張銳 唐程

摘要：將薄膜太陽能技術(shù)應(yīng)用在日常生活中，引領(lǐng)人們低碳生活，轉(zhuǎn)變?nèi)藗儗δ茉聪牡哪Ｊ?，使人們生活更綠色、低碳、健康。通過查閱文獻、分析、論證等研究方法，對現(xiàn)代綠色公共設(shè)施的設(shè)計趨勢進行了研究。文章以開發(fā)設(shè)計薄膜太陽能公共座椅為例，從分析薄膜太陽能電池的優(yōu)勢與劣勢，深入分析國內(nèi)外的實際應(yīng)用案例，設(shè)計出了一款既滿足需求，又綠色環(huán)保、多元化的薄膜太陽能公共座椅。薄膜太陽能應(yīng)用在公共設(shè)施類產(chǎn)品的可行性高及可操作性強，可以用來指導(dǎo)其他公共設(shè)施的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：薄膜太陽能 公共座椅 綠色環(huán)保

中國分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）10-0014-02

引言

化石燃料引發(fā)的生態(tài)危機和能源危機，使得太陽能成為綠色能源中最主要的選擇。目前來看，相比晶體硅太陽能電池，薄膜太陽電池是最有市場競爭力以及發(fā)展前景最好的第二代太陽能電池，主要原因是其應(yīng)用的原材料更少，成本更低、可實現(xiàn)大規(guī)模的自動化生產(chǎn)以及能量回收時間短等優(yōu)點。

公共設(shè)施在城市化的生活中具有重要意義。這些設(shè)施豐富了公共空間的存在意義，也不知不覺地影響著人們的生活方式。設(shè)計師通過薄膜太陽能技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計上的延伸應(yīng)用，設(shè)計出一種具有綠色環(huán)保理念的公共設(shè)施，既方便了人們的生活，也把低碳、環(huán)保、綠色的口號融入并設(shè)計到真實的生活場景中。

一、薄膜太陽能概念

薄膜太陽能電池優(yōu)點主要有可以依托低成本材料當基板制造，形成可以生產(chǎn)電壓的薄膜。厚度極薄，僅有數(shù)微米，易于安裝以及可大規(guī)模投入生產(chǎn)和應(yīng)用。相比晶體硅的發(fā)電效率和穩(wěn)定性來看，薄膜電池的整體效果更好一些。

（一）國外薄膜太陽能應(yīng)用情況。目前，薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)已形成以美國、德國和日本為主導(dǎo)的鼎足三分的競爭格局。

日本太陽能前沿公司Solar Frontier主要從事太陽能生產(chǎn)以及銷售，是目前國際上最大的ClGS薄膜電池制造商，其公司已創(chuàng)下22.9%的薄膜電池效率新紀錄。日本普遍將薄膜電池安裝在建筑物上，例如本田公司在建筑物上安裝薄膜電池組件，如圖1。

德國的Wurth Solar研究所在學校的屋頂上安裝了SOKW的CIGS銅銦鎵硒薄膜太陽能發(fā)電裝置。其公司在歐洲CIGS薄膜組件和模塊制造上具有領(lǐng)先地位。

（二）國內(nèi)薄膜太陽能應(yīng)用情況。漢能集團是國內(nèi)研發(fā)薄膜太陽能技術(shù)的領(lǐng)先者，其公司的薄膜光伏技術(shù)已經(jīng)達到國際領(lǐng)先水平。2018年7月，漢能集團研發(fā)了一款基于柔性薄膜太陽能技術(shù)的多功能傘。該產(chǎn)品可實現(xiàn)普通儲電、照明、離網(wǎng)供電等功能，如圖2。

漢能集團與馬巖松領(lǐng)導(dǎo)的MAD建設(shè)事務(wù)所設(shè)計的“光能庭園家”可以完全由薄膜太陽能實現(xiàn)能源自給自足，整體結(jié)構(gòu)由一個碩大的層頂包裹，猶如一個庭園可以把自然環(huán)境全部容納進人們的家庭生活，如圖3。

（二）薄膜太陽能應(yīng)用狀況小結(jié)。在近幾年來看，薄膜太陽能電池無論是在技術(shù)水平還是在市場競爭力上都是呈逐漸成熟的上升趨勢。在對發(fā)達國家的城市建筑以及太陽能發(fā)展的研究狀況中可以了解到，薄膜太陽能電池也將會在城市建筑上大放異彩。從技術(shù)角度看，它具有成本低、能耗低兩大優(yōu)點，符合持續(xù)發(fā)展的理念。目前，在整個太陽能光伏產(chǎn)業(yè)中，薄膜太陽能電池的市場份額呈上升趨勢，與薄膜電池相結(jié)合的公共設(shè)施類產(chǎn)品也將不斷孕育而生。這些都顯示了薄膜太陽電池在世界新能源發(fā)展潮流與能源應(yīng)用大方向上獨一無二的優(yōu)勢。

二、公共座椅的發(fā)展現(xiàn)狀

公共座椅不僅僅具有休憩功能，還兼具裝飾功能，從而傳達著地域的人文精神。目前，在世界各國公共座椅的發(fā)展存在著很大的不平衡，發(fā)達國家的公共座椅設(shè)計已經(jīng)成熟，在造型、材料、工藝上運用熟練，在地域文化、形式設(shè)計、高科技使用上產(chǎn)生相應(yīng)體系。我國作為發(fā)展中國家，經(jīng)濟水平正處于發(fā)展階段，公共座椅的發(fā)展不如發(fā)達國家發(fā)展先進，自改革開放以來，城市建設(shè)不斷加快，雖然公共設(shè)施建設(shè)得到了一定的完善，但是在迅速發(fā)展以及建設(shè)的過程中展現(xiàn)出了大量問題，例如功能單一、利用率低、輔助服務(wù)設(shè)施落后、城市公共設(shè)施缺乏個性等。

三、薄膜太陽能公共座椅的設(shè)計框架

（一）設(shè)計趨勢

1.多元化趨勢。公共座椅是伴隨著人們的需求而產(chǎn)生，并隨著生活質(zhì)量的提高而日益豐富、不斷延伸。在未來，公共座椅將包含以下幾點：基本使用功能、美化裝飾功能、環(huán)境功能、復(fù)合功能等。在未來建設(shè)中，特別是復(fù)合功能將會是發(fā)展的必然趨勢。2.個性化趨勢。自然環(huán)境與人文環(huán)境，地域文化這三個方面始終制約著公共設(shè)施的個性化設(shè)計這其中，科技含量的提升，可以使公共設(shè)施個性化與時尚化更加深入。3.可持續(xù)發(fā)展趨勢。在科學發(fā)展觀中，可持續(xù)發(fā)展倡導(dǎo)的理念是，在尊重自然規(guī)律的前提下，對自然規(guī)律發(fā)揮主觀能動性，發(fā)揮其最大的優(yōu)勢，使環(huán)境具有調(diào)節(jié)作用，并利用和改造環(huán)境實現(xiàn)人與自然的統(tǒng)一。在融合可持續(xù)發(fā)展理念基礎(chǔ)上，公共座椅建設(shè)應(yīng)充分考慮到與自然環(huán)境的融合。4.藝術(shù)化趨勢。藝術(shù)元素的參與可以增強公共美學的視野。公共座椅作為城市公共設(shè)施的重要組成部分，也成為衡量城市公共藝術(shù)時尚與個性化的標準之一。是體現(xiàn)城市文化形象的基本依據(jù)之一。5.綠色化趨勢。目前，人們更追求綠色環(huán)保的產(chǎn)品，綠色設(shè)計將會對人們對生活有所改變，使生活更加綠色環(huán)保，綠色設(shè)計理念要貫穿在產(chǎn)品的整個設(shè)計過程.從初步的概念到生產(chǎn)再到使用以及回收等過程。在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的基本性能、使用壽命、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品價值等才有所保障。

將公共座椅進行綠色設(shè)計，尊重綠色設(shè)計原則，并且結(jié)合最先進的薄膜太陽能電池技術(shù)，這無疑是未來公共座椅的發(fā)展主流趨勢之一。

（二）改進方向

從現(xiàn)實情況上看，現(xiàn)有的公共座椅功能單一，只完成了可以座、可以休息的簡單功能，利用率不高，沒有發(fā)揮作用，投入公共座椅后，沒有專人維護，這在一定程度上造成了資源浪費。為了解決現(xiàn)實問題，必須明確設(shè)計方向是趨于多元化、個性化、可持續(xù)發(fā)展化、藝術(shù)化以及綠色化，在此基礎(chǔ)上促進城市和諧發(fā)展。

四、薄膜太陽能公共座椅的設(shè)計

文章以薄膜太陽能公共座椅的設(shè)計方案為例，主要闡述公共設(shè)施設(shè)計的視覺形象對整個城市空間視覺質(zhì)量的影響，及其對城市經(jīng)濟發(fā)展和文化環(huán)境的影響。從能源的應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，把薄膜太陽能等與公共座椅結(jié)合起來，探討公共座椅類產(chǎn)品與薄臘太陽能電池相結(jié)合的可行性。

設(shè)計符合人們需求的，具有舒適性的、滿足一物多用的戶外公共座椅，并且還有助于完善戶外公共設(shè)施系統(tǒng)的配置，這有助于改善城市戶外公共設(shè)施體系的配置，突出地方人文精神，其設(shè)計理念是反映綠色設(shè)計對人們生活環(huán)境的影響。

（一）形態(tài)設(shè)計。為了滿足使用時展開面積最大.遮蔭效果好的需求，正六邊形結(jié)構(gòu)是首選，正六邊形含有六個等邊三角形，外形上看具有更穩(wěn)定的特征，從外部整體造型來看，像一朵太陽花，具有在平面空間延展上的合理性，如圖4。

當在室外場景中使用時，頂部的薄膜太陽能電池能收集光照，進行光電轉(zhuǎn)換，并儲存電力，滿足人們在戶外的充電需求，不用擔心在外手機沒電、電腦沒電的情況。座椅采用環(huán)形形狀，給人圓融的感覺，拉近人與人之間的距離。外形上酷似花朵，是一款具有觀賞價值的使用性公共設(shè)施類產(chǎn)品，如圖5。

（二）功能設(shè)定。該產(chǎn)品配有六塊薄膜太陽能電池板，每塊薄膜太陽能板尺寸為一平方米，每平方米發(fā)電量是0.17kw左右，充分滿足了戶外公園、廣場等路燈照明和充電的需求。

產(chǎn)品結(jié)合光伏跟蹤系統(tǒng)，通過GPS數(shù)據(jù)跟蹤太陽的方位和角度，太陽能板隨太陽的移動而移動以確保陽光接受率高，轉(zhuǎn)動角度可達到180°，同時配有USB插口，可以給手機充電。

夜晚時，光電傳感器接收環(huán)境弱光信息，自動對應(yīng)電路通電，薄膜太陽能板下面的LED燈提供照明。

當單元件出問題時，可以單獨拆卸，方便安裝。值得一提的是，該產(chǎn)品具有弱光性，即使在天氣不好的情況下也可以發(fā)電。

該產(chǎn)品的座椅高度440mm，靠背高度740mm，靠背與座面夾角95°，均符合人體工程學，提供人們一個舒適的戶外休息公共座椅。產(chǎn)品高度3500mm，寬度為3300mm。

（三）色彩搭配與材料選擇。產(chǎn)品色彩采用黑白灰搭配。薄膜太陽能板是黑色，所以產(chǎn)品頂部六邊形外觀使用黑色，座椅采用白色磨砂質(zhì)感，給人素雅干凈的感覺。產(chǎn)品整體色彩統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

在產(chǎn)品材料選擇上，產(chǎn)品主要支撐結(jié)構(gòu)采用鋼架結(jié)構(gòu)，結(jié)實穩(wěn)定。座椅部分選擇鋁合金的材質(zhì)，因為其具有不易氧化生銹的特點，適合戶外使用的座椅。為了避免出現(xiàn)眩光，燈罩選擇磨砂亞光效果，利用其物理性質(zhì)降低表面亮度。

（四）結(jié)構(gòu)分析。光伏跟蹤系統(tǒng)分為單軸和雙軸。依據(jù)產(chǎn)品的特點和以往類似產(chǎn)品的研究經(jīng)驗，本太陽能產(chǎn)品選用的是單軸。單軸跟蹤系統(tǒng)更適合本產(chǎn)品，主要原因有以下幾點：第一，單軸跟蹤系統(tǒng)是一種比固定軸跟蹤系統(tǒng)具有更高的發(fā)電效率和土地利用效率的太陽能跟蹤系統(tǒng)，第二，其主要優(yōu)勢有以下幾點：結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、安裝更便捷、成本更經(jīng)濟、維護成本更低，如圖6。

（五）節(jié)能減排。薄膜太陽能光電板發(fā)電效率受多種因素影響，例如峰值日照、安裝角度、環(huán)境溫度等。根據(jù)漢能集團現(xiàn)在薄膜發(fā)電輸出功率為基準，一平方米的太陽能板功率在0.17kw，系統(tǒng)效率一般是70%。每日有效日照時間（已考慮陰雨等氣候條件）按5個小時計算，可以計算出、平米太陽能電池板在一年轉(zhuǎn)化可用的最終電能：

W=p^*U^*t=0.17^*70%^*5^*365=217kW·h

W=1m²的太陽能電池板-年轉(zhuǎn)化的可用的電能;

P=1m²的太陽能板功率;

u=太陽能電池板轉(zhuǎn)化效率;

t=一年的有效日照小時數(shù)。

薄膜太陽能公共座椅發(fā)電是通過太陽能板轉(zhuǎn)化電能，并儲存在蓄電池中，相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電具有更高的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

結(jié)論

文章從太陽能發(fā)展趨勢著手，分析薄膜太陽能電池的優(yōu)勢及市場前景，以國內(nèi)外的實際應(yīng)用為案例，從新能源的角度探討了薄膜太陽能與公共設(shè)施相結(jié)合的可行性和可操作性。

城市戶外公共休閑空間，人們需要大量的公共座椅來滿足需求。在功能整合、共享、延伸，材料選擇方面，薄膜太陽能公共座椅的設(shè)計理念都有所體現(xiàn)，并且為相關(guān)的太陽能產(chǎn)品設(shè)計提供具有可操作的指導(dǎo)性方法。