利用太阳能最好的方式：把城市变成“向日葵”
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
撰文 | Yinyin
编辑 | Tang
→这是《环球零碳》的第983篇原创
随着世界寻求脱碳的脚步日益加快，为了实现气候目标，全球各国将不得不将目光转向可再生能源。而这其中，太阳能、分布式光伏发电则是相对来说容易部署的。
图说：科罗拉多州的分布式光伏
来源：US太阳能技术办公司
目前不仅阳光充足的国家开始实施各种太阳能项目，甚至像一些高纬度的北欧、中欧国家比如瑞士、波兰也在寻求将太阳能发电产生的电力纳入其能源结构。
这样的想法当然值得赞同，但是对于高纬度、一年中无法获得足够光照的国家和地区来说，太阳能光伏发电的局限性就显现了出来。
不过，最近阿联酋沙迦大学可持续和可再生能源工程副教授阿尔卡里迪（Ammar AT Alkhalidi）所领导的研究团队提出了一种新思路。
他们的研究项目旨在通过一种新颖的方式来规划城市中的建筑物，使每个建筑物都能获得等量的阳光，从而在安装分布式光伏时更容易收集和利用太阳能。
小时候在生物课上老师可能提到过，向日葵为了茁壮成长，其种子结构的排列天然暗藏玄机——向日葵盘中的种子按对数螺线排列，两组螺线的条数往往成相继的两个斐波那契数，只为确保每颗种子都能得到阳光。
来源：Research Gate
就是受到了向日葵籽盘高效利用光的启发，研究人员提出了“向日葵城”的设计。
传统上，城市的形态一般呈网格状或放射状模式，这也是由历史规划或便利性决定的。但这些布局会投下长长的阴影，阻挡宝贵的阳光到达每一个建筑物的屋顶和外墙，而屋顶和外墙是则是安装太阳能电池板的主要场所。
而“向日葵模式”的城市规划，能够最大限度地减少建筑物之间的阴影遮挡，使每个结构都能吸收太阳能——这对于本身缺乏太阳能资源的城市来说无疑是个好消息。
“我们的新城市规划参照了向日葵种子的分布，确保对太阳能的最佳利用。 ”阿尔卡里迪说。
与传统模式相比，“向日葵模式”城市设计在屋顶的日照系数上提高了4%，在外墙立面的日照系数上则提高了12%，可充分利用建筑物表面发电。该结论同样应用于阳光辐射量较低的地区。
根据预测，到2030年，世界上68%的人都将居住在城市地区，而这种持续的城市化也可能导致混乱和随机的城市扩张，很难形成受控和紧凑的城市。
与其住在无序扩张的城市中，“向日葵城”也是一种美丽的选择。
“它的设计目的是在模仿大自然、保护社区隐私的同时，又不增加用地面积。通过调整建筑物的朝向和分布，我们的向日葵模式就能使建筑物屋顶和外墙产生更多的太阳能。” 阿尔卡里迪博士表示。
01
测量太阳辐射，影子长度是关键
为了使研究更加具有普遍性，研究团队按照Koppen-Geiger气候分类，选取了代表五个主要气候带的五个不同城市，对“向日葵”城市模型进行太阳能模拟。
入选的五个城市分别是约旦安曼、巴西里约热内卢、波兰华沙、加拿大阿克拉维克和新西兰惠灵顿。城市的选择不仅取决于气候带，还考虑了城市的位置以及位于北半球还是南半球。
来源：Renewable Energy Focus
研究团队测量了每个城市冬至那天正午的建筑物影子长度（除了阿克拉维克，因为其冬至期间全天都是极夜，所以影子长度是根据春分获得的），此时也是一天中影子长度最短的时刻，可以作为比较基准。
通过初步的模拟计算，研究团队发现建筑物的阳光辐射面积并不取决于城市的气候带，而是取决于入射阳光产生的阴影的长度。
研究人员最终选择了三个城市进行太阳模拟，分别是里约热内卢、安曼和华沙，它们分别代表冬至中午时刻建筑物的短、中、长阴影长度。惠灵顿和阿克拉维克被排除了，因为它们的阴影长度产生了与安曼和华沙相似的结果。
由于本研究重点关注太阳辐射较低的地区，而波兰的首都华沙除了纬度较高、太阳辐射低之外，建筑物影子长度在冬至那天也是最长的，因此华沙则成为本次实验重点关注的城市。
太阳模拟期间选择了正午，范围为太阳正午前两小时和太阳正午后两小时——因为大部分的太阳能发电都发生在这个时间段（日出和日落时间的发电量相对较少）。
02
神奇的“斐波那契”螺旋
研究人员发现，经得起时间考验的城市布局要么是网格状的，要么是中心放射状的。
比如，像巴格达这样的古城采用了带有圆形道路的放射状设计；而明清时期的北京城则是呈网格状布局。
图说：巴格达古城
来源：Middle East Eye
“向日葵”城市模型是一种全新的理论模型，模仿葵花籽的分布进行建筑物规划设计。
在向日葵盘的形态中，每个连续的斐波那契螺旋线都与前一个螺旋线旋转137.5° 的角度。这个黄金角度允许种子以交替的方式分布，确保没有种子重叠。这种分布使得阳光能够不受任何阻碍地到达每颗种子。
来源：howstuffworks
在向日葵城中，所有的建筑排布也组成了斐波那契螺旋，从中心向外边缘顺时针和逆时针辐射。城市模型中的向日葵图案由610个顺时针和987个逆时针斐波那契螺旋构成。
值得注意的是，城市总体规划对向日葵图案进行了抽象。螺旋代表街道，而种子代表住宅区，而交叉的螺旋（街道）形成花瓣形状，充当住宅群。
图说：红线与蓝线代表街道，浅黄色区域代表住宅集群
来源：Renewable Energy Focus
随着螺旋逐渐远离中心，其陡度不断增加，这当然也给城市规划和设计带来了挑战。不过研究人员也认为，这有助于限制城市内车辆行驶的速度。
集群内的住宅以交替的方式分布，不仅可以让阳光全天照射到每栋建筑物，而且，由于建筑物彼此不相对，也为业主提供了隐私。
在研究人员的规划模拟下，“向日葵”城市模型成功实现了城市规划的原则和指导方针。
在对照模拟实验中，建筑物的几何形状没有改变，以确保结果不受任何因素的影响。实验仅改变了建筑物的朝向和地块分布，这是本研究的主要参数。
为了检验“向日葵”城市模型是否真的能够最大限度地利用建筑物屋顶和立面的阳光，研究人员则设置了网格型与放射状城市布局为对照组。
03
大大提升分布式光伏发电潜力
研究人员发现，通过将城市设计改为向日葵的形状，太阳辐射可以均匀地到达所有建筑物。
图说：住宅区域规划
来源：Renewable Energy Focus
当建筑物在模拟中以这种模式排列时，研究小组发现屋顶区域的日照系数比放射状或网格状排列的屋顶区域高出4%，立面的日照系数则比放射状和网格状图案高出12%。
研究人员通过测量太阳能应用的可用屋顶和立面面积来估算华沙潜在的年度光伏发电量，最终测出华沙城市的分布式光伏发电潜力可达337,902,304千瓦时。
虽然这个研究对于现有的已经建成的城市来说很难应用，但是有助于规划新的建筑区域，以确保它们在施工后能够获得最大的阳光。
小编读完论文后折服于科研人员的想象力和对可再生能源的执着，只有一个点让小编深思——如果建筑物的日照系数大大提高，那建筑物中的住户会不会很热？（开个玩笑）
不过对于常年见不到太多太阳的中欧和北欧来说，他们应该也不介意？毕竟住在一朵“向日葵”里，幸福感应该还是挺高的~
首图来源：science.org
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参考资料：
[1]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1755008423001230?via%3Dihub
[2]https://interestingengineering.com/energy/sunflower-city-design-solar-energy-boost
[3]https://knowridge.com/2024/02/scientists-create-sunflower-inspired-cities-to-harness-more-sunlight-for-solar-energy/
[4]https://techxplore.com/news/2024-02-scientists-sunflower-city-boost-solar.html
[5]https://www.rockawayinc.com/design/sunflower-sustainable-design/
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