Солнечная архитектура: используем силу звезды
Ближайшая к Земле звезда, неисчерпаемый источник энергии, света, тепла… Все это сказано о Солнце – удивительном, незаменимом, фантастическом, у которого, между прочим, есть даже свой собственный праздник – Всемирный день Солнца, отмечаемый 3 мая по инициативе Европейского отделения Международного общества солнечной энергии.
Солнце во все века было незаменимым помощником архитекторов, которые сумели использовать эту незаурядную энергию на благо людям. Существует даже специальный термин «солнечная архитектура», обозначающий особый подход к возведению зданий, учитывающий возможности солнечной энергии. Но если раньше взаимодействие с солнцем сводилось в основном к тому, чтобы правильно ориентировать здание, выбрать материалы, накапливающие тепло или отражающие солнечные лучи, то сегодня мы в первую очередь говорим об активных технологиях, заставляющих солнце работать на человека. Подробнее об этом – в нашей статье, рассказывающей о сегодняшнем дне «солнечной архитектуры» и наиболее ярких примерах ее воплощения в жизнь.
Представьте себе энергию, которую излучают четыре триллиона лампочек мощностью 100 ватт. Именно такой поток энергии идет от Солнца на Землю ежесекундно. Не использовать такую мощную силу при сегодняшних технических возможностях было бы неразумно.
В нужное русло научили поворачивать власть солнца еще наши предки. Пассивная солнечная архитектура использовалась еще древними греками, которые строили дома, обращенные на юг, используя камень, долго сохраняющий тепло. Не отставали и древние римляне, которые применяли в окнах прозрачные материалы. А скандинавы использовали черный базальт, «притягивающий» солнечные лучи.
Сегодня же человек гораздо больше способен «потребовать» от Солнца. Наряду с теми принципами, которые веками учитывались при строительстве, настоящий прорыв в солнечной архитектуре связан с появлением в середине 1950-х первых солнечных батарей. А в начале 1970-х появились и первые в мире дома с солнечной батареей.
Теплицы и модули, солнечный трекер, солнечная маска и солнечная парабола – эти и другие элементы сегодня становятся частью возводимых строений. Так, например, солнечная парабола, концентрирующая солнечную энергию, способна обеспечить нагрев, достаточный для того, чтобы расплавить алмаз. В средиземноморских странах широкое распространение получили фототермические модули, за счет которых свет солнца «превращается» в тепло, нагревая воду. Солнечная маска адаптируется к изменениям температур: летом она дарит защиту от солнца, а зимой пропускает лучи.
Пожалуй, единственный недостаток солнечной архитектуры – высокая себестоимость подобных строений. Однако даже критики признают, что эти затраты со временем окупаются.
Расскажем о некоторых зданиях, построенных в разных частях света, которые сочетают как пассивные, так и активные технологии солнечной архитектуры.
В нем используются «солнечные кирпичи», которые защищают внутреннее пространство от солнечного излучения и накапливают информацию об использовании энергии в здании.
Kathleen Kilgour Centre, Tauranga by Wingate + Farquhar.
Своеобразная линия крыши, напоминающая зубчики пилы, оптимизирует эффективность солнечной батареи на крыше площадью 450 квадратных метров.
Дом в биоклиматической экспериментальной урбанизации Jose Luis Rodriguez Gil, Канарские острова.
Наклонная поверхность конструкции позволяет по максимуму использовать энергию солнца.
INES: Французский национальный институт солнечной энергии им. Мишеля Ремона + Agence Frederic Nicolas.
Минимум сорок процентов энергии здания – это использование мощности солнца
Южный Кентерберийский Дом архитектора Джаррода Мидгли.
Энергия для дома аккумулируется сразу несколькими способами, включая ветряные турбины и солнечные батареи.
Центр изучения природы и окружающей среды, Нидерланды, Бюро SLA.
Здание оснащено пассивной солнечной системой отопления и охлаждения, известной как стена Тромба – подобные конструкции представляют из себя стену, покрытую селективно-поглощающим материалом или окрашенную в черный цвет.
Школа Кэтлин Гримм, Стейтен Айленд от SOM.
Здание оснащено множеством солнечных батарей, которые вырабатывают энергию для школы.
Тайваньский национальный стадион от японского архитектора Тойо Ито, 2009 год.
Крыша стадиона в форме дракона площадью 14 155 квадратных метров покрыта впечатляющими 8 844 солнечными батареями.
Кампус института Масдар, Абу-Даби, от Foster + Partners.
Солнечное поле обеспечивает здание энергией, при этом «лишняя» энергия возвращается обратно в сеть Абу-Даби.
Научная пирамида ботанического сада Денвера от BURKETTDESIGN.
30 панелей шестиугольной формы имеют фотоэлектрические коллекторы, которые аккумулируют энергию для внутренних нужд.
Детский сад + E в Марбурге, Германия, OpusArchitekten.
Солнечные панели встроены в складной фасад и идеально выровнены, чтобы генерировать как можно больше энергии.
PIKO Wholefoods в Крайстчерче от Solarchitect Ltd.
Здание, при строительстве которого использовались солнечные и фотоэлектрические солнечные батареи.
Общеобразовательная школа Брэнсона, Калифорния, автор TurnbullGriffinHaesloop.
Навесы и окна с двойным остеклением с низким E-квадратом Solarban-60 повышают тепловую экономичность.
Здание SIEEB, Пекин, архитектор Марио Кусинелла.
Здание разработано так, чтобы по максимуму использовать пассивные солнечные возможности, и при этом оснащено самыми современными активными солнечными элементами.
Источник
Солнечные батареи в космическом пространстве
Более шестидесяти лет назад началась эра практической солнечной электроэнергетики. В 1954 году три американских ученых представили миру первые солнечные батареи, полученные на базе кремния. Перспективу получения бесплатной электроэнергии осознали очень быстро, и ведущие научные центры всего мира начали работать над созданием солнечных электроэнергетических установок. Первым «потребителем» солнечных батарей стала космическая отрасль. Именно здесь, как нигде более, нуждались в возобновляемых источниках энергии, так как бортовые батареи на спутниках довольно быстро исчерпывали свой ресурс.
И всего через четыре года солнечные батареи в космосе заступили на бессрочную трудовую вахту. В марте 1958 года США запустили спутник с солнечными батареями на борту. Менее чем через два месяца, 15 мая 1958 года, в Советском Союзе был выведен на эллиптическую орбиту вокруг Земли Спутник-3 с солнечными батареями на борту.
Первая отечественная солнечная электростанция в космосе
Кремниевые панели солнечных батарей были установлены на днище и в носовой части Спутника-3. Такое расположение позволило получать дополнительную электроэнергию практически непрерывно, независимо от положения спутника на орбите относительно солнца.
Третий искусственный спутник. Отчетливо видна солнечная батарея
Бортовые аккумуляторные батареи исчерпали свой ресурс за 20 дней, и 3 июня 1958 года большинство приборов, установленных на спутнике, были обесточены. Однако продолжали работать прибор для изучения излучения Солнца, радиопередатчик, отправляющий на землю получаемую информацию, радиомаяк. После истощения бортовых батарей эти устройства полностью перешли на питание от солнечных батарей. Радиомаяк работал практически тех пор, пока в 1960 году спутник не сгорел в атмосфере Земли.
Развитие отечественной космической фотоэнергетики
Об энергоснабжении космических аппаратов конструкторы задумывались еще на стадии проектирования самых первых ракет-носителей. Ведь в космосе батареи не заменить, значит, срок активной службы космического аппарата обусловлен только емкостью бортовых батарей. Первый и второй искусственные спутники земли были оснащены только бортовыми батареями, которые истощились через несколько недель работы. Начиная с третьего спутника, все последующие космические аппараты были оборудованы солнечными батареями.
Главным разработчиком и изготовителем космических солнечных электростанций было научно-производственное предприятие «Квант». Солнечные панели «Кванта» установлены практически на всех отечественных космических аппаратах. Вначале это были кремниевые солнечные батареи. Их мощность была ограничена как заданными размерами, так и весом. Но затем учеными «Кванта» были разработаны и изготовлены первые в мире солнечные батареи на основе совершенно нового полупроводника – арсенида галлия (GaAs).
Кроме того, были запущены в производство абсолютно новые гелиевые панели, которые не имели аналогов в мире. Этой новинкой стали высокоэффективные гелиевые панели на подложке, имеющей сетчатую или струнную структуру.
Гелиевые панели с сетчатой и струнной подложкой
Специально для установки на космических аппаратах с низкими орбитами были спроектированы и изготовлены кремниевые гелиевые панели с двусторонней чувствительностью. Например, для российского сегмента международной космической станции (космического аппарата «Звезда») были изготовлены панели на кремниевой основе с двусторонней чувствительностью, причем площадь одной панели составляла 72 м².
Солнечная батарея космического аппарата «Звезда»
Были также разработаны на базе аморфного кремния и запущены в производство гибкие солнечные батареи, имеющие прекрасные удельные весовые характеристики: при весе всего 400 г/м² эти батареи вырабатывали электроэнергию с показателем 220 Вт/кг.
Гибкая гелиевая батарея на базе аморфного кремния
Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, в большом объеме проводились наземные исследования и испытания, которые выявляли отрицательные воздействия Большого Космоса на гелиевые панели. Это позволило перейти к изготовлению солнечных батарей для космических аппаратов различных типов со сроком активной работы до 15 лет.
Космические аппараты миссии «Венера»
В ноябре 1965 года с интервалом в четыре дня к нашей ближайшей соседке – Венере – стартовали два космических аппарата – «Венера-2» и «Венера-3». Это были два абсолютно одинаковых космических зонда, основная задача которых состояла в посадке на Венеру. На обоих космических аппаратах были установлены солнечные батареи на основе арсенида галлия, которые хорошо зарекомендовали себя на предыдущих околоземных аппаратах. За время полета вся аппаратура обоих зондов работала бесперебойно. Со станцией «Венера-2» было проведено 26 сеансов связи, со станцией «Венера-3» ─ 63. Таким образом, была подтверждена высочайшая надежность солнечных батарей этого типа.
Из-за сбоев аппаратуры управления была потеряна связь с «Венерой-2», но станция «Венера-3» продолжала свой путь. В конце декабря 1965 по команде с Земли была произведена коррекция траектории, и 1 марта 1966 года станция достигла Венеры.
Станция «Венера-3»
Данные, полученные в результате полета этих двух станций, были учтены при подготовке новой миссии, и в июне 1967 года к Венере была запущена новая автоматическая станция «Венера-4». Так же, как и две ее предшественницы, она была оборудована арсенид-галлиевыми солнечными батареями общей площадью 2.4 м². Эти батареи поддерживали работу практически всей аппаратуры.
Станция «Венера-4». Внизу – спускаемый аппарат
18 октября 1967 года после отделения спускаемого аппарата и входа его в атмосферу Венеры станция продолжала свою работу на орбите, выполняя в том числе и роль ретранслятора сигналов с радиопередатчика спускаемого аппарата на Землю.
Космические аппараты миссии «Луна»
Солнечными батареями на базе арсенида галлия были «Луноход-1» и «Луноход-2». Солнечные батареи обоих аппаратов были смонтированы на откидывающихся крышках и служили верой и правдой весь срок работы. Причем на «Луноходе-1», программа и ресурс которого были рассчитаны на месяц работы, батареи проработали три месяца, втрое больше запланированного срока.
Луноход-1
«Луноход-2» проработал на поверхности Луны чуть более четырех месяцев, пройдя путь в 37 километров. Он мог бы работать еще, если бы не перегрев аппаратуры. Аппарат попал в свежий кратер с рыхлым грунтом. Долго буксовал, но в конце концов смог выбраться на задней передаче. Когда он выбирался из ямы, на крышку с солнечными панелями попало небольшое количество грунта. Для поддержания заданного теплового режима откинутые солнечные панели на ночь опускались на верхнее покрытие аппаратного отсека. После выхода из кратера при закрывании крышки грунт из нее попал на аппаратный отсек, став своеобразным теплоизолятором. Днем температура поднялась выше сотни градусов, аппаратура не выдержала и вышла из строя.
Луноход-2
Современные солнечные панели, изготовленные с применением самых современных нанотехнологий, с применением новых полупроводниковых материалов позволили достичь эффективности до 35% при значительном снижении веса. И эти новые гелиевые панели верой и правдой служат на всех аппаратах, отправляемых как на околоземные орбиты, так и в дальний космос.
Источник