复杂气候条件下的建筑集成光伏
作者:Benjamin Yerick, DMA建筑学院的学生和实习生
特斯拉屋顶瓦片正在安装 维德尔 & 儿子 在DMA项目的屋顶上.
在过去的几十年, scientists and researchers have pursued a future that no longer depends on non-renewable energy sources; coal, 天然气, 几十年来，石油一直是我们的主要能源来源, 但由于它对我们的生态系统和健康的破坏性影响, 对清洁能源的需求持续增长. 可再生能源是一个日益增长的话题，在过去的几十年里，可持续技术得到了迅速发展. 从效率低下、不够可靠、无法取代现有能源的系统，到一种可能成为潜在替代品的技术形式，既环保，又能减少其他能源的有害影响. The development of this technology has sparked conversations of a net-zero/net-positive future; transitioning from a hypothetical concept to a potential reality for individuals, 社区, 甚至是那些渴望减少碳足迹的国家. 许多公司以清洁能源为目标追求技术, 甚至是永久融入我们社区的潜力.
这在杰克逊霍尔这样的山区很常见, Wyoming is inconsistency; can this technology replace previous forms of energy consistently over time? The thought of renewable energy has been nothing but a hypothetical concept due to the environmental conditions of the area; the mountainous terrain, 最小太阳增益, 全年不可预测的气候是一个主要问题. 多年来, the answer was always up in the air and unknown; but as technology has improved over time, 概念越变成现实. 建筑集成光伏(BIPV)已经成为一个更受讨论的想法，它允许设计师能够在不需要考虑投资和安装笨重设备的情况下创建建筑, 在电池生命周期后造成技术浪费的可见系统. 光伏电池已经发展成一种薄膜状的材料，几乎可以集成到任何东西上, 从屋顶瓦片到包层和遮阳系统. 因此，许多个人和公司已经开始投资BIPV系统. A well-known example has been 特斯拉; a company who advocates for cleaner alternatives for energy. 最广为人知的是他们的电动汽车, 特斯拉还致力于以替代能源为重点的研究，包括BIPV系统. 他们最成功的例子之一是他们的太阳能屋顶系统，已经安装了400多个,遍布美国的5000个家庭(特斯拉). 截至2022年5月, 特斯拉’s 3rd generation solar roofing system has officially been introduced to Teton County and has raised the question; is this technology reliable enough to replace current energy forms in complex climates?
假设是的, 在类似条件的地区，这种系统的例子并不多，但根据 维德尔 & 儿子 (2022), 曼哈顿特斯拉的认证屋顶安装工, 堪萨斯州和目前承包商第一次安装在提顿县, 这个系统足够可靠，即使没有自然光直接照射在集成的光伏电池上，也能持续产生能量. 人们普遍认为光伏发电需要直接获得太阳能，这并不一定是正确的. 多年来，这种技术在没有直接获得太阳能的情况下产生能量的效率不够高. 随着光伏技术的发展和效率的提高, 现在有可能将间接光/环境光转换成可用的能量. 光伏发电通过吸收太阳辐射产生的光子并将其转换为电流中的伏特来工作(NASA)。. 一旦吸收, 产生的电压作为直流(DC)送到逆变器，然后转换成交流电(AC)。, 然后将其作为可用能源应用于建筑物中. 所以只要光子停留在太阳辐射产生的电磁场中, 光伏电池可以以稍微不一致的速率将它们转化为可用的能量. 维德尔 & 儿子解释说，集成的光伏板根据屋顶的坡度和方向策略性地放置，以尽可能多地获取太阳能，最大限度地提高发电量，减少所需的电池数量. 这最大限度地减少了光伏电池和电池生命周期完成时产生的浪费, 拆除和更换面板的目的是防止像许多传统屋顶一样，在20-30年后需要一个全新的屋顶系统.
Other forms of technology have only reinforced this as a potential permanent replacement; smart technology or SMART (self-monitoring, 分析, and reporting technology) monitors energy usage with an artificial intelligence that compares data generated over time to use energy in the most efficient way possible; reducing wasted energy and minimizing total energy usage without the need for manual adjustments. 这也允许用户互动并了解他们的能源使用情况, 最终导致对节能的更好理解. 这项技术也可以用于传统能源, 但BIPV的好处是清洁能源. 所有的能量都有某种形式的浪费, 不可再生和可再生之间的区别在于废物产生的影响. 并非所有的太阳能增益都能成功转化为可用的能源, 导致一些能量以热能的形式被浪费掉(热能). 烧煤, 气体, 石油会释放有害的污染物，造成生态问题，每天都对个人产生影响. 从空气质量到可用的饮用水, 不可再生资源的影响造成了我们每天面临的许多问题. 净零和净正设计的理念是尽量减少不可再生能源并减少其影响, 而不是完全摆脱它. 向清洁能源的过渡减少了对石油的需求, 气体, 以矿石为基础的燃料资源是有限和有害的.
许多人普遍担心的是成本，这是合理的. 不是每个人都有钱投资这样的系统，也没有重要的例子证明这些系统可以产生足够的能量来支持这个地区的一栋建筑, 许多人不理会这个想法. 尽管这个论点有其道理, 重要的是了解能源是如何使用的，而不是了解所需的总能源. 如前所述，智能技术有助于最大限度地减少能源消耗. BIPV的好处是，大多数系统使用智能技术来减少能源浪费，并允许个人监控和跟踪他们的总使用量和总发电量. 特斯拉的屋顶系统使用一个用户友好的应用程序来监控个人使用的总能源和屋顶产生的电量. 这不仅节约能源, 它鼓励用户更加意识到他们正在使用的能源. 这将促使人们对生活方式做出健康的改变，以降低他们的能源账单，同时在家中保持舒适. 根据特斯拉的说法，该系统基本上可以收回成本. 不管系统产生多少能量, 个人每月为能源支付的总成本将大大减少. 正如之前提到的, the longevity of the roof will ultimately remove the need for a total replacement in the future; panels can be removed and replaced with ease.
结论, 随着人们越来越关注当前能源对全球气候的生态影响，太阳能在各种气候条件下越来越成为现实, 对于个人来说，考虑他们正在使用的能源类型并更加了解他们如何使用能源是很重要的. Building-integrated photovoltaics are vitally important when considering renewable energy; these systems increase awareness of energy consumption and promotes healthier lifestyles, 减少不可再生能源造成的有害污染物, 并防止每年造成大量浪费的非集成系统的技术浪费.
参考文献
光伏发电是如何工作的? (n.d.). 检索自NASA
特斯拉. (n.d.). 太阳能屋顶. 摘自特斯拉
维德尔,. (2022年5月23日). 维德尔总裁 & 儿子屋面. (B. Yerich官)
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