生態(tài)城市建設(shè)中太陽(yáng)能應(yīng)用研究

褚玉芳

（宜春學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000）

一個(gè)城市要成為生態(tài)城市，強(qiáng)調(diào)的是在以人的行為為主導(dǎo)、自然環(huán)境系統(tǒng)為依托、資源流動(dòng)為命脈、社會(huì)體制為經(jīng)絡(luò)的“社會(huì)－經(jīng)濟(jì)－自然”的復(fù)合系統(tǒng)中，各種關(guān)系之間協(xié)調(diào)和可持續(xù)的發(fā)展.因此，生態(tài)城市要能保證城市持續(xù)增長(zhǎng)，更要保障城市發(fā)展的質(zhì)量，要滿足城市發(fā)展對(duì)資源環(huán)境的需求，更要滿足居民基本需求，應(yīng)做到自然資源在整個(gè)生態(tài)環(huán)境體系中可循環(huán)再生和應(yīng)用，形成低投入，高產(chǎn)出、低污染，高循環(huán)，高效運(yùn)行的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系.生態(tài)城市倡導(dǎo)生態(tài)價(jià)值觀、生態(tài)倫理，提倡節(jié)約資源和能源的可持續(xù)消費(fèi)方式，公眾要有自覺的生態(tài)意識(shí)，包括資源意識(shí)，環(huán)境意識(shí)，可持續(xù)發(fā)展意識(shí)等［1］.

目前我國(guó)正處在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的階段，能源消耗較高，消費(fèi)規(guī)模正在擴(kuò)大，特別是高投入、高消耗、高污染的粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式更加劇了能源供求不平衡和環(huán)境污染的狀況.在能源日益短缺的今天，尋找新能源替代常規(guī)能源已經(jīng)成為迫在眉睫的問題.在眾多可供選擇的新能源中，太陽(yáng)能以其具有眾多常規(guī)能源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)而成為首選.

1 發(fā)展太陽(yáng)能應(yīng)用的重要性和緊迫性

太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)發(fā)展的能源，與常規(guī)能源相比有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）最豐富的能源.太陽(yáng)每小時(shí)釋放出的能量足以滿足全球人口一年的能量需求，即便距離地球1.5億公里，陽(yáng)光的能量依舊充足.太陽(yáng)能應(yīng)用不減少地球資源，不造成環(huán)境污染，這是任何化石能源無法相比的.（2）太陽(yáng)能無處不在.可以就地開發(fā)應(yīng)用，不存在運(yùn)輸問題，不用消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有應(yīng)用的價(jià)值.（3）太陽(yáng)能應(yīng)用具有經(jīng)濟(jì)性.太陽(yáng)能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和應(yīng)用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡.對(duì)解決能源緊缺和改善城市環(huán)境具有重要意義.

太陽(yáng)能應(yīng)用與建筑結(jié)合是一種合理的能源利用模式和未來主要發(fā)展趨勢(shì)之一.太陽(yáng)能應(yīng)用對(duì)生態(tài)城市的建設(shè)有很大的貢獻(xiàn).但是由于各地獲得的太陽(yáng)能量受四季、晝夜及陰晴等氣象條件和各地域的緯度、地理環(huán)境、海拔高度等的共同影響，使用太陽(yáng)能源存在的問題是客觀存在的，具體有以下特點(diǎn)：（1）到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射的總量盡管很大，但是受地理位置限制嚴(yán)重，能流密度很低；（2）具有不穩(wěn)定性：產(chǎn)生的能量大小不穩(wěn)定，在晚上或陰雨天不能或很少發(fā)電；（3）收集和存儲(chǔ)太陽(yáng)能設(shè)備必須相當(dāng)大的面積，轉(zhuǎn)換效率低.

我國(guó)有豐富的太陽(yáng)能資源，應(yīng)用潛力無限，而國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的日益重視，環(huán)保問題的愈發(fā)突出等也為太陽(yáng)能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了難得的契機(jī)［2］.

2 生態(tài)城市建設(shè)中的太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域

太陽(yáng)能應(yīng)用有三大技術(shù)領(lǐng)域：太陽(yáng)能熱應(yīng)用，太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用，太陽(yáng)能光化學(xué)應(yīng)用.

2.1 光化學(xué)制氫轉(zhuǎn)換技術(shù)

太陽(yáng)能光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)亦稱光化學(xué)制氫轉(zhuǎn)換技術(shù)，就是將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為氫的化學(xué)自由能，通稱太陽(yáng)能制氫，屬于另一類太陽(yáng)能利用途徑.轉(zhuǎn)換包括：光電化學(xué)作用，光合作用、光分解反應(yīng)及光敏化學(xué)作用.這種轉(zhuǎn)換技術(shù)包括半導(dǎo)體電極產(chǎn)生電而電解水產(chǎn)生氫，利用氫氧化鈣或金屬氫化物熱分解儲(chǔ)能等形式.太陽(yáng)能制氫問題解決，才能有真正意義上的氫能利用（包括燃料電池），這將引起時(shí)代的變革［3］.

2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能.光伏發(fā)電一般應(yīng)用在三個(gè)方面：一是太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品；二是為無電場(chǎng)合提供電源；三是并網(wǎng)發(fā)電.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng).分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng).

太陽(yáng)能光熱和光伏設(shè)備與建筑作為一個(gè)整體一起規(guī)劃，能很好地與建筑融合.在改造現(xiàn)有建筑時(shí)，如果在其上面安裝一套太陽(yáng)能設(shè)備，可以提供能源、增加效益并且節(jié)省大量的翻修費(fèi)用.例如，對(duì)于舊的建筑，通過使用光伏屋頂（如圖1所示）、光伏幕墻（如圖2所示）、安裝具有光伏隔熱特性的窗戶，以及用光伏設(shè)備優(yōu)化供暖系統(tǒng)等都可以顯著減少能源消耗.

圖1 光伏屋頂

圖2 光伏幕墻

光伏設(shè)施在公共場(chǎng)所越來越多的引起人們的注意，例如停車場(chǎng)檢票設(shè)備的能源就可采用光伏發(fā)電.光伏組件不僅適合各種屋頂和遮陽(yáng)棚（包括公共汽車站和城市廣場(chǎng)的天篷），也適用于多功能的太陽(yáng)能綠廊類型，太陽(yáng)能綠廊可以承擔(dān)多種職能，既能遮陽(yáng)又能提供休息處［4-5］.

景觀應(yīng)用案例：當(dāng)一個(gè)大的光伏設(shè)施被獨(dú)立安裝在一片風(fēng)景區(qū)域中時(shí)，人們關(guān)注的焦點(diǎn)不僅在于它怎樣獲得最大的電能輸出，還關(guān)注它是如何完美地融合到周圍的自然環(huán)境中.若采用的設(shè)計(jì)方案獨(dú)特又有創(chuàng)新性，光伏組件就有可能很自然的融合到景觀中去，甚至像是公園或保護(hù)區(qū)的自然景觀.一種可取的方案就是把光伏組件結(jié)合到那些早已存在卻不能融入景觀的建筑上，如高速公路的隔音屏障、防水隔墻或糧倉(cāng)之類的建筑，其外觀會(huì)因融合了光伏設(shè)備而變得美觀.另一種理想的方案是：通過模仿自然景觀的特征，如森林邊緣、綠籬或樹木，達(dá)到使光伏組件更巧妙地與景觀融合.已經(jīng)在幾個(gè)城區(qū)建成的名為“太陽(yáng)樹”的光伏設(shè)施，在農(nóng)村的景觀區(qū)中也占有一席之地.

多功能光伏系統(tǒng)在公共場(chǎng)所的應(yīng)用已比較常見，例如以街道設(shè)施或藝術(shù)品的形式.可以制成任意大小，也可以任意數(shù)量組合.彩色組件、顯示牌、太陽(yáng)樹、候車棚、公園座椅、隔音墻、太陽(yáng)能噴泉等，以及恐龍雕塑、大型光伏公園全景、平臺(tái)屋頂?shù)龋@種新設(shè)計(jì)理念及其開發(fā)的產(chǎn)品可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用.

2.3 太陽(yáng)光熱應(yīng)用

太陽(yáng)光熱應(yīng)用是用集熱器把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為熱能.太陽(yáng)光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品較多，主要用于太陽(yáng)能熱水工程、太陽(yáng)房、太陽(yáng)能果蔬干燥、太陽(yáng)能空調(diào)、蒸餾器、海水淡化裝置、水泵、太陽(yáng)灶、高溫太陽(yáng)爐等.

太陽(yáng)能熱水工程是通過太陽(yáng)能熱水器將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)化為可直接應(yīng)用的熱能，對(duì)建筑進(jìn)行生活熱水的供給.由于它不消耗礦石燃料，造價(jià)低，無污染，使用方便，具有環(huán)保、節(jié)能、安全的特點(diǎn)受到重視，成為太陽(yáng)能熱應(yīng)用的主要方面.隨著產(chǎn)品的逐步改進(jìn)、人民生態(tài)環(huán)保意識(shí)的提高.太陽(yáng)能熱水器應(yīng)用出現(xiàn)大規(guī)模改進(jìn)，經(jīng)過多年的努力，太陽(yáng)能熱應(yīng)用已取得可喜的成績(jī).

如果城市利用太陽(yáng)能、地?zé)帷⑸镔|(zhì)能等可再生型新能源進(jìn)行供暖.今后人們將再也看不到煤廊、運(yùn)渣車以及高煙囪，空氣會(huì)變得更加清潔，食物罐利用太陽(yáng)能就可以將食物加熱.想像一下，你帶上這個(gè)裝滿食物的罐子去野營(yíng)，中午吃飯的時(shí)間只需把它拿出來擺在陽(yáng)光下曬上幾分鐘，就能吃上熱騰騰的飯菜，是不是很方便［4］.

3 太陽(yáng)能應(yīng)用發(fā)展中存在問題的解決

生態(tài)城市建設(shè)中太陽(yáng)能應(yīng)用為我們描繪了一幅生態(tài)和諧的圖畫，甚為誘人.政府對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已有政策傾斜，企業(yè)也在不斷推廣，但太陽(yáng)能應(yīng)用的普及率還是不理想，普及率之低主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）國(guó)內(nèi)補(bǔ)助政策實(shí)施不徹底、不到位；（2）對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用未引起足夠的重視；（3）太陽(yáng)能產(chǎn)品自主創(chuàng)新不足［5］.要推進(jìn)太陽(yáng)能應(yīng)用的普及，還需要做好以下幾點(diǎn)：

3.1 政策支持是保障

建立和完善太陽(yáng)能應(yīng)用的相關(guān)政策.雖然太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展訊速，但是太陽(yáng)能在城市的應(yīng)用仍然受到諸多因素的阻礙，因此政府應(yīng)該營(yíng)造良好的社會(huì)大環(huán)境：城市優(yōu)先發(fā)展節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目，利用現(xiàn)有電網(wǎng)，對(duì)公共照明發(fā)揮調(diào)峰功能等；政府率先應(yīng)用，如辦公大樓、公共建筑等大力推廣安裝光伏發(fā)電裝置.節(jié)能不能只有號(hào)召，更要有實(shí)際的、可操作的政策支持.首先要掃清現(xiàn)有政策中對(duì)節(jié)能、環(huán)保有反影響的障礙，使現(xiàn)有的成熟技術(shù)可以充分利用.引導(dǎo)企業(yè)、個(gè)人利用廠房頂、屋頂建設(shè)太陽(yáng)能光伏電，努力實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展、節(jié)能降耗.

3.2 示范推廣意義重大

通過宣傳、示范項(xiàng)目活動(dòng)展示太陽(yáng)光伏設(shè)備如何能夠以引人注目的方式巧妙地被用于城市建筑設(shè)計(jì)，以激發(fā)人們對(duì)這種環(huán)境友好型技術(shù)的應(yīng)用有更直觀的感覺，易調(diào)動(dòng)整個(gè)大環(huán)境應(yīng)用太陽(yáng)能的積極性.

一個(gè)新事物的發(fā)展壯大，首先要贏得消費(fèi)者的認(rèn)同和接受，太陽(yáng)能的應(yīng)用也是如此.我們通過問卷調(diào)查得出推廣難的主要原因是“認(rèn)識(shí)”問題！價(jià)格不是最大的問題，有很多消費(fèi)者家庭是比較富裕的，但他們還是不知道太陽(yáng)能是何物，這就是認(rèn)識(shí)的問題.因此在示范工程項(xiàng)目上使用太陽(yáng)能技術(shù)，讓人們感受到生活中處處有它.例如停車場(chǎng)檢票設(shè)備的能源供給采用光伏發(fā)電.光伏組件不僅適合各種屋頂和遮陽(yáng)棚，也適合多功能的太陽(yáng)能綠廊等類型.

3.3 材料的發(fā)展與改革

太陽(yáng)能電池和組件的創(chuàng)新主要取決于材料的發(fā)展與改革，光伏組件不應(yīng)該僅僅被當(dāng)作單一功能的高科技產(chǎn)品，更應(yīng)該成為建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)要素.建筑的光伏系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)需要考慮三個(gè)不同的方面：能源工程、建筑設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu).能源系統(tǒng)的選擇和光伏設(shè)備的規(guī)模必須考慮到以下因素：當(dāng)?shù)貧夂颉⒌乩砦恢眉敖ㄖ挠猛?光伏安裝既要尊重建筑原來的狀態(tài)，同時(shí)又要?jiǎng)?chuàng)造性地重新詮釋它的本質(zhì)和特點(diǎn).很多情況下，太陽(yáng)電池組件的大小會(huì)變換，以適應(yīng)現(xiàn)有的屋頂和外立面框架與形狀.就建筑結(jié)構(gòu)來說，光伏系統(tǒng)的安裝可以分為三類：附著、外置和集成.而這三個(gè)分類之間又可以有機(jī)地相互融合.

為使光伏組件在景觀建筑中同樣得以應(yīng)用，運(yùn)用新穎而富有創(chuàng)意的思路進(jìn)行美觀的設(shè)計(jì)就十分必要了，對(duì)光伏電池和組件來說半透明性是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)元素，為建筑集成提供了新的應(yīng)用上的可能性和巨大潛力.

4 結(jié)語(yǔ)

以低碳經(jīng)濟(jì)為導(dǎo)向的一種新型社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式正在全球推開.為了保證人類文明和經(jīng)濟(jì)的和諧、可持續(xù)發(fā)展，太陽(yáng)能技術(shù)等可再生能源技術(shù)得到了世界范圍的高度重視.隨著節(jié)能意識(shí)的不斷提高，太陽(yáng)能產(chǎn)品逐步被企業(yè)和城鄉(xiāng)居民所接受.太陽(yáng)能的推廣應(yīng)用必定會(huì)在城市生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮不可估量的作用.

［1］黃宇馳.生態(tài)城市規(guī)劃及其方法研究——以廈門為例［D］.北京：北京化工大學(xué)，2004.

［2］褚玉芳.發(fā)展陽(yáng)光工程與農(nóng)村節(jié)能環(huán)保前景的研究［J］.嘉興學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，20（4）：28-31.

［3］佚名.尋找太陽(yáng)能多途徑利用模式［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2008（2）：57-62.

［4］Ingrid Hermannsd?rfer，Christine Rüb.太陽(yáng)能光伏建筑設(shè)計(jì)——光伏發(fā)電在老建筑、城區(qū)與風(fēng)景區(qū)的應(yīng)用［M］.沈輝，褚玉芳，王丹萍，等，譯.北京：科學(xué)出版社，2013.

［5］褚玉芳.太陽(yáng)能熱水器與建筑一體化應(yīng)用研究［J］.科技風(fēng)，2008（24）：13.