Гибридное солнечное освещение

Это ещё одна технология, которая, возможно, будет способна пролить новый свет на жизнь города в будущем.

Днём и ночью здания поглощают энергию, по большей части, на искусственное освещение, затраты на которое эквивалентны такому количеству энергии, что производит в три раза больше углекислого газа, чем вся мировая авиация – освещение потребляет около 20 % мировой энергии.

Круглосуточно в офисах, фабриках, торговых пассажах включается электрическое освещение, в том числе и в дневное время, что является недопустимым расточительством. Основные причины неэффективности традиционных ламп накаливания в том, что они производят главным образом тепло. В действительности только 5 % мощности обычных лампочек преобразуются в свет, а остальные 95 % – потерянное тепло.

Современные коммерческие здания оснащены застеклёнными крышами, огромными окнами, но задёрнутыми шторами, закрывающими естественное освещение.

Возможно ли использовать солнечный свет для обеспечения естественного освещения в каждом тёмном уголке каждого здания всех мегаполисов? Солнечный свет, проникающий в окна – это вариант, но под неправильным углом он слепит, кроме того он не может проникать во внутренние помещения зданий.

Сконцентрировать солнечный свет и перенаправить лучи туда, где необходимо освещение, можно с помощью системы сферических зеркал, повёрнутых наиболее оптимальным образом. Солнечный коллектор – большое первичное зеркало предназначено для концентрации и передачи солнечных лучей на меньшее по размеру вторичное зеркало. Однако большинство зеркал производятся из стекла, а сферические очень дороги.

Ключ к решению – пластик. Пластиковые зеркала – дешёвая альтернатива, но проблема в том, что они плавятся. Задача – спроектировать солнечный коллектор, способный выдержать температуру 65 ºС, при этом он должен проработать не менее 20 лет, чтобы быть рентабельным.

В результате комбинации акриловых волокон с обычной пластмассой получается материал, который выдерживает высокие температуры – пластик, необходимый для изготовления солнечного коллектора.

Пластиковое зеркало стоит 100 $, в отличие от стеклянных аналогов, которые стоят 3500 $.

Пластиковое зеркало очень экономично концентрирует свет, но для эффективного функционирования оно должно быть весь день напролёт направлено к солнцу, то есть фокусироваться на движущейся цели.

Интеллектуальная часть этой технологии – следящая за солнцем система, которая потребляет энергии не больше, чем рождественская гирлянда, но невероятно точно определяет место нахождения солнца. GPS-модуль системы точно устанавливает своё местонахождения на планете в любое время суток. Используя эти данные, устройство вычисляет точный угол солнечных лучей и его высоту над горизонтом. Целый день небольшой двигатель удерживает тарелку на одном курсе с солнцем, всегда указывая непосредственно на него и собирая максимальное количество солнечного света.

Получив средство для концентрации света, нужно найти способ направить свет в глубину здания. Существует проверенная технология волоконной оптики, но пластиковое оптическое волокно плавится. Революционная концепция заключалась в избирательном накоплении света – нужны безвредные для пластика лучи. Система концентрирует видимый свет, а инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, приводящее к нагреванию и выцветанию, способное расплавить пластик отфильтровывается.

Оптическое волокно, которое используется в системе гибридного солнечного освещения, чрезвычайно гибкое, дёшево стоит и изготовлено из чистого акрила с последующим тефлоновым покрытием, что позволяет свету эффективно перемещаться по оптоволоконному кабелю от крупного искусственного источника к отдельным светильникам внутри помещения. По энергозатратам два таких маленьких оптоволоконных световых кабеля примерно эквивалентны лампочке в 60 Вт.

А что если солнце закрыто тучами? В системе используются фотосенсоры для отслеживания яркости внутри помещения, поэтому, по мере того как естественное освещение усиливается или ослабевает, искусственное автоматически уменьшается или увеличивается.

Эта новая технология называется гибридным солнечным освещением. Экономия энергии при использовании системы ГСО свыше 80 %.

Но важно отметить ещё более важный побочный эффект, касающийся здоровья человека, что несоизмеримо ни с какими экономическими показателями. Эксперимент, поставленный в одной из школ Лас Вегаса, однозначно доказал, что замена искусственного света на систему естественного освещения помогает сосредотачиваться на занятиях ученикам, страдающим дефицитом внимания (рис.4.35.).

Рисунок 4.35. Лабораторный прототип гибридной солнечной установки

Возможности гибридного солнечного освещения безграничны. Солнце может проникнуть в места, где обычно царит мрак. Представьте себе подвалы, автомобильные тоннели и станции метро, залитые натуральным солнечным светом.

Гибридное солнечное освещение очень привлекательная идея, позволяющая использовать природный свет, простая в использовании и обеспечивающая высококачественное освещение, но энергосбережение не слишком значительное. Статистические данные счётчика углекислого газа показывают, что сама по себе система ГСО уменьшила бы выбросы СО₂ крупного мегаполиса всего на 4 %.

Живая зелёная крыша

Современные города – это бетонные джунгли с асфальтовыми дорогами и бетонными зданиями, поглощающими тепло окружающей среды и обладающие собственным тепловым эффектом, который способствуют повышению температуры на планете. По оценкам специалистов, если не предпринять должных мер, к 2050 г. температура воздуха в крупных мегаполисах увеличится в среднем на 4 ºС.

Усугубляет положение эффект теплового купола над городами – одного из самых опасных явлений, вставших перед человечеством сегодня (рис.4.36.). Огромное пространство рукотворных строений в городах поглощает солнечное тепло и отдаёт его обратно в атмосферу. Узкие улицы и многоэтажки удерживают горячий воздух. Наши здания – гигантские радиаторы, поэтому температура в городах превышает температуру в окрестных сельских местностях на 10 и более градусов.

Рисунок 4.36. Эффект теплового купола

Почему за городом прохладнее? Когда солнечный свет попадает на растения, они потеют, выделяя испарения, как люди. Процесс выпаривания рассеивает огромное количество тепла от солнечного света, способствуя при этом охлаждению воздуха. Значит, засеянные поля всегда будут холоднее, чем городские кварталы из бетона.

Учёные Калифорнийской Академии Наук создали самую большую зелёную крышу в мире, предназначенную для борьбы с эффектом теплового купола в Сан-Франциско. Идея заключается в воспроизведении естественного цикла охлаждения пригородов в самом центре мегаполиса. Огромная крыша площадью больше гектара копирует 7 холмов Сан-Франциско (рис.4.37.).

Рисунок 4.37. Живая зелёная крыша Калифорнийской Академии Наук

Естественно, при осуществлении такого амбициозного проекта возникли дополнительные проблемы.

Во-первых, как удержать почву массой 1300 тонн на покатой крыше, расположенной под углом 60º ? Для этой цели были спроектированы специальные биологические поддоны. В качестве материала использовался один из самых крепких и универсальных материалов, известных человеку, кокосовая мочалка. Такие поддоны пропускает дождевую воду, позволяют корням переплетаться, при этом они достаточно прочны, чтобы удерживать почву и растения.

Во-вторых, как сделать так, чтобы здание не рухнуло под живой крышей весом в 1300 тонн? Решение выглядит следующим образом: первый слой – перекрытие крыши, потом слой полипропилена, слой изоляционного материала, снова полипропилен для защиты изоляции. Такая сложная многослойная система защищает здание.

В-третьих, чтобы выжить, растениям кроме света и тепла, предоставляемого солнцем, нужна влага. Зелёная крыша должна быть автономной, т.е. не требовать затрат на орошение. Простое, но эффективное решение – слой сот, собирающих все до единой капли дождевой воды. Здесь будет оседать избыток воды, доступной растениям. Еще один слой полипропилена предотвращает какое-либо попадание влаги в крышу.

Наконец, идея создания так называемых биоподдонов, специально разработанных под этот проект, заключается в следующем: падая с небес, дождевая вода подбирает незваного гостя – загрязнение в форме нитратов и фосфористых частиц. Большая часть этих токсичных веществ попадает на крыши, но в течение нескольких часов они просачиваются в подземные воды. В почве содержатся бактерии, которые перерабатывают токсичные вещества в питательные для растений. Зеленые крыши впитывают до 98 % дождевой воды.

Учёные отслеживают температуру воздуха на живой крыше, чтобы оценить её воздействие на эффект теплового купола. Результаты поражают: при средней дневной температуре 18 ºC температура на нормальной крыше подскакивает до 32 ºC, а на зелёной падает до 15 ºС. И всё это благодаря испарениям от растений.

Зелёные крыши – не новинка. Однако на обычной живой крыше жарко, очень сухо, нигде не увидишь ни насекомого, ни птички. Создание живой зелёной крыши кардинально преобразило всю крышу в лучшую сторону.

Огромные зеленые крыши могли бы существенно изменить температуру в городах и преобразовать горизонты. Засеяв лишь половину крыш мегаполиса, можно было бы получить ощутимый эффект, вплоть до снижения температуры на 7 ºС.

Правда, эффект снижения выбросов СО₂ не велик – всего 4 %. Столько же, что и при использовании технологии смешанного солнечного освещения, но с существенным отставанием от аэрогеля.