Arquitectura solar

Un invernadero aísla del calor solar. En un invernadero con doble acristalamiento , se producen tres efectos: ausencia de 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 escasa conducción (doble acristalamiento). Al parecer, el efecto de convección es el más importante, ya que los invernaderos en países pobres están hechos de plástico.

El invernadero puede utilizarse para cultivar plantas en invierno, plantas tropicales, como terrario para reptiles o insectos, o simplemente para mejorar el confort térmico. Debe estar ventilado, pero no en exceso, ya que la convección enfriará el interior y se perderá el efecto deseado. El invernadero puede combinarse con un sistema de almacenamiento de calor o una cubierta opaca.

Los módulos fototérmicos convierten la luz solar en calor. Calientan fácilmente el agua sanitaria a 80  °C (353  K). Se colocan orientados hacia el punto cardinal soleado, apuntando hacia el horizonte para evitar el sobrecalentamiento en verano, y absorben más calor en invierno. En una zona con latitud de 45° Norte, el módulo debe estar orientado hacia el sur y con un ángulo de inclinación de aproximadamente 70° con respecto a la horizontal.

Se analiza el uso de sistemas intermedios de calefacción solar, como tubos de vacío, colectores parabólicos compuestos y colectores parabólicos de canal , ya que responden a necesidades intermedias específicas. Un cliente que busca un sistema económico preferirá el fototérmico, que proporciona agua caliente a 80  °C (353  K) con una eficiencia del 70-85 %. Un cliente que requiere altas temperaturas preferirá el colector solar parabólico, que proporciona 200  °C (573  K) con una eficiencia del 70-85 %.

Los módulos fototérmicos de fabricación propia son más económicos y pueden utilizar una tubería 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 que reciba más luz solar.

El módulo fototérmico se ha popularizado en los países mediterráneos; en Grecia y España, entre el 30% y el 40% de los hogares están equipados con este sistema, que se ha convertido en parte del paisaje.

Los módulos fotovoltaicos convierten la luz solar en electricidad. Los módulos solares clásicos de silicio alcanzan una eficiencia de hasta el 25%, pero son rígidos y no se adaptan fácilmente a superficies 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 al proporcionar superficies fotovoltaicas con apariencia de baldosa.

Una regla práctica consiste en orientar la superficie fotovoltaica hacia el punto cardinal soleado, formando un ángulo igual a la latitud con la horizontal. Por ejemplo, si la casa está a 33° Sur, la superficie fotovoltaica debe estar orientada hacia el norte con un ángulo de 33° con la horizontal. De esta regla surge un estándar general para el ángulo del tejado, que es la norma en la arquitectura solar.

El sistema más sencillo para calentar agua mediante energía solar consiste en colocar un depósito de agua caliente orientado hacia el sol y pintarlo de negro.

Una gruesa capa de roca en un invernadero retendrá algo de calor durante la noche. La roca absorberá calor durante el día y lo emitirá durante la noche. El agua tiene la mayor capacidad térmica útil entre los materiales comunes.

En los sistemas fotovoltaicos autónomos (fuera de la red eléctrica), las baterías se utilizan para almacenar el exceso de electricidad y suministrarla cuando sea necesario durante la noche.

Los sistemas conectados a la red eléctrica pueden aprovechar el almacenamiento interanual 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 regional o doméstica, ya sea utilizando una cueva o un tanque para almacenar el aire comprimido.

En las islas griegas, las casas se pintan de blanco para evitar que absorban el calor. Las paredes blancas cubiertas de cal y los techos azules hacen que el estilo tradicional de las islas griegas sea apreciado tanto por los turistas por sus colores como por los habitantes por el aire fresco que se consigue en el interior.

En los países nórdicos ocurre lo contrario: las casas se pintan de negro para absorber mejor el calor de la radiación solar. El basalto es un material interesante, ya que es naturalmente negro y presenta una alta capacidad de almacenamiento térmico.

Parte o la totalidad de la casa puede seguir el recorrido 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, que se convierte en electricidad mediante módulos fotovoltaicos, calentando la casa a través del vidrio translúcido.

El seguimiento requiere electrónica y automatización. Existen dos maneras de indicar al sistema la posición del Sol: instrumental y teórica. El método instrumental utiliza sensores de luz para detectar la posición del Sol. El método teórico emplea fórmulas astronómicas para determinar su ubicación. Motores de uno o dos ejes harán que el sistema solar gire para orientarse hacia el Sol y captar así una mayor cantidad de su luz.

Un módulo fotovoltaico o fototérmico puede obtener más del 50% de la producción, gracias a un sistema de seguimiento. ^{[ 6 ]}

A veces el calor es demasiado intenso, por lo que puede ser deseable tener sombra. El Heliodomo se construyó de tal manera que el techo oculta el sol en verano para evitar el sobrecalentamiento y permite el paso de la luz solar en invierno. ^{[ 7 ]}

Como máscara, cualquier material opaco sirve. Una cortina, un acantilado o una pared pueden funcionar como máscaras solares. Si se coloca un árbol frondoso frente a un invernadero, este puede ocultarlo en verano y permitir el paso de la luz solar en invierno, cuando las hojas han caído. Las sombras no se comportarán igual 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 permite que la chimenea se caliente con la luz del sol. El aire del interior se calienta y asciende, bombeando aire del subsuelo, que se mantiene a 15  °C (288  K) durante todo el año. Este intercambiador aire-tierra tradicional se utilizaba para mantener las casas frescas en verano y templadas en invierno.

La chimenea solar puede combinarse con un badgir o una chimenea de leña para obtener un efecto más potente.

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 parábolas solares más grandes del mundo, concentra la luz solar 10 000 veces y alcanza temperaturas superiores a los 3200 K. Ningún material se resiste, ni siquiera el diamante se funde. Abre la puerta a una metalurgia futurista, que utiliza una fuente de energía limpia y renovable.