Умные материалы XXI века. Искусственный текстиль решает энергетические проблемы в архитектуре и ландшафтном дизайне

В эссе Marie O’Mahony об «умных материалах» в разделе дизайна и архитектуры в книге «Техноткани 2: Революционные материалы для индустрии моды и дизайна» приводятся примеры инновационных натяжных структур и воздухоопорных пневматических сооружений со всего мира и повествуется о специалистах по таким материалам, как система ETFE (этилен тетрафторэтилена), использованная компанией Николаса Гримшоу для оранжерей-биомов по проекту «Райского сада» (Eden Project) в Корнуолле, Англия. Но упущением будет акцентирование внимания лишь на потенциале таких материалов в ущерб многим другим задачам, ведь они не только могут обеспечить укрытие и тень, но и фактически становятся источниками энергии. Фотоэлектрические (PV, или фотовольтаика) технологии c использованием тонких пленок или покрытий, применяемые в материалах, которые способны преобразовывать солнечную энергию в электрическую, обладают огромным потенциалом. Используя самый устойчивый источник энергии на земле – солнце – самые «умные материалы» 21 века будут снижать наше увлечение углеродным топливом.

Виды искусственного текстиля:

ETFE (этилен тетрафторэтилена): Прозрачные пленки, состоящие из чередующихся мономеров этилена и тетрафторэтилена. В многослойном виде используются для создания «подушек», наполненных воздухом, обладающим изоляционными свойствами. Имеют высокую пропускную способность для ультрафиолета и устойчивы к внешнему атмосферному воздействию. Рабочая температура варьирует в широких пределах от -200°С до +150°С. Прочные на разрыв.

Геотекстили: Водопроницаемые материалы из полимерного волокна, такого как полипропилен, полиамид или полиэстер. Тканые формы обеспечивают расслоение грунта, а нетканые геосинтетики с отверстиями используют для укрепления вертикальных почвенных стен и крутых склонов, для контроля эрозии почв и в строительстве зеленых крыш.

Геомембраны: Водонепроницаемые материалы в виде прессованных листов из бутилкаучука, хлорированного полиэтилена, прорезиненного полиолефина или поливинилхлорида. Используются в качестве прокладок для систем удаления сточных вод и мембран при устройстве зеленых крыш.

PV (фотовольтаика): Полупроводниковые материалы в виде рулонов, пленок, покрытий или твердых панелей из чередующихся слоев кремния, на пластиковой или стеклянной подложке, которые под воздействием солнечного света создают электрическое поле и постоянный ток. Рулоны, пленки, покрытия соединяются и используются в качестве наружных материалов.

СПРАВКА. Натяжные структуры – это конструкции из элементов, поддерживаемых только напряжением, без сжатия или изгиба. Такие конструкции, которые еще называют висячие перекрытия и мембраны-перекрытия, ввел в мировую архитектуру русский инженер Владимир Шухов в 1895 г.

Дизайнеры творчески применяют ETFE и фотоэлектрические технологии

Искусственный текстиль решает много архитектурных и ландшафтных проблем, но он также может иметь отношение к энергетическим проблемам. Николас Гримшоу с коллегами по проекту «Райского сада» (Eden Project) демонстрируют и энергоэффективность, и возможность генерировать энергию на месте. Eden Project — самый большой ботанический сад в мире, который при финансовой поддержке лотереи Millennium Commission был открыт в марте 2001 г. на месте бывшего карьера по добыче глины, к юго-западу от Лондона. Три оранжереи, содержащие биомы из влажных и сухих областей тропиков, а также теплого умеренного пояса, сконструированы с помощью рам из оцинкованных трубчатых стальных шестиугольников, затянутых трехслойной энергоэффективной фольгой из ETFE. Воздух формирует изоляционную подушку между слоями, а компьютеризированная система вентилирует и нагревает эти биомы. Продолжая миссию этого учреждения строить самым легким, наиболее экологичным способом, Центр Образования и Ресурсов («Ядро»), появившийся в 2005 г., демонстрирует фотовольтаику, интегрированную в здание. Солнечные батареи на поверхности крыши, установленные компанией Solarcentury (Лондон), выстроены в спиральных конфигурациях, обнаруженных у организмов, как в семенной корзинке подсолнечника, и включают твердые фотоэлектрические батареи производства компаний Sharp и Kyocera. Jeremy Leggett, генеральный директор компании Solarcentury и автор книги «Углеродная война: Глобальное Потепление и конец Нефтяной Эры», предсказывает, что такая установка ежегодно будет вырабатывать 20000 кВт/ч и сохранять около 9 тонн CO2.

«Под Солнцем: Выставка Света на открытом воздухе» в 1998 г. в Музее дизайна Купер-Хьюитт в Вашингтоне была одной из первых презентаций американской публике о потенциале архитектуры натяжных структур, преобразующих солнечную энергию, с использованием фотоэлектрической технологии. Архитектор Nick Goldsmith из конструкторской студии FTL в Нью-Йорке сотрудничал с компанией Iowa Thin Film Technologies Inc. (Амес, штат Айова), одним из первых лидеров в промышленности по созданию параболоидной натяжной структуры с применением солнечных батарей для этой путешествующей выставки. Известная теперь как PowerFilm Inc., эта компания была создана в 1988 г д-ром Frank Jeffrey и д-ром Derrick Grimmer, оба в прошлом физики-исследователи из компании 3М. PowerFilm Inc. разрабатывает и производит тонкие, гибкие солнечные батареи, выпускаемые в рулонах, которые при соединении с архитектурным материалом добавляют энергии натяжным структурам, таким как навесы, крытые площадки для прогулок, спортивные стадионы, аэропорты и конференц-центры.

PowerFilm Inc. заключила контракт с Конструкторской студией FTL и Eureka Tents из Johnson Outdoors на производство серии полевых укрытий с интегрированной солнечной энергией для американских войск. Военные укрытия на солнечных батареях разных размеров и форм обеспечивают от 1 кВт до 190 Вт солнечной энергии для перезарядки батарей, которая используется на освещение, медицинское охлаждение, для полевых радиостанций связи, спутниковых телефонов, портативных компьютеров и спутниковых систем навигации (GPS). В будущем возможно коммерческое, невоенное применение, включая обеспечение укрытия как помощь во время чрезвычайных бедствий и использование в отдаленных местностях. 

Другие дизайнеры, применяющие фотоэлектрические технологии: Shelia Kennedy и Franco Violich из компании Kennedy and Violich Architecture, Бостон. Управляемый дизайнерскими исследованиями, технологическими разработками и общественной деятельностью их проект «Светящаяся ткань» (Portable Light Project) ставит целью обеспечить устойчивые технологии в развивающихся странах. Kennedy и Violich создали серию опытных образцов вместе с факультетом дизайна и студентами Мичиганского университета для портативных, складывающихся конструкций на солнечных батареях, которые можно носить на теле. Опытные образцы портативной рубашки и портативной наплечной сумки объединяются способностью производить фотоэлектрическую энергию с твердотельным светодиодным освещением. Гибкие солнечные коллекторы собирают энергию, которая хранится в двух легких литиевых батареях. При 4 часах зарядки эти устройства обеспечивают 2,5 часа освещения при световом потоке 160 люмен. Эти устройства разработаны для кочевников племени Уичоли, живущих в горах Сьерра-Мадре в Мексике, у которых есть традиция ткачества (женщины сами могут вплетать в ткань источники света) и которые путешествуют ночью.

Художник Brad Goldberg из Далласа разработал серию световых скульптур на солнечных батареях для освещения въезда на территорию комплекса исследований и разработок Symantec в Лос-Анджелесе. Фотоэлектрические установки закреплены на прочных колоннах из белого мрамора высотой 5,5 м и диаметром 0,84 м, на вершине которых горизонтально расположены легкие трубы, высеченные из полупрозрачного белого мрамора. Внутренние осветительные элементы заставляют камень испускать люминесцентное свечение. Это художественное изобретение установлено в 2007 г.

Фотоэлектрические батареи используются в штатах американского юго-запада, так называемого «солнечного пояса», с середины 90-х г.г. для энергоснабжения коммерческих нефтяных и газовых насосных станций и применяются в масштабе всей страны дорожными службами для переносных знаков. В Англии солнечные батареи освещают автобусные остановкии оплачиваются рекламодателями и налогами на солнечную энергию, которые общеприняты в Европе. Использование солнца в качестве альтернативного источника энергии также привлекательно для развивающихся стран Южной Африки, которые не имеют природных ресурсов или торговых партнеров по поставке других видов топлива.

Индустрия солнечной энергетики в США наращивается

Коммерческое крупносерийное производство солнечных элементов, особенно твердых кристаллических панелей, теперь ограничено доступностью поликристаллического кремния, потому последний также является ключевым компонентом для компьютерной отрасли. Спрос на поликристаллический кремний больше, чем его запасы, поэтому лидеры в индустрии солнечной энергетики состязаются в поиске заменителей. Эти усилия могут быть поддержаны Министерством энергетики США, которое объявило в июне 2006 г. о поощрении в 170 миллионов (предмет ассигнований Конгресса) для государственно-частных компаний, стремясь всесторонне развивать энергетические ресурсы страны, чтобы продвинуть солнечные технологии. Это стимулирование ставит целью снижение стоимости систем солнечной энергии, чтобы сделать их доступными для общества к 2010 г. Доступ к фондам был открыт для проектов, которые делают много технологических усовершенствований фотовольтаической системы и дизайна компонентов, таких как разработка альтернативы поликремнию.

PowerFilm Inc. уже использует патентованный низкозатратный производственный процесс с применением аморфного кремния для своих солнечных батарей Power-Film® во избежание зависимости от рынка кремниевых пластин. Компания DayStar Technologies в городе Halfmoon (Нью-Йорк) производит солнечные батареи CIGS (на основе диселенида меди – индия – галлия, сокращенно CIGS), которые размещаются на гибкой титановой фольге, при использовании производственных процессов, заимствованных у индустрии компьютерных технологий. Компания DayStar Technologies была создана в 1997 г. д-ром John Tuttle после 11-летнего пребывания его в лаборатории возобновляемой энергии при Министерстве энергетики США, где он работал над технологией CIGS. В качестве альтернативы кремниевым батареям солнечные батареи Terra-Foil™ производства компании DayStar имеют потенциал в снижении производственных затрат и поэтому снимают текущие проблемы по внедрению технологий солнечной энергетики. К 2008 г. эта компания наработала рентабельную производственную базу. 

Новые фотовольтаические технологии уже на горизонте. Компания Konarka Technologies в городе Lowell штата Массачусетс, созданная в 2001 г. на волне ультрасовременных исследований под руководством Daniel Patrick McGahn, изобрела фотовольтаическую нанотехнологию для производства материала со свойствами, характерными для чернил, но с частицами, которые в 1000 раз меньше диаметра человеческого волоса. Этот материал поглощает свет и испускает электричество особенно эффективно благодаря мелкому размеру частиц, у которых воздействию солнечного света подвергается большая площадь поверхности, и они также используют более широкий световой спектр, чем обычные солнечные батареи, потому что все видимые источники света, не только солнечного, могут быть использованы для выработки энергии. Этот чернильный материал, названный Power Plastic, можно покрывать любым цветом или рисунком и наносить на целый ряд тканей, наделяя последние способностью к производству энергии. В 2005 году Konarka вступила в соглашения с Leonard Kurz GmbH & Co. KG, в Фурте (Германия), чтобы вывести Power Plastic за пределы лаборатории и разработать его производство, а также с Textronics Inc., в Вилмингтоне штата Делавэр, чтобы изобрести пригодные источники энергии для персональных электронных устройств.  

Как работает фотовольтаика

Фотоэлектрический эффект – это основной физический процесс, при котором фотовольтаический элемент преобразует солнечный свет в электрический постоянный ток. PV батарея имеет два слоя отличающихся кремниевых полупроводниковых материалов, контактирующих друг с другом. Один слой (n-тип) содержит избыток электронов с отрицательным зарядом, а другой (p-тип) – имеет много положительно заряженных дырок. Чередуя эти слои, получают p-n-переход, или электрическое поле, поскольку электроны движутся по направлению к отрицательной пластине, где они становятся свободными для электрической цепи.

ETFE и фотовольтаика имеют нереализованные широкие области применения. При продуктивном сотрудничестве между дизайнерами, художниками и лидерами в области индустрии солнечной энергетики, а также монтажниками этих систем, при открытии доступных альтернатив использованию поликремния в производстве солнечных батарей и при развитии осуществимых производственных процессов, а также при стимулировании со стороны правительств индустрия солнечной энергии готова предоставить действительные решения предстоящего глобального энергетического кризиса.

Текст Regina M. Flanagan (г. Сент-Пол, штат Миннесота)

По материалам журнала «Fabric Architecture» сентябрь/октябрь 2006 г.

Перевод Елена Михаленко

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.