趙 斌 胡益錆 楊 森 楊久賀 姒柏昌 張東輝 顧國揚(yáng)

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司)

太陽能綜述

趙 斌*胡益錆 楊 森 楊久賀 姒柏昌 張東輝 顧國揚(yáng)

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司)

在能源頻頻告急，環(huán)境問題不時(shí)亮起紅燈的今天，人們開始努力尋求新能源。風(fēng)能、太陽能、生物能等可再生能源引起研究者們競相追捧，而其中的太陽能更是首當(dāng)其沖。對當(dāng)今世界各國太陽能研究和使用情況以及一些前沿進(jìn)展作了調(diào)查與舉證。羅列了從技術(shù)含量稍低的太陽能熱水器到技術(shù)含量稍高的太陽能電池，從太陽能空調(diào)再到太陽能光伏發(fā)電，以及現(xiàn)已完成的一些太陽能建筑。還介紹了對太陽能的經(jīng)濟(jì)性、可行性所作的分析，以及一些國家采取的相應(yīng)的鼓勵(lì)政策和措施。對光伏發(fā)電以及對整個(gè)太陽能前景作了展望。

新能源 太陽能 太陽能建筑 光伏發(fā)電

此篇是在當(dāng)今能源越來越稀缺，全球環(huán)境問題日益突顯的壓力下，各國紛紛尋求新能源——可再生能源 （尤其是太陽能）的形勢下，而作的一個(gè)世界對太陽能研究與利用現(xiàn)狀的調(diào)查報(bào)告。報(bào)告顯示，近幾年太陽能技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是太陽能建筑，大家更是下大力氣，而且取得了不少成果，為太陽能行業(yè)走向市場掀開了新篇章。太陽能電池，一直有研究人士致力于此項(xiàng)工作，雖然也取得了不小成績，在一些場合也已應(yīng)用，但要完全走向市場仍需努力，因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)性還遠(yuǎn)趕不上現(xiàn)有產(chǎn)品。隨著人們對能源、環(huán)保意識的增強(qiáng)，以及太陽能電池技術(shù)的發(fā)展、新材料的開發(fā)，太陽能必將發(fā)出耀眼的光芒。本文中，筆者對未來太陽能世界作了展望與假想。由于本人認(rèn)識的局限性，可能存在不當(dāng)之處，敬請讀者批評指正。

1 當(dāng)前世界能源的狀況（危機(jī)）

1.1 國外

能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是直接影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要的因素。從17世紀(jì)至今，全球人口從5億增長到70億，增加了13倍。伴隨著歷史的進(jìn)步和發(fā)展，人類的能源消耗也從每年1億t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量增長到150億t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，增加了150倍[1]。

目前，全世界的能源消耗75%來源于化石燃料 (如煤炭、石油和天然氣)，其他來自于水力、核能和可再生能源，其中可再生能源大約占5%左右。有資料顯示：在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，石油平均占37.45%，天然氣平均占24.26%，煤炭平均占25.49%，核能平均占6.49%，水電平均占6.3%[2]。雖然有些偏差，但化石燃料占絕對優(yōu)勢是個(gè)事實(shí)。到2020年全球能耗將增長到大約195億t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量。據(jù)世界能源委員會 (WEC)預(yù)測，按照資源探明儲量和現(xiàn)在的需求發(fā)展速度及開采狀況，世界石油可供開采的期限僅為40年左右，天然氣在66年 (有資料稱100年)[3]后用盡，儲量最大的煤炭也只夠169年開采。盡管有人對這些數(shù)字持異議(理由是新的儲量仍在不斷被發(fā)現(xiàn))，但是化石能源走向枯竭，能源供應(yīng)緊張顯然已經(jīng)是不爭的事實(shí)。如何保證人類的能源供應(yīng)可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)提上了各國議事日程[1]。

目前全世界每年消費(fèi)的總能量為0.34Q(1Q=2.52×l017cal=1.05×1018kJ)， 其中美國達(dá) 0.14Q， 約占40%?？偟南M(fèi)量大約每隔10～12年增長一倍[4]。因此，如不盡早設(shè)法解決礦物能源的替代能源，人類遲早將面臨礦物燃料枯竭的危機(jī)局面。

為了避免能源危機(jī)的發(fā)生，減少能源危機(jī)帶來的危害，重視開發(fā)和利用新能源和可再生能源成為許多國家所采取的重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。

1.2 國內(nèi)

我國的常規(guī)能源狀況可用 “總量豐富，人均不足”來概括，我國人均能源可采儲量遠(yuǎn)低于世界平均水平。2000年人均石油可采儲量只有2.6 t，人均天然氣可采儲量1 074 m3，人均煤炭可采儲量90 t，分別為世界平均水平的11.1%、4.3%和55.4%[2]。

我國石油產(chǎn)量不可能大幅增長，2020年預(yù)計(jì)為1.8～2.0×108t，然后將逐漸下降。自1993年中國成為石油凈進(jìn)口國之后，我國石油對外依存度從1995年的7.6%增加到2000年的31.0%。到2020年，石油消費(fèi)量最少也要4.5×108t，屆時(shí)石油的對外依存度有可能接近60%。我國煤炭資源雖然比較豐富，但探明程度很低，2000年可供建設(shè)的新的 （尚未利用的）經(jīng)濟(jì)精查儲量僅203×108t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了近期煤礦建設(shè)的需要。到2003年，我國能源消耗總量己經(jīng)占到世界的10.4%，但是我國的能源消耗構(gòu)成大致為煤占76%，石油占19%，天然氣占1.8%，其他能源占14%，不可再生的石化化石燃料占了絕對優(yōu)勢[2]。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源供需緊張狀況也日益嚴(yán)重，并且已持續(xù)多年。1985年煤炭缺口為3 000萬t，以后每年平均約增加10%擴(kuò)大缺口。電力供需矛盾更加突出，由于缺電，每年有近1/4的生產(chǎn)能力得不到發(fā)揮，損失的潛在工業(yè)產(chǎn)值達(dá)數(shù)千億元。據(jù)有關(guān)資料顯示，到2010年，我國GDP(以1996年不變價(jià)計(jì))將達(dá)到86 270億元人民幣，2000～2010年年均增長率為7.5%。能源需求總量將達(dá)到280億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中原煤29億t、石油3.1億t、 發(fā)電量23 000～25 000億kW·h。 國內(nèi)生產(chǎn)供給量為:原煤約23億t、石油約2.2億t。原煤供求差額約6億t，石油約差9 000萬t。我國已探明的煤炭儲量占世界儲量的11%，原油儲量占世界儲量的3%，天然氣儲量占世界儲量的1%。但因我國人口眾多，能源資源相對匱乏，目前所使用的能源資源的人均占用量不到世界平均水平的一半，人均石油可采儲量僅為世界平均值的1/10，能源系統(tǒng)的總效率僅為9%，約為發(fā)達(dá)國家的一半。人均能源資源相對不足以及人均能源消費(fèi)量過低，嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)、社會的可持續(xù)發(fā)展。另外，能源資源的空間分布不匹配、資源組合錯(cuò)位、質(zhì)量差別大等不利因素使我們面臨的形勢更為嚴(yán)峻[4]。

2 環(huán)境污染

根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署資料表明，目前礦物燃料仍提供了世界商業(yè)能源的95%， 且其使用在世界范圍內(nèi)以每十年20%的速度增長。然而，礦物燃料卻帶來了越來越多的問題。根據(jù)我國1981年對煙塵、SO2、NOx和CO四種量大面廣的污染物的發(fā)生量調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，燃料燃燒產(chǎn)生的污染物約占總污染物的70%，而生產(chǎn)過程及機(jī)動車排出的污染物分別為20%和10%，燃料燃燒產(chǎn)生的污染物中有96%是燃煤所致。由此可見，煤的直接燃燒是我國大氣污染的主要來源。當(dāng)前，由于燃燒煤、石油等礦物燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量，局部地區(qū)還形成酸雨，嚴(yán)重影響水土。

礦物能源的利用不僅造成環(huán)境污染，同時(shí)由于排放大量的溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，引起全球氣候變暖。在過去的10年間，全球平均地面氣溫已增加了0.3～0.6℃，全球海平面升高了10～20 cm。專家認(rèn)為，導(dǎo)致氣溫升高的主要原因是人類在活動中過度排放大量溫室氣體，特別是CO，其在大氣中的濃度超出了過去幾十萬年的任何年間。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)IEA (International Energy Agency)的計(jì)算，1995年全球CO2總排放量為220億t，中國為30億t(占全球總排放量的13.6%)，僅次于美國的52.79億t(占全球總排放量的23.7%)。另外，我國在其他大氣污染物如硫化物、氮氧化物和煙塵等排放方面也相當(dāng)嚴(yán)重。1995年，我國二氧化硫的排放為2 370萬t，煙塵排放174萬t。由于這些污染物的大量排放，造成全國57%的城市總懸浮物超過國家限制，有48個(gè)城市的二氧化硫濃度超過國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)，82%的城市出現(xiàn)過酸雨，許多城市的氮氧化物有增無減。

據(jù)我國國家環(huán)保局1995年 《中國環(huán)境狀況公報(bào)》指出，由于我國人口基數(shù)較大，經(jīng)濟(jì)增長較快，加之技術(shù)水平與管理水平較低，資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、生態(tài)破壞相當(dāng)嚴(yán)重。嚴(yán)重的環(huán)境問題，越來越成為影響我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展全局的重要制約因素。我國能源消費(fèi)以熱值低、污染性高的煤為主，煤炭約占商品能源消費(fèi)構(gòu)成的76%，且能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低，環(huán)保投入少，使得環(huán)境污染較為嚴(yán)重。因此，大力開發(fā)太陽能等新能源和可再生能源是減少大氣污染、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑[2]。

3 太陽能的利用

3.1 時(shí)代的選擇——太陽能

著名的美國世界觀察研究所研究表明，傳統(tǒng)能源無法保證人類進(jìn)入21世紀(jì)后持續(xù)支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。能源問題不僅已是無法改變的現(xiàn)實(shí)，而且更是世界各國面臨的最大威脅和挑戰(zhàn)。該所在 《世界形勢》的專題研究報(bào)告中列舉必須大力研究開發(fā)和推廣應(yīng)用新能源和可再生能源的理由[5]:(1)傳統(tǒng)化石能源的來源逐年減少，資源趨于枯竭，盡管近年來新發(fā)現(xiàn)了一些資源，但開采條件進(jìn)一步惡化，并且分布極不平衡。 (2)傳統(tǒng)化石能源日益導(dǎo)致環(huán)境惡化，其影響已超過經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的好處，尤其是燃燒大量煤炭和石油，使CO2的排放達(dá)到不僅影響空氣、土壤、水源、林業(yè)資源和生物資源狀況的程度，而且嚴(yán)重地引起氣候的變化。 (3)過度地依賴傳統(tǒng)的化石能源，不僅蘊(yùn)藏了新的世界能源危機(jī)，而且實(shí)際上成了某些地區(qū)政治動蕩的一個(gè)根源，例如海灣地區(qū)為爭奪地下石油資源而爆發(fā)的戰(zhàn)爭。 (4)已經(jīng)使用了數(shù)十年的核動力盡管技術(shù)上不斷發(fā)展改進(jìn)，但其安全性仍然是一個(gè)潛在威脅。(5)傳統(tǒng)能源生產(chǎn)過程本身存在許多不利因素，例如生產(chǎn)工藝不良導(dǎo)致環(huán)境污染以及存在許多不安全因素。

因此，從化石能源的有限和大量使用化石能源必將使環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的戰(zhàn)略觀點(diǎn)出發(fā)，為保證人類發(fā)展所需的能源持久、穩(wěn)定地供應(yīng)，為減輕環(huán)境污染和生態(tài)破壞對人類日益加劇的危害，使經(jīng)濟(jì)、社會走可持續(xù)發(fā)展之路，世界各國紛紛制定計(jì)劃，采取措施，增加投入來大力發(fā)展新能源和可再生能源。

世界上最豐富的永久能源是太陽能。地球截取的太陽輻射能通量為1.7×1014kW，比核能、地?zé)岷鸵δ軆α靠偤瓦€要大5 000多倍。其中約30%被反射回宇宙空間；47%轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，以長波輻射形式再次返回空間;約23%是水蒸發(fā)、凝結(jié)的動力，風(fēng)和波浪的動能，植物通過光合作用吸收的能量不到0.5%。地球每年接收的太陽能總量為10×1018kW·h，相當(dāng)于5×1014桶原油，是探明原油儲量的近千倍，是世界年耗總能量的一萬余倍[5]，正如通常所說的 “取之不盡、用之不竭”。雖然太陽輻射能的通量密度較低，太陽光通過大氣層會進(jìn)一步衰減，還會受到天氣、晝夜以及空氣污染等因素的影響呈現(xiàn)間歇性質(zhì)，但如果系統(tǒng)配置儲熱裝置，做到熱能能級的合理匹配，就可以使太陽能發(fā)揮最佳效益。在能源和環(huán)境問題日益凸現(xiàn)的今天，太陽能作為一種可再生的清潔能源被人們譽(yù)為21世紀(jì)最有希望的能源。

3.2 國內(nèi)外太陽能研究的現(xiàn)狀及動向

3.2.1 太陽能熱水器

太陽能熱水器，其相對技術(shù)要求不高，但其經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性卻很高。近年來在中國，太陽能熱水器生產(chǎn)企業(yè)已超過千家，年產(chǎn)值超過1 000萬元的較大型企業(yè)約100家，從事生產(chǎn)的職工包括營銷人員超過50萬人［6］。中國已成為全世界太陽能熱水器年產(chǎn)銷量及保有量最大的國家。但家庭太陽能熱水器全國平均普及率仍未超過10%，所以很有市場前景。

3.2.2 太陽熱利用 （取暖）

南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院的張紅等人，開展的 “太陽能城市糞便沼氣聯(lián)合發(fā)電供熱”研究[7]，其既利用了太陽能又處理了有機(jī)廢物的構(gòu)思，是一種根治城市有機(jī)廢物污染、實(shí)現(xiàn)生態(tài)自然循環(huán)的有效方法。

山東建筑大學(xué)的甄霞等對太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)作了研究，根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，提出了幾種太陽輻射模型。他們建立了適用于濟(jì)南地區(qū)的太陽輻射模型，并通過對濟(jì)南市傾斜面上太陽輻射強(qiáng)度的實(shí)際測量，驗(yàn)證了模型的正確性[4]。

王曦等也對太陽能地板采暖系統(tǒng)作了研究，并在清華大學(xué)建筑學(xué)院設(shè)計(jì)的清華陽光公司辦公樓建筑中搭建了約170 m2的全玻璃U形管式太陽能集熱系統(tǒng)，以供約640 m2的室內(nèi) (包括展廳、多功能廳及門廳)地板采暖。該地板采暖系統(tǒng)采用自行開發(fā)的計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一系列數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程訪問。至今該系統(tǒng)運(yùn)行正常，效果良好[8]。

3.2.3 太陽能空調(diào)

實(shí)現(xiàn)太陽能空調(diào)有兩種途徑:太陽能光電轉(zhuǎn)換，利用電力制冷；太陽能光熱轉(zhuǎn)換，以熱能制冷。前一種方法成本高，以目前太陽能電池的價(jià)格來算，在相同的制冷功率情況下，造價(jià)約為后者的4～5倍。國際上太陽能空調(diào)的應(yīng)用主要是后一種方法。以熱能制冷也有多種方式，其中以吸收式制冷最為普遍[9-10]。

“九五”計(jì)劃期間，應(yīng)用太陽能空調(diào)的各方面條件已經(jīng)成熟，國家科委 (現(xiàn)科技部)把 “太陽能空調(diào)”列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，計(jì)劃建成示范性系統(tǒng)，以促進(jìn)太陽能空調(diào)的推廣應(yīng)用。我國首座太陽能源建筑系統(tǒng)樣板房在常州天合鋁板幕墻制造有限公司研制成功。首座太陽能建筑系統(tǒng)樣板房使用面積達(dá)90 m2，整個(gè)系統(tǒng)由太陽能和節(jié)能材料經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)合成，結(jié)構(gòu)由建筑物光電和光熱材料外層、伸縮性鍍鋁遮陽反射簾、透明隔熱材料層等共5部分組成。這套系統(tǒng)具有發(fā)電、節(jié)能、環(huán)保和增值功能，可提供生活、辦公用電，最短使用期限為30年[3]。

2007年，Xiaoxin Wang等在上海設(shè)計(jì)安裝了一個(gè)太陽能空調(diào)系統(tǒng)，并在六月至八月進(jìn)行了實(shí)際測試和分析研究。結(jié)果顯示:夏季太陽能空調(diào)系統(tǒng)的太陽能保證率是71.7%[11]。

1974年日本通產(chǎn)省制定了 “陽光計(jì)劃”，并按此計(jì)劃建造了數(shù)幢典型太陽能采暖空調(diào)試驗(yàn)建筑，如矢崎實(shí)驗(yàn)太陽房。多年來日本的太陽能采暖、空調(diào)建筑一直穩(wěn)步發(fā)展，并已應(yīng)用于大型建筑物上[12]。

3.2.4 太陽能電池、光伏發(fā)電

20世紀(jì)90年代后期，世界上興起一股 “太陽屋頂”熱，一些國家相繼提出 “1萬屋頂”、 “10萬屋頂”和 “百萬屋頂”計(jì)劃。

近幾年來，在發(fā)達(dá)國家已建造了相當(dāng)發(fā)展水平的 “零能房屋”[3]，即完全由太陽能光電轉(zhuǎn)換裝置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清潔、無污染，它代表了21世紀(jì)太陽能建筑的發(fā)展趨勢，將太陽能建筑的發(fā)展推向一個(gè)新階段。德國弗萊堡著名的 “完全自足太陽房”就是一座完全依靠太陽能采暖、發(fā)電，而不依賴常規(guī)能源的零消耗建筑，至今已有6年了[13-19]。

Y.Berredjem,N.Karst,L.Cattin等對太陽能電池作了研究，根據(jù)不同電容器對太陽能電池的影響，尋求出了最優(yōu)電容匹配[20]。

曹倩茹曾對光伏電源系統(tǒng)的最大功率進(jìn)行了跟蹤研究，根據(jù)光伏電池的特性，在常規(guī)光伏電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上討論了加入最大功率跟蹤環(huán)節(jié)的必要性。由于光伏電池受溫度、日照強(qiáng)度等因素的影響，光伏電池板轉(zhuǎn)換效率低，加入最大功率跟蹤環(huán)節(jié)后，光伏電池板的利用效率有所提高，降低了光伏系統(tǒng)的光伏電池板配置功率，從而降低了系統(tǒng)成本，其性能價(jià)格比得到有效提高。所采用的Buck-Boost電路，其電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方法靈活[21]。

日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織 （NEDO）在2004年6月發(fā)表的 “面向2030光伏路線圖的概述” （Overview of PV Roadmap 2030） 中提出： 到2010年日本國內(nèi)累計(jì)安裝太陽能電池組件容量將為482 GW，到2030年累計(jì)安裝太陽能電池組件容量達(dá)到1 000 GW，屆時(shí)日本所有住宅消費(fèi)的電力中將有50%由太陽能光伏發(fā)電提供，大約占全部電力供應(yīng)的10%[12]。

2004年3月歐洲聯(lián)盟聯(lián)合研究中心發(fā)表 “歐洲光伏研發(fā)路線圖” （PVNET Eourpean Roadmap for PV R&D EUR 21087 EN）的研究報(bào)告，對太陽能光伏發(fā)電進(jìn)行了規(guī)劃和預(yù)測[22]。

3.2.5 太陽能經(jīng)濟(jì)性、可行性分析

當(dāng)前，國際上民用空調(diào)所消耗的電能約占國民總電耗的25%～30%。在各種空調(diào)制冷方式中，使用氟里昂作為制冷劑,以電能驅(qū)動的壓縮式制冷方式占90%以上。氟利昂的大量使用造成了臭氧層的破壞，對全球溫室效應(yīng)也有很大的影響?，F(xiàn)在雖然使用對臭氧層無破壞作用的R134a等制冷劑，但是這種制冷劑對溫室效應(yīng)的影響仍然很大，其對溫室效應(yīng)的影響是CO2的千倍。用太陽能替代常規(guī)能源驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng),用綠色制冷劑替代現(xiàn)有的制冷介質(zhì)，對節(jié)能和環(huán)保都具有十分重要的意義。另一方面，太陽能輻射資源在時(shí)間上的變化規(guī)律和制冷空調(diào)用能在時(shí)間上的波動規(guī)律的高度匹配，使得太陽能制冷空調(diào)成為一個(gè)極為誘人的研究領(lǐng)域，在節(jié)能、環(huán)保、綠色制冷方面顯示出無與倫比的優(yōu)越性 [23]。

于國清以一個(gè)100 m2的住宅用戶為研究對象，采用10～15年內(nèi)全年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)對太陽能熱泵采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果分析了其初投資，使用壽命期內(nèi)的總能耗、總運(yùn)行費(fèi)用，以及綜合熱價(jià)等指標(biāo)[24]。

Christian Carboni和 Roberto Montanari也對太陽能熱系統(tǒng)和其他傳統(tǒng)能源熱系統(tǒng)作了環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、可行性綜合比較，分析了太陽能的一些優(yōu)勢和潛力[25]。Jurgen R.Olivier,Thomas M.Harms,Daniel J.Esterhuyse等對南非的太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性與可行性作了專門研究分析。研究發(fā)現(xiàn)，由于南非太陽能充足，并且目前已有一定的光伏發(fā)電規(guī)模，其產(chǎn)生的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益可觀[26]。

3.2.6 國際上一些太陽能設(shè)施及各國的有關(guān)政策

美國是世界上能量消耗最大的國家，國會先后通過了 “太陽能供暖降溫房屋的建筑條例”和 “節(jié)約能源房屋建筑法規(guī)”等鼓勵(lì)新能源利用的法律文件。在經(jīng)濟(jì)上也采取了有效措施，僅在太陽能利用研究方面就投入了大量經(jīng)費(fèi)，而且國會還通過一項(xiàng)對太陽能系統(tǒng)買主減稅的優(yōu)惠辦法。因此，美國太陽能建筑的發(fā)展極為迅速，無論是對太陽能建筑的研究、設(shè)計(jì)，還是對材料、房屋部件結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開發(fā)、應(yīng)用，以及真正形成商業(yè)運(yùn)作的房地產(chǎn)開發(fā)，美國均處于世界領(lǐng)先地位，并在國內(nèi)形成了完整的太陽能建筑產(chǎn)業(yè)體系。

美國于20世紀(jì)80年代初就由新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室編制出版了被動式太陽房設(shè)計(jì)手冊。此外，美國還出版了許多實(shí)用的被動式太陽房建筑圖集，既有介紹成功的設(shè)計(jì)實(shí)例，也有對太陽房原理、構(gòu)造的詳細(xì)說明。這些工具書的發(fā)行和一些樣板示范房屋的建立，對美國公眾接受太陽房起到了很好的促進(jìn)作用。比較著名的示范建筑有：位于新澤西州普林斯頓的凱爾布住宅；位于新墨西哥州科拉爾斯的貝爾住宅；位于新墨西哥州圣塔菲的圣塔菲太陽房；位于加利福尼亞州阿塔斯卡德洛的阿塔斯卡德洛住宅，以及位于新墨西哥州科拉爾斯的戴維斯住宅。這些建筑采用壁爐或電散熱器作輔助熱源，但太陽能供暖率均在75%以上，有的已達(dá)到100%，例如阿塔斯卡德洛住宅。早在20世紀(jì)40年代，美國麻省理工學(xué)院就進(jìn)行利用太陽能集熱器作為熱源的供暖、空調(diào)系統(tǒng)研究，先后建成了一系列實(shí)驗(yàn)太陽房。這些實(shí)驗(yàn)太陽房，即是最早的主動式太陽房。到70年代以后，又有華盛頓近郊的托馬森太陽房和科羅拉多州丹佛市的洛夫太陽房等主動式太陽房的示范建筑建成。這些太陽房的成功運(yùn)行，說明太陽能供熱、空調(diào)系統(tǒng)在技術(shù)上是完全可行的，但由于投資較大，推廣普及程度不及被動式太陽房。直到進(jìn)入90年代，由于開發(fā)出更加高效的太陽集熱器和吸收式制冷機(jī)、熱泵機(jī)組，應(yīng)用范圍才得以擴(kuò)大。

日本在主動式太陽房的研究應(yīng)用領(lǐng)域也處于世界前列。

此外，法國、德國、澳大利亞、英國等發(fā)達(dá)國家也擁有相當(dāng)先進(jìn)的太陽能建筑應(yīng)用技術(shù)。著名的集熱蓄熱墻采暖方式即是法國人菲利克斯·特朗勃的專利，法國的奧代洛太陽房是該采暖理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的第一個(gè)樣板房。值得一提的是近幾年來在發(fā)達(dá)國家已有相當(dāng)發(fā)展水平的 “零能耗房屋”，即完全由太陽能光電轉(zhuǎn)換裝置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清潔、無污染，它代表了21世紀(jì)太陽能建筑的發(fā)展方向。由于許多國家的政府 （如美國、德國）都制定了太陽能在國家總能源消耗中的所占比例應(yīng)超過20%的計(jì)劃，相信這種 “零能耗房屋”將會有十分良好的發(fā)展前景[27]。

德國一年到頭雨水不斷，有2/3的時(shí)間其天空被云層覆蓋，但經(jīng)過努力，德國仍然成為世界領(lǐng)先的太陽能大國。其太陽能電站發(fā)電量占總發(fā)電量的3%[28]。

歐洲于1997年宣布了百萬屋頂計(jì)劃，其中德國，作為太陽能大國，看好可再生能源的發(fā)展趨勢，將原計(jì)劃的13%提高到2020年的27%[28]，同時(shí)于1998年還提出計(jì)劃，在6年內(nèi)安裝10萬套太陽能屋頂系統(tǒng)。此外，歐盟 “可再生能源白皮書”規(guī)定，到2010年將利用太陽能生產(chǎn)3 700 MW電能供歐盟地區(qū)使用[29]。

1997年，美國提出 “克林頓總統(tǒng)百萬個(gè)太陽能屋頂計(jì)劃”，即預(yù)計(jì)到2010年美國將為100萬個(gè)家庭安裝太陽能屋頂，每個(gè)光伏屋頂將有3～5 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電[29]。

2000年在巴塞羅那頒布了適用于一定規(guī)模建筑物的太陽熱能法令。從那時(shí)候起，西班牙的幾十個(gè)市政府和其他國家的一些城市陸續(xù)授權(quán)在新建筑中引入太陽能熱水技術(shù)。以色列是惟一一個(gè)在全國范圍內(nèi)實(shí)施在新建筑中引入太陽能熱水技術(shù)政策的國家。從1980年開始，大多數(shù)的建筑物都必須有太陽能熱水器[30]。

隨著全球能源供應(yīng)日趨緊張，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，太陽能這種取之不盡、用之不竭的清潔能源，已越來越受到各國廣泛關(guān)注。2005年11月，在北京成功舉行了 “2005北京國際可再生能源大會”[30]，來自92個(gè)國家、地區(qū)、國際組織和非國際組織的1 200多名代表參加了會議，太陽能作為可再生能源自然在會上被反復(fù)強(qiáng)調(diào)和受到重視。

對于開發(fā)利用太陽能，各國競相出臺一些政策。除了中國，至少還有18個(gè)國家為太陽能熱水技術(shù) (太陽能熱水器)投資提供資本補(bǔ)貼、減免款項(xiàng)或者扣除投資課稅。這些國家包括澳大利亞、奧地利、比利時(shí)、加拿大、塞浦路斯、芬蘭、法國、德國、希臘、英國以及美國的一些州和美國聯(lián)邦政府。資本補(bǔ)貼一般占成本的20%～40%[30]。

4 太陽能市場前景

以目前的技術(shù)而言，太陽能利用與建筑相結(jié)合是完全可行的。對此各國所做的研究也較多。

聯(lián)合國能源機(jī)構(gòu)最近的調(diào)查報(bào)告指出，太陽能建筑將成為21世紀(jì)初市場的一個(gè)熱點(diǎn)，成為21世紀(jì)最重要的新興產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，太陽能建筑的普及將有力地推動傳統(tǒng)建筑業(yè)和建材業(yè)的革新。

太陽能建筑市場潛力可觀。自進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，世界太陽能市場以年均16%的幅度增長，是同期石油市場增幅的10倍。2000年，全世界光電池的銷售比上一年猛增30.5%，創(chuàng)歷史最高紀(jì)錄。令市場人士關(guān)注的是，自1990年以來，大量消耗光電池的太陽能建筑，已成為眾多國家的重要投資目標(biāo)。1991年至2000年，美國、西歐和日本在發(fā)展太陽能住宅方面的投資累計(jì)高達(dá)890億美元。有關(guān)預(yù)測顯示，2010年以前，發(fā)達(dá)國家將至少建成200萬幢太陽能商品住宅，其市場規(guī)模可達(dá)數(shù)百億美元，如再計(jì)入辦公用太陽能建筑和有關(guān)的設(shè)備及服務(wù)，市場總量可達(dá)1 000億至1 500億美元，而且這還未計(jì)入發(fā)展中國家的情況。市場人士認(rèn)為，發(fā)展太陽能建筑為光電池大量進(jìn)人市場找到了最佳的買主，有力推動了以光電池為核心的陽光產(chǎn)業(yè)進(jìn)入商品化成長時(shí)期。陽光產(chǎn)業(yè)包括再生能源、環(huán)保型建筑、資源回收利用、生態(tài)保護(hù)、新型材料及相關(guān)服務(wù)，其中，與消費(fèi)者關(guān)系最密切的商品化住宅，必然成為建筑商普及光電池應(yīng)用的主要目標(biāo)。美國商務(wù)部認(rèn)為，未來10年是太陽能建筑商業(yè)交易最活躍的時(shí)期，將為廠商形成新的利潤增長點(diǎn)[4]。

太陽能利用于建筑主要有主動和被動兩種形式。其一為太陽能被動式利用。被動式是通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布置，內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理以及建筑材料和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的恰當(dāng)選擇，達(dá)到合理利用晝間采光，夏天遮陽降溫，冬天采暖的目的。這種依靠建筑構(gòu)造和材料達(dá)到充分利用自然資源、降低建筑能耗的建筑，在國外應(yīng)用比較廣泛，被稱之為綠色房屋 （green house）。1997年，J.Khedari等[9]提出了RSC(roof solar collector)概念，將屋頂作為太陽能集熱器，并實(shí)驗(yàn)研究了集熱器的性能，首次優(yōu)化了集熱器屋頂各部分的參數(shù)。其后又出現(xiàn)了幾項(xiàng)RSC的優(yōu)化方案。另外，還有一種可被動利用太陽能的裝置，被稱之為太陽能罩（solar chimney）。太陽能罩類似于集熱器屋頂，只不過它的外表面多了一層玻璃罩。實(shí)驗(yàn)證明，太陽能罩具有更高的換熱通風(fēng)效率。除集熱器屋頂和太陽能罩之外，最近還出現(xiàn)了一種新型的屋頂集熱器，是將屋頂設(shè)計(jì)為波紋狀，這樣便可以收集到更多的太陽能。其二為太陽能主動式利用。主動式利用是指利用太陽能集熱器收集太陽能，然后再加以利用。目前，主動式太陽能利用系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用主要有空調(diào)、供暖和生活熱水三種形式。

以一幢小區(qū)居民樓為例對上述方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。假設(shè)居民樓有42戶 (7層每層6戶)，設(shè)置120 m2的集熱器，驅(qū)動一臺制冷量為23 kW(相當(dāng)于6臺2匹機(jī))的溴冷機(jī)。平均每戶每天熱水供應(yīng)量為150～200 L。按每年日照時(shí)間2 000 h(即每天約6 h)，集熱器平均熱吸收量為0.3 kW/m2計(jì)算。太陽能熱水器與溴冷機(jī)組的總成本包括初投資和運(yùn)行費(fèi)用，前者包括設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)，后者包括水電費(fèi)、易損件更新費(fèi)和維修費(fèi)。系統(tǒng)的初投資包括:120 m2太陽能熱水器、配套設(shè)備等設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)總計(jì)12.6萬元。這部分投資費(fèi)用將由全體住戶分?jǐn)?，折合每? 000元。制冷機(jī)、空調(diào)配套設(shè)備及安裝費(fèi)總計(jì)3.6萬元，這部分費(fèi)用當(dāng)然是本著誰受益誰支出的原則，由頂樓受益住戶分擔(dān)，折合每戶6 000元。兩項(xiàng)合計(jì)16.2萬元。運(yùn)行費(fèi)用中自來水費(fèi)是任何加熱方式都需要的基本費(fèi)用。太陽能熱水站所需的水泵耗電通常遠(yuǎn)小于電加熱費(fèi)用，每天將200 L水升溫30℃需要消耗7 kW·h熱量或電能。與電加熱相比，每戶每年可節(jié)省電2 000 kW·h，按民用電價(jià)0.52元/千瓦時(shí)計(jì)，即節(jié)省電費(fèi)1 000多元，3年左右就可收回投資。可見單從熱水供應(yīng)就有很好的經(jīng)濟(jì)效益。再看太陽能空調(diào)，吸收式制冷機(jī)的運(yùn)行也會增加熱水泵、冷卻水泵和冷媒水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)以及制冷機(jī)本身溶液泵的電能消耗，但它們通常只有壓縮式機(jī)組的1/3以下。

設(shè)夏季空調(diào)的使用時(shí)間為10 h/d，太陽能空調(diào)的制冷系數(shù)COP取為0.15，夏季集熱器平均熱吸收量可達(dá)0.5 kW/m2，每天8 h的吸熱量為480 kW·h，足以驅(qū)動一臺制冷量為23 kW(相當(dāng)于6臺2匹機(jī))的溴冷機(jī)，每天工作約10 h。頂層6戶每戶每天節(jié)省空調(diào)用電能約為10 kW·h，按每年100天空調(diào)季節(jié)計(jì)算用電量，可節(jié)省電1 000 kW·h。以目前民用電價(jià)約0.52元/千瓦時(shí)計(jì)算，可節(jié)省電費(fèi)500余元。15年的使用期內(nèi)每戶可節(jié)電1.5萬kW·h，即可節(jié)省7 800元。若以6 000元初投資減去常規(guī)電空調(diào)機(jī)的2 000元，則8年左右可收回投資。由于目前的電價(jià)并不反映其作為稀缺能源的價(jià)值，電價(jià)上漲是必然趨勢，屆時(shí)太陽能空調(diào)的經(jīng)濟(jì)性將會更加顯現(xiàn)[31]。

5 對太陽能長遠(yuǎn)展望

將所有的建筑都太陽能化，類似墻面都是太陽能吸收器，連成并網(wǎng)系統(tǒng)。太陽能在單位時(shí)間、單位面積上的能量雖不大，但太陽能給我們的時(shí)間是無窮大的 （天文學(xué)的研究結(jié)果認(rèn)為，太陽系已存在50億年左右，據(jù)專家估算，尚可維持1 000億年之久，對于人類存在的年代來說，確實(shí)可以認(rèn)為是“取之不盡、用之不竭”的）[4]，空間也幾乎是無窮大（每年到達(dá)地面的太陽輻射能約可折算為130億t標(biāo)準(zhǔn)煤，約為目前全世界所消耗的各種能量總和的2萬倍）[4]，如果我們能把空間與時(shí)間充分利用，所獲能量就相當(dāng)?shù)拇?。目前，太陽能光伏發(fā)電的技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)，只是經(jīng)濟(jì)性尚不夠。如果研發(fā)出可行的方案，靠成熟的技術(shù)來降低成本，那么我們所有房屋都是太陽能吸收器的未來將不是夢?，F(xiàn)在太陽能光伏發(fā)電的離網(wǎng)與并網(wǎng)系統(tǒng)[27，32]已有一定技術(shù)基礎(chǔ)。應(yīng)在政府的鼓勵(lì)與支持下，建一些太陽能建筑（本文前已述及很多成功的例子）。盡量建成并網(wǎng)的太陽能建筑，即太陽能建筑在用能不足時(shí)從電網(wǎng)補(bǔ)充，剩余時(shí)又返入電網(wǎng)供其它用途[27，32]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，電動車必將取代燃化石能源車，全球各個(gè)角落都有太陽能充電站，人們的出行將是動力無限。人們與環(huán)境和諧發(fā)展。

最后，我要感謝華東理工大學(xué)潘家禎教授在百忙中幫我檢閱，使本文增色不少。

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Solar Energy Review

Zhao Bin Hu Yiqiang Yang Sen Yang Jiuhe Si Baichang Zhang DonghuiGu Guoyang

People are trying to find new energy to solve the increasingly serious problem of energy crisis.Many studies have been implemented on wind energy,solar energy,bio-energy and other renewable energy.The solar energy has attracted a large number of attentions.The research and development of solar energy are discussed in the paper,from solar water heater to solar cells,from solar energy air conditioning to solar photovoltaic power generation as well as some completed solar building.Also the solar energy economy and feasibility analyses are introduced as well as encouragement policies and measures adopted by some countries.The future of photovoltaic power generation and aspects of solar energy application are analyzed at end of the paper.

New energy;Solar energy;Solar building;Photovoltaic power generation

TK 51

*趙斌，男，1983年生，助理工程師。西安市，710201。

2011-07-15）