太陽能綜述

趙 斌 胡益錆 楊 森 楊久賀 姒柏昌 張東輝 顧國揚

（西安優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

（西安優耐特容器制造有限公司)

在能源頻頻告急，環境問題不時亮起紅燈的今天，人們開始努力尋求新能源。風能、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其沖。對當今世界各國太陽能研究和使用情況以及一些前沿進展作了調查與舉證。羅列了從技術含量稍低的太陽能熱水器到技術含量稍高的太陽能電池，從太陽能空調再到太陽能光伏發電，以及現已完成的一些太陽能建筑。還介紹了對太陽能的經濟性、可行性所作的分析，以及一些國家采取的相應的鼓勵政策和措施。對光伏發電以及對整個太陽能前景作了展望。

新能源 太陽能 太陽能建筑 光伏發電

此篇是在當今能源越來越稀缺，全球環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，而作的一個世界對太陽能研究與利用現狀的調查報告。報告顯示，近幾年太陽能技術發展迅速，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工作，雖然也取得了不小成績，在一些場合也已應用，但要完全走向市場仍需努力，因為其經濟性還遠趕不上現有產品。隨著人們對能源、環保意識的增強，以及太陽能電池技術的發展、新材料的開發，太陽能必將發出耀眼的光芒。本文中，筆者對未來太陽能世界作了展望與假想。由于本人認識的局限性，可能存在不當之處，敬請讀者批評指正。

1 當前世界能源的狀況（危機）

1.1 國外

能源是發展國民經濟和提高人民生活水平的重要物質基礎，也是直接影響經濟發展的一個重要的因素。從17世紀至今，全球人口從5億增長到70億，增加了13倍。伴隨著歷史的進步和發展，人類的能源消耗也從每年1億t標準煤當量增長到150億t標準煤當量，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：在能源消費結構中，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勢是個事實。到2020年全球能耗將增長到大約195億t標準煤當量。據世界能源委員會 (WEC)預測，按照資源探明儲量和現在的需求發展速度及開采狀況，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。盡管有人對這些數字持異議(理由是新的儲量仍在不斷被發現)，但是化石能源走向枯竭，能源供應緊張顯然已經是不爭的事實。如何保證人類的能源供應可持續發展，已經提上了各國議事日程[1]。

目前全世界每年消費的總能量為0.34Q(1Q=2.52×l017cal=1.05×1018kJ)， 其中美國達 0.14Q， 約占40%。總的消費量大約每隔10～12年增長一倍[4]。因此，如不盡早設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局面。

為了避免能源危機的發生，減少能源危機帶來的危害，重視開發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展戰略之一。

1.2 國內

我國的常規能源狀況可用 “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]。

我國石油產量不可能大幅增長，2020年預計為1.8～2.0×108t，然后將逐漸下降。自1993年中國成為石油凈進口國之后，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，石油消費量最少也要4.5×108t，屆時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年可供建設的新的 （尚未利用的）經濟精查儲量僅203×108t，遠遠滿足不了近期煤礦建設的需要。到2003年，我國能源消耗總量己經占到世界的10.4%，但是我國的能源消耗構成大致為煤占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勢[2]。

隨著我國經濟的發展，能源供需緊張狀況也日益嚴重，并且已持續多年。1985年煤炭缺口為3 000萬t，以后每年平均約增加10%擴大缺口。電力供需矛盾更加突出，由于缺電，每年有近1/4的生產能力得不到發揮，損失的潛在工業產值達數千億元。據有關資料顯示，到2010年，我國GDP(以1996年不變價計)將達到86 270億元人民幣，2000～2010年年均增長率為7.5%。能源需求總量將達到280億t標準煤，其中原煤29億t、石油3.1億t、 發電量23 000～25 000億kW·h。 國內生產供給量為: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，能源系統的總效率僅為9%，約為發達國家的一半。人均能源資源相對不足以及人均能源消費量過低，嚴重制約了我國經濟、社會的可持續發展。另外，能源資源的空間分布不匹配、資源組合錯位、質量差別大等不利因素使我們面臨的形勢更為嚴峻[4]。

2 環境污染

根據聯合國環境規劃署資料表明，目前礦物燃料仍提供了世界商業能源的95%， 且其使用在世界范圍內以每十年20%的速度增長。然而，礦物燃料卻帶來了越來越多的問題。根據我國1981年對煙塵、SO2、NOx和CO四種量大面廣的污染物的發生量調查統計結果表明，燃料燃燒產生的污染物約占總污染物的70%，而生產過程及機動車排出的污染物分別為20%和10%，燃料燃燒產生的污染物中有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。當前，由于燃燒煤、石油等礦物燃料，每年有數十萬噸硫等有害物質拋向天空，使大氣環境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質量，局部地區還形成酸雨，嚴重影響水土。

礦物能源的利用不僅造成環境污染，同時由于排放大量的溫室氣體而產生溫室效應，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。專家認為，導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。據國際能源機構IEA (International Energy Agency)的計算，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嚴重。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個城市的二氧化硫濃度超過國家二級排放標準，82%的城市出現過酸雨，許多城市的氮氧化物有增無減。

據我國國家環保局1995年 《中國環境狀況公報》指出，由于我國人口基數較大，經濟增長較快，加之技術水平與管理水平較低，資源浪費、環境污染、生態破壞相當嚴重。嚴重的環境問題，越來越成為影響我國經濟和社會發展全局的重要制約因素。我國能源消費以熱值低、污染性高的煤為主，煤炭約占商品能源消費構成的76%，且能源轉換系統的效率低，環保投入少，使得環境污染較為嚴重。因此，大力開發太陽能等新能源和可再生能源是減少大氣污染、保護環境、實現可持續發展的一條重要途徑[2]。

3 太陽能的利用

3.1 時代的選擇——太陽能

著名的美國世界觀察研究所研究表明，傳統能源無法保證人類進入21世紀后持續支撐經濟發展的需要。能源問題不僅已是無法改變的現實，而且更是世界各國面臨的最大威脅和挑戰。該所在 《世界形勢》的專題研究報告中列舉必須大力研究開發和推廣應用新能源和可再生能源的理由[5]:(1)傳統化石能源的來源逐年減少，資源趨于枯竭，盡管近年來新發現了一些資源，但開采條件進一步惡化，并且分布極不平衡。 (2)傳統化石能源日益導致環境惡化，其影響已超過經濟發展帶來的好處，尤其是燃燒大量煤炭和石油，使CO2的排放達到不僅影響空氣、土壤、水源、林業資源和生物資源狀況的程度，而且嚴重地引起氣候的變化。 (3)過度地依賴傳統的化石能源，不僅蘊藏了新的世界能源危機，而且實際上成了某些地區政治動蕩的一個根源，例如海灣地區為爭奪地下石油資源而爆發的戰爭。 (4)已經使用了數十年的核動力盡管技術上不斷發展改進，但其安全性仍然是一個潛在威脅。(5)傳統能源生產過程本身存在許多不利因素，例如生產工藝不良導致環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境污染日趨嚴重的戰略觀點出發，為保證人類發展所需的能源持久、穩定地供應，為減輕環境污染和生態破壞對人類日益加劇的危害，使經濟、社會走可持續發展之路，世界各國紛紛制定計劃，采取措施，增加投入來大力發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、地熱和引力能儲量總和還要大5 000多倍。其中約30%被反射回宇宙空間；47%轉變為熱，以長波輻射形式再次返回空間;約23%是水蒸發、凝結的動力，風和波浪的動能，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間歇性質，但如果系統配置儲熱裝置，做到熱能能級的合理匹配，就可以使太陽能發揮最佳效益。在能源和環境問題日益凸現的今天，太陽能作為一種可再生的清潔能源被人們譽為21世紀最有希望的能源。

3.2 國內外太陽能研究的現狀及動向

3.2.1 太陽能熱水器

太陽能熱水器，其相對技術要求不高，但其經濟性、實用性卻很高。近年來在中國，太陽能熱水器生產企業已超過千家，年產值超過1 000萬元的較大型企業約100家，從事生產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）

南京工業大學機械與動力工程學院的張紅等人，開展的 “太陽能城市糞便沼氣聯合發電供熱”研究[7]，其既利用了太陽能又處理了有機廢物的構思，是一種根治城市有機廢物污染、實現生態自然循環的有效方法。

山東建筑大學的甄霞等對太陽能地板輻射采暖系統作了研究，根據太陽輻射強度的變化規律，提出了幾種太陽輻射模型。他們建立了適用于濟南地區的太陽輻射模型，并通過對濟南市傾斜面上太陽輻射強度的實際測量，驗證了模型的正確性[4]。

王曦等也對太陽能地板采暖系統作了研究，并在清華大學建筑學院設計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，以供約640 m2的室內 (包括展廳、多功能廳及門廳)地板采暖。該地板采暖系統采用自行開發的計算機智能監控系統，實現一系列數據采集和遠程訪問。至今該系統運行正常，效果良好[8]。

3.2.3 太陽能空調

實現太陽能空調有兩種途徑:太陽能光電轉換，利用電力制冷；太陽能光熱轉換，以熱能制冷。前一種方法成本高，以目前太陽能電池的價格來算，在相同的制冷功率情況下，造價約為后者的4～5倍。國際上太陽能空調的應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”計劃期間，應用太陽能空調的各方面條件已經成熟，國家科委 (現科技部)把 “太陽能空調”列為重點科技攻關項目，計劃建成示范性系統，以促進太陽能空調的推廣應用。我國首座太陽能源建筑系統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樣板房使用面積達90 m2，整個系統由太陽能和節能材料經結構優化系統合成，結構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。這套系統具有發電、節能、環保和增值功能，可提供生活、辦公用電，最短使用期限為30年[3]。

2007年，Xiaoxin Wang等在上海設計安裝了一個太陽能空調系統，并在六月至八月進行了實際測試和分析研究。結果顯示:夏季太陽能空調系統的太陽能保證率是71.7%[11]。

1974年日本通產省制定了 “陽光計劃”，并按此計劃建造了數幢典型太陽能采暖空調試驗建筑，如矢崎實驗太陽房。多年來日本的太陽能采暖、空調建筑一直穩步發展，并已應用于大型建筑物上[12]。

3.2.4 太陽能電池、光伏發電

20世紀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”計劃。

近幾年來，在發達國家已建造了相當發展水平的 “零能房屋”[3]，即完全由太陽能光電轉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世紀太陽能建筑的發展趨勢，將太陽能建筑的發展推向一個新階段。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、發電，而不依賴常規能源的零消耗建筑，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，根據不同電容器對太陽能電池的影響，尋求出了最優電容匹配[20]。

曹倩茹曾對光伏電源系統的最大功率進行了跟蹤研究，根據光伏電池的特性，在常規光伏電源系統的基礎上討論了加入最大功率跟蹤環節的必要性。由于光伏電池受溫度、日照強度等因素的影響，光伏電池板轉換效率低，加入最大功率跟蹤環節后，光伏電池板的利用效率有所提高，降低了光伏系統的光伏電池板配置功率，從而降低了系統成本，其性能價格比得到有效提高。所采用的Buck-Boost電路，其電路結構簡單，控制方法靈活[21]。

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

2004年3月歐洲聯盟聯合研究中心發表 “歐洲光伏研發路線圖” （PVNET Eourpean Roadmap for PV R&D EUR 21087 EN）的研究報告，對太陽能光伏發電進行了規劃和預測[22]。

3.2.5 太陽能經濟性、可行性分析

當前，國際上民用空調所消耗的電能約占國民總電耗的25%～30%。在各種空調制冷方式中，使用氟里昂作為制冷劑,以電能驅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，對全球溫室效應也有很大的影響。現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的影響仍然很大，其對溫室效應的影響是CO2的千倍。用太陽能替代常規能源驅動空調系統,用綠色制冷劑替代現有的制冷介質，對節能和環保都具有十分重要的意義。另一方面，太陽能輻射資源在時間上的變化規律和制冷空調用能在時間上的波動規律的高度匹配，使得太陽能制冷空調成為一個極為誘人的研究領域，在節能、環保、綠色制冷方面顯示出無與倫比的優越性 [23]。

于國清以一個100 m2的住宅用戶為研究對象，采用10～15年內全年逐時氣象數據對太陽能熱泵采暖系統進行模擬，并根據模擬結果分析了其初投資，使用壽命期內的總能耗、總運行費用，以及綜合熱價等指標[24]。

Christian Carboni和 Roberto Montanari也對太陽能熱系統和其他傳統能源熱系統作了環保性、經濟性、可行性綜合比較，分析了太陽能的一些優勢和潛力[25]。Jurgen R.Olivier,Thomas M.Harms,Daniel J.Esterhuyse等對南非的太陽能利用的經濟性與可行性作了專門研究分析。研究發現，由于南非太陽能充足，并且目前已有一定的光伏發電規模，其產生的節能經濟效益可觀[26]。

3.2.6 國際上一些太陽能設施及各國的有關政策

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 “節約能源房屋建筑法規”等鼓勵新能源利用的法律文件。在經濟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費，而且國會還通過一項對太陽能系統買主減稅的優惠辦法。因此，美國太陽能建筑的發展極為迅速，無論是對太陽能建筑的研究、設計，還是對材料、房屋部件結構的產品開發、應用，以及真正形成商業運作的房地產開發，美國均處于世界領先地位，并在國內形成了完整的太陽能建筑產業體系。

美國于20世紀80年代初就由新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯科學實驗室編制出版了被動式太陽房設計手冊。此外，美國還出版了許多實用的被動式太陽房建筑圖集，既有介紹成功的設計實例，也有對太陽房原理、構造的詳細說明。這些工具書的發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，有的已達到100%，例如阿塔斯卡德洛住宅。早在20世紀40年代，美國麻省理工學院就進行利用太陽能集熱器作為熱源的供暖、空調系統研究，先后建成了一系列實驗太陽房。這些實驗太陽房，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行，說明太陽能供熱、空調系統在技術上是完全可行的，但由于投資較大，推廣普及程度不及被動式太陽房。直到進入90年代，由于開發出更加高效的太陽集熱器和吸收式制冷機、熱泵機組，應用范圍才得以擴大。

日本在主動式太陽房的研究應用領域也處于世界前列。

此外，法國、德國、澳大利亞、英國等發達國家也擁有相當先進的太陽能建筑應用技術。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化為實際應用的第一個樣板房。值得一提的是近幾年來在發達國家已有相當發展水平的 “零能耗房屋”，即完全由太陽能光電轉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世紀太陽能建筑的發展方向。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超過20%的計劃，相信這種 “零能耗房屋”將會有十分良好的發展前景[27]。

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

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

1997年，美國提出 “克林頓總統百萬個太陽能屋頂計劃”，即預計到2010年美國將為100萬個家庭安裝太陽能屋頂，每個光伏屋頂將有3～5 kW光伏并網發電[29]。

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

隨著全球能源供應日趨緊張，環境問題日益嚴重，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個國家、地區、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強調和受到重視。

對于開發利用太陽能，各國競相出臺一些政策。除了中國，至少還有18個國家為太陽能熱水技術 (太陽能熱水器)投資提供資本補貼、減免款項或者扣除投資課稅。這些國家包括澳大利亞、奧地利、比利時、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邦政府。資本補貼一般占成本的20%～40%[30]。

4 太陽能市場前景

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

聯合國能源機構最近的調查報告指出，太陽能建筑將成為21世紀初市場的一個熱點，成為21世紀最重要的新興產業。同時，太陽能建筑的普及將有力地推動傳統建筑業和建材業的革新。

太陽能建筑市場潛力可觀。自進入20世紀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%，創歷史最高紀錄。令市場人士關注的是，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。1991年至2000年，美國、西歐和日本在發展太陽能住宅方面的投資累計高達890億美元。有關預測顯示，2010年以前，發達國家將至少建成200萬幢太陽能商品住宅，其市場規模可達數百億美元，如再計入辦公用太陽能建筑和有關的設備及服務，市場總量可達1 000億至1 500億美元，而且這還未計入發展中國家的情況。市場人士認為，發展太陽能建筑為光電池大量進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業進入商品化成長時期。陽光產業包括再生能源、環保型建筑、資源回收利用、生態保護、新型材料及相關服務，其中，與消費者關系最密切的商品化住宅，必然成為建筑商普及光電池應用的主要目標。美國商務部認為，未來10年是太陽能建筑商業交易最活躍的時期，將為廠商形成新的利潤增長點[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境的合理布置，內部空間和外部形體的巧妙處理以及建筑材料和結構、構造的恰當選擇，達到合理利用晝間采光，夏天遮陽降溫，冬天采暖的目的。這種依靠建筑構造和材料達到充分利用自然資源、降低建筑能耗的建筑，在國外應用比較廣泛，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，并實驗研究了集熱器的性能，首次優化了集熱器屋頂各部分的參數。其后又出現了幾項RSC的優化方案。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。實驗證明，太陽能罩具有更高的換熱通風效率。除集熱器屋頂和太陽能罩之外，最近還出現了一種新型的屋頂集熱器，是將屋頂設計為波紋狀，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在建筑中的應用主要有空調、供暖和生活熱水三種形式。

以一幢小區居民樓為例對上述方案進行經濟性分析。假設居民樓有42戶 (7層每層6戶)，設置120 m2的集熱器，驅動一臺制冷量為23 kW(相當于6臺2匹機)的溴冷機。平均每戶每天熱水供應量為150～200 L。按每年日照時間2 000 h(即每天約6 h)，集熱器平均熱吸收量為0.3 kW/m2計算。太陽能熱水器與溴冷機組的總成本包括初投資和運行費用，前者包括設備費、安裝費，后者包括水電費、易損件更新費和維修費。系統的初投資包括:120 m2太陽能熱水器、配套設備等設備費和安裝費總計12.6萬元。這部分投資費用將由全體住戶分攤，折合每戶3 000元。制冷機、空調配套設備及安裝費總計3.6萬元，這部分費用當然是本著誰受益誰支出的原則，由頂樓受益住戶分擔，折合每戶6 000元。兩項合計16.2萬元。運行費用中自來水費是任何加熱方式都需要的基本費用。太陽能熱水站所需的水泵耗電通常遠小于電加熱費用，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，每戶每年可節省電2 000 kW·h，按民用電價0.52元/千瓦時計，即節省電費1 000多元，3年左右就可收回投資。可見單從熱水供應就有很好的經濟效益。再看太陽能空調，吸收式制冷機的運行也會增加熱水泵、冷卻水泵和冷媒水泵、冷卻塔風機以及制冷機本身溶液泵的電能消耗，但它們通常只有壓縮式機組的1/3以下。

設夏季空調的使用時間為10 h/d，太陽能空調的制冷系數COP取為0.15，夏季集熱器平均熱吸收量可達0.5 kW/m2，每天8 h的吸熱量為480 kW·h，足以驅動一臺制冷量為23 kW(相當于6臺2匹機)的溴冷機，每天工作約10 h。頂層6戶每戶每天節省空調用電能約為10 kW·h，按每年100天空調季節計算用電量，可節省電1 000 kW·h。以目前民用電價約0.52元/千瓦時計算，可節省電費500余元。15年的使用期內每戶可節電1.5萬kW·h，即可節省7 800元。若以6 000元初投資減去常規電空調機的2 000元，則8年左右可收回投資。由于目前的電價并不反映其作為稀缺能源的價值，電價上漲是必然趨勢，屆時太陽能空調的經濟性將會更加顯現[31]。

5 對太陽能長遠展望

將所有的建筑都太陽能化，類似墻面都是太陽能吸收器，連成并網系統。太陽能在單位時間、單位面積上的能量雖不大，但太陽能給我們的時間是無窮大的 （天文學的研究結果認為，太陽系已存在50億年左右，據專家估算，尚可維持1 000億年之久，對于人類存在的年代來說，確實可以認為是“取之不盡、用之不竭”的）[4]，空間也幾乎是無窮大（每年到達地面的太陽輻射能約可折算為130億t標準煤，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間充分利用，所獲能量就相當的大。目前，太陽能光伏發電的技術已能實現，只是經濟性尚不夠。如果研發出可行的方案，靠成熟的技術來降低成本，那么我們所有房屋都是太陽能吸收器的未來將不是夢。現在太陽能光伏發電的離網與并網系統[27，32]已有一定技術基礎。應在政府的鼓勵與支持下，建一些太陽能建筑（本文前已述及很多成功的例子）。盡量建成并網的太陽能建筑，即太陽能建筑在用能不足時從電網補充，剩余時又返入電網供其它用途[27，32]。

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

最后，我要感謝華東理工大學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）