薄膜太阳能在产品设计的延伸应用

张锐 唐程

摘要：将薄膜太阳能技术应用在日常生活中，引领人们低碳生活，转变人们对能源消耗的模式，使人们生活更绿色、低碳、健康。通过查阅文献、分析、论证等研究方法，对现代绿色公共设施的设计趋势进行了研究。文章以开发设计薄膜太阳能公共座椅为例，从分析薄膜太阳能电池的优势与劣势，深入分析国内外的实际应用案例，设计出了一款既满足需求，又绿色环保、多元化的薄膜太阳能公共座椅。薄膜太阳能应用在公共设施类产品的可行性高及可操作性强，可以用来指导其他公共设施的设计。

关键词：薄膜太阳能 公共座椅 绿色环保

中国分类号：TB472文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）10-0014-02

引言

化石燃料引发的生态危机和能源危机，使得太阳能成为绿色能源中最主要的选择。目前来看，相比晶体硅太阳能电池，薄膜太阳电池是最有市场竞争力以及发展前景最好的第二代太阳能电池，主要原因是其应用的原材料更少，成本更低、可实现大规模的自动化生产以及能量回收时间短等优点。

公共设施在城市化的生活中具有重要意义。这些设施丰富了公共空间的存在意义，也不知不觉地影响着人们的生活方式。设计师通过薄膜太阳能技术在产品设计上的延伸应用，设计出一种具有绿色环保理念的公共设施，既方便了人们的生活，也把低碳、环保、绿色的口号融入并设计到真实的生活场景中。

一、薄膜太阳能概念

薄膜太阳能电池优点主要有可以依托低成本材料当基板制造，形成可以生产电压的薄膜。厚度极薄，仅有数微米，易于安装以及可大规模投入生产和应用。相比晶体硅的发电效率和稳定性来看，薄膜电池的整体效果更好一些。

（一）国外薄膜太阳能应用情况。目前，薄膜太阳能电池产业已形成以美国、德国和日本为主导的鼎足三分的竞争格局。

日本太阳能前沿公司Solar Frontier主要从事太阳能生产以及销售，是目前国际上最大的ClGS薄膜电池制造商，其公司已创下22.9%的薄膜电池效率新纪录。日本普遍将薄膜电池安装在建筑物上，例如本田公司在建筑物上安装薄膜电池组件，如图1。

德国的Wurth Solar研究所在学校的屋顶上安装了SOKW的CIGS铜铟镓硒薄膜太阳能发电装置。其公司在欧洲CIGS薄膜组件和模块制造上具有领先地位。

（二）国内薄膜太阳能应用情况。汉能集团是国内研发薄膜太阳能技术的领先者，其公司的薄膜光伏技术已经达到国际领先水平。2018年7月，汉能集团研发了一款基于柔性薄膜太阳能技术的多功能伞。该产品可实现普通储电、照明、离网供电等功能，如图2。

汉能集团与马岩松领导的MAD建设事务所设计的“光能庭园家”可以完全由薄膜太阳能实现能源自给自足，整体结构由一个硕大的层顶包裹，犹如一个庭园可以把自然环境全部容纳进人们的家庭生活，如图3。

（二）薄膜太阳能应用状况小结。在近几年来看，薄膜太阳能电池无论是在技术水平还是在市场竞争力上都是呈逐渐成熟的上升趋势。在对发达国家的城市建筑以及太阳能发展的研究状况中可以了解到，薄膜太阳能电池也将会在城市建筑上大放异彩。从技术角度看，它具有成本低、能耗低两大优点，符合持续发展的理念。目前，在整个太阳能光伏产业中，薄膜太阳能电池的市场份额呈上升趋势，与薄膜电池相结合的公共设施类产品也将不断孕育而生。这些都显示了薄膜太阳电池在世界新能源发展潮流与能源应用大方向上独一无二的优势。

二、公共座椅的发展现状

公共座椅不仅仅具有休憩功能，还兼具装饰功能，从而传达着地域的人文精神。目前，在世界各国公共座椅的发展存在着很大的不平衡，发达国家的公共座椅设计已经成熟，在造型、材料、工艺上运用熟练，在地域文化、形式设计、高科技使用上产生相应体系。我国作为发展中国家，经济水平正处于发展阶段，公共座椅的发展不如发达国家发展先进，自改革开放以来，城市建设不断加快，虽然公共设施建设得到了一定的完善，但是在迅速发展以及建设的过程中展现出了大量问题，例如功能单一、利用率低、辅助服务设施落后、城市公共设施缺乏个性等。

三、薄膜太阳能公共座椅的设计框架

（一）设计趋势

1.多元化趋势。公共座椅是伴随着人们的需求而产生，并随着生活质量的提高而日益丰富、不断延伸。在未来，公共座椅将包含以下几点：基本使用功能、美化装饰功能、环境功能、复合功能等。在未来建设中，特别是复合功能将会是发展的必然趋势。2.个性化趋势。自然环境与人文环境，地域文化这三个方面始终制约着公共设施的个性化设计这其中，科技含量的提升，可以使公共设施个性化与时尚化更加深入。3.可持续发展趋势。在科学发展观中，可持续发展倡导的理念是，在尊重自然规律的前提下，对自然规律发挥主观能动性，发挥其最大的优势，使环境具有调节作用，并利用和改造环境实现人与自然的统一。在融合可持续发展理念基础上，公共座椅建设应充分考虑到与自然环境的融合。4.艺术化趋势。艺术元素的参与可以增强公共美学的视野。公共座椅作为城市公共设施的重要组成部分，也成为衡量城市公共艺术时尚与个性化的标准之一。是体现城市文化形象的基本依据之一。5.绿色化趋势。目前，人们更追求绿色环保的产品，绿色设计将会对人们对生活有所改变，使生活更加绿色环保，绿色设计理念要贯穿在产品的整个设计过程.从初步的概念到生产再到使用以及回收等过程。在此基础上，产品的基本性能、使用寿命、产品质量、产品价值等才有所保障。

将公共座椅进行绿色设计，尊重绿色设计原则，并且结合最先进的薄膜太阳能电池技术，这无疑是未来公共座椅的发展主流趋势之一。

（二）改进方向

从现实情况上看，现有的公共座椅功能单一，只完成了可以座、可以休息的简单功能，利用率不高，没有发挥作用，投入公共座椅后，没有专人维护，这在一定程度上造成了资源浪费。为了解决现实问题，必须明确设计方向是趋于多元化、个性化、可持续发展化、艺术化以及绿色化，在此基础上促進城市和谐发展。

四、薄膜太阳能公共座椅的设计

文章以薄膜太阳能公共座椅的设计方案为例，主要阐述公共设施设计的视觉形象对整个城市空间视觉质量的影响，及其对城市经济发展和文化环境的影响。从能源的应用领域出发，把薄膜太阳能等与公共座椅结合起来，探讨公共座椅类产品与薄腊太阳能电池相结合的可行性。

设计符合人们需求的，具有舒适性的、满足一物多用的户外公共座椅，并且还有助于完善户外公共设施系统的配置，这有助于改善城市户外公共设施体系的配置，突出地方人文精神，其设计理念是反映绿色设计对人们生活环境的影响。

（一）形态设计。为了满足使用时展开面积最大.遮荫效果好的需求，正六边形结构是首選，正六边形含有六个等边三角形，外形上看具有更稳定的特征，从外部整体造型来看，像一朵太阳花，具有在平面空间延展上的合理性，如图4。

当在室外场景中使用时，顶部的薄膜太阳能电池能收集光照，进行光电转换，并储存电力，满足人们在户外的充电需求，不用担心在外手机没电、电脑没电的情况。座椅采用环形形状，给人圆融的感觉，拉近人与人之间的距离。外形上酷似花朵，是一款具有观赏价值的使用性公共设施类产品，如图5。

（二）功能设定。该产品配有六块薄膜太阳能电池板，每块薄膜太阳能板尺寸为一平方米，每平方米发电量是0.17kw左右，充分满足了户外公园、广场等路灯照明和充电的需求。

产品结合光伏跟踪系统，通过GPS数据跟踪太阳的方位和角度，太阳能板随太阳的移动而移动以确保阳光接受率高，转动角度可达到180°，同时配有USB插口，可以给手机充电。

夜晚时，光电传感器接收环境弱光信息，自动对应电路通电，薄膜太阳能板下面的LED灯提供照明。

当单元件出问题时，可以单独拆卸，方便安装。值得一提的是，该产品具有弱光性，即使在天气不好的情况下也可以发电。

该产品的座椅高度440mm，靠背高度740mm，靠背与座面夹角95°，均符合人体工程学，提供人们一个舒适的户外休息公共座椅。产品高度3500mm，宽度为3300mm。

（三）色彩搭配与材料选择。产品色彩采用黑白灰搭配。薄膜太阳能板是黑色，所以产品顶部六边形外观使用黑色，座椅采用白色磨砂质感，给人素雅干净的感觉。产品整体色彩统一协调。

在产品材料选择上，产品主要支撑结构采用钢架结构，结实稳定。座椅部分选择铝合金的材质，因为其具有不易氧化生锈的特点，适合户外使用的座椅。为了避免出现眩光，灯罩选择磨砂亚光效果，利用其物理性质降低表面亮度。

（四）结构分析。光伏跟踪系统分为单轴和双轴。依据产品的特点和以往类似产品的研究经验，本太阳能产品选用的是单轴。单轴跟踪系统更适合本产品，主要原因有以下几点：第一，单轴跟踪系统是一种比固定轴跟踪系统具有更高的发电效率和土地利用效率的太阳能跟踪系统，第二，其主要优势有以下几点：结构更稳定、安装更便捷、成本更经济、维护成本更低，如图6。

（五）节能减排。薄膜太阳能光电板发电效率受多种因素影响，例如峰值日照、安装角度、环境温度等。根据汉能集团现在薄膜发电输出功率为基准，一平方米的太阳能板功率在0.17kw，系统效率一般是70%。每日有效日照时间（已考虑阴雨等气候条件）按5个小时计算，可以计算出、平米太阳能电池板在一年转化可用的最终电能：

W=p^*U^*t=0.17^*70%^*5^*365=217kW·h

W=1m²的太阳能电池板-年转化的可用的电能;

P=1m²的太阳能板功率;

u=太阳能电池板转化效率;

t=一年的有效日照小时数。

薄膜太阳能公共座椅发电是通过太阳能板转化电能，并储存在蓄电池中，相比传统的火力发电具有更高的经济效益和环保效益。

结论

文章从太阳能发展趋势着手，分析薄膜太阳能电池的优势及市场前景，以国内外的实际应用为案例，从新能源的角度探讨了薄膜太阳能与公共设施相结合的可行性和可操作性。

城市户外公共休闲空间，人们需要大量的公共座椅来满足需求。在功能整合、共享、延伸，材料选择方面，薄膜太阳能公共座椅的设计理念都有所体现，并且为相关的太阳能产品设计提供具有可操作的指导性方法。