Солнечная архитектура - Solar architecture

Гелиотроп вращается вокруг себя, отслеживая Солнце.

Солнечная архитектура архитектурный подход, учитывающий солнце использовать чистый и возобновляемый солнечная энергия. Это связано с полями оптика, термика, электроника и материаловедение. Обе активный и пассивный навыки солнечного строительства используются в солнечной архитектуре.

Использование гибкой тонкой пленки фотоэлектрические модули обеспечивает плавную интеграцию со сталью кровля профили, улучшающие дизайн здания. Ориентация здания на Солнце, подбор материалов с выгодным термическая масса или светорассеивающие свойства, и проектирование пространств с естественной циркуляцией воздуха также составляет солнечную архитектуру.

Первоначальное развитие солнечной архитектуры было ограничено жесткостью и весом стандартных солнечных батарей. Непрерывное развитие фотогальванических (PV) тонкопленочных солнечных батарей привело к созданию легкого, но надежного автомобиля для использования солнечная энергия для уменьшения воздействия здания на окружающую среду.

История

Идея пассивная солнечная конструкция здания впервые появился в Греция примерно в пятом веке до нашей эры. До того времени основным источником топлива для греков был уголь, но из-за острой нехватки дров для сжигания они были вынуждены найти новый способ обогрева своих жилищ.^[1] Руководствуясь необходимостью, греки произвели революцию в дизайне своих городов. Они начали использовать строительные материалы, поглощающие солнечную энергию, в основном камень, и начали ориентировать здания так, чтобы они смотрели на юг. Эти перевороты в сочетании с выступами, защищающими от палящего летнего солнца, создали конструкции, требующие минимального нагрева и охлаждения. Сократ писал: «В домах, обращенных на юг, солнце зимой проникает через портик, а летом путь солнца проходит прямо над нашими головами и над крышей, так что есть тень».^[2]

С этого момента большинство цивилизаций сориентировали свои конструкции так, чтобы обеспечивать тень летом и обогревать зимой. Римляне усовершенствовали дизайн греков, закрыв окна, выходящие на южную сторону, различными типами прозрачных материалов.^[1]

Еще один более простой пример ранней солнечной архитектуры - пещерные жилища в юго-западных регионах Северной Америки. Как и греческие и римские здания, скалы в которой коренные жители В этом регионе их дома были ориентированы на юг с навесом, чтобы затенять их от полуденного солнца в летние месяцы и улавливать как можно больше солнечной энергии зимой.^[3]

Активная солнечная архитектура включает в себя перемещение тепла и / или холода между временным накопителем тепла и зданием, как правило, в ответ на запрос термостата на тепло или холод внутри здания. Хотя этот принцип кажется полезным в теории, на практике серьезные инженерные проблемы мешают практически всей активной солнечной архитектуре. Самая распространенная форма активной солнечной архитектуры, хранилище в скальном грунте с воздухом в качестве теплопередающей среды, обычно вырастала токсичную плесень в каменном дне, которая вдувалась в дома вместе с пылью и радоном в некоторых случаях.

Более сложное и современное воплощение солнечной архитектуры было представлено в 1954 году с изобретением фотоэлектрический элемент к Bell Labs. Ранние элементы были крайне неэффективными и поэтому не использовались широко, но на протяжении многих лет государственные и частные исследования повысили эффективность до такой степени, что теперь они стали жизнеспособным источником энергии.

Университеты были одними из первых зданий, которые восприняли идею солнечной энергии. В 1973 г. Университет Делавэра построил Solar One, который был одним из первых в мире домов на солнечной энергии.

Поскольку фотоэлектрические технологии продолжают развиваться, создание солнечной архитектуры становится все проще. В 1998 году Субхенду Гуха разработал фотоэлектрическую черепицу, а недавно^{[когда? ]} Компания Oxford Photovoltaics разработала солнечные элементы из перовскита, достаточно тонкие, чтобы их можно было использовать в окнах.^[4] Хотя окна еще не масштабированы до размеров, которые можно было бы использовать на коммерческом уровне, компания считает, что перспективы многообещающие. В заявлении о миссии компании говорится: «Более того, за счет развертывания солнечных батарей в областях, где солнечная энергия традиционно испытывала трудности, например, стеклянные фасады высотных коммерческих или жилых зданий. В обоих случаях, позволяя солнечной энергии вносить значительный вклад более высокая доля электроэнергии, чем это возможно сегодня, и помогает позиционировать фотоэлектрические системы как важный фактор на мировом энергетическом рынке ».^[5]

Элементы

Теплица

Теплица в Канаде

А 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). ). Кажется, что эффект конвекции является наиболее важным, поскольку теплицы в бедных странах делают из пластика.

Теплицу можно использовать для выращивания растений зимой, для выращивания тропических растений, в качестве террариума для рептилий или насекомых или просто для комфорта воздуха. Его нужно проветривать, но не слишком сильно, иначе конвекция сделает внутреннее пространство холоднее, потеряв желаемый эффект. Теплицу можно комбинировать с накопителем тепла или непрозрачной маской.

Фототермический модуль

Фототермические модули на крыше

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

Обсуждается использование промежуточных систем солнечного тепла, таких как вакуумные трубы, составной параболический и параболический желоб, поскольку они соответствуют конкретным промежуточным потребностям. Заказчик, которому нужна дешевая система, предпочтет фототермическую, обеспечивающую горячую воду 80 ° C (353 K) с эффективностью 70-85%. Заказчик, которому нужны высокие температуры, предпочтет солнечную параболу, дающую 200 ° C (573 K) с эффективностью 70-85%.

Сделай это сам фототермические модули дешевле и могут использовать спиральную трубу с горячей водой, поступающей из центра модуля. Существуют и другие геометрические формы, например, змеевик или четырехугольник.

Если на плоской крыше, перед фототермическим модулем можно поставить зеркало, чтобы дать ему больше солнечного света.

Фототермический модуль стал популярным в странах Средиземноморья: Греция и Испания насчитывают 30-40% домов, оборудованных этой системой, и становятся частью ландшафта.

Фотоэлектрический модуль

Фотоэлектрическая черепица на крыше

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

Фотоэлектрическая плитка сочетает в себе полезное и приятное, создавая фотоэлектрические поверхности, похожие на плитку.

Прагматическое правило - располагать фотоэлектрическую поверхность лицом к солнечной стороне света под углом, равным широте к горизонтали. 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.

Тепловое хранение

Самая простая солнечная система нагрева воды - это разместить резервуар для горячей воды к Солнцу и покрасьте его в черный цвет.

Толстый камень в теплице сохранит тепло в течение ночи. Камень будет поглощать тепло днем и излучать его ночью. У воды самое лучшее теплоемкость для обычного материала и остается верной ценностью.

Электрохранилище

В автономных (автономных) фотоэлектрических системах батареи используются для хранения избытка электроэнергии и доставки ее, когда это необходимо в ночное время.

Подключенные к сети системы могут использовать межсезонное хранение благодаря гидроаккумулирующая энергия. Инновационный метод хранения, накопитель энергии сжатого воздуха, также изучается и может применяться в масштабе региона или дома, независимо от того, используется ли пещера или резервуар для хранения сжатого воздуха.

белая стена

Церковь с белыми стенами на Санторини

На греческих островах дома окрашены в белый цвет, чтобы они не поглощали тепло. Белые стены, покрытые известью, и синие крыши делают традиционный стиль греческих островов ценным для туристов за его цвета, а жители - за более прохладный внутренний воздух.

Черная стена

Дом с черными стенами в Норвегии

В странах Северной Европы все наоборот: дома окрашены в черный цвет, чтобы лучше поглощать тепло излучения. Базальт представляет собой интересный материал, так как он имеет естественный черный цвет и обладает высокой теплоемкостью.

Солнечный трекер

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

Для отслеживания нужна электроника и автоматика. Есть два способа сообщить системе, где находится Солнце: инструментальный и теоретический. Инструментальный метод использует захватчики света для определения положения Солнца. Теоретический метод использует астрономические формулы для определения места Солнца. Одно- или двухосевые двигатели заставят Солнечную систему повернуться лицом к Солнцу и улавливать больше его солнечного света.

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

Солнечная маска

У гелиодома есть тень летом и солнечный свет зимой.

Иногда жар становится слишком сильным, поэтому может потребоваться тень. Гелиодом был построен таким образом, что крыша скрывает солнце летом, чтобы избежать перегрева, и пропускает солнечный свет зимой.^[7]

В качестве маски подойдет любой непрозрачный материал. Штора, обрыв или стена могут быть солнечными масками. Если перед теплицей поставить лиственное дерево, оно может скрыть теплицу летом и пропускать солнечный свет зимой, когда листья опадают. Тени не будут одинаковыми в зависимости от сезона. Использование сезонной смены для получения тени летом и света зимой - общее правило для солнечной маски.

Солнечный дымоход

А солнечный дымоход дымоход снаружи черного цвета. Они использовались еще в римской древности как вентиляционная система. Благодаря черной поверхности дымоход нагревается солнечным светом. Воздух внутри нагревается и поднимается вверх, выкачивая воздух из-под земли, то есть при температуре 15 ° C (288 K) круглый год. Этот традиционный теплообменник воздух-земля использовался для охлаждения домов летом и мягкой зимой.

Солнечный дымоход можно соединить с бадгир или дровяной дымоход для большего эффекта.

Солнечная парабола

Солнечная парабола Ауровиля

Солнечная парабола - это параболическое зеркало, которое концентрирует солнечный свет для достижения высоких температур. В Ауровиль Коллективная кухня, большая солнечная парабола на крыше обеспечивает тепло для приготовления пищи.

Солнечная парабола также может использоваться для промышленного строительства. В Солнечная печь Odeillo, одна из крупнейших солнечных парабол в мире, концентрирует солнечный свет в 10000 раз и достигает температуры выше 3200 К. Ни один материал не сопротивляется, даже алмаз тает. Он открывает видение футуристической металлургии, использующей чистый и возобновляемый источник энергии.

Примеры

Одним из первых крупных коммерческих зданий, иллюстрирующих солнечную архитектуру, является Таймс-сквер, 4 (также известный как Condé Nast Building ) в Нью-Йорк. Он имеет встроенные солнечные батареи на 37–43 этажах и включает в себя более энергоэффективные технологии, чем любой другой небоскреб на момент его строительства.^[4] В Национальный стадион в Гаосюн, Тайвань по проекту японского архитектора Тойо Ито, представляет собой конструкцию в форме дракона, на крыше которой установлено 8 844 солнечных батарей.^{[нужна цитата ]} Он был построен в 2009 году для проведения Всемирных игр 2009 года. Построенный полностью из переработанных материалов, это самый большой в мире стадион, работающий на солнечной энергии, который питает окрестности, когда он не используется. Здание Солнечных часов в Китае было построено, чтобы символизировать необходимость замены ископаемое топливо с Возобновляемая энергия источники. Здание имеет форму вентилятора и покрыто 4600 квадратных метров (50 000 квадратных футов) солнечных батарей. В 2009 году он был назван самым большим в мире офисным зданием на солнечной энергии.

Хотя это еще не закончено, Башня Солнечного города в Рио де Жанейро еще один пример того, как солнечная архитектура может выглядеть в будущем. Это электростанция, которая вырабатывает энергию для города в течение дня, а также подает воду на верхнюю часть конструкции. Ночью, когда не светит солнце, вода будет сбегать через турбины который будет продолжать производить электричество. Это должно было быть раскрыто на Олимпийские игры 2016 в Рио, хотя проект все еще находится на стадии предложения.^[8]

Экологические преимущества

Использование солнечной энергии в архитектуре способствует миру чистой и возобновляемой энергии. Это вложение: начальная цена высока, но потом платить почти не за что. Напротив, ископаемые и делящиеся источники энергии вначале дешевы, но стоят огромных денег для людей и природы. Катастрофа на Фукусиме обойдется Японии в 210 миллиардов долларов.^[9]. Глобальное потепление уже стало причиной исчезновения видов.

Солнечная архитектура тогда антикризисная. Если бы все дома были перестроены в соответствии со стандартами солнечной архитектуры, это принесло бы надежду, рабочие места, деньги и экономический рост.

Критика

Согласно статье на веб-сайте ECN под названием «Архитекторы просто хотят разрабатывать привлекательные здания», главная цель архитектора - «создать пространственный объект с линиями, формами, цветами и текстурой. Это задачи архитектора в рамках программы заказчика. Но они не сразу думают об использовании солнечных батарей в качестве интересного строительного материала. Здесь еще многое предстоит сделать ».^[10] В статье неоднократно утверждается, что солнечные панели не лучший выбор архитектора в качестве строительного материала из-за их стоимости и эстетики.

Еще одна критика установки солнечных панелей - их первоначальная стоимость. По данным energyinfomative.org, средняя стоимость жилой 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 займет 10 лет. Поскольку солнечная панель может прослужить более 20 лет,^[12] в конце концов, это становится преимуществом.