La arquitectura solar consiste en diseñar edificios para utilizar el calor y la luz del sol con el máximo beneficio y el mínimo inconveniente, y se refiere especialmente al aprovechamiento de la energía solar . Está relacionado con los campos de la óptica , la térmica , la electrónica y la ciencia de los materiales . Están involucradas estrategias tanto activas como pasivas .
El uso de módulos fotovoltaicos flexibles de película fina proporciona una integración fluida con los perfiles de acero del tejado , mejorando el diseño del edificio. Orientar un edificio hacia el sol, seleccionar materiales con una masa térmica favorable o propiedades de dispersión de la luz y diseñar espacios en los que el aire circule naturalmente también constituye arquitectura solar.
Las mejoras en la arquitectura solar se han visto limitadas 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 liviano pero robusto para aprovechar la energía solar y reducir el impacto de un edificio en el medio ambiente.
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 una gran escasez de madera para quemar se vieron obligados a buscar una nueva forma de calentar sus viviendas. [1] Con la necesidad como motivación, los griegos revolucionaron el diseño de sus ciudades. Comenzaron a utilizar materiales de construcción que absorbían la energía solar, principalmente piedra, y comenzaron a orientar los edificios para que miraran al sur. Estas revoluciones, junto con los voladizos que impedían el calor del sol del verano, crearon estructuras que requerían muy poca calefacción y refrigeración. Sócrates escribió: "En las casas que miran hacia el sur, el sol penetra por el pórtico en invierno, mientras que en verano el recorrido del sol pasa justo por encima de nuestras cabezas y por encima del tejado, de modo que hay sombra". [2]
A partir de ese momento, la mayoría de las civilizaciones han orientado sus estructuras para proporcionar sombra en verano y calefacción en invierno. Los romanos mejoraron el diseño de los griegos cubriendo las ventanas orientadas al sur con diferentes tipos de materiales transparentes. [1]
Otro ejemplo más sencillo de la arquitectura solar temprana son las viviendas trogloditas de 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 hogares estaban orientados hacia el sur con un voladizo para protegerlos del sol del mediodía durante los meses de verano y capturar la mayor cantidad de energía solar durante el verano. invierno como sea posible. [3]
La arquitectura solar activa implica el movimiento de calor y/o frío entre un medio de almacenamiento de calor temporal y un edificio, normalmente en respuesta a la solicitud de calor o frío de un termostato dentro del edificio. Si bien este principio parece 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 un lecho de roca con aire como medio de transferencia de calor, generalmente generaba moho tóxico en el lecho de roca que era arrastrado hacia las casas, junto con polvo y radón en algunos casos.
En 1954 se introdujo una encarnación más compleja y moderna de la arquitectura solar con la invención de la célula fotovoltaica por parte de 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 el punto de 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, una de las primeras casas del mundo alimentadas por energía solar.
A medida que las tecnologías fotovoltaicas siguen avanzando, la arquitectura solar se vuelve más fácil de lograr. En 1998, Guha Subhendu desarrolló tejas fotovoltaicas y recientemente [ ¿cuándo? ] una empresa llamada Oxford Photovoltaics ha desarrollado células solares de perovskita que son lo suficientemente delgadas como para incorporarlas en ventanas. [4] Aunque las ventanas aún no están escaladas a un tamaño que pueda aprovecharse a nivel comercial, la compañía cree que las perspectivas son prometedoras. [5]
Un invernadero mantiene el calor del sol. En un invernadero de doble acristalamiento se producen tres efectos: ninguna convección (bloqueo del aire), retención de rayos (el suelo absorbe un fotón, lo emite con energía infrarroja más baja 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 invierno, para cultivar plantas tropicales, como terrario para reptiles o insectos, o simplemente para disfrutar del aire fresco. Hay que ventilarlo, pero no demasiado, de lo contrario la convección hará que el interior esté más frío, perdiendo el efecto deseado. El invernadero se puede combinar con un acumulador de calor o una máscara opaca.
Los módulos fototérmicos convierten la luz solar en calor. Calientan fácilmente agua sanitaria hasta 80 °C (353 K). Se colocan de cara al soleado punto cardinal, en lugar de apuntar 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 analiza el uso de sistemas intermedios de calor solar, como tubos de vacío, parabólicos compuestos y cilindroparabólicos, ya que corresponden a necesidades intermedias específicas. Un cliente que quiera un sistema económico preferirá el fototérmico, que proporciona agua caliente a 80 °C (353 K) con una eficiencia del 70 al 85 %. Un cliente que desee altas temperaturas preferirá la parábola solar, que proporciona 200 °C (573 K) con una eficiencia del 70 al 85 %.
Los módulos fototérmicos de bricolaje son más baratos y pueden utilizar un tubo en espiral, con agua caliente proveniente del centro del módulo. Existen otras geometrías, como la serpentina o la cuadrangular.
Si se trata de un tejado plano, se puede colocar un espejo delante del módulo fototérmico para darle más luz solar.
El módulo fototérmico se ha popularizado en los países mediterráneos, siendo Grecia y España entre el 30 y el 40% de los hogares equipados con este sistema, pasando a formar parte del paisaje.
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 de las baldosas.
Una regla pragmática es colocar la superficie fotovoltaica orientada hacia el punto cardinal soleado, con un ángulo de latitud igual a la horizontal. Por ejemplo, si la casa está a 33° Sur, la superficie fotovoltaica debe mirar hacia el norte con 33° con respecto a la horizontal. De esta regla surge un estándar general de inclinación del tejado, que es la norma en la arquitectura solar.
El sistema de calor solar de agua más simple es colocar un tanque de almacenamiento de agua caliente hacia el sol y pintarlo de negro.
Un suelo grueso de roca 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.
En los sistemas fotovoltaicos autónomos (fuera de la red), las baterías se utilizan para almacenar el exceso de electricidad y entregarla cuando sea necesario durante la noche.
Los sistemas conectados a la red pueden utilizar almacenamiento entre estaciones gracias a la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo . También se está estudiando un método de almacenamiento innovador, el almacenamiento de energía en aire comprimido , que podría 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.
En las islas griegas las casas están pintadas de blanco para no absorber calor. Las paredes blancas recubiertas de cal y los tejados 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 interior más fresco.
En los países nórdicos ocurre lo contrario: las casas están pintadas de negro para absorber mejor el calor irradiado. El basalto es un material interesante porque es naturalmente negro y presenta una alta capacidad de almacenamiento térmico.
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 mediante módulos fotovoltaicos, calentando la casa a través del cristal translúcido.
El seguimiento requiere electrónica y automatización. Hay dos formas de hacerle saber al sistema dónde está el Sol: instrumental y teórica. El método instrumental utiliza captadores de luz para detectar la posición del Sol. El método teórico utiliza fórmulas astronómicas para conocer la ubicación del Sol. Uno o dos motores de eje harán que el sistema solar gire para mirar al Sol y captar más luz solar.
Un módulo fotovoltaico o fototérmico puede ganar más del 50% de la producción gracias a un sistema de seguimiento. [6]
A veces el calor sube demasiado, por lo que es posible que desee una sombra. El Heliodomo ha sido 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. [7]
Como mascarilla, cualquier material opaco está bien. Una cortina, un acantilado o un muro pueden ser máscaras solares. Si se coloca un árbol frondoso frente a un invernadero, puede ocultar el invernadero en verano y dejar entrar la luz del sol en invierno, cuando las hojas han caído. Las sombras no funcionarán igual según la temporada. Aprovechar el cambio estacional para obtener sombra en verano y luz en invierno es una regla general para una máscara solar.
Una chimenea solar es una chimenea de color exterior negro. 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 asciende, bombeando el aire del subsuelo, es decir, a 15 °C (288 K) todo el año. Este tradicional intercambiador aire-tierra se utilizaba para hacer que las casas fueran frescas en verano y templadas en invierno.
La chimenea solar se puede combinar con un badgir o una chimenea de leña para obtener un efecto más intenso.
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 situada en el tejado 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 funde. Abre la visión de una metalurgia futurista, utilizando una fuente de energía limpia y renovable.
Uno de los primeros grandes edificios comerciales que ejemplifica la arquitectura solar es el 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. [4] El Estadio Nacional de Kaohsiung, Taiwán , diseñado por el arquitecto japonés Toyo Ito , es una estructura en forma de dragón que cuenta con 8.844 paneles solares en su techo. [ cita necesaria ] Fue construido en 2009 para albergar los juegos mundiales de 2009. Construido íntegramente con materiales reciclados, es el estadio alimentado con energía solar más grande del mundo y suministra energía al vecindario circundante cuando no está en uso. El edificio del reloj de sol en China se construyó para simbolizar la necesidad de sustituir los combustibles fósiles por fuentes de energía renovables . El edificio tiene forma de abanico 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 está terminada, la Solar City Tower de Río de Janeiro es otro ejemplo de cómo podría ser la arquitectura solar en el futuro. Es una planta de energía que genera energía para la ciudad durante el día y al mismo tiempo bombea agua hasta la parte superior de la estructura. Por la noche, cuando no brilla el sol, el agua se liberará para que corra sobre turbinas que seguirán generando electricidad. Su presentación estaba prevista para los Juegos Olímpicos de Río 2016, aunque el proyecto aún se encuentra en fase de propuesta. [8] [ ¿ fuente poco confiable? ]
El uso de energía solar en arquitectura contribuye a un mundo de energía limpia y renovable. Esto es una inversión: el precio inicial es alto, pero después no hay casi nada que pagar. Por el contrario, las energías fósiles y fisionables son baratas al principio, pero cuestan enormes sumas a los seres humanos y a la naturaleza. Se calcula que la catástrofe de Fukushima ha costado a Japón 210 mil millones de dólares. [9] El calentamiento global ya ha sido una causa de extinción de especies.
Según un artículo en el sitio web de ECN titulado "Los arquitectos sólo 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 de Pero no piensan inmediatamente en utilizar un panel solar como material de construcción interesante. Todavía queda mucho por hacer". [10] 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 coste 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. [11] En el artículo, se dice que al ritmo actual, se necesitarían 10 años para amortizar un sistema promedio. Como un panel solar puede durar más de 20 años, [12] al final se convierte en un beneficio.