Architektura słoneczna

Wikipedia:Weryfikowalność
 Na tej stronie brak pełnego opisu bibliograficznego uniemożliwia zidentyfikowanie źródeł informacji.
Należy podać opis bibliograficzny do źródeł najlepiej z wykorzystaniem odpowiednich szablonów cytowania.
Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdują się w dyskusji tego artykułu.
Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.
Pralnia w Kalifornii z płaskimi panelami słonecznymi na dachu zapewniającymi ciepłą wodę do prania

Architektura słoneczna – sposób projektowania budynków pod kątem maksymalnego wykorzystania przez nie energii promieniowania słonecznego.

Historia

Już od początków historii architektury energia słoneczna odgrywała rolę w projektowaniu budynków[1]. Pierwotnie, zaawansowane metody architektury słonecznej i planowania zagospodarowania przestrzennego były stosowane przez Greków i Chińczyków, którzy wznosili swe budowle w kierunku południowym, aby zabezpieczyć im dostęp światła i ciepło[2].

Do wspólnych cech pasywnej architektury słonecznej należą względne zorientowanie w stronę słońca, kompaktowe wymiary (mała powierzchnia w stosunku do wielkości), selektywne zacienienie (zasłony) i pojemność cieplna[1]. Kiedy cechy te są dostosowane do lokalnych warunków klimatycznych i środowiskowych, mogą wytworzyć dobrze oświetlone przestrzenie, które zapewniają komfortowe temperatury. Najnowocześniejsze podejście do architektury słonecznej wykorzystuje modelowanie komputerowe, które łączy systemy oświetlenia, ocieplania i wentylacji w jednym zintegrowanym pakiecie projektowym[3]. Modelowanie to wykorzystuje wszystkie techniki związane z ogrzewaniem pasywnym. Przykładem budynków maksymalnie wykorzystujących techniki ogrzewania pasywnego są budynki autonomiczne.

Miejskie wyspy ciepła

Miejskie wyspy ciepła są to obszary miejskie o podwyższonej temperaturze w porównaniu z otoczeniem. Wyższe wartości temperatury są rezultatem podwyższonej absorpcji światła słonecznego materiałów miejskich, takich jak asfalt i beton, które mają niższe albedo i wyższą pojemność cieplną, niż tworzywa z naturalnego środowiska. Prostym rozwiązaniem na drodze przeciwdziałania efektom miejskich wysp ciepła jest malowanie budynków i dróg na biało oraz sadzenie drzew. Stosując te metody, na podstawie hipotetycznego programu „cool community” w Los Angeles oszacowano, iż w taki sposób można obniżyć temperatury o ok. 3 °C za cenę ok. 1 miliarda USD, uzyskując przy tym całkowity roczny profit w wysokości 530 milionów USD redukując koszty klimatyzacji i opieki zdrowotnej[4].

Rolnictwo i ogrodnictwo

W rolnictwie opracowano metody optymalizacji wykorzystania energii słonecznej, aby polepszyć wydajność roślin. Techniki, takie jak czasowe cykle sadzenia, rozłożone wysokości między rzędami i mieszanie odmian roślin uprawnych mogą poprawić wydajność uprawy, podczas gdy światło słoneczne jest ogólnie uważane za zasobne źródło[5][6]. W przypadku krótkiej sezonowości roślin, francuscy i angielscy rolnicy wykorzystali ściany owoców, aby zmaksymalizować magazynowanie energii słońca. Działały one jak masy termiczne i przyspieszały dojrzewanie utrzymując rośliny w cieple.

Ściany wczesnych owoców były budowane prostopadle do podłoża i w kierunku południowym, ale w miarę upływu czasu, zaczęto stosować nachylone ściany w celu lepszego wykorzystania światła słonecznego. W 1699 Nicolas Fatio de Duillier zaproponował, aby użyć mechanizm śledzenia, który wykonywał obroty podążając za słońcem[7]. Zastosowania energii słonecznej w rolnictwie oprócz uprawy obejmują pompowanie wody, suszenie upraw, wysiadywanie piskląt i suszenie obornika kurzego[8][9]. Aktualnie technologie te przejęli także winiarze, którzy wykorzystują energię generowaną przez kolektory słoneczne do poboru mocy przerobowych prasy winiarskiej[10].

Szklarnie przekształcają światło słoneczne na ciepło, umożliwiając cały roku produkcję i wzrost (w zamkniętym środowisku) specjalnych upraw i innych roślin niedostosowanych w sposób naturalny do lokalnych warunków klimatycznych. Szklarnie po raz pierwszy wykorzystywane były w czasach rzymskich do całorocznej produkcji ogórków dla rzymskiego cesarza Tiberiusa[11]. Pierwszą nowoczesną szklarnie wybudowano w Europie w XVI wieku i służyła ona uprawie egzotycznych roślin sprowadzanych z wypraw zagranicznych[12]. Szklarnie do dzisiaj pozostały istotną częścią ogrodnictwa, a plastikowe przezroczyste materiały także wykorzystywane są w podobnych celach w tworzeniu tuneli foliowych.

Oświetlanie energią słoneczną

Historia oświetlenia jest zdominowana przez użycie światła naturalnego. W XX wieku sztuczne oświetlenie stało się głównym źródłem światła dla wnętrz pomieszczeń, jednakże oświetlenie światłem dziennym i techniki oświetlania mieszanego były środkiem redukcji zużycia energii. Systemy oświetlenia światłem dziennym działają na zasadzie gromadzenia i rozprowadzania światła słonecznego, aby dostarczyć je wnętrzom. Ta pasywna technologia zmniejsza bezpośrednio zużycie energii przez zastąpienie sztucznego oświetlenia, a pośrednio redukując zapotrzebowanie na sztuczną klimatyzację. Poza tym wykorzystanie światła naturalnego oferuje także korzyści fizjologiczne i psychologiczne w porównaniu ze sztucznym oświetleniem[13].

Projekt oświetlenia naturalnego wymaga starannego doboru typów okien, wielkości i ich ukierunkowanie względem stron świata; można także rozważyć zastosowanie zewnętrznych elementów zacieniających. Indywidualne aspekty obejmują piłokształtne dachy, rzędy okien, półki świetlne, okienka w suficie, lampy świetlne. Elementy te mogą być dołączone do istniejących struktur, ale najbardziej efektywne są wówczas, gdy wplecione zostaną w projektowane pakiety wykorzystania energii słonecznej, które biorą pod uwagę takie czynniki jak: stopień oślepiania, strumień ciepła i czas wykorzystania. Jeśli parametry oświetlenia naturalnego są prawidłowo dopasowane, mogą one zredukować ok. 25% zapotrzebowania na energię w związku z oświetlaniem przestrzeni[14].

Oświetlenie mieszane jest metodą aktywnego oświetlenia wnętrz pomieszczeń. System taki zbiera światło słoneczne przy użyciu luster, które poruszają się za Słońcem i stosują włókna światłowodowe do przekazywania światła do wewnątrz budynku dla uzupełnienia konwencjonalnego oświetlenia. W przypadku pojedynczego zastosowania, systemy te są w stanie przekazać 50% bezpośrednio uzyskanego światła słonecznego[15]. Lampy magazynujące podczas dnia światło słoneczne i zapalające się o zmierzchu są zwykle ustawiane wzdłuż chodników.

Mimo że światło dzienne powoduje oszczędność czasu jest polecane jako sposób na zaoszczędzenie energii. Ostatnio badania dostarczały sprzecznych wyników: kilka badań mówiło o oszczędności, ale wiele innych sugeruje brak skutku lub nawet straty, szczególnie gdy brane jest pod uwagę zużycie benzyny. Użycie energii elektrycznej jest znacznie uwarunkowane czynnikami geograficznymi, klimatycznymi i ekonomicznymi, co sprawia, że niełatwo po prostu wyciągnąć ogólne wnioski z pojedynczych badań[16].

Podgrzewanie wody energią słoneczną

Systemy podgrzewania wody przy pomocy energii słonecznej wykorzystują do celu podgrzania promienie słoneczne. W małych szerokościach geograficznych (poniżej 40 st.) od 60 do 70% zużycia lokalnej gorącej wody w temperaturze powyżej 60 °C może być dostarczana dzięki systemom ogrzewania energią słońca[17]. Najnowocześniejszymi typami podgrzewaczy wykorzystujących energię słońca są kolektory z odpompowywaną rurką (44%) i oszklone, płaskie, walcowane kolektory (34%) ogólnie wykorzystywane w celu domowego podgrzewania wody i nieoszklone, plastikowe kolektory (21%), wykorzystywane głównie do podgrzewania wody w basenie[18].

Począwszy od 2007, całkowita moc zainstalowana systemu podgrzewania wody energią słoneczną wynosi ok. 154 GW.[19] Chiny są światowym liderem w zastosowaniu tych systemów, począwszy od 2006 r. systemy o mocy 70 GW i z długoterminowym planowanym rozmieszczeniem urządzeń o mocy 210 GW w roku 2020[20]. Izrael i Cypr są liderami per capita w zastosowaniu systemów podgrzewających wodę energią słoneczną z ponad 90% udziałem domowego jej użycia[21]. W USA, Kanadzie i Australii podgrzewane baseny są najczęstszym zastosowaniem podgrzewaczy energii z od 2005 r. z wmontowaną mocą 18 GW.[22]

Ogrzewanie, chłodzenie i wentylacja

W USA, systemy podgrzewania, wentylacji i klimatyzacji (PWK) pokrywają 30% (4.65 EJ) energii używanej w komercjalnych budynkach i ok. 50% (10.1 EJ) energii używanej w budynkach mieszkalnych[23]. Technologie ogrzewania energią słoneczną, chłodzenia i wentylacji mogą być używane do zrekompensowania porcji tej energii.

Masa termiczna jest materiałem, który można stosować do magazynowania ciepła, a w przypadku energii słonecznej, do magazynowania ciepła pochodzącego z energii słońca. Do ogólnych materiałów masy termicznej zalicza się: kamienie, cement i wodę. W przeszłości stosowano je w klimatach suchych i regionach o wysokich temperaturach, aby utrzymać niższe temperatury w budynkach, które absorbowały one energię słoneczną podczas dnia i radiowały to magazynowane ciepło do atmosfery w nocy. Niemniej jednak można je stosować na obszarach o niższych temperaturach w celu utrzymania ciepła. Rozmiar i rozmieszczenie mas termalnych jest uzależnione od kilku czynników takich jak klimat, nasłonecznienie oraz zaciemnienie. Jeśli właściwie wykorzysta się masy termalne utrzymują one temperatury pomieszczeń w komfortowym zakresie i redukują potrzebę stosowania dodatkowego ogrzewania lub ochładzania[24].

Kominy termalne są pasywnym słonecznym systemem wentylacji, zbudowanym z szybu łączącego wnętrze budynku z jego zewnętrzną częścią. Kiedy kominy grzeją, podgrzane w środku powietrze wywołuje prąd wstępujący, który wyciąga powietrze przez budynek. Zastosowanie to można ulepszyć używając szyb i mas termalnych podobnie jak w szklarniach.

Drzewa i rośliny zrzucające liście sprzyjają regulacji ogrzewania słonecznego i chłodzenia. Jeśli są one zasadzone na południowej ścianie budynku ich liście absorbują od 30% do 50% padającej energii słonecznej[25]. W taki sposób można uzyskać balans między korzyścią letniego zaciemnienia i strat ciepła w zimie[26]. W ciepłych klimatach drzewa zrzucające liście nie powinny być sadzone na południowych ścianach budynków, ponieważ będą absorbować zbyt dużo słońca, którego zimą jest mniej. Jednakże mogą być one stosowane na wschodnich i zachodnich ścianach, gdyż wówczas dostarczają w lecie zaciemnienie, nie wpływając znacznie na absorbowanie przez budynki słońca zimą[27].

Gotowanie z wykorzystaniem energii słonecznej

Kuchenki słoneczne wykorzystują energię słoneczną w procesie gotowania, suszenia i pasteryzacji. Można je przyporządkować trzem kategoriom: kuchenki turystyczne, kuchenki płytowe i kuchenki z reflektorem[28]. Pierwszą najprostszą kuchenkę – kuchenkę turystyczną skonstruował Horace de Saussure w 1767 roku[29]. Podstawowa kuchenka turystyczna zawiera izolowany kontener z przejrzystą cieczą. Zazwyczaj osiąga ona temperaturę ok. 90–150 °C[30]. Kuchenki płytowe używają odbijającej płyty w celu skierowania promieni słonecznych do izolowanego kontenera i uzyskania temperatury zbliżonej do kuchenki turystycznej. Kuchenki z reflektorem wykorzystują różne koncentrujące elementy (naczynia, rynny, soczewki Fresnela), aby skoncentrować światło na kontenerze kuchenki. Takie kuchenki osiągają temperatury ok. 315 °C lub wyższe, lecz wymagają bezpośredniego światła, aby działać właściwie i muszą być zwrócone w kierunku słońca[31].

Talerze słoneczne stanowią technologię koncentracji energii słonecznej zastosowaną w kuchniach słonecznych w Auroville w Indiach, gdzie stacjonarny sferyczny reflektor skupia słońce wzdłuż linii prostopadle do sferycznej wewnętrznej przestrzeni, a komputerowy system kontrolny przesuwa odbiornik, aby przeciąć ta linię. W odbiorniku produkowana jest para przy temperaturze 150 °C, która wykorzystywana jest w procesach grzewczych w kuchni[32].

Reflektor stworzony w 1986 r. przez Wolfganga Schefflera jest stosowany w wielu kuchniach słonecznych. Reflektory Schefflera są ruchomymi parabolicznymi talerzami, które łączą aspekty rynny i urządzenia koncentrującego energię wieży zasilającej. Biegunowe urządzenie śledzące podąża za światłem dziennym, a krzywizna reflektora jest przystosowana do sezonowych zmian kąta padania promieni słonecznych. Takie reflektory mogą osiągać temperatury od 450 °C do 650 °C i mieć stały punkt koncentracji, który ułatwia gotowanie[33]. Największy na świecie system z reflektorem Schefflera w Abu Road, Rajasthan w Indiach nadaje się do gotowania ponad 3.500 potraw dziennie[34]. Od 2008 r. skonstruowano na świecie ponad 2.000 dużych kuchenek Schefflera[33].

Ciepło technologiczne

Technologie takie jak talerze paraboliczne, rynny i reflektory Schefflera mogą dostarczać ciepło technologiczne do zastosowań handlowych i przemysłowych. Pierwsze zastosowanie systemu handlowego to The Solar Total Energy Project (Ogólny Projekt Energii Słonecznej), który pojawił się w Shenandoah, w stanie Georgia w USA. Tam też 114 parabolicznych talerzy pokrywa 50% ciepła technologicznego, klimatyzację i zapotrzebowanie na energię elektryczną fabryki odzieżowej. Ten połączony siecią system kogeneracji dostarcza 400 kW energii elektrycznej i dodatkowo energię cieplną w formie 401 kW pary i 468 kW wody chłodzącej oraz posiada godzinę obciążenia szczytowego akumulowania ciepła[35].

Stawy do odcieków są płytkimi rozlewiskami, które gromadzą rozpuszczone w procesie parowania substancje stałe. Zastosowanie stawów do odcieków do uzyskiwania soli z wody morskiej jest jednym z najstarszych zastosowań energii słonecznej. Nowoczesne zastosowania obejmują roztwory solanki wykorzystywane w górnictwie solankowym oraz usuwaniu rozpuszczonych substancji stałych ze strumieni odpadów[36].

Sznury i wieszaki do wieszania bielizny suszą odzież na drodze parowania wody dzięki wiatrowi i promieniom słonecznym bez użycia prądu elektrycznego lub gazu. W niektórych stanach USA prawodawstwo zabezpiecza „prawo do suchej odzieży”[37].

Nieoszklone kolektory parowe są w formie dziurkowanych ścian zwróconych w stronę słońca i są stosowane do ogrzewania powietrza wentylacyjnego. Te kolektory mogą podnieść temperaturę napływającego powietrza do 22 °C i zabezpieczyć odpływ temperatury o wartości 45–60 °C[38]. Krótki okres zwrotu inwestycji w kolektory parowe (3–12 lat) czyni je korzystniejszą cenowo alternatywą niż oszklone systemy magazynujące[39]. Od 2003 r. zainstalowano na świecie ponad 80 systemów o powierzchni połączonych kolektorów wynoszącej 35 000 m², włączając kolektor o powierzchni 860 m² w Kostaryce wykorzystywany do suszenia ziaren kawy i kolektor 1300 m² w Coimbatore, w Indiach służący do suszenia nagietek ogrodowych.

Przypisy

  1. ↑ a b Schittich (2003), p. 14.
  2. ↑ Butti i Perlin (1981), p. 4, 159.
  3. ↑ Balcomb (1992).
  4. ↑ Rosenfeld, Arthur: Painting the Town White – and Green. Heat Island Group. [dostęp 2007-09-29]. [zarchiwizowane z tego adresu (2007-07-14)]. (ang.).
  5. ↑ Jeffrey C. Silvertooth: Row Spacing, Plant Population, and Yield Relationships. University of Arizona. (ang.).
  6. ↑ Kaul (2005), 169-174.
  7. ↑ Butti i Perlin (1981), 42-46.
  8. ↑ Bénard (1981), 347.
  9. ↑ Leon 2006, 62.
  10. ↑ „A Powerhouse Winery „, „Novus Vinum”; http://www.novusvinum.com/news/latest_news.html#gonzales; z dn. 26.11.2008.
  11. ↑ Butti i Perlin (1981), 19.
  12. ↑ Butti i Perlin (1981), 41.
  13. ↑ Tzempelikos (2007), 369.
  14. ↑ Apte, J. et al: Future Advanced Windows for Zero-Energy Homes. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  15. ↑ Muhs, Jeff: Design and Analysis of Hybrid Solar Lighting and Full-Spectrum Solar Energy Systems. Oak Ridge National Laboratory. (ang.).
  16. ↑ Myriam B.C. Aries; Guy R. Newsham. Effect of daylight saving time on lighting energy use: a literature review. „Energy Policy”. 36 (6), s. 1858–1866, 2008. DOI: 10.1016/j.enpol.2007.05.021. (ang.). 
  17. ↑ International Energy Agency, „Renewables for Heating and Cooling”, z dn. 26.11.2008.
  18. ↑ Weiss, Werner: Solar Heat Worldwide (Markets and Contributions to the Energy Supply 2005). International Energy Agency. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  19. ↑ Weiss, Werner: Solar Heat Worldwide – Markets and Contribution to the Energy Supply 2006. International Energy Agency. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  20. ↑ Renewables 2007 Global Status Report. Worldwatch Institute. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  21. ↑ Del Chiaro, Bernadette: Solar Water Heating (How California Can Reduce Its Dependence on Natural Gas). Environment California Research and Policy Center. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  22. ↑ Philibert, Cédric: The Present and Future use of Solar Thermal Energy as a Primary Source of Energy. International Energy Agency. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  23. ↑ Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems Volume III: Energy Savings Potential. United States Department of Energy. s. 2–2. (ang.).
  24. ↑ Mazria (1979), 29-35.
  25. ↑ Mazria (1979), 255.
  26. ↑ Balcomb (1992), 56.
  27. ↑ Balcomb (1992), 57.
  28. ↑ Anderson i Palkovic (1994), xi.
  29. ↑ Butti i Perlin (1981), 54-59.
  30. ↑ Anderson i Palkovic (1994), xii.
  31. ↑ Anderson i Palkovic (1994), xiii.
  32. ↑ The Solar Bowl. Auroville Universal Township. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  33. ↑ a b Scheffler-Reflector. Solare Bruecke. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  34. ↑ Solar Steam Cooking System. Gadhia Solar. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  35. ↑ Stine, W B and Harrigan, R W: Shenandoah Solar Total Energy Project. John Wiley. [zarchiwizowane z tego adresu]. (ang.).
  36. ↑ Bartlett (1998), 393-394.
  37. ↑ Thomson-Philbrook, Julia: Right to Dry Legislation in New England and Other States. Connecticut General Assembly. (ang.).
  38. ↑ Solar Buildings (Transpired Air Collectors – Ventilation Preheating). National Renewable Energy Laboratory. (ang.).
  39. ↑ Leon (2006), 62.

Bibliografia

  • Anderson, Lorraine: Cooking with Sunshine (The Complete Guide to Solar Cuisine with 150 Easy Sun-Cooked Recipes). Marlowe & Company, 1994. ISBN 1-56924-300-X. (ang.).
  • Balcomb, J. Douglas: Passive Solar Buildings. Massachusetts Institute of Technology, 1992. ISBN 0-262-02341-5. (ang.).
  • Bartlett, Robert: Solution Mining: Leaching and Fluid Recovery of Materials. Routledge, 1998. ISBN 90-5699-633-9. (ang.).
  • C. Bénard, D. Gobin, M. Gutierrez. Experimental Results of a Latent-Heat Solar-Roof, Used for Breeding Chickens. „Solar Energy”. 26 (4), s. 347–359, 1981. DOI: 10.1016/0038-092X(81)90181-X. (ang.). 
  • Butti, Ken: A Golden Thread (2500 Years of Solar Architecture and Technology). Van Nostrand Reinhold, 1981. ISBN 0-442-24005-8. (ang.).
  • Kaul Karan, Edith Greer, Michael Kasperbauer, Catherine Mahl. Row Orientation Affects Fruit Yield in Field-Grown Okra. „Journal of Sustainable Agriculture”. 17 (2/3), s. 169–174, 2001. DOI: 10.1300/J064v17n02_14. (ang.). 
  • M. Leon, S. Kumar. Mathematical modeling and thermal performance analysis of unglazed transpired solar collectors. „Solar Energy”. 81 (1), s. 62–75, 2007. DOI: 10.1016/j.solener.2006.06.017. (ang.). 
  • Mazria, Edward: The Passive Solar Energy Book. Rondale Press, 1979. ISBN 0-87857-238-4. (ang.).
  • Schittich, Christian: Solar Architecture (Strategies Visions Concepts). Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, 2003. ISBN 3-7643-0747-1. (ang.).
  • Athanassios Tzempelikos, Andreas K. Athienitis. The impact of shading design and control on building cooling and lighting demand. „Solar Energy”. 81 (3), s. 369–382, 2007. DOI: 10.1016/j.solener.2006.06.015. (ang.). 
Encyklopedia internetowa (energetyka słoneczna):