La energía solar es limpia y renovable.
La arquitectura solar consiste en diseñar edificios para aprovechar al máximo el calor y la luz del sol y minimizar sus inconvenientes, y se refiere especialmente al aprovechamiento de la energía solar . Está relacionada con los campos de la óptica , la térmica , la electrónica y la ciencia de los materiales . Se utilizan tanto estrategias activas como pasivas .
El uso de módulos fotovoltaicos flexibles de película delgada permite una integración fluida con los perfiles de acero de los tejados , lo que mejora el diseño del edificio. La orientación del edificio hacia el sol, la selección de materiales con propiedades favorables de masa térmica o de dispersión de la luz y el diseño de espacios en los que el aire circule de forma natural también constituyen arquitectura solar.
Las mejoras en la arquitectura solar se han visto limitadas por la rigidez y el peso de los paneles solares estándar. El desarrollo continuo de la energía solar fotovoltaica (PV) de película fina ha proporcionado un vehículo ligero pero robusto para aprovechar la energía solar y reducir el impacto de un edificio en el medio ambiente.
La idea de diseñar 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 , pero debido a una gran escasez de madera para quemar, se vieron obligados a encontrar 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 de manera que estuvieran orientados al sur. Estas revoluciones, junto con aleros que impedían el paso del ardiente 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 camino del sol está justo sobre nuestras cabezas y por encima del tejado, de modo que hay sombra". [2]
A partir de este momento, la mayoría de las civilizaciones orientaron 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. [1]
Otro ejemplo más simple de arquitectura solar temprana son las viviendas en cuevas de las regiones suroccidentales de Norteamérica. Al igual que los edificios griegos y romanos, los acantilados en los que los indígenas de esta región construían sus casas estaban orientados hacia el sur con un alero para protegerlos del sol del mediodía durante los meses de verano y captar la mayor cantidad posible de energía solar durante el invierno. [3]
La arquitectura solar activa implica el traslado de calor y/o frío entre un medio de almacenamiento de calor temporal y un edificio, normalmente en respuesta a la demanda de calor o frío de un termostato 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 lechos de roca con aire como medio de transferencia de calor, generalmente generaba moho tóxico en el lecho de roca que era arrastrado por el viento hacia las casas, junto con polvo y radón en algunos casos.
En 1954, Bell Labs introdujo una forma más compleja y moderna de arquitectura solar con la invención de la célula fotovoltaica . Las primeras células eran extremadamente ineficientes y, por lo tanto, no se utilizaban 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, que fue una de las primeras casas del mundo alimentadas con energía solar.
A medida que las tecnologías fotovoltaicas siguen avanzando, la arquitectura solar se hace 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 a escala de un tamaño que pueda aprovecharse a nivel comercial, la empresa cree que las perspectivas son prometedoras. [5]
Un invernadero retiene el calor del sol. En un invernadero con doble acristalamiento se producen tres efectos: no hay convección (bloqueo del aire), retención de 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 puede utilizarse para cultivar plantas en invierno, para cultivar plantas tropicales, como terrario para reptiles o insectos o simplemente para disfrutar del aire fresco. Debe estar ventilado, pero no demasiado, ya que la convección hará que el interior sea más frío y se pierda el efecto deseado. El invernadero puede combinarse con un acumulador de calor o una máscara opaca.
Los módulos fototérmicos convierten la luz solar en calor. Calientan fácilmente el agua de uso doméstico hasta 80 °C (353 K). Se colocan orientados hacia el punto cardinal soleado, en lugar de hacia el horizonte, para evitar el sobrecalentamiento en verano y el consumo de calorías en invierno. En un lugar con una inclinación de 45° al norte, el módulo debe estar orientado al sur y el ángulo con la horizontal debe ser de unos 70°.
Se analiza el uso de sistemas de calor solar intermedios, como tubos de vacío, parabólicos compuestos y cilindroparabólicos, 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 temperaturas altas preferirá la parábola solar, que proporciona 200 °C (573 K) con una eficiencia del 70-85%.
Los módulos fototérmicos de fabricación propia son más económicos y pueden utilizar un tubo en espiral, con agua caliente saliendo del centro del módulo. Existen otras geometrías, como la serpentina o la cuadrangular.
Si está en un techo 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, con Grecia y España contando con un 30-40% de viviendas equipadas 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 una eficiencia de hasta el 25%, pero son rígidos y no se pueden colocar fácilmente en curvas. Los módulos solares de película fina son flexibles, pero tienen una eficiencia y una vida útil menores.
Las tejas fotovoltaicas combinan lo útil con lo agradable proporcionando superficies fotovoltaicas similares a las de las tejas.
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° de latitud sur, la superficie fotovoltaica debe estar orientada hacia el norte con un ángulo de 33° de latitud con respecto a la horizontal. De esta regla se deriva un estándar general de ángulo de tejado, que es la norma en arquitectura solar.
El sistema de calentamiento solar de agua más simple es colocar un tanque de almacenamiento de agua caliente hacia el sol y pintarlo de negro.
Una capa gruesa 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), se utilizan baterías para almacenar el exceso de electricidad y entregarlo cuando se necesita durante la noche.
Los sistemas conectados a la red pueden utilizar el almacenamiento interestacional gracias a la energía hidroeléctrica de bombeo . También se está estudiando un método de almacenamiento innovador, el almacenamiento de energía mediante aire comprimido , que puede aplicarse a escala de una región o de una vivienda, ya 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 el calor. Las paredes blancas cubiertas 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 más fresco del interior.
En los países nórdicos, ocurre lo contrario: las casas se pintan de negro para absorber mejor el calor de la radiación. El basalto es un material interesante, ya que es naturalmente negro y presenta una gran capacidad de almacenamiento térmico.
Una parte o la totalidad de la casa puede seguir la trayectoria del Sol en el cielo para captar su luz. El Heliotropo , la primera casa de energía positiva del mundo, gira para captar la luz solar, convertida en electricidad mediante módulos fotovoltaicos, calentando la casa a través del cristal translúcido.
El seguimiento requiere electrónica y automatización. Hay dos formas de hacer 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 saber dónde se encuentra el 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 producción, gracias a un sistema de seguidores. [6]
A veces el calor es demasiado intenso y puede ser conveniente disponer de sombra. El heliodomo 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. [7]
Como máscara, cualquier material opaco es adecuado. 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 verano y dejar entrar la luz del sol en invierno, cuando las hojas hayan caído. Las sombras no funcionarán de la misma manera según la estación. 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 negro en el exterior. Se utilizaban en la antigüedad romana como sistema de ventilación. La superficie negra hace que la chimenea se caliente con la luz solar. El aire del interior se calienta y sube, bombeando el aire del subsuelo, que está a 15 °C (288 K) todo el año. Este intercambiador aire-suelo tradicional se utilizaba para que las casas fueran frescas en verano y suaves en invierno.
La chimenea solar se puede combinar con una badgir o una chimenea de leña para conseguir un efecto más fuerte.
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 puede utilizarse en la construcción industrial. El horno solar de Odeillo , una de las mayores parábolas solares del mundo, concentra la luz solar 10.000 veces y alcanza temperaturas superiores a los 3.200 K. Ningún material se le 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 ejemplifican 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 en Kaohsiung, Taiwán , diseñado por el arquitecto japonés Toyo Ito , es una estructura con forma de dragón que tiene 8.844 paneles solares en su techo. [ cita requerida ] Fue construido en 2009 para albergar los juegos mundiales de 2009. Construido completamente con materiales reciclados, es el estadio más grande del mundo alimentado con energía solar y alimenta el vecindario circundante cuando no está en uso. El Sundial Building en China fue construido para simbolizar la necesidad de reemplazar los combustibles fósiles con 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 todavía no está terminada, la Torre de la Ciudad Solar en Río de Janeiro es otro ejemplo de cómo podría ser la arquitectura solar en el futuro. Se trata de una planta eléctrica 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 el sol no brilla, el agua se liberará para que funcione sobre turbinas que seguirán generando electricidad. Su presentación estaba prevista para los Juegos Olímpicos de 2016 en Río, aunque el proyecto todavía está en la fase de propuesta. [8] [ ¿ Fuente poco fiable? ]
El uso de la energía solar en la arquitectura contribuye a un mundo de energía limpia y renovable. Es una inversión: el precio inicial es alto, pero después no hay que pagar casi nada. Por el contrario, las energías fósiles y fisionables son baratas al principio, pero cuestan enormes cantidades a los seres humanos y a la naturaleza. Se calcula que la catástrofe de Fukushima costó 210.000 millones de dólares a Japón. [9] El calentamiento global ya ha sido una de las causas de la extinción de especies.
Según un artículo publicado 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. Éstos son los desafíos que se plantean al arquitecto dentro del programa de requisitos del cliente. Pero no piensan inmediatamente en utilizar un panel solar como material de construcción interesante. Todavía queda mucho por lograr en este aspecto". [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 coste y su estética.
Otra crítica a la instalación de paneles solares es su costo inicial. Según energyinformative.org, el costo promedio de un sistema solar residencial es de entre $15,000 y $40,000 (USD), y aproximadamente $7 por vatio. [11] En el artículo, se dice que con los precios actuales, 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.