建筑的最初階段——規(guī)劃階段就考慮太陽能的利用，并在建筑設計中，對房屋的造型、朝向、形狀、平面布局，乃至材料的選擇等，都與太陽能的利用結合在一起，使太陽能的利用與建筑功能緊密結合。

（二）太陽能路燈

太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規(guī)電能，只要陽光充足就可以就地安裝等特點，又因其不污染環(huán)境受到人們的廣泛關注。太陽能路燈即可用于城鎮(zhèn)公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小、交通不便、經濟不發(fā)達、缺乏常規(guī)燃料，難以用常規(guī)能源發(fā)電，在太陽能資源豐富的地區(qū)，以解決這些地區(qū)人們的家用照明問題。太陽能路燈在我們的身邊已經越來越多。

（三）太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽熱能應用發(fā)展中最具經濟價值、技術最成熟且已商業(yè)化的一項應用產品。

太陽能熱水系統(tǒng)相對于使用化石燃料制造熱水，能減少對環(huán)境的污染及溫室氣體二氧化碳的產生。它不像使用瓦斯有爆炸或中毒的危險，或使用燃料油鍋爐有爆炸的顧慮，或使用電力會有漏電的可能。并且不需專人操作自動運轉，另外，太陽能熱水器裝在屋頂上，不會占用任何室內空間。由于其使用壽命較長，加之基本熱源為免費的太陽能，所以使用它十分符合經濟成本效益。

（四）太陽能交通工具

隨著更多可持續(xù)發(fā)展交通工具的誕生，太陽能汽車已經在艷陽下逐步前進?，F(xiàn)在更多的設計者和發(fā)明家把重點集中在研發(fā)太陽能水上交通工具上。相比起陸上交通工具，水上交通工具更適合走太陽能的路線。但是，現(xiàn)時這些交通工具的前進速度都相當慢。不過隨著科技的發(fā)展，太陽能交通工具在速度上還是有不小的潛力。新的環(huán)保交通方式正在日新月異地發(fā)展中。

2015年3月9日，自瑞士的陽光動力（SOLARIMPULSE）2號太陽能飛機從阿聯(lián)酋的阿布扎比起飛，成功地完成了5個月的環(huán)球飛行。單靠太陽能提供飛機所需能源，它的成功飛行是太陽能技術在交通工具的應用上跨越了一大步。

（五）太陽能小產品

除了上述太陽能應用設計外，越來越多利用太陽能資源的小產品也應運而生。它們工作的原理都是吸收太陽能并轉化為電能的形式作為產品的動力。如太陽能優(yōu)盤、太陽能手電筒、太陽能帳篷、太陽能草帽、MP3等等。

二、太陽能利用的利弊分析

（一）太陽能利用的優(yōu)勢

太陽能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大優(yōu)勢：

1.儲量最大的能源。每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于130萬億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。地球所接收到的太陽能只占太陽表面所發(fā)出的全部能量的二十億分之一左右,而這些能量相當于全球所需能量的3-4萬倍。據估計，在過去漫長的11億年中，太陽消耗了它本身能量的2%。今后足以供給地球人類，使用幾十億年，真是取之不盡，用之不竭。

2.輻射范圍最廣的能源。地球上，無論何處都有太陽能，沒有地域的限制。無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發(fā)達的農村、海島和邊遠地區(qū)更具有利用的價值。

3.最環(huán)保、潔凈的能源。開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，不會產生廢渣、廢水、廢氣、也沒有噪音。在環(huán)境污染越來越嚴重的今天，這點是極其寶貴的。

（二）太陽能利用的劣勢

但是作為未來能源的主要替代者，太陽能的利用也存在諸多問題。

1.分散性。陽光到達地球表面的輻射量盡管很大，但是能量很低。例如，北回歸線附近的夏季，在較為晴朗的時候，中午時候太陽的輻照度最大，在垂直于太陽光方向1平方米面積上接收到的太陽能平均有1000W左右；若全年日夜平均，則只有200W左右。而在冬天大致只有一半，而陰天只有1／5左右，這樣的能量度是很低的。所以，在利用太陽能時，想要得到理想的轉換功率，就需要面積相當大的收集和轉換設備，花費比較大。

2.不穩(wěn)定性。由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機因素的影響，到達某一地面的太陽輻照度是間斷的、極不穩(wěn)定的。為了使太陽能成為連續(xù)穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題。就是把晴朗的時候白天的太陽輻射能盡量貯存起來，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能技術中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。

3.效率低和成本高。目前太陽能能源可持續(xù)發(fā)展的水平，大部分只是理論上可行，技術上卻不成熟。大部分太陽能利用裝置，因為效率偏低、成本較高，經濟性還不能與常規(guī)能源相競爭。在今后長期一段時間內，太陽能利用的進一步發(fā)展，還會受到經濟的制約。

三、太陽能技術適用于公共設施設計

在地球資源的日益貧乏的今天，基礎能源的投資越來越高，各種安全隱患、污染隱患也無處不在。太陽能這種環(huán)保新能源越來越受到重視。隨著太陽能照明產品及太陽能熱水器的普及，太陽能技術將來會更多的應用在公共設施的設計中。太陽能利用于公共設施設計相比其他新能源具有以下優(yōu)勢：

（一）使用效率高

從目前統(tǒng)計的新能源的含量中，太陽能較其它能源比例更高，使用范圍最為廣泛。從城市的長期規(guī)劃中看，太陽能公共設施的開發(fā)將會更加長久和便捷。太陽能發(fā)電的能量轉換路線，是直接將太陽輻射能轉換為電能。太陽能的轉換是所有能量轉換中最安全最簡潔的轉換方式，大大減少了能量損失。

（二）獨有的經濟優(yōu)勢

隨著太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)模應用和推廣，尤其是上游晶體硅產業(yè)和光伏發(fā)電技術的日趨成熟，每千瓦光伏電能的建設成本在2010年前后可能達到7000-10000元，相比其他可再生能源有很大的經濟優(yōu)勢，可節(jié)省城市公共設施在初期投入的費用。

（三）低碳生活

作為與人群接觸最為密切的城市公共設施，在其使用過程中不但要給公眾帶來便利，同時也要保護公眾安全健康，更要保護城市乃至世界的環(huán)境。太陽能發(fā)電接近零排放，并且，在發(fā)電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪音，不產生對人體有害的物質，不會污染環(huán)境，這也是城市可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

（四）節(jié)約城市空間

城市的公共空間是有限的，我們應有效合理地利用空間，因而公共設施應在其達到基本功能的基礎上，更好的進行空間規(guī)劃。生物能、風能是較為死板的，而太陽能則很靈活并應用廣泛。太陽能發(fā)電要占用土地面積為1的話，風力則是太陽能的8-10倍，生物能則達到100倍。太陽能發(fā)電不需要占用更多額外的土地，屋頂、墻面都可成為發(fā)電的場所。

由此可以看出，太陽能較之其它能源是我們目前可以開發(fā)使用的能源中最安全有效的可持續(xù)能源，更適合用于城市公共設施上。

[1]（英）理查德·羅杰斯、菲利普·古母齊德簡.小小地球上的城市[M].中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]（英）布賴恩·愛德華茲.可持續(xù)性建筑[M].中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3]（日）日本太陽能學會.太陽能利用新技術[M].科學出版社，2009.

[4]中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究項目組.太陽能卷[M].中國電力出版社,2008.

[5]張彤.綠色北歐—可持續(xù)發(fā)展的城市和建筑[M].東南大學出版社，2009.