太阳能技术应用于公共设施设计

王 龙

（长沙理工大学 设计艺术学院，湖南 长沙 410014）

能源危机迫在眉睫，世界经济的现代化，得益于即将枯竭的化石能源，如石油、天然气、煤炭等的广泛投入与利用。这种现代经济是建立在化石能源基础上的一种经济，然而，它将在二十一世纪上半叶迅速枯竭。出于生存的原因，也是出于世界经济的可持续发展，要克服能源危机，出路不仅在于节约能源，更在于大力发展可再生能源，用可再生能源和原料全面取代化石能源，进行一场新的工业革命。以太阳能为主的可再生能源的利用潜力就显得格外突显了。

经过几十年探索和实践应用，太阳能已经被视为新能源的代表。太阳能是一种洁净和可持续产生的能源，是未来社会能源的主要发展方向之一。发展太阳能科技可减少在发电过程中使用的矿物燃料，从而减轻空气的污染及全球暖化等诸多的问题。我国的太阳能产业规模位居世界第一，是全球太阳能热利用生产和使用量最大的国家，也是重要的太阳能光伏电池生产国，我国拥有较为成熟的太阳能技术，大力推动我国的太阳能产品的设计和开发，是我国发展领先能源技术、可持续发展产业和环保产品设计的重大机遇。随着光伏电力的应用、光热的利用技术的逐步成熟，生物质燃料能源的利用等与太阳能相关的能源利用已经走进了我们的生活，并正在改变着我们的生活。

城市公共环境与设施是体现资源节约与环保理念的重点区域。节能环保的城市公共环境能充分展现城市的品位与理念。城市中的公共设施设备，例如路灯、道路指示牌、公交车站等，已成为城市与人之间不可或缺的一部分。而要维持这些设施设备的正常运转，亦是需要能源的供给。太阳能光伏电力技术的日趋成熟及广泛的应用，可以较大程度地解决这部分电力的供应。对于一座城市而言，这将节省一大块的电力资源。对于城市的经济建设和社会发展也将起到较为重要的示范作用。

城市的生存和发展必须具备较为完善的基础设施。我国改革开放三十多年来，城市的基础设施发生了质的变化，公共环境得到了很大的改善。例如城市的亮化（即城市照明）近十年来成为每个城市建设的一个重要部分，而且发展非常迅速，它对完善城市功能、改善城市环境，提高人民生活水平均发挥了积极地作用。但总体上说，城市照明的水平还不高，建设市场混乱，忽视照明设计的文化品位与环境的和谐，单纯的追求亮度，造成光污染，使用低效的照明设备，电能浪费严重，加剧城市的用电紧张。“节能”成为需要解决的问题。不仅是在城市市政照明中，公共设施设备的正常运转亦是需要考虑这些因素，所以，以人为本、全心全意为城市服务的节能问题被广泛地提及。坚持节约能源，保护环境，开发新能源新技术，服务城市环境。在这其中，新能源的开发利用无疑是节能环保主题的亮点，它必将成为今后城市公共环境设计的重要依据。

城市公共设施是城市空间构成中不可或缺的主要元素，它的设计和处理，在很大程度上能体现城市的文明程度和文化品质，也是体现城市品味、提高城市趣味的重要环节。从塑造城市形象的视角出发，审视城市公共设施对城市影响力、竞争力的作用可以看到，成功的城市公共设施设计可以创造出一个城市强烈的地域感和可认知感，培育城市知名度和影响力，成为拉动城市发展的一个重要增长点。

从研究的意义上，太阳能公共设施起到体现城市节能环保的一个示范作用，节能环保一直在设计领域中得到足够的认识和重视。近几年，从设计领域的专业人才到市政建设的政府部门乃至媒体舆论、百姓大众都把城市公共设施的节能环保设计和投入提到了应有的地位。但太阳能公共设施始终没有得到应有的普及应用，因此研究和设计太阳能公共设施具有较大的实际意义和应用价值。

一、太阳能技术应用的实例

太阳能是一种辐射能，利用时要转换成其它形式的能量。如通过集热器，将太阳能转换为热能；利用光伏效应，将太阳能转换为电能；通过光合作用，将太阳能转换为生物质能等等。目前，太阳能的热利用和各种光电产品都得到较大的发展。

（一）太阳能建筑

有关人士预测，未来的城市是生态城市，未来的建筑是生态建筑。而生态城市和生态建筑的一个显著的特点是太阳能技术得到充分利用。因此，从一定程度上讲，生态建筑即“太阳能建筑”，而生态城市即“太阳能城市”。到那时，建筑物的许多构件将是太阳能集热器，或是太阳能电池板，它既是大建筑物围护结构的一部分，又为建筑物提供部分能源。

现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能。德国弗莱堡著名的“完全自足太阳房”就是一座完全依靠太阳能采暖、发电，而不依赖常规能源的零消耗建筑，至今已有11年了。该房已引起各界人士的密切关注，希望通过此项研究能使人类找到一条利用可再生的清洁能源的新路。

[38]腾讯网：《中国成为柬埔寨第一大客源国》，http://zj.qq.com/a/20180201/008563.htm，2018年2月1日。

塞浦路斯等国家还发展了在建筑规划和设计中利用太阳能的软件，以便在房屋建筑的最初阶段——规划阶段就考虑太阳能的利用，并在建筑设计中，对房屋的造型、朝向、形状、平面布局，乃至材料的选择等，都与太阳能的利用结合在一起，使太阳能的利用与建筑功能紧密结合。

（二）太阳能路灯

太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，又因其不污染环境受到人们的广泛关注。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小、交通不便、经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，在太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。太阳能路灯在我们的身边已经越来越多。

（三）太阳能热水系统

太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。

太阳能热水系统相对于使用化石燃料制造热水，能减少对环境的污染及温室气体二氧化碳的产生。它不像使用瓦斯有爆炸或中毒的危险，或使用燃料油锅炉有爆炸的顾虑，或使用电力会有漏电的可能。并且不需专人操作自动运转，另外，太阳能热水器装在屋顶上，不会占用任何室内空间。由于其使用寿命较长，加之基本热源为免费的太阳能，所以使用它十分符合经济成本效益。

（四）太阳能交通工具

随着更多可持续发展交通工具的诞生，太阳能汽车已经在艳阳下逐步前进。现在更多的设计者和发明家把重点集中在研发太阳能水上交通工具上。相比起陆上交通工具，水上交通工具更适合走太阳能的路线。但是，现时这些交通工具的前进速度都相当慢。不过随着科技的发展，太阳能交通工具在速度上还是有不小的潜力。新的环保交通方式正在日新月异地发展中。

2015年3月9日，自瑞士的阳光动力（SOLARIMPULSE）2号太阳能飞机从阿联酋的阿布扎比起飞，成功地完成了5个月的环球飞行。单靠太阳能提供飞机所需能源，它的成功飞行是太阳能技术在交通工具的应用上跨越了一大步。

（五）太阳能小产品

除了上述太阳能应用设计外，越来越多利用太阳能资源的小产品也应运而生。它们工作的原理都是吸收太阳能并转化为电能的形式作为产品的动力。如太阳能优盘、太阳能手电筒、太阳能帐篷、太阳能草帽、MP3等等。

二、太阳能利用的利弊分析

（一）太阳能利用的优势

太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优势：

1.储量最大的能源。每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。地球所接收到的太阳能只占太阳表面所发出的全部能量的二十亿分之一左右,而这些能量相当于全球所需能量的3-4万倍。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%。今后足以供给地球人类，使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。

2.辐射范围最广的能源。地球上，无论何处都有太阳能，没有地域的限制。无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。

3.最环保、洁净的能源。开发利用太阳能不会污染环境，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音。在环境污染越来越严重的今天，这点是极其宝贵的。

（二）太阳能利用的劣势

但是作为未来能源的主要替代者，太阳能的利用也存在诸多问题。

1.分散性。阳光到达地球表面的辐射量尽管很大，但是能量很低。例如，北回归线附近的夏季，在较为晴朗的时候，中午时候太阳的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬天大致只有一半，而阴天只有1／5左右，这样的能量度是很低的。所以，在利用太阳能时，想要得到理想的转换功率，就需要面积相当大的收集和转换设备，花费比较大。

2.不稳定性。由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度是间断的、极不稳定的。为了使太阳能成为连续稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题。就是把晴朗的时候白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能技术中较为薄弱的环节之一。

3.效率低和成本高。目前太阳能能源可持续发展的水平，大部分只是理论上可行，技术上却不成熟。大部分太阳能利用装置，因为效率偏低、成本较高，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后长期一段时间内，太阳能利用的进一步发展，还会受到经济的制约。

三、太阳能技术适用于公共设施设计

在地球资源的日益贫乏的今天，基础能源的投资越来越高，各种安全隐患、污染隐患也无处不在。太阳能这种环保新能源越来越受到重视。随着太阳能照明产品及太阳能热水器的普及，太阳能技术将来会更多的应用在公共设施的设计中。太阳能利用于公共设施设计相比其他新能源具有以下优势：

（一）使用效率高

从目前统计的新能源的含量中，太阳能较其它能源比例更高，使用范围最为广泛。从城市的长期规划中看，太阳能公共设施的开发将会更加长久和便捷。太阳能发电的能量转换路线，是直接将太阳辐射能转换为电能。太阳能的转换是所有能量转换中最安全最简洁的转换方式，大大减少了能量损失。

（二）独有的经济优势

随着太阳能光伏发电的大规模应用和推广，尤其是上游晶体硅产业和光伏发电技术的日趋成熟，每千瓦光伏电能的建设成本在2010年前后可能达到7000-10000元，相比其他可再生能源有很大的经济优势，可节省城市公共设施在初期投入的费用。

（三）低碳生活

作为与人群接触最为密切的城市公共设施，在其使用过程中不但要给公众带来便利，同时也要保护公众安全健康，更要保护城市乃至世界的环境。太阳能发电接近零排放，并且，在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪音，不产生对人体有害的物质，不会污染环境，这也是城市可持续发展的重要保障。

（四）节约城市空间

城市的公共空间是有限的，我们应有效合理地利用空间，因而公共设施应在其达到基本功能的基础上，更好的进行空间规划。生物能、风能是较为死板的，而太阳能则很灵活并应用广泛。太阳能发电要占用土地面积为1的话，风力则是太阳能的8-10倍，生物能则达到100倍。太阳能发电不需要占用更多额外的土地，屋顶、墙面都可成为发电的场所。

由此可以看出，太阳能较之其它能源是我们目前可以开发使用的能源中最安全有效的可持续能源，更适合用于城市公共设施上。

[1]（英）理查德·罗杰斯、菲利普·古母齐德简.小小地球上的城市[M].中国建筑工业出版社，2004.

[2]（英）布赖恩·爱德华兹.可持续性建筑[M].中国建筑工业出版社，2003.

[3]（日）日本太阳能学会.太阳能利用新技术[M].科学出版社，2009.

[4]中国可再生能源发展战略研究项目组.太阳能卷[M].中国电力出版社,2008.

[5]张彤.绿色北欧—可持续发展的城市和建筑[M].东南大学出版社，2009.