文//陳福民

進(jìn)來握個手吧,,太陽

文//陳福民

把陽光“裝”進(jìn)建筑來發(fā)電

能源，是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，對它的科學(xué)開發(fā)和合理利用，是人類文明與進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。利用能源，又不污染環(huán)境，是人類在社會發(fā)展長河中，不斷追求的目標(biāo)，大規(guī)模開發(fā)利用太陽能，則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要一環(huán)。

太陽能，因?yàn)樗且环N輻射能，不帶任何化學(xué)物質(zhì)，是最潔凈，最可靠的巨大能源寶庫。經(jīng)測算表明，太陽能釋放出相當(dāng)于10萬億千瓦的能量，而輻射到地球表面的能量，雖然只有它22億分之一，但也相當(dāng)于全世界目前發(fā)電總量的八萬倍。因此專家們認(rèn)為，用太陽能代替所有潛在的礦物資源，是21世紀(jì)發(fā)展的方向，其發(fā)展速度，很可能像計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)一樣，將得到迅猛發(fā)展。

那就進(jìn)來握個手吧，太陽！

把陽光“裝”在建筑上來發(fā)電

中國2010年上海世界博覽會中國館，是一座“中國紅”為主基調(diào)的宏偉建筑。在高達(dá)68米的屋頂平臺上，裝有無數(shù)如“馬賽克”一般密密麻麻的片狀組件。這些片狀組件叫“光伏組件”，組成18個菱形、12個三角形的巨大光伏組件群，宛如鑲嵌在中國館頂部的巨型“寶石”，在陽光下熠熠生輝。

這就是上海世博會太陽能光伏建筑一體化工程，它使黃浦江兩岸的美景與太陽能轉(zhuǎn)化為電能的神奇程相輝映，將成為動人的景觀。

按照設(shè)計(jì)方案，中國館利用68米屋頂平臺和60米觀景平臺鋪設(shè)單晶光伏組件，其中60米觀景平臺四周采用的是一種特殊規(guī)格的透光型“雙玻組件”，替代了原設(shè)計(jì)方案中的幕墻玻璃。中國館的太陽能裝機(jī)容量可達(dá)302千瓦。

主題館采用與建筑肌理相吻合的大菱形設(shè)計(jì)方案，鋪設(shè)多晶光伏組件，替代了原設(shè)計(jì)方案中的屋面裝飾材料。光伏組件鋪設(shè)面積約2.6萬平方米，太陽能裝機(jī)容量可達(dá)2825千瓦。這種“裝”在上海世博會主題館屋頂?shù)奶柲茉O(shè)施，有望成為中國乃至亞洲單體建筑最大的光伏建筑一體化電站。

根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，上述兩大展館累計(jì)的太陽能裝機(jī)容量可達(dá)3127千瓦，一年提供并網(wǎng)發(fā)電的電量可達(dá)284萬千瓦時(shí)，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1000噸。相當(dāng)于年均減排二氧化碳2500噸、二氧化硫84噸、氮氧化物42噸、煙塵762噸。

以兩大展館為基礎(chǔ)，加上世博浦西園區(qū)南市發(fā)電廠的太陽能項(xiàng)目等，整個世博園區(qū)的太陽能總裝機(jī)容量有望達(dá)到4700千瓦。

屋面一體化設(shè)計(jì)鋪設(shè)太陽能板，總發(fā)電量2.5兆瓦，是座名副其實(shí)的兆瓦級的清潔能源發(fā)電站。

那么，這些叫“光伏組件”的“寶石”到底是什么？它為什么會為建筑提供電能呢？

原來，光伏組件是一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，它借助于一種能量轉(zhuǎn)換器可將太陽光能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是太陽能電池。太陽能電池的主要材料是半導(dǎo)體硅，也有一些其他合金。它只要受到陽光或燈光的照射，就能夠把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，使電流從一方流向另一方，從而產(chǎn)生直流電。這種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的過程確切地說應(yīng)叫光伏效應(yīng)。一般就可發(fā)出相當(dāng)于所接收光能大于10%～20%的電來。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，一般在它的上面都蒙上一層防止光反射的膜，使這種光伏組件板的表面呈紫色。

光伏發(fā)電就是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。所謂光生伏打效應(yīng)就是當(dāng)物體受光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓。使PN結(jié)短路，就會產(chǎn)生電流。

因此，不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，由于沒有活動的部分，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定、壽命長、安裝維護(hù)簡便。目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無電場合提供電源，主要為廣大無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，還有微波中繼電源等，另外，還包括一些移動電源和備用電源；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。

由于光伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多電力。因此近年來，天臺和建筑物表面都可使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設(shè)施通常被稱為附設(shè)于建筑物的光伏系統(tǒng)。

這種光伏與建筑一體化提出了“建筑物產(chǎn)生能源”的新概念，即通過建筑物，主要是屋頂和墻面與光伏發(fā)電集成起來，使建筑物自身利用綠色、環(huán)保的太陽能資源生產(chǎn)電力。

光伏與建筑一體化系統(tǒng)可以劃分為光伏屋頂結(jié)構(gòu)和光伏墻結(jié)構(gòu)兩種形式。光伏與建筑的結(jié)合有兩種方式：一種是建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合；另外一種是建筑與光伏器件相結(jié)合。

建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合，是把封裝好的的光伏組件安裝在居民住宅或建筑物的屋頂上，再與逆變器、蓄電池、控制器、負(fù)載等裝置組成一個發(fā)電系統(tǒng)。

而建筑與光伏器件相結(jié)合，則是將光伏器件與建筑材料集成一體，用光伏組件代替屋頂、窗戶和外墻，形成光伏與建筑材料集成產(chǎn)品，既可以當(dāng)建材，又能利用綠色太陽能資源發(fā)電，可謂兩全其美，而且可以降低光伏與建筑一體化系統(tǒng)的造價(jià)。

近年來，國外推行的光伏與建筑相結(jié)合，極大地推動了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展。在城鎮(zhèn)建筑物上安裝的光伏系統(tǒng)，通常采用與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的形式。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)不需要配備蓄電池，既節(jié)省投資，又不受蓄電池荷電狀態(tài)的限制，可以充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電力；光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要；夏天是用電高峰的季節(jié)，也正好是日照量最大，光伏系統(tǒng)發(fā)電量最多時(shí)期，對電網(wǎng)可以起到調(diào)峰作用；光伏陣列吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，所以也可以起到建筑節(jié)能作用。

太陽能住宅與太陽能社區(qū)

在上海，不久前提出了一種試驗(yàn)型的太陽能住宅建筑，它的雛形是一幢“魔幻小屋”。這種小屋的屋頂上有個“大天窗”，左側(cè)“天窗”是太陽能電池方陣，右側(cè)就是太陽能集熱器方陣。這是一種與建筑融為一體的太陽能集熱器，一改傳統(tǒng)集熱管的“粗獷形象”，平面設(shè)計(jì)，輕薄光滑，與現(xiàn)代屋頂結(jié)合得嚴(yán)絲合縫。

目前，就太陽能熱水器而言，在我國住宅中的安裝和利用并不普遍。這主要是人們大都認(rèn)為太陽能熱水器只是“頂層”住宅的專利。但隨著太陽能技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)已可以讓任何樓層的住宅享用熱水器帶來的便捷。據(jù)報(bào)道，新型太陽能集熱器的試制成功，使太陽能熱水器可直接作為建筑構(gòu)件，在屋頂、墻面和陽臺應(yīng)用，斜坡和平頂鑲嵌式太陽能熱水器集熱板均可緊貼屋面或作為屋面組成部分。加之先進(jìn)的電子自控應(yīng)用，還能使太陽能熱水器具有調(diào)節(jié)水量、流量、補(bǔ)充冷水、平衡自來水和熱水流量等功能。因此，太陽能已不再只是“頂層”專利。

太陽能社區(qū)

在南京，有開發(fā)商新開發(fā)的小區(qū)采用的是一排排的真空集熱管，屋面看不見水箱和支架，外觀整齊、美觀，真正做到了太陽能與建筑融為一體。另外，建筑內(nèi)部鋪設(shè)有專門的熱水管道，這些管道像自來水管一樣，接入各家各戶，這對居民來說，使用熱水就顯得十分方便；而對整個小區(qū)來說，環(huán)境不但沒有受到破壞，而且還為其開發(fā)的樓盤增加了一大賣點(diǎn)。這標(biāo)志著我國太陽能熱水器與建筑一體的技術(shù)逐漸成熟。

如今，上海市提出的新建住宅要應(yīng)用十項(xiàng)“四新”技術(shù)要求，營造太陽能住宅將是大勢所趨。上海的湘江大廈商住樓中，便應(yīng)用了由英國一家公司開發(fā)設(shè)計(jì)的大型太陽能集熱系統(tǒng)工程，集熱面積90平方米，向住戶全天候供應(yīng)熱水。該工程采用該公司專業(yè)工程配套設(shè)計(jì)的空熱式集熱器，平鋪或嵌在坡屋頂上，既不影響建筑物外立面的美觀，又與建筑同步設(shè)計(jì)和施工，克服了普通太陽能熱水器后置安裝所帶來的諸多問題。

已經(jīng)在國外出現(xiàn)的太陽能屋頂也許能讓我們看到我國應(yīng)用太陽能的未來。在日本，一個裝有100多平米太陽能屋頂?shù)募彝?，就相?dāng)于擁有了一套3.7千瓦功率的發(fā)電機(jī)。這樣的家庭裝有兩個電表，白天，太陽能屋頂發(fā)電，除了供自家使用，多余的電輸送給大電網(wǎng)；晚上，家里的各種電器啟動，電網(wǎng)向家庭供電，最后按照兩個電表的差值計(jì)算這個家庭的電費(fèi)。

一般而言，100～150平米的太陽能屋頂產(chǎn)生的電，對于一個四口之家是有盈余的，到那時(shí)，每一個家庭就是一個“微型發(fā)電廠”了。

在荷蘭中部城市阿姆斯弗特附近，1994年開始建設(shè)了一座有600多座房屋及幾十棟附屬建筑的居住社區(qū)，計(jì)劃發(fā)電量1.5兆瓦。目前社區(qū)的日常用電基本上達(dá)到自給自足，它靠的就是太陽能住宅。為避免在太陽照射不夠的時(shí)候住戶沒有電用，社區(qū)絕大部分房屋的太陽能光板采集的電能都統(tǒng)一輸進(jìn)當(dāng)?shù)氐钠胀娋W(wǎng)，這樣也防止了綠色能源的流失。用戶只需交納一般電網(wǎng)的電費(fèi)，無須擔(dān)心太陽能發(fā)電的高成本。這就是目前世界上最大的太陽能居住型社區(qū)。

在英國倫敦附近的薩敦鎮(zhèn)也有個這樣的社區(qū)，翻譯成中文就是“伯丁敦零用電發(fā)展社區(qū)”。其實(shí)它不是真的不用電，而是不用電網(wǎng)供應(yīng)的電，或者說，居民不用給電力公司交電費(fèi)，因?yàn)檫@里的建筑可以自己發(fā)電。

那里住宅所用的磚木并不多，整個建筑看起來幾乎是個玻璃房，落地的大玻璃窗構(gòu)成了南向朝陽的這面“墻”。走近仔細(xì)看，可不是普通的玻璃窗，玻璃上都有光電板，是用來搞太陽能發(fā)電的。墻尚且如此，房頂就更不必說了。據(jù)介紹，這里的太陽能發(fā)電設(shè)備是英國BP公司提供的，白天陽光好的時(shí)候發(fā)的電可以儲存在一個類似蓄電池的設(shè)施里，用不完的電甚至可以賣給電網(wǎng)。這個“蓄電池”及其與電網(wǎng)的連接都有相當(dāng)高的科技含量。

太陽能住宅

在這個社區(qū)里，連交通工具都盡量不燒油，太陽能充電站可以為40輛專門制造的車輛提供每年跑2萬千米的電力，居民們?nèi)粘Ｙ徫锸裁吹?，開這種車去足夠了。

根據(jù)建筑所在地資源的不同，除了太陽能，小的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、小的水力發(fā)電設(shè)備、生物能發(fā)電設(shè)備、清潔能源電池等都可以用在住宅上。這樣，我們可以把明天的社區(qū)建設(shè)成真正的環(huán)保社區(qū)。