太阳能建筑的应用技术与发展

付静

【摘 要】本文分析了太阳能建筑的应用背景，介绍了国内外太阳能技术在建筑中应用现状，并重点介绍了太阳能光热作用和光电作用在建筑中的应用研究现状，最后提出了太阳能建筑应用技术的发展方向。

【关键词】太阳能建筑;应用技术;发展方向

中图分类号： TU18 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）08-0168-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.073

【Abstract】This paper analyses the application background of solar energy buildings， introduces the application status of solar energy technology in buildings at home and abroad， and focuses on the application status of solar photothermal and photoelectric effects in buildings， and finally puts forward the development direction of solar energy building application technology.

【Key words】Development direction; Solar building; Application technology

1 太阳能应用的背景

进入21世纪，人类面临的最大的生存危机是能源危机。常规能源（石油和煤炭）等矿物燃料，燃烧时产生大量的二氧化碳，严重破坏生态环境。而且这些能源的储备量正在快速地减少。对于新能源的利用和技术的改进已成为各国政府、特别是发达国家的重要战略国策。

在重多新能源中，由于太阳能具有清洁、无污染、永不枯竭的优点，它的利用不但可以减少对常规能源的消耗，而且可以降低二氧化碳的排放、保护环境，因此在建筑中受到了人们越来越多的关注。经过数十年的研究和开发，太阳能在建筑中的利用已取得显著成果并转化为生产力。

2 国内外太阳能建筑的发展现状

2.1 国外太阳能发展现状

欧洲在过去的几十年里，太阳能产业发展较快。2007年欧洲总太阳能产热量为48TJ，总太阳能发电量为2517GWh.欧洲国家积极推动建筑太阳能技术的发展，主要技术类型有太阳能热利用技术和太阳能发电技术。欧洲国家的太阳能应用技术水平走在了世界的前列。

美国现在已将光伏板直接嵌入屋顶和外墙，实现了光伏建筑一体化。

亚洲太阳能技术成熟地区主要集中在日韩等经济条件发达的国家。以日本为例，日本在20世纪90年代初在太阳能光伏发电方面取得了巨大的成功，是世界上光伏发电最大的市场之一。90%的太阳能光伏发电系统为屋顶并网系统。

2.2 国内太阳能建筑的发展现状

我们国家也大力倡导太阳能与建筑相结合的建筑一体化。全国太阳能热利用面积已经达到15.2亿m2以上，光伏建筑应用也已经达到1376.4MW，一部分已经能替代常规能源，成为我国节约一次性能源使用，减少温室气体排放、保护大气环境的重要技术手段。

3 太阳能在建筑中的应用技术

太阳能在建筑中的应用主要可分为光热应用、光电作用和光化学应用。但是光化学作用目前应用不多，因此，下面我们分别介绍太阳能的光热作用和光电作用在建筑上的应用。

3.1 太阳能光热作用在建筑中的应用

太阳能光热作用在建筑中的应用按照有无机械动力可分为主动式和被动式两大类。没有机械动力称为被动式建筑，反之则为主动式建筑。

3.1.1 被动式太阳房的采暖方式主要有以下几种

（1）直接受益式（如图1所示）：这是太阳能采暖最常见的方法，就是让太阳光穿过窗户直接照进来。室内的地面、墙面选用蓄热能力强的材料，室内的热量经对流和辐射的方式逐渐地将室内空间加热。这种太阳能采暖方式最直接、简单、效率也较高。

（2）集热墙式（如图2所示）：集热墙式就是在玻璃窗的后面建一道重型结构墙，而且在墙外表面涂有吸收率高的涂层，顶部和底部分别开有通风孔。这种形式的太阳房在供熱机理是：太阳光穿过透光材料照射集热蓄热墙，墙外表面温度升高，加热夹层内的空气，热空气自然上升，流入室内，冷空气从室内经下面的孔流入夹层，形成自然对流。而且墙体吸收辐射后通过传导、辐射方式直接向室内传递热量。在夜间需要关闭上下风口，防止逆循环。

（3）附加阳光间式（如图3所示）：在房屋主体南面附加一个玻璃温室，让温室里的热空气来加热相邻的房间，在同时起到减少房间的热量损失的作用。而且附加阳光间因为有一定的空间，所以有实用功能，可以做为生活空间，养花养草、娱乐休息。

3.1.2 主动式太阳房的采暖方式主要有以下几种应用：

（1）太阳能热水器的应用

太阳能热水器是利用温室原理，将太阳辐射能转变为热能，并向冷水传递热量，从而获得热水的一种系统。太阳能热水系统由集热器、蓄热水箱等相关附件组成。

我国第一台太阳能热水器是1958年由北京市建筑设计院研制开发，用于北京天河农场的公共浴室。目前我国国产的太阳能热水器已经占居了我国的太阳热水器市场，如：皇明、太阳雨等，还出口国外，质量上已经达到国际先进水平。但是长期以来，太阳能热水器一直是房屋建成后由用户购买安装，而目前高屋建筑校多，很多建筑是无法安装太阳能热水器的，因此国家发改委、建设部提出将太阳能热水器与建筑结合的理念，而且近几年也取得了一些实质性的进展。如图4所示，将太阳能集热系统安装于阳台或直立墙面上，与建筑完美结合，解决了高层、多层建筑安装太阳能热水。

（2）太阳能供热系统

近几年，太阳能供热系统在国内的应用逐渐增多，国内一些研究单位、高校、企业相继开展太阳能采暖相关研究工作。目前，研究热点主要集中在这几个方面：太阳能采暖系统模型及模拟研究及设计软件的开发;太阳能采暖的适用性、节能及经济性的评价与分析;系统优化的研究。

（3）太阳能制冷系统

太阳能制冷主要可以通过光—热和光—电转换两种途径实现。光—热转换制冷是指太阳能通过太阳能集热器转化为热能，根据所得到的不同热能品位，驱动不同的热力机械制冷。光—电转换制冷是指太阳能通过光伏发电转化为电力，然后通过常规的蒸汽压缩制冷，半导体热电制冷或斯特林循环等方式来实现制冷。太阳能制冷技术应用的市场条件目前仍不成熟，处于示范工程阶段。

3.2 太阳能光电作用在建筑中的应用

太阳能光伏发电系统就是用太阳能电池作为电源为建筑供电。太阳能电池的特性：在光的照射下，内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光电效应。

单体太阳电池——太阳电池的最基本单元，是产生电压和电流的基本材料。每个硅电池片的输出电压约为0.5V，输出功率1～3W不等。边长在2～10厘米之间。

太阳电池组件或称光伏组件——由于电池片易损坏、电压低，为了保护电池片和提高工作电压，出厂前还需要对电池片进行连线焊接和封装，以组装成由多个电池片串联而成的“太阳电池组件”，组件是构成最小实用型功率系统的基本单元。目前，每个太阳电池组件的输出电压大约17.5V左右，输出功率在40W～200W之间不等。

光伏方阵——在光伏发电系统中，将多个太阳电池组件组装在一起，其功率应满足系统负载的需要，这样的发电装置集合体称为“光伏方阵”在大型光伏发电站里，为了便于安装和进行能量处理，可以将规模过大的方阵分成多个较小的“子方阵”。方阵规模可以小至只有一个组件，用于并网的方阵可以大到上十万个组件。

世界第一块单晶硅太阳电池是在1954做成的，光电转换效率仅为6%的，开创了光伏发电的新纪元。现在的多晶硅太阳能电池的转换效率最高可以达到24%。

我国从1958年起进行光伏器件研究。70年代中后期，自制光伏航标灯、太阳灯塔、气象及通讯用光伏电源。中国光伏产业现在已经成为世界第一的光伏组件生产国和出口国。预计光伏发电将在本世纪中期为人类提供30%左右的电力，成为重要的战略替代能源。

4 太阳能建筑应用案例

图5为2010年第四届世界太阳城大会主会场—日月坛·微排大厦。该大厦位置在山东德州，号称“全球最大太阳能办公大楼”，造型上也挺独特的，日月这样一个效果，它最大的亮点就是太阳能的利用。中国就是因为这个公司的存在，中国现在也被认为是太阳能利用最长的国家，这个大楼首创性的实现了太阳能热水供应，采暖，制冷，光伏并网发电等技术与建筑的完美结合，整体节能88%，远远超于国家公共建筑节能50%的标准，每年节约标准煤2640吨、节电660万度，减少污染物排放8672.4吨。被认为是“全球最大太阳能办公大楼”，是太阳能综合利用技术与建筑节能技术结合的典范工程。

4.1 太阳能制冷、采暖、热水系统

日月坛微排大厦太阳能集热器的安装面积为5000平方米，夏季用于吸收式太阳能空调制冷机组用热，冬季用于采暖。春秋季产生的热水除满足生活热水用热外，采用跨季节蓄热的方式蓄存并用于冬季采暖。

4.2 光电遮阳

楼体的立面装有可调式太阳光电遮阳装置，通过角度调节，夏季遮阳，冬季透光使光电板一年四季都在最佳角度下运行，提高了转换率。

5 太阳能建筑的应用技术展望

近年来，我国绿色建筑得到长足发展，随着绿色建筑理念的进一步普及，各地大力推动绿色建筑的发展，绿色建筑标识评价工作获得了较大进展。截止到2012年底，全国获得绿色建筑评价标识的项目742个，总建筑面积达到7584万平米。

2013年1月1日，国务院办公厅1号文件转发的《绿色建筑行动方案》提出，“十三五”期间要完成新建绿色建筑10亿平方米，到2015年末，20%的城镇新建建筑达到绿色建筑标准要求。2013年4月，住房和城乡建设部公布了《“十三五”绿色建筑和绿色生态城区发展规划》。《规划》提出，将引导商业房地产开发项目执行绿色建筑标准，鼓励房地产开发企业建设绿色住宅小区，2015年起直辖市及东部沿海省市城镇的新建房地产项目力争50%以上达到绿色建筑标准。

中国产业调研网发布的2015-2020年中国绿色建筑行业现状调研分析及发展趋势研究报告认为：作为耗能大户之一，中国建筑业任重道远，发展绿色建筑已成为时代发展的必然趋势。随着我国相关标准制定工作的推进，还将会陆续产生绿色医院、绿色宾馆、绿色办公等细化的专项绿色建筑标识。随着各级政府推进绿色建筑行业开展而不断出台激励政策，我国绿色建筑会实现更加深入和广阔的发展。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太陽能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

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