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现代建筑中的太阳能应用
摘要：本文介绍了太阳能利用原理，指出太阳能与建筑一体化设计的太阳能利用方式有着巨大的发展潜力，必将在能源消费结构中占据越来越重要的地位。结合各类太阳能利用系统的特点，为建筑节能环保产品的设计开发提供考虑方向。
关键词：太阳能；建筑节能；建筑一体化设计
随着我国建筑经济的快速发展，建筑能源消耗随之加大。目前传统化石能源供应紧张且不可再生，而能源的不合理利用也带来了一系列的环境污染，给世界环境带来了极大的危害，所以寻求可再生能源的高效清洁利用，成了目前人类面临的共同问题。
一、 太阳能以及太阳能建筑的定义
太阳能，一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电成为一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等。
太阳能建筑，即用太阳能代替部分常规能源，为建筑物和居民提供采暖、热水、空调、照明、通风、动力等一系列功能，以满足或部分满足人们的生活和生产的需要。所谓的太阳能建筑，其利用太阳能的最高境界是“零能耗”，即建筑物所需的全部能源供应均来自太阳能，常规能源消耗为零；从而真正做到环保清洁、绿色生态。
基于以上对太阳能建筑的定性分析，太阳能建筑的特点可以概括为三条：舒适与健康；节约一次能源；减少对环境的破坏和污染。
二、 太阳能利用的主流技术
截至目前，世界太阳能利用的主要途径为光电转换和光热转换两种方式，而通过光热或者光电转换实现高效的发电技术，是国际太阳能利用研究的一个主流。
光电转换，通过太阳电池直接将太阳辐射的光能转换为电能，即光伏效应。太阳电池即根据光伏效应而设计，用半导体材料制成，有硅、化合物半导体、有机半导体等多种材料，按材料结晶形态有单晶、多晶和非晶态。在硅电池中，单晶硅太阳能电池转换效率较高，相对单晶硅材料更为廉价方便的薄膜硅，电池虽然效率较低，但是制造简洁、能耗低、使用的原料更节省，也有很大的发展潜力。另外，多节电池、聚光电池技术由于其突出的转换效率，也已经成为现阶段国际研究的重点关注领域。
光热转换及太阳能热发电技术，光热转换是将太阳辐射能转换为热能的过程。由于其成本较低、技术上更容易实现，适用面广，所以世界上很多国家都把它作为太阳能利用的首选。其中太阳能热力发电是当今世界太阳能利用研究的主题之一，该类系统通过太阳集热设备代替常规锅炉，用太阳能热力系统带动发电机发电。
三、太阳能利用与建筑节能
现代建筑已经进入绿色建筑阶段，是环境科学与生态艺术的完美结合。太阳能在建筑学上的应用，为建筑节能提供了无比广阔的前景。作为迄今人类所认识的最清洁的可再生能源，太阳能与建筑一体化设计将在建筑节能中扮演着越来越重要的作用，是未来太阳能技术发展的方向。我国建筑不仅耗能高，而且能源利用效率很低，单位建筑能耗比同等气候条件下国家高出2～3倍。所以大力推进建筑节能已迫在眉睫。
(一)、太阳能与建筑一体化技术特点
1、太阳能与建筑一体化是将太阳能利用设施与建筑有机结合，使太阳能设施成为建筑的一部分，如利用太阳能集热器替代屋顶覆盖层或替代屋顶保温层，取代了传统太阳能的结构所造成的对建筑的外观形象的影响；
2、对屋顶造型无特殊要求。平屋顶或斜屋顶均适用，仅安装方法不同，取代了原来屋面的隔热保温，既美观，又实用；
3、适用范围广，适用于各种形式的建筑。例如：住宅小区、高层楼群、别墅等等；
4、属于一项综合性技术，涉及太阳能利用、建筑设计、流体分布等多种技术领域。
(二)、太阳能与建筑一体化技术现状
1、分布式综合利用技术。将各种太阳能利用技术结合建筑一体化设计，建立具有分布式能源供应能力的绿色节能建筑的思路，也已经成为国内外研究的热点。其中光伏发电由于其便捷性与灵活性，就有了与建筑物集成化的利用，并且很快成为热门课题。在建筑物屋顶上安装的太阳能系统，通常采用与公共电网并网的形式。并网光伏系统不需配备蓄电池，这样可节省投资。同时由于不受蓄电池荷电状态的限制能充分利用光伏系统所发出的电力，而且在夏季用电高峰时太阳辐射量最大，光伏系统发电量最多。这对电网还可起到调峰作用。建筑物上有大量空置的屋顶及外墙空间，可以安装太阳能利用装置，这种分布式的利用技术不需要长途输送，节省了输配电设备，减少了电力损耗，其广阔的应用前景已引起人们的高度重视。
2、我国在建筑节能方面的应用。一直以来，太阳能等可再生能源在建筑技术上的应用都是政府和企业的梦寐追求，太阳能利用与建筑节能的完美结合，创造的低能耗、高舒适度的健康居住环境，不仅让企业、家庭、工作、生活变得更自然更环保，而且能节能减排。对实现社会可持续发展具有重大意义。太阳能作为一种免费、清洁的能源，在建筑节能中的利用，将关系到可持续发展的战略，可谓意义深远。经过数年的研究和开发，太阳能的利用已取得显著成果并转化为生产力。在我国，太阳能热水器在全行业中现已拥有企业超过千家，推广应用范围也在不断扩大，而太阳能与建筑的结合，也在住宅建设中越发呈现出其不可替代的地位，并成为住宅建设中的一个最新亮点。
(三)、太阳能与建筑一体化的发展方向
1、建筑物室温调节。目前，建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。在我国，它要占到建筑物总能耗的约70％，用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量，带来外界的环境污染，而且并不能给室内人员带来健康的环境，在太阳能用于采暖方面，除造价较高的被动式太阳房有一些示范建筑外，还没有大规模的采用。主动式太阳能供能由于成本更高，与我国的经济发展也是远不相适应，因此，建筑供能的主动与被动相结合的思想及太阳能与常规能源相结合的思想，按照房间的功能，采用不同方案的配合及交叉，这样可以大大降低太阳能用于建筑功能的一次投资和运行成本，使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。
2、建筑物应用考虑方向。根据太阳能供能设备对气象条件和辐照条件的依赖性等特点，要求我们必须对建筑用能负荷进行准确的预测，才能够在设备与建筑的匹配上做出设备投资和节能效益最佳的选择。在当代，太阳能在建筑节能上的应用发展必须有一定的策略与之相适应，主要有：①成熟的被动太阳能技术与现代的太阳能光伏光热技术综合利用；②保温隔热的维护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合；③传统建筑构造与现代技术和理念的融合；④建筑的初投资与生命周期内投资的平衡；⑤生态驱动设计理念向常规建筑设计的渗透；⑥综合考虑区域气候特征、经济发达程度、建筑特征和人们的生活习惯等相关因素。
四、结束语
太阳能由于其周期性强、稳定性和能量密度不理想等特点，其常规利用技术还存在很多问题和困难。应该说任何一种太阳能利用技术都不是完全独立的个体，只有通过加强各技术间的综合应用，才能够克服很多单一技术的缺陷，实现更好更高效利用太阳能的目标。随着人们对可再生能源认识的提高以及太阳能市场的逐渐成熟，太阳能光电转换、光热转换以及太阳能热电联用等在建筑节能上的应用，其发展前景将十分广阔。毫无疑问，太阳能技术将成为新能源技术最重要的组成部分之一，为节能环保建筑产品的开发利用提供了诱人的前景。
参考文献：
王垚，太阳能技术在建筑上的应用研究，2010
杜威，建筑一体化太阳能综合利用系统研究，2010
杨硕，智能建筑太阳能应用系统的研究，2009