薄膜太陽能在產(chǎn)品設計的延伸應用

張銳 唐程

摘要：將薄膜太陽能技術應用在日常生活中，引領人們低碳生活，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)代綠色公共設施的設計趨勢進行了研究。文章以開發(fā)設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)外的實際應用案例，設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。薄膜太陽能應用在公共設施類產(chǎn)品的可行性高及可操作性強，可以用來指導其他公共設施的設計。

關鍵詞：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。

公共設施在城市化的生活中具有重要意義。這些設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。設計師通過薄膜太陽能技術在產(chǎn)品設計上的延伸應用，設計出一種具有綠色環(huán)保理念的公共設施，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先地位。

（二）國內(nèi)薄膜太陽能應用情況。漢能集團是國內(nèi)研發(fā)薄膜太陽能技術的領先者，其公司的薄膜光伏技術已經(jīng)達到國際領先水平。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導的MAD建設事務所設計的“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、形式設計、高科技使用上產(chǎn)生相應體系。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，城市建設不斷加快，雖然公共設施建設得到了一定的完善，但是在迅速發(fā)展以及建設的過程中展現(xiàn)出了大量問題，例如功能單一、利用率低、輔助服務設施落后、城市公共設施缺乏個性等。

三、薄膜太陽能公共座椅的設計框架

（一）設計趨勢

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、復合功能等。在未來建設中，特別是復合功能將會是發(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施的個性化設計這其中，科技含量的提升，可以使公共設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)展理念基礎上，公共座椅建設應充分考慮到與自然環(huán)境的融合。4.藝術化趨勢。藝術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施的重要組成部分，也成為衡量城市公共藝術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，綠色設計理念要貫穿在產(chǎn)品的整個設計過程.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計，尊重綠色設計原則，并且結(jié)合最先進的薄膜太陽能電池技術，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，必須明確設計方向是趨于多元化、個性化、可持續(xù)發(fā)展化、藝術化以及綠色化，在此基礎上促進城市和諧發(fā)展。

四、薄膜太陽能公共座椅的設計

文章以薄膜太陽能公共座椅的設計方案為例，主要闡述公共設施設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。從能源的應用領域出發(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施系統(tǒng)的配置，這有助于改善城市戶外公共設施體系的配置，突出地方人文精神，其設計理念是反映綠色設計對人們生活環(huán)境的影響。

（一）形態(tài)設計。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施類產(chǎn)品，如圖5。

（二）功能設定。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)構采用鋼架結(jié)構，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)外的實際應用為案例，從新能源的角度探討了薄膜太陽能與公共設施相結(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計理念都有所體現(xiàn)，并且為相關的太陽能產(chǎn)品設計提供具有可操作的指導性方法。