Arquitectura solar - Solar architecture

La arquitectura solar es un enfoque arquitectónico que tiene en cuenta el sol para aprovechar la energía solar limpia y renovable . Está relacionado con los campos de la óptica , la térmica , la electrónica y la ciencia de los materiales . Tanto las habilidades de vivienda solar activa como pasiva están involucradas en la arquitectura solar.

El uso de módulos fotovoltaicos flexibles de película delgada proporciona una integración fluida con los perfiles de acero para techos , mejorando el diseño del edificio. Orientar un edificio hacia el sol, seleccionar materiales con masa térmica favorable o propiedades de dispersión de la luz y diseñar espacios que hagan circular el aire de forma natural también constituyen la arquitectura solar.

El desarrollo inicial de la arquitectura solar se ha visto limitado por la rigidez y el peso de los paneles de energía solar estándar. El desarrollo continuo de la energía solar fotovoltaica (PV) de película delgada ha proporcionado un vehículo ligero pero robusto para aprovechar la energía solar para reducir el impacto de un edificio en el medio ambiente.

Historia

La idea del diseño de edificios solares pasivos apareció por primera vez en Grecia alrededor del siglo V a. C. Hasta ese momento, la principal fuente de combustible de los griegos había sido el carbón vegetal , pero debido a la gran escasez de leña para quemar se vieron obligados a buscar una nueva forma de calentar sus viviendas. Con la necesidad como motivación, los griegos revolucionaron el diseño de sus ciudades. Comenzaron a utilizar materiales de construcción que absorbían energía solar, principalmente piedra, y comenzaron a orientar los edificios para que miraran hacia el sur. Estas revoluciones, junto con los voladizos que protegían el sol del verano, crearon estructuras que requerían muy poco calentamiento y enfriamiento. Sócrates escribió: "En las casas que miran hacia el sur, el sol penetra en el pórtico en invierno, mientras que en verano el camino del sol está justo sobre nuestras cabezas y sobre el techo para que haya sombra".

A partir de este momento, la mayoría de civilizaciones han orientado sus estructuras para proporcionar sombra en verano y calefacción en invierno. Los romanos mejoraron el diseño de los griegos al cubrir las ventanas orientadas al sur con diferentes tipos de materiales transparentes.

Otro ejemplo más simple de la arquitectura solar temprana son las viviendas cueva en las regiones del suroeste de América del Norte. Al igual que los edificios griegos y romanos, los acantilados en los que los indígenas de esta región construyeron sus casas estaban orientados hacia el sur con un voladizo para darles sombra del sol del mediodía durante los meses de verano y captar la mayor parte de la energía solar durante los meses de verano. invierno como sea posible.

La arquitectura solar activa implica el movimiento de calor y / o frío entre un medio de almacenamiento de calor temporal y un edificio, generalmente en respuesta a la llamada de un termostato para calentar o enfriar dentro del edificio. Si bien este principio suena útil en teoría, importantes problemas de ingeniería han frustrado casi toda la arquitectura solar activa en la práctica. La forma más común de arquitectura solar activa, el almacenamiento en lecho rocoso con aire como medio de transferencia de calor, generalmente desarrolló moho tóxico en el lecho rocoso que se introdujo en las casas, junto con polvo y radón en algunos casos.

Una encarnación más compleja y moderna de la arquitectura solar se introdujo en 1954 con la invención de la célula fotovoltaica por Bell Labs . Las primeras células eran extremadamente ineficientes y, por lo tanto, no se usaban ampliamente, pero a lo largo de los años, la investigación gubernamental y privada ha mejorado la eficiencia hasta un punto en el que ahora es una fuente viable de energía.

Las universidades fueron algunos de los primeros edificios en adoptar la idea de la energía solar. En 1973, la Universidad de Delaware construyó Solar One, que fue una de las primeras casas del mundo alimentadas con energía solar.

A medida que avanzan las tecnologías fotovoltaicas, la arquitectura solar se vuelve más fácil de lograr. En 1998, Subhendu Guha desarrolló tejas fotovoltaicas y, recientemente, una empresa llamada Oxford Photovoltaics ha desarrollado células solares de perovskita que son lo suficientemente delgadas como para incorporarlas en ventanas. Aunque las ventanas no están escaladas a un tamaño que pueda aprovecharse a nivel comercial todavía, la empresa cree que las perspectivas son prometedoras.

Elementos

Invernadero

Un invernadero mantiene el calor del sol. En un invernadero de doble acristalamiento se producen tres efectos: ausencia de convección (bloqueo del aire), mantenimiento de los rayos (el suelo absorbe un fotón, lo emite con menor energía infrarroja y el vidrio refleja este infrarrojo hacia el suelo) y poca conducción (doble acristalamiento ). Parece que el efecto de convección es el más importante, ya que los invernaderos de los países pobres están hechos de plástico.

El invernadero se puede utilizar para cultivar plantas en el invierno, para cultivar plantas tropicales, como terrario para reptiles o insectos, o simplemente para la comodidad del aire. Debe estar ventilado, pero no demasiado, de lo contrario la convección hará que el interior sea más frío, perdiendo el efecto deseado. El invernadero se puede combinar con almacenamiento de calor o una máscara opaca.

Módulo fototérmico

Los módulos fototérmicos convierten la luz solar en calor. Calientan fácilmente el agua sanitaria a 80 ° C (353 K). Se colocan de cara al soleado punto cardinal, más bien apuntando hacia el horizonte para evitar el sobrecalentamiento en verano y consumir más calorías en invierno. En un lugar de 45 ° Norte, el módulo debe mirar hacia el sur y el ángulo con la horizontal debe ser de aproximadamente 70 °.

Se discute el uso de sistemas de calor solar intermedios, como tubos de vacío, cilindro parabólico y parabólico compuesto, ya que corresponden a necesidades intermedias específicas. Un cliente que desee un sistema económico preferirá el fototérmico, que proporciona agua caliente a 80 ° C (353 K) con una eficiencia del 70-85%. Un cliente que desee altas temperaturas preferirá la parábola solar, que da 200 ° C (573 K) con una eficiencia del 70-85%.

Hágalo usted mismo Los módulos fototérmicos son más económicos y pueden utilizar una tubería en espiral, con agua caliente que sale del centro del módulo. Existen otras geometrías, como serpentina o cuadrangular.

Si está en un techo plano, se puede colocar un espejo frente al módulo fototérmico para darle más luz solar.

El módulo fototérmico se ha popularizado en los países mediterráneos, con Grecia y España contando con un 30-40% de viviendas equipadas con este sistema, y ​​pasando a formar parte del paisaje.

Módulo fotovoltaico

Los módulos fotovoltaicos convierten la luz solar en electricidad. Los módulos solares de silicio clásicos tienen hasta un 25% de eficiencia, pero son rígidos y no se pueden colocar fácilmente en curvas. Los módulos solares de película delgada son flexibles, pero tienen menor eficiencia y vida útil.

Las baldosas fotovoltaicas combinan lo útil con lo agradable proporcionando superficies fotovoltaicas similares a las baldosas.

Una regla pragmática es colocar la superficie fotovoltaica frente al punto cardinal soleado, con un ángulo de latitud igual a la horizontal. Por ejemplo, si la casa está 33 ° Sur, la superficie fotovoltaica debe mirar al norte con 33 ° a la horizontal. De esta regla surge un estándar general de ángulo del techo, que es la norma en la arquitectura solar.

Almacenamiento termal

El sistema de agua de calor solar más simple es colocar un tanque de almacenamiento de agua caliente hacia el sol y pintarlo de negro.

Un suelo de roca gruesa en un invernadero mantendrá algo de calor durante la noche. La roca absorberá calor durante el día y lo emitirá durante la noche. El agua tiene la mejor capacidad térmica para un material común y sigue siendo un valor seguro.

Almacenamiento electrico

En los sistemas fotovoltaicos autónomos (fuera de la red), las baterías se utilizan para almacenar el exceso de electricidad y entregarlo cuando sea necesario por la noche.

Los sistemas conectados a la red pueden utilizar el almacenamiento entre estaciones gracias a la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo . También se está estudiando un método de almacenamiento innovador, el almacenamiento de energía por aire comprimido , que puede aplicarse a escala de una región o de un hogar, ya sea que se utilice una cueva o un tanque para almacenar el aire comprimido.

pared blanca

En las islas griegas, las casas están pintadas de blanco para evitar absorber el calor. Las paredes blancas cubiertas de cal y los techos azules hacen que el estilo tradicional de las islas griegas sea apreciado por los turistas por sus colores y por los habitantes por el aire más fresco del interior.

Pared negra

En los países nórdicos, esto es todo lo contrario: las casas están pintadas de negro para absorber mejor el calor de la irradiación. El basalto es un material interesante ya que es naturalmente negro y presenta una alta capacidad de almacenamiento térmico.

Seguidor solar

Parte o toda la casa puede seguir la carrera del Sol en el cielo para captar su luz. El Heliotropo , la primera casa de energía positiva del mundo, gira para captar la luz del sol, convertida en electricidad por módulos fotovoltaicos, calentando la casa a través del vidrio translúcido.

El seguimiento requiere electrónica y automática. Hay dos formas de que el sistema sepa dónde está el Sol: instrumental y teórico. El método instrumental utiliza captores de luz para detectar la posición del Sol. El método teórico utiliza fórmulas astronómicas para conocer el lugar del Sol. Los motores de uno o dos ejes harán que el sistema solar gire de cara al Sol y capte más luz solar.

Un módulo fotovoltaico o fototérmico puede ganar más del 50% de la producción, gracias a un sistema de seguimiento.

Máscara solar

A veces, el calor se vuelve demasiado alto, por lo que se puede desear una sombra. El Heliodome se ha construido de tal manera que el techo oculta el sol en verano para evitar el sobrecalentamiento y deja pasar la luz del sol en invierno.

Como máscara, cualquier material opaco está bien. Una cortina, un acantilado o una pared pueden ser máscaras solares. Si se coloca un árbol frondoso frente a un invernadero, puede ocultar el invernadero en el verano y dejar que la luz del sol entre en el invierno, cuando las hojas se han caído. Las sombras no funcionarán igual según la temporada. Usar el cambio estacional para obtener sombra en el verano, luz en el invierno, es una regla general para una máscara solar.

Chimenea solar

Una chimenea solar es una chimenea de color negro exterior. Fueron utilizados en la antigüedad romana como sistema de ventilación. La superficie negra hace que la chimenea se caliente con la luz del sol. El aire del interior se calienta y sube, bombeando el aire del subsuelo, es decir, a 15 ° C (288 K) todo el año. Este intercambiador aire-tierra tradicional se utilizó para hacer que las casas fueran frescas en el verano y templadas en el invierno.

La chimenea solar se puede acoplar a un badgir o una chimenea de leña para un efecto más fuerte.

Parábola solar

Una parábola solar es un espejo parabólico que concentra la luz solar para alcanzar altas temperaturas. En la cocina colectiva de Auroville , una gran parábola solar en el techo proporciona calor para cocinar.

La parábola solar también se puede utilizar para edificios industriales. El horno solar de Odeillo , una de las parábolas solares más grandes del mundo, concentra la luz solar 10.000 veces y alcanza temperaturas superiores a los 3.200 K. Ningún material resiste, incluso el diamante se derrite. Abre la visión de una metalurgia futurista, utilizando una fuente de energía limpia y renovable.

Ejemplos de

Uno de los primeros grandes edificios comerciales que ejemplifica la arquitectura solar es 4 Times Square en la ciudad de Nueva York . Tiene paneles solares incorporados en los pisos 37 al 43 e incorporó más tecnología de eficiencia energética que cualquier otro rascacielos en el momento de su construcción. El Estadio Nacional de Kaohsiung, Taiwán , diseñado por el arquitecto japonés Toyo Ito , es una estructura en forma de dragón que tiene 8.844 paneles solares en su techo. Fue construido en 2009 para albergar los juegos mundiales de 2009. Construido completamente con materiales reciclados, es el estadio de energía solar más grande del mundo y alimenta el vecindario circundante cuando no está en uso. El edificio del reloj de sol en China fue construido para simbolizar la necesidad de reemplazar los combustibles fósiles con fuentes de energía renovables. El edificio tiene forma de ventilador y está cubierto por 4.600 metros cuadrados (50.000 pies cuadrados) de paneles solares. Fue nombrado el edificio de oficinas con energía solar más grande del mundo en 2009.

Aunque aún no se ha completado, la Solar City Tower en Río de Janeiro es otro ejemplo de cómo podría verse la arquitectura solar en el futuro. Es una planta de energía que genera energía para la ciudad durante el día mientras también bombea agua a la parte superior de la estructura. Por la noche, cuando el sol no brilla, el agua se liberará para correr sobre turbinas que seguirán generando electricidad. Estaba previsto que se revelara en los Juegos Olímpicos de 2016 en Río, aunque el proyecto aún se encuentra en la fase de propuesta.

Beneficios ambientales

El uso de la energía solar en la arquitectura contribuye a un mundo de energía limpia y renovable. Esto es una inversión: el precio inicial es alto, pero luego no hay casi nada que pagar. Por el contrario, las energías fósiles y fisibles son baratas al principio, pero cuestan enormes cantidades para los seres humanos y la naturaleza. Se estima que la catástrofe de Fukushima le costará 210 mil millones de dólares a Japón. El calentamiento global ya ha sido una causa de extinción de especies.

La arquitectura solar es entonces anticrisis. Si todas las casas fueran reconstruidas para cumplir con los estándares de arquitectura solar, esto traería esperanza, empleos, dinero y crecimiento económico.

Crítica

Según un artículo en el sitio web de ECN titulado "Los arquitectos solo quieren desarrollar edificios atractivos", el objetivo principal de un arquitecto es "crear un objeto espacial con líneas, formas, colores y texturas. Estos son los desafíos para el arquitecto dentro del programa del cliente de requisitos. Pero no piensan inmediatamente en el uso de un panel solar como material de construcción interesante. Todavía queda mucho por lograr aquí ". En el artículo se afirma varias veces que los paneles solares no son la primera opción de un arquitecto como material de construcción debido a su costo y estética.

Otra crítica a la instalación de paneles solares es su costo inicial. Según energyinfomative.org, el costo promedio de un sistema solar residencial es de entre $ 15,000 y $ 40,000 (USD), y alrededor de $ 7 por vatio. En el artículo, dice que a las tasas de hoy, se necesitarían 10 años para amortizar un sistema promedio. Como un panel solar puede durar más de 20 años, al final se convierte en un beneficio.

Ver también

• Arquitectura sostenible
• Energía fotovoltaica integrada en edificios
• Colector solar térmico
• Cocina solar
• Chimenea solar

Referencias