Солнечная архитектура

Солнечная архитектура проектирует здания, позволяющие использовать солнечное тепло и свет с максимальной пользой и минимальными недостатками, и особенно это касается использования солнечной энергии . Это связано с областями оптики , термики , электроники и материаловедения . как активные , так и пассивные Применяются стратегии.

Использование гибких тонкопленочных фотоэлектрических модулей обеспечивает плавную интеграцию со стальными кровельными профилями, улучшая дизайн здания. Ориентация здания на солнце, выбор материалов с благоприятными тепловыми или светорассеивающими свойствами, а также проектирование пространств, в которых естественным образом циркулирует воздух, также составляют солнечную архитектуру.

Улучшения в солнечной архитектуре были ограничены жесткостью и весом стандартных солнечных панелей. Продолжающееся развитие фотоэлектрических (PV) тонкопленочных солнечных батарей позволило создать легкий, но надежный автомобиль, позволяющий использовать солнечную энергию для снижения воздействия зданий на окружающую среду.

История

Идея проектирования пассивных солнечных зданий впервые появилась в Греции примерно в пятом веке до нашей эры. До этого времени основным источником топлива для греков был древесный уголь , но из-за серьезной нехватки древесины для сжигания они были вынуждены найти новый способ обогрева своих жилищ. ^[1] Руководствуясь необходимостью, греки произвели революцию в планировке своих городов. Они начали использовать строительные материалы, поглощающие солнечную энергию, в основном камень, и начали ориентировать здания так, чтобы они смотрели на юг. Эти революции в сочетании с навесами, защищавшими от жаркого летнего солнца, создали конструкции, которые требовали очень мало отопления и охлаждения. Сократ писал: «В домах, обращенных на юг, солнце зимой проникает в портик, а летом путь солнца проходит прямо над нашими головами и над крышей, так что есть тень». ^[2]

С этого момента большинство цивилизаций ориентировали свои сооружения так, чтобы обеспечить тень летом и отопление зимой. Римляне усовершенствовали дизайн греков, покрыв окна, выходящие на юг, различными типами прозрачных материалов. ^[1]

Еще одним более простым примером ранней солнечной архитектуры являются пещерные жилища в юго-западных регионах Северной Америки. Подобно греческим и римским постройкам, скалы , на которых коренные жители этого региона строили свои дома, были ориентированы на юг и имели навес, который защищал их от полуденного солнца в летние месяцы и улавливал как можно больше солнечной энергии в летнее время. зима, насколько это возможно. ^[3]

Активная солнечная архитектура предполагает перемещение тепла и/или прохлады между временным хранилищем тепла и зданием, обычно в ответ на запрос термостата на тепло или прохладу внутри здания. Хотя в теории этот принцип кажется полезным, на практике серьезные инженерные проблемы помешали почти всей активной солнечной архитектуре. Самая распространенная форма активной солнечной архитектуры — хранение каменных пластов с воздухом в качестве теплоносителя — обычно в каменном пласте растет токсичная плесень, которая заносится в дома вместе с пылью и в некоторых случаях радоном.

Более сложное и современное воплощение солнечной архитектуры было представлено в 1954 году с изобретением элемента фотоэлектрического Bell Labs . Ранние элементы были крайне неэффективны и поэтому широко не использовались, но с течением времени государственные и частные исследования повысили эффективность до такой степени, что теперь они являются жизнеспособным источником энергии.

Университеты были одними из первых зданий, принявших идею солнечной энергии. В 1973 году Университет Делавэра построил Solar One, один из первых в мире домов, работающих на солнечной энергии.

По мере развития фотоэлектрических технологий становится все проще реализовать солнечную архитектуру. В 1998 году Гуха Субхенду разработал фотоэлектрическую черепицу, а недавно ^{[ когда? ]} Компания Oxford Photovoltaics разработала перовскитные солнечные элементы, которые достаточно тонкие, чтобы их можно было встроить в окна. ^[4] Хотя окна еще не масштабированы до размера, который можно было бы использовать на коммерческом уровне, компания считает, что перспективы многообещающие. ^[5]

Элементы

Теплица

Теплица . сохраняет тепло от Солнца В теплице с двойным остеклением возникают три эффекта: отсутствие конвекции (блокировка воздуха), удержание лучей (земля поглощает фотон, излучает его с более низкой инфракрасной энергией, а стекло отражает это инфракрасное излучение на землю) и низкая проводимость (двойное остекление). ). Похоже, что эффект конвекции является самым важным, поскольку теплицы в бедных странах сделаны из пластика.

Теплицу можно использовать для выращивания растений зимой, для выращивания тропических растений, как террариум для рептилий или насекомых или просто для обеспечения воздушного комфорта. Его необходимо проветривать, но не слишком сильно, иначе конвекция сделает салон холоднее, потеряв желаемый эффект. Теплицу можно совместить с теплоаккумулятором или непрозрачной маской.

Фототермический модуль

Фототермические модули преобразуют солнечный свет в тепло. Они легко нагревают бытовую воду до 80 °C (353 К). Их ставят лицом к солнечному свету, а не к горизонту, чтобы избежать перегрева летом и потреблять больше калорий зимой. В месте с 45° северной широты модуль должен быть обращен на юг, а угол к горизонту должен составлять около 70°.

Обсуждается использование промежуточных солнечных тепловых систем, таких как вакуумные трубы, составные параболические и параболические желоба, поскольку они соответствуют конкретным промежуточным потребностям. Клиент, которому нужна дешевая система, предпочтет фототермическую систему, обеспечивающую горячую воду температурой 80 °C (353 K) с эффективностью 70–85%. Клиент, которому нужны высокие температуры, предпочтет солнечную параболу, обеспечивающую температуру 200 ° C (573 K) с эффективностью 70–85%.

Фототермические модули, сделанные своими руками, дешевле и могут использовать спиральную трубу, в которой горячая вода поступает из центра модуля. Существуют и другие геометрии, например змеевидная или четырехугольная.

Если крыша плоская, перед фототермическим модулем можно разместить зеркало, чтобы обеспечить больше солнечного света.

Фототермический модуль стал популярен в странах Средиземноморья: в Греции и Испании 30–40% домов оборудованы этой системой и стали частью ландшафта.

Фотоэлектрический модуль

Фотоэлектрические модули преобразуют солнечный свет в электричество. Классические кремниевые солнечные модули имеют эффективность до 25%, но они жесткие, и их нелегко разместить на кривых. Тонкопленочные солнечные модули гибки, но имеют меньшую эффективность и срок службы.

Фотоэлектрическая плитка сочетает в себе полезное с приятным, создавая фотоэлектрические поверхности, похожие на плитку.

Прагматическое правило состоит в том, чтобы расположить фотоэлектрическую поверхность лицом к солнечному свету под углом, равным широте, к горизонту. Например, если дом расположен на 33° южной широты, фотоэлектрическая поверхность должна быть обращена на север под углом 33° к горизонтали. Из этого правила вытекает общий стандарт угла наклона крыши, который является нормой в солнечной архитектуре.

Термическое хранилище

Самая простая солнечная система нагрева воды — разместить резервуар для хранения горячей воды по направлению к Солнцу и покрасить его в черный цвет.

Толстый каменный грунт в теплице сохранит тепло всю ночь. Камень поглощает тепло днем и излучает его ночью. Вода обладает лучшей теплоемкостью среди обычных материалов и остается неизменной ценностью.

Электрическое хранилище

В автономных (автономных) фотоэлектрических системах батареи используются для хранения избытка электроэнергии и передачи ее при необходимости в ночное время.

Системы, подключенные к сети, могут использовать межсезонное накопление энергии благодаря гидроаккумулирующим гидроэлектростанциям . Инновационный метод хранения энергии сжатым воздухом также изучается и может применяться в масштабе региона или дома, независимо от того, используется ли для хранения сжатого воздуха пещера или резервуар.

Белая стена

На греческих островах дома окрашены в белый цвет, чтобы не поглощать тепло. Белые стены, покрытые известью, и голубые крыши делают традиционный стиль греческих островов ценимым туристами за его цвета, а жители – за более прохладный внутренний воздух.

Черная стена

В скандинавских странах все наоборот: дома красят в черный цвет, чтобы лучше поглощать радиационное тепло. Базальт — интересный материал, поскольку он имеет черный цвет и обладает высокой теплоемкостью.

Солнечный трекер

Часть или весь дом может отслеживать движение Солнца по небу, чтобы поймать его свет. Гелиотроп . , первый в мире дом с положительной энергией, вращается, чтобы улавливать солнечный свет, преобразуемый в электричество с помощью фотоэлектрических модулей, нагревая дом через полупрозрачное стекло

Для слежения необходима электроника и автоматика. Есть два способа сообщить системе, где находится Солнце: инструментальный и теоретический. Инструментальный метод использует поглотители света для определения положения Солнца. Теоретический метод использует астрономические формулы, чтобы узнать место Солнца. Одно- или двухосные двигатели заставят Солнечную систему вращаться лицом к Солнцу и улавливать больше его солнечного света.

Фотоэлектрический или фототермический модуль может обеспечить более 50% производства благодаря системе слежения. ^[6]

Солнечная маска

Иногда жара становится слишком высокой, поэтому может потребоваться тень. Гелиодом построен таким образом, что крыша летом скрывает солнце во избежание перегрева, а зимой пропускает солнечный свет. ^[7]

В качестве маски подойдет любой непрозрачный материал. Занавес, скала или стена могут быть солнечными масками. Если лиственное дерево поставить перед теплицей, оно может скрыть теплицу летом и пропускать солнечный свет зимой, когда листья опадают. Тени не будут работать одинаково в зависимости от сезона. Использование сезонных изменений для получения тени летом и света зимой — общее правило для солнечной маски.

Солнечный дымоход

– Солнечный дымоход это дымоход наружного черного цвета. Их использовали в римской древности в качестве системы вентиляции. Черная поверхность нагревает дымоход солнечным светом. Воздух внутри нагревается и поднимается вверх, выкачивая воздух из-под земли, то есть круглый год имеет температуру 15 °C (288 K). Этот традиционный воздухо-земляной теплообменник использовался для того, чтобы летом в домах было прохладно, а зимой — тепло.

Солнечный дымоход можно объединить с бадгиром или деревянным дымоходом для более сильного эффекта.

Солнечная парабола

Солнечная парабола — это параболическое зеркало, которое концентрирует солнечный свет для достижения высоких температур. В коллективной кухне Ауровиля большая солнечная парабола на крыше обеспечивает тепло для приготовления пищи.

Солнечную параболу также можно использовать для промышленного строительства. Солнечная печь Одейо , одна из крупнейших солнечных парабол в мире, концентрирует солнечный свет в 10 000 раз и достигает температуры выше 3200 К. Ни один материал не сопротивляется этому, даже алмаз плавится. Он открывает видение футуристической металлургии, использующей чистый и возобновляемый источник энергии.

Примеры

Одним из первых крупных коммерческих зданий, являющихся примером солнечной архитектуры, является Таймс-сквер, 4 в Нью-Йорке . На этажах с 37 по 43 этажи установлены встроенные солнечные панели, и в нем использовано больше энергоэффективных технологий, чем в любом другом небоскребе на момент его строительства. ^[4] Национальный стадион в Гаосюне, Тайвань , спроектированный японским архитектором Тойо Ито , представляет собой сооружение в форме дракона, на крыше которого установлено 8844 солнечных панелей. ^{[ нужна ссылка ]} Он был построен в 2009 году для проведения Всемирных игр 2009 года. Построенный полностью из переработанных материалов, это самый большой стадион в мире, работающий на солнечной энергии, который обеспечивает электроэнергией окружающий район, когда он не используется. Здание Солнечных часов в Китае было построено, чтобы символизировать необходимость замены ископаемого топлива возобновляемыми источниками энергии . Здание имеет форму веера и покрыто солнечными панелями площадью 4600 квадратных метров (50 000 квадратных футов). В 2009 году оно было названо крупнейшим в мире офисным зданием, работающим на солнечной энергии.

хотя еще не завершена, Башня Солнечного города в Рио-де-Жанейро, является еще одним примером того, как может выглядеть солнечная архитектура в будущем. Это электростанция, которая в течение дня вырабатывает энергию для города, а также перекачивает воду на верхнюю часть сооружения. Ночью, когда солнце не светит, вода будет сбрасываться на турбины , которые будут продолжать вырабатывать электроэнергию. Его планировалось представить на Олимпийских играх 2016 года в Рио, хотя проект все еще находится на стадии предложения. ^[8]^{[ ненадежный источник? ]}

Экологические преимущества

Использование солнечной энергии в архитектуре способствует созданию мира чистой и возобновляемой энергии. Это инвестиция: первоначальная цена высока, но потом платить почти нечего. Напротив, ископаемая и расщепляющаяся энергия вначале дешева, но обходится людям и природе огромной суммой. Катастрофа на Фукусиме оценивается в 210 миллиардов долларов Японии. ^[9] Глобальное потепление уже стало причиной исчезновения видов.

Критика

Согласно статье на веб-сайте ECN под названием «Архитекторы просто хотят создавать привлекательные здания», основная цель архитектора — «создать пространственный объект с линиями, формами, цветами и текстурой». Это задачи, стоящие перед архитектором в рамках программы заказчика Но они не сразу задумываются об использовании солнечной панели в качестве интересного строительного материала. Здесь еще многого предстоит достичь». ^[10] В статье неоднократно утверждается, что солнечные панели не являются лучшим выбором архитекторов в качестве строительного материала из-за их стоимости и эстетики.

Еще одним критическим замечанием по поводу установки солнечных панелей является их первоначальная стоимость. По данным Energyinfomative.org, средняя стоимость бытовой солнечной системы составляет от 15 000 до 40 000 долларов США, или около 7 долларов за ватт. ^[11] В статье говорится, что при сегодняшних темпах окупаемость средней системы составит 10 лет. Поскольку солнечная панель может прослужить более 20 лет, ^[12] в конце концов, это становится выгодой.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Перлин, Дж. Пассивная солнечная история (1 января 2005 г.) Калифорнийский солнечный центр . Проверено 30 марта 2015 г.
^ Пассивный солнечный дизайн - история (2010, 1 февраля) GreenBuilding.com, дата обращения 25 марта 2015 г.
^ Семь древних чудес греческого дизайна и технологий Ecoist . Проверено 19 апреля 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б История солнечной энергии (8 марта 2012 г.) Министерство энергетики США. Проверено 26 марта 2015 г.
^ Наше видение (1 января 2015 г.) Oxford PV . Проверено 29 марта 2015 г.
^ Лабуре и Виллоз (2012). Фотоэлектрические солнечные установки (изд. Дюно). п. 183.
^ "Гелиодом Ютуб" .
^ Сатре-Мелой, Авен «Пять потрясающих проектов солнечной архитектуры» . (2014, 25 февраля) Блог Mosaic . Проверено 27 марта 2015 г.
^ Токио, Киото и прилегающие районы . Путешественник. 2016. с. 98.
^ Каан, Х. (12 июня 2009 г.). Архитекторы просто хотят создавать привлекательные здания ECN . Проверено 19 апреля 2015 г.
^ Маэлум, М. (23 марта 2015 г.). Сколько стоят солнечные панели? Информативно . Проверено 19 апреля 2015 г.
^ Лабуре и Виллоз (2012). Фотоэлектрические установки (изд. Дюно). п. 13.

[Solar_History-1] Перейти обратно: ^а ^б Перлин, Дж. Пассивная солнечная история (1 января 2005 г.) Калифорнийский солнечный центр . Проверено 30 марта 2015 г.

[2] Пассивный солнечный дизайн - история (2010, 1 февраля) GreenBuilding.com, дата обращения 25 марта 2015 г.

[3] Семь древних чудес греческого дизайна и технологий Ecoist . Проверено 19 апреля 2015 г.

[Timeline-4] Перейти обратно: ^а ^б История солнечной энергии (8 марта 2012 г.) Министерство энергетики США. Проверено 26 марта 2015 г.

[5] Наше видение (1 января 2015 г.) Oxford PV . Проверено 29 марта 2015 г.

[6] Лабуре и Виллоз (2012). Фотоэлектрические солнечные установки (изд. Дюно). п. 183.

[7] "Гелиодом Ютуб" .

[8] Сатре-Мелой, Авен «Пять потрясающих проектов солнечной архитектуры» . (2014, 25 февраля) Блог Mosaic . Проверено 27 марта 2015 г.

[9] Токио, Киото и прилегающие районы . Путешественник. 2016. с. 98.

[10] Каан, Х. (12 июня 2009 г.). Архитекторы просто хотят создавать привлекательные здания ECN . Проверено 19 апреля 2015 г.

[11] Маэлум, М. (23 марта 2015 г.). Сколько стоят солнечные панели? Информативно . Проверено 19 апреля 2015 г.

[12] Лабуре и Виллоз (2012). Фотоэлектрические установки (изд. Дюно). п. 13.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]