ソーラー建築

太陽エネルギーはクリーンかつ再生可能です。

ソーラー建築とは、太陽の熱と光を最大限に活用し、デメリットを最小限に抑えるように建物を設計することであり、特に太陽エネルギーの利用を指します。光学、熱工学、電子工学、材料科学の分野に関連しており、アクティブ戦略とパッシブ戦略の両方が関係しています。

フレキシブルな薄膜太陽光発電モジュールを使用すると、スチール屋根プロファイルとのスムーズな統合が可能になり、建物のデザインが向上します。建物を太陽に向け、熱質量や光分散特性に優れた材料を選択し、空気が自然に循環する空間を設計することも、ソーラー建築を構成します。

太陽光発電建築の改良は、標準的な太陽光発電パネルの剛性と重量によって制限されてきました。太陽光発電 (PV) 薄膜太陽電池の継続的な開発により、軽量でありながら堅牢な手段が提供され、太陽エネルギーを利用して建物の環境への影響を軽減できるようになりました。

パッシブソーラー建築設計の考え方は、紀元前5世紀頃にギリシャで初めて登場しました。その頃まで、ギリシャ人の主な燃料源は木炭でしたが、燃やす木材が大幅に不足したため、住居を暖める新しい方法を見つけざるを得ませんでした。^[1]必要性を動機として、ギリシャ人は都市の設計に革命を起こしました。彼らは太陽エネルギーを吸収する建築材料（主に石）を使用し始め、建物を南向きに向け始めました。これらの革命と、暑い夏の太陽を遮る張り出しが相まって、暖房や冷房をほとんど必要としない構造が生まれました。ソクラテスは、「南向きの家では、冬には太陽が柱廊を突き抜けますが、夏には太陽の道が頭上と屋根の上にあるため、日陰になります」と書いています。^[2]

この時点から、ほとんどの文明は、夏には日陰を作り、冬には暖房を提供するように建物を配置するようになりました。ローマ人はギリシャ人の設計を改良し、南向きの窓をさまざまな種類の透明な素材で覆いました。^[1]

初期の太陽建築のもう一つのより単純な例は、北アメリカ南西部の洞窟住居です。ギリシャやローマの建物と同様に、この地域の先住民が住居を建てた崖は南向きで張り出しがあり、夏の間は真昼の太陽を遮り、冬には太陽エネルギーをできるだけ多く取り込むことができました。^[3]

アクティブソーラー建築は、通常、建物内のサーモスタットの暖房または冷房の要求に応じて、一時的な蓄熱媒体と建物の間で熱や冷気を移動させます。この原理は理論上は便利に思えますが、重大な工学上の問題により、実際にはアクティブソーラー建築のほとんどが実現していません。アクティブソーラー建築の最も一般的な形式である、空気を熱伝達媒体とする岩盤蓄熱は、通常、岩盤で有毒なカビが生え、場合によってはほこりやラドンとともに家の中に吹き込まれます。

より複雑で現代的な太陽光発電システムは、1954年にベル研究所による太陽電池の発明によって導入されました。初期の太陽電池は極めて効率が悪かったため、広くは使用されていませんでしたが、長年にわたる政府と民間の研究により効率が向上し、今では実用的なエネルギー源となっています。

大学は、太陽エネルギーの考え方を取り入れた最初の建物の一つです。1973 年、デラウェア大学は世界初の太陽光発電住宅の一つである Solar One を建設しました。

太陽光発電技術が進歩するにつれ、太陽光発電建築の実現は容易になってきています。1998年にグハ・スベンドゥは太陽光発電屋根材を開発し、最近では^{[いつ? ]}オックスフォード・フォトボルタックスという会社が窓に組み込めるほど薄いペロブスカイト太陽電池を開発しました。^[4]窓はまだ商業レベルで利用できるサイズにはなっていませんが、同社は将来性があると考えています。^[5]

温室は太陽からの熱を遮断します。二重ガラスの温室では、対流がない（空気が遮断される）、光線が保持される（地面が光子を吸収し、低い赤外線エネルギーでそれを放出し、ガラスがこの赤外線を地面に反射する）、伝導がほとんどない（二重ガラス）という 3 つの効果があります。貧しい国の温室はプラスチックで作られているため、対流効果が最も重要なようです。

温室は、冬季の植物栽培、熱帯植物​​の栽培、爬虫類や昆虫の飼育容器として、または単に空気の快適さのために使用できます。換気は必要ですが、換気しすぎると対流によって内部が冷たくなり、望ましい効果が失われます。温室は、蓄熱装置または不透明マスクと組み合わせることができます。

光熱モジュールは太陽光を熱に変換します。家庭用水を簡単に 80 °C (353 K) まで加熱します。夏場の過熱を避けるため、太陽の光が当たる方角ではなく地平線に向け、冬場はより多くのカロリーを消費するように設置します。北緯 45 度の場所では、モジュールは南向きにし、水平に対する角度は約 70 度にする必要があります。

真空管、複合パラボリック、パラボリックトラフなどの中間太陽熱システムの使用は、特定の中間ニーズに対応するため、説明されています。安価なシステムを求める顧客は、効率 70～85% で 80 °C (353 K) のお湯を提供する光熱式を好むでしょう。高温を求める顧客は、効率 70～85% で 200 °C (573 K) を提供するソーラーパラボラを好むでしょう。

自分で作る光熱モジュールは安価で、螺旋状のパイプを使用して、モジュールの中央から温水が出てくるようにすることができます。蛇行状や四角形などの他の形状もあります。

平らな屋根の場合は、光熱モジュールの前に鏡を設置して、より多くの日光を当てることができます。

光熱モジュールは地中海諸国で人気が高まっており、ギリシャとスペインでは住宅の 30～40% にこのシステムが設置され、景観の一部になりつつあります。

太陽光発電モジュールは太陽光を電気に変換します。従来のシリコン太陽電池モジュールは最大 25% の効率がありますが、硬くて曲面には簡単に設置できません。薄膜太陽電池モジュールは柔軟性がありますが、効率と寿命は低くなります。

太陽光発電タイルは、タイル状の太陽光発電面を提供することで、利便性と快適性を兼ね備えています。

実用的なルールは、太陽光発電面を日当たりの良い方位に向け、水平に対して緯度と同じ角度で配置することです。たとえば、家が南 33 度にある場合、太陽光発電面は水平に対して 33 度で北を向く必要があります。このルールから、屋根の角度の一般的な基準が生まれ、それが太陽光発電建築の標準となります。

最もシンプルな太陽熱温水システムは、温水貯蔵タンクを太陽に向けて置き、黒く塗装することです。

温室の厚い岩の土台は、夜の間も熱を保ちます。岩は日中に熱を吸収し、夜に熱を放出します。水は一般的な物質の中で最高の熱容量を持ち、確かな価値を保ちます。

自律型（オフグリッド）太陽光発電システムでは、バッテリーを使用して余剰電力を蓄え、夜間に必要に応じて供給します。

送電網接続システムは、揚水式水力発電により季節間貯蔵を利用できます。革新的な貯蔵方法である圧縮空気エネルギー貯蔵も研究されており、洞窟やタンクを使用して圧縮空気を貯蔵するなど、地域または家庭規模で適用できる可能性があります。

ギリシャの島々では、家々は熱を吸収しないように白く塗られています。石灰で覆われた白い壁と青い屋根は、ギリシャの島々の伝統的なスタイルを特徴づけており、観光客にはその色彩が、住民には涼しい室内の空気が評価されています。

北欧諸国ではその逆で、家は放射熱をよりよく吸収するために黒く塗られています。玄武岩は天然の黒色で、高い蓄熱能力を発揮する興味深い素材です。

家の一部または全部が、太陽の軌道を追ってその光を捉えることができます。世界初のポジティブエネルギーハウスであるヘリオトロープは、太陽光を捉えるために回転し、太陽光発電モジュールによって電気に変換され、半透明のガラスを通して家を暖めます。

追跡には電子機器と自動装置が必要です。太陽の位置をシステムに知らせる方法は 2 つあります。機器による方法と理論による方法です。機器による方法では、光を捕らえて太陽の位置を検出します。理論による方法では、天文学の公式を使用して太陽の位置を知ります。1 軸または 2 軸のモーターによって太陽系が回転し、太陽の方を向いてより多くの太陽光を捉えます。

追跡システムのおかげで、太陽光発電モジュールや光熱発電モジュールは生産量を50％以上増加させることができます。^[6]

時には暑さが厳しくなりすぎるので、日陰が望まれることがあります。ヘリオドームは、夏には過熱を避けるために屋根が太陽を隠し、冬には日光が通るように建てられています。^[7]

マスクは不透明な素材であれば何でも構いません。カーテン、崖、壁なども太陽のマスクになります。温室の前に葉の茂った木を置けば、夏は温室を隠して、葉が落ちた冬には日光が差し込むようになります。影は季節によって同じようには機能しません。季節の変化を利用して夏は影を作り、冬は光を作るのが太陽のマスクの一般的なルールです。

ソーラー煙突は、外側が黒い煙突です。古代ローマでは換気システムとして使用されていました。煙突の表面が黒色であるため、太陽光で煙突が暖まります。内部の空気は暖かくなり、地下から空気を汲み上げて上昇します。地下の空気は年間を通じて 15 °C (288 K) です。この伝統的な空気地熱交換器は、夏は家を涼しく、冬は暖かくするために使用されました。

ソーラー煙突は、より強力な効果を得るために、バドギールまたは木製煙突と組み合わせることもできます。

ソーラーパラボラは、太陽光を集中させて高温にする放物面鏡です。オーロヴィルの共同キッチンでは、屋根にある大きなソーラーパラボラが調理用の熱源となります。

ソーラーパラボラは工業建築にも使用できます。世界最大級のソーラーパラボラの 1 つであるOdeillo 太陽炉は、太陽光を 10,000 倍に集光し、3,200 K を超える温度に達します。ダイヤモンドさえも溶けてしまうほど、いかなる素材も耐えられません。クリーンで再生可能なエネルギー源を使用した、未来の冶金学のビジョンを切り開きます。

太陽光発電建築の好例となった最初の大型商業ビルの一つが、ニューヨーク市のタイムズスクエア4号館である。37階から43階に太陽光発電パネルが組み込まれており、建設当時のどの超高層ビルよりもエネルギー効率の高い技術が取り入れられていた。^[4]日本の建築家伊東豊雄が設計した台湾の高雄にある国家体育場は龍の形をした構造で、屋上には8,844枚の太陽光発電パネルが設置されている。^[要出典] 2009年にワールドゲームズ2009の会場として建設された。完全にリサイクル材料で建設されたこのスタジアムは、世界最大の太陽光発電スタジアムであり、使用されていない時には周辺地域に電力を供給している。中国のサンダイアルビルは、化石燃料を再生可能エネルギー源に置き換える必要性を象徴するために建設された。この建物は扇のような形をしており、4,600平方メートル（50,000平方フィート）の太陽光発電パネルで覆われている。 2009年に世界最大の太陽光発電オフィスビルに認定されました。

まだ完成していないが、リオデジャネイロのソーラーシティタワーは、将来の太陽光発電建築がどのようなものになるかを示すもう一つの例である。これは、日中に都市のエネルギーを生成する発電所であり、同時に建物の上部に水を送り込む。夜、太陽が照っていないときには、水が放出され、タービンを通り、発電を続ける。このプロジェクトはまだ提案段階だが、2016年のリオオリンピックで公開される予定だった。 ^{[8] [信頼できない情報源? ]}

建築に太陽光発電を利用することは、クリーンで再生可能なエネルギーの世界に貢献します。これは投資です。最初の価格は高いですが、その後は支払う必要はほとんどありません。逆に、化石燃料や核分裂性エネルギーは最初は安価ですが、人間と自然に多大なコストがかかります。福島の大惨事は日本に2,100億ドルの損害を与えたと見積もられています。^[9]地球温暖化はすでに種の絶滅の原因となっています。

ECNのウェブサイトに掲載された「建築家は魅力的な建物を建てたいだけ」という記事によると、建築家の主な目的は「線、形、色、質感のある空間オブジェクトを創り出すこと」です。「これらは顧客の要求プログラムの中で建築家が直面する課題です。しかし、建築家はすぐには太陽光パネルを興味深い建築材料として使うことを考えません。この点では、まだ達成すべきことがたくさんあります。」^[10]記事では、太陽光パネルはコストと美観の点から、建築家にとって建築材料の第一選択肢ではないことが何度も述べられています。

ソーラーパネルの設置に対するもう一つの批判は、その初期費用です。energyinfomative.orgによると、住宅用ソーラーシステムの平均費用は15,000ドルから40,000ドル（米ドル）で、ワットあたり約7ドルです。^[11]記事では、今日のレートでは、平均的なシステムの費用を回収するには10年かかると述べています。ソーラーパネルは20年以上もつ可能性があるため、^[12]最終的には利益になります。

• 持続可能な建築
• 建物一体型太陽光発電
• 太陽熱集熱器
• ソーラークッカー
• ソーラー煙突