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1、太阳能建筑技术在国内外的发展 罗峰摘要：寻求绿色能源代替常规能源是当前能源利用的开发热点，太阳能利用技术是最有发展前途的能源技术之一，本文介绍国内外太阳能建筑技术的发展与应用情况，并提出加快发展我国太阳能建筑技术的建议。关键词：新能源、太阳能建筑技术、太阳能建材化一、 发展太阳能等可再生能源的战略意义人类生存发展离不开能源，随着经济迅猛发展，人口急剧增加，使得传统能源已渐枯竭。据测算，地球上石油储量尚可供开采45年，煤炭220年左右，天然气资源60年，人类将面临着能源严重短缺。我国煤炭储量为世界人均数的70%，石油为11%，天然气为40%，可见，我国是能源资源相当匮乏的国家。上世纪最后20年，
2、我国以能源产量翻一番，支撑了国内生产总值翻两番。目前，我国能源生产和消费均居世界前列，2004年能源消耗总量为19.7亿吨标准煤，约占世界能源消费总量的28%。我国从1993年起，已成为能源净进口国，专家预测到2010年，我国能源缺口为8%，石油、天然气的进口依存度将上升到23%和20%。我国经济发展按照能源翻一番，GDP翻两番初步测算，到2020年，我国一次能源消耗总量将达到30亿吨标准煤。届时，我国石油消费量达4.5亿吨以上，进口依存度将达到60%，超过美国目前对国际市场依存度58%。因此，能源的短缺将严重制约我国经济的发展，影响我国经济的安全。 太阳能是取之不尽，用之不竭的能源，我国是太
3、阳能能源丰富的国家，全国总面积2/3以上地区年日照数大于2000小时，每平方米年辐射总量约在33408360mj,相当于110280公斤标准煤的热量。全国陆地面积每年接受的太阳辐射能约等于2.4万亿吨标准煤，或相当于上万个三峡工程发电量的总和。如果将这些太阳能有效利用，对于减少二氧化碳排放，保护生态环境，保证经济发展过程中能源的持续稳定供应都将具有重大而深远的意义。 我国政府十分重视太阳能、风能等可再生能源的发展，根据国家发改委的规划，到2020年，我国太阳能等可再生能源在一次能源消费结构中的比重将由目前的7%左右提高到15%左右，其中太阳能热水器集热面积由目前的6500万平方米到2020年将
4、达到3亿平方米，年替代石化能源约4000万吨标准煤;太阳能光伏发电由目前的6.5万千瓦，到2020年达220万千瓦。届时，太阳能、风能、水电、沼气等可再生能源，将为缓解能源短缺和节能压力作出巨大贡献。二、 国外太阳能建筑技术在国外的发展近20年来，国外工业发达国家和一些发展中国都非常重视太阳能建筑技术的发展。其发展的共同特点都是以太阳能的热技术开发和应用起步的。至20世纪中后期，太阳能热水器等一些太阳能产品在一些国家的技术已很成熟，并在住宅小区中开始广泛推广使用。在太阳能产品的产业化、商业化、建材化等方面也取得了可喜的成果。1. 太阳能建筑技术在美国的发展美国在大力开发利用太阳能光热发电、光伏
5、发电，太阳能建材化、太阳能建筑一体化、产品化等方面均处于世界领先水平。早在20世纪80年代中期，美国太阳能热水器的安装面积就已超过1000万平方米，年产值超过10亿美元。太阳能住宅建筑一体化的设计思想是美国太阳能协会创始人史蒂文斯特朗在20年前倡导的。即不再采用屋顶安装一个笨重的装置来收集太阳能，而是将半导体太阳能电池直接嵌入墙壁和屋顶内。他的这一设计思想，在当时由于太阳能电池过于昂贵，无法实施。如今，太阳能电池的价格只有当时的1/3，所以，推广的可能性就大大增加。根据史蒂文斯特朗这一设计思想，后来，美国电力供应部和能源部合作推出太阳能建材化产品，如住宅屋顶太阳能屋面板、“窗帘式墙壁”等产品。
6、美国建筑学家设计了一幢新颖的太阳能住宅。采用了现代化的光电技术和多种新型建筑材料。该住宅安装了36块非晶硅光电池板，每块可产生50瓦电能，电池板与12个24伏的蓄电池相连接。这些电池板产生的电能可以满足厨房设备、照明和其它家用电器的用电需求。该住宅的9扇窗子的窗框表面涂有一层低辐射率的涂料，窗框中装有特制的储热物质。在白天，窗户从阳光中吸收热量，窗框中的储热物质融化，将热量储存起来；到了晚上，储热物质重新凝固，释放出所储存的热量。据测算，在一个阳光明媚的冬日里，每个窗户可以储存3165焦耳的热量，储存的总热量可满足整幢房子所需热量的一半。该住宅的太阳能热水管，由抛物面金属反射镜和热量收集器组成
7、，可以水平和垂直两个方面跟着太阳运动，热效率高达70%，大大高于目前使用的普通平板式太阳能热水器，据测定，这种热水器在有阳光的日子里，一天就可加热约2吨水，完全可以满足一个大家庭的需要。美国摩托罗拉半导体公司在亚利桑那州的非尼克斯建造了一座太阳能房子。这是一幢半地下的平房建筑，屋顶上的太阳能电池方阵犹如高耸的“山脊”，太阳能集热器安装在向阳一侧，为这座住宅提供了充足的电能和热能。半透明的光学玻璃安装在两侧的窗户上，既让光线射入室内，又将阳光直射产生的热量拒之窗外，保证了冬暖夏凉舒适的家居环境。2003年，美国纽约州特罗伊的伦斯勒工学院开发出一种“新太阳能窗”。它可将太阳光热能转化为可贮存的能量
8、，可满足一幢建筑的供热、制冷和照明需要，这种新型太阳能窗由嵌入两个玻璃天窗的多个透明塑料板构成。每个塑料板上都有几十个小型金属塔模块，这些模块由半透明的塑料质透镜制成，能够追踪太阳光线运动，装在墙上或屋顶的传感器能够确保模块总是对着太阳，捕捉所有太阳光线。每个模块上都有一个小型太阳能电池，负责收集光热，并将其转化成可用能量，运转发电机。除满足建筑内供热、制冷和照明等能源需要外，剩余能量可贮存在电池组以备后用。据称，传统的太阳能设备使用4英尺见方的硅太阳能板，而本太阳能模块只有一平方厘米大，其实用性较传统太阳能设备大大提高。1997年，美国实施“百万太阳能屋顶计划”。目标到2010年，要在全国的
9、住宅、学校、商业建筑等屋顶上安装100万套太阳能发电装置，光伏组件累计用量将达到3025MW，相当于新建35个燃煤发电厂的电力，每年可减少二氧化碳排放量约351万吨，通过大规模的应用，使光伏组件的价格可从1997年的22美分/kwh降到2010年的7.7美分/kwh。2. 太阳能建筑技术在日本的发展日本是自然资源极其匮乏的经济大国，非常重视太阳能等可再生能源的发展，用新能源替代传统能源是举国上下的共同愿望和追求。国家颁布各种政策和法令全力支持太阳能等新能源的发展。至1993年，包括太阳能在内的新能源消费量约占全日本能源消费总量的3%，规划到2010年，太阳能发电量要达到482万千瓦（为1999
10、年的23倍）。日本也在积极推行“太阳能房屋计划”。至2003年，全日本约有5万户居民安装了太阳能电池板。到2010年，要求所有新建的房屋都将采用太阳能供电。为鼓励太阳能电池板在居民住宅中应用，1997年2004年，日本政府共投入1230亿日元的资助金。日本三泽住宅研究有限公司已研究和开发成功屋顶建材太阳光发电系统，并已在日本各地建造许多采用太阳光发电的住宅小区，其中，规模最大的是北海道“山庄花园清田”小区，总户数为503户，发电量达1500KW。3. 太阳能建筑技术在欧洲的发展欧共体早在20世纪80年代，就开始在建筑上大规模开发和应用太阳能技术。欧共体也积极推行“太阳能房屋计划”。计划到201
11、0年，将安装50万套太阳能房屋，其中德国10万套。德国建筑师塞多特霍尔斯建造了一座能跟踪阳光的太阳房屋，房屋被安装在一个圆盘底座上，由一个小型太阳能电动机带动一组齿轮，房屋底座在环形轨道上以每分钟转动3厘米的速度随着太阳旋转，当太阳落山以后，该房屋便反向转动，回到起点位置，它跟踪太阳所消耗的电力仅为房屋太阳能发电功率的1%，而所吸收的太阳能则相当于一般不能转动的太阳能房屋的2倍。这栋造价为133000英镑的房子已经有10户居民入住，入住者感觉很好。房屋设计者，至2005年，已收到另外50个建筑订单。1997年，德国在慕尼黑贸易展览中心安装了世界最大的屋顶并网光伏系统，容量为1.06MW。德国还
12、建造了零能量的住房，所需能量100%靠太阳能。零能量住房向南开放的平面被设计成扇形平面，可以获得很高的太阳能辐射能，墙面采用储热能力较好地灰砂砖、隔热材料和装饰材料。阳光透过保温材料，热量在灰砂砖墙中存储起来。白天，房屋通过窗户由太阳来加热，夜间则通过隔热材料和灰砂砖墙来加热。法国国家实用技术研究所最近发明了一种建筑外墙玻璃兼作太阳能热水器的产品，这种一体化产品是一种双层中空玻璃，其中40%面积是透明的，余下的部分被盘旋状的可以通水的铜管及银反射管所覆盖，覆盖物位于玻璃内层。这种双层中空玻璃可以吸收太阳能，并利用它把水加热。对于一个大楼来说，仅仅利用建筑外墙玻璃，就能把热水问题解决，每年可以节
13、省大量的电力和煤气。因此，具有很强的市场竞争力。丹麦北部奥尔胡斯市的塔首地区，有一个闻名遐迩的“日与风”住宅区。那里的建筑新颖独特，几乎所有房屋的门窗都朝南开，屋顶与地面成45度角，南面窗户极多，北面窗户极少，担当整个住宅区采暖重任的是一座650平方米的太阳能集热器和一个天然气供暖中心，其太阳能集热器使这一住宅区节约了28%的能源。奥地利维也纳新近建成了一个名叫“利奥波德城”的住宅区，由狭长的69层高的公寓楼组成。这些楼房的向阳面有宽大的窗户和阳台，背阴面却只有射击孔大的小窗户，向阳面高大的窗户可使室内获得大量阳光，在寒冷的季节为室内供暖。而背阴面的小窗户有很好的隔热作用，同时，对住宅后面车辆
14、来往的商业区也有很好的隔音效果。而各楼房之间通常要修建通道的地方现在开辟成了广阔、安静、公园般的绿色园区。这种公寓的耗能比传统住宅楼低50%多，在冬天，可节约大量采暖能耗。瑞士科学家发明了一种可利用太阳能发电的住宅用窗玻璃，其发电原理，类似植物叶片的光合作用。这种玻璃的结构很象树叶，是夹心式的，含有捕捉光能的涂料及半导体物质。当光线激发涂料层中的电子，经过定向传递，便产生电流。其光电转化率为10%以上，每平方米可发电150瓦左右，虽与普通太阳能电池差不多，但其成本只有太阳能电池的1/5，因此，有着很好的使用价值和广阔的发展前景。三、 太阳能建筑技术在中国的发展我国太阳能建筑技术经近20年的努力
15、，获得了可喜的发展。到2004年底，太阳能热水器年生产能力达到1350万平方米，利用量达到6500万平方米，占全球安装量的60%，居世界首位，并出口世界30多个国家和地区。太阳能光伏发电约达6.5万千瓦，解决了700多个乡镇，约300万偏远人口基本用电问题。如西藏已建成近400个县级和乡级太阳能光伏电站，总装机容量达近8000千瓦，成为我国集中型光伏电站最多的省区。近年来，在科研开发、住宅小区大面积推广应用、太阳能建材化、太阳能与建筑一体化设计等方面都取得了骄人的成绩。我国山东皇明太阳能集团推出名为“龙光1号”建筑一体化光伏组件，在2005年10月在上海举行的第十五届国际光伏科学与工程大会上受
16、到国内外专家的关注。“龙光1号”既是光伏发电组件，又是一种全新的中空、透明、节能建筑材料。作为实用价值极高的现代化建筑构件，可广泛应用于玻璃幕墙、建筑物屋顶（相当于瓦）、门窗玻璃，制成融采光、发电于一体的光伏瓦天窗、屋顶、门窗等，结束了常规光伏组件在建筑物上悬挂安装的历史。应用该产品的建筑不仅自己会发电，还可以任意拼接成各种图案，实现了光伏发电与建筑物的一体化结合，提高了光伏电池组件的功率和寿命，使电池组件大规模应用于现代化建筑成为可能，为我国光伏产业市场化推广拓宽了道路。中科院广州能源研究所不久前研制成功的太阳能空气双热源热泵中央热水系统，是为2008年北京奥运会90%的热水加热能源要来自太阳能的要求而设计的。该系统是以太阳能直接辐射能量和空气中所储存的太阳能为主要热源，辅以少量
