Технологии сбора энергии для устойчивого строительства

Технологии сбора энергии для устойчивого строительства

По мере того, как глобальные строительные и недвижимые сектора ускоряются к нулевым целям, технологии сбора энергии перешли от экспериментальных концепций к практическим строительным компонентам. Эти системы захватывают энергию окружающей среды из окружающей среды - например, солнечный свет, тепло, вибрации и электромагнитные волны - и преобразуют ее в полезную электрическую энергию. Таким образом, они уменьшают зависимость от сетевой электроэнергии, снижают эксплуатационные расходы и уменьшают углеродные следы, не жертвуя комфортом жильцов или функциональностью здания.

Интеграция сбора энергии в строительные операции поддерживает более интеллектуальные, более автономные системы. Датчики, исполнительные механизмы, элементы управления освещением и даже компоненты HVAC могут питаться от собранной энергии, что позволяет осуществлять постоянный мониторинг и оптимизацию с минимальным внешним потреблением энергии. Для руководителей объектов и сотрудников по устойчивому развитию это представляет собой убедительный путь к достижению энергетических кодов, таких как сертификация ASHRAE 90.1 или LEED, в то время как инфраструктура защиты от роста коммунальных тарифов в будущем.

Понимание принципов сбора энергии

Уборка энергии, также известная как поглощение энергии, зависит от преобразователей, которые преобразуют одну форму окружающей энергии в электричество. Количество вырабатываемой энергии обычно невелико - от микроватт до милливатт - но достаточно для электроники с низким энергопотреблением и беспроводных сенсорных сетей. Достижения в микроконтроллерах сверхнизкой мощности и протоколах связи, таких как Bluetooth Low Energy (BLE), LoRaWAN и Zigbee Green Power, сделали возможным развертывание самоподдерживающихся устройств по всему зданию.

Ключевые факторы, влияющие на эффективность сбора урожая, включают плотность энергии, доступность с течением времени и эффективность устройства преобразования. Например, фотоэлектрические элементы в помещении собирают окружающий свет при значительно более низком освещении, чем наружные солнечные панели, требуя различных химических элементов ячеек (например, сенсибилизированных красителем или аморфного кремния). Аналогичным образом, вибрационные комбайны должны быть настроены на доминирующие частоты, присутствующие в здании - обычно 50-200 Гц от систем HVAC, лифтов или пешеходного движения.

Как энергосбережение способствует строительным операциям

Большая часть энергопотребления здания связана с освещением, HVAC и заглушками. Уборка энергии не может непосредственно заменить мощное оборудование, но она превосходит возможности систем мониторинга и управления, которые снижают общий спрос. Самоуправляемый термостат, например, регулирует заданные точки на основе заполняемости и температуры без привлечения батареи или мощности линии. Над тысячами устройств в большом коммерческом здании эти сбережения накапливаются значительно.

Кроме того, сбор энергии поддерживает техническое обслуживание на основе условий. Вибрационные комбайны, установленные на насосах или вентиляторах, могут как датчики питания, так и предоставлять данные о здоровье оборудования. Это уменьшает время простоя и потери энергии, вызванные плохо работающими машинами. Технология становится фактором для более широкой экосистемы умного здания, где каждый узел способствует оперативному интеллекту.

Виды технологий сбора энергии

Уборка солнечной энергии

Фотоэлектрические (PV) элементы являются наиболее зрелой технологией сбора урожая. В зданиях они развернуты не только на крышах, но и в виде встроенных в здание фотоэлектрических элементов (BIPV) в окнах, стенах занавеса и затеняющих жалюзи. Последние инновации в прозрачной и полупрозрачной фотоэлектрической энергии позволяют передавать естественный свет при производстве электроэнергии. Внутренние солнечные элементы, оптимизированные для флуоресцентного или светодиодного освещения, могут непрерывно питать беспроводные датчики и коммутаторы, устраняя замену батареи в труднодоступных местах.

Для строительных работ солнечная уборка идеально подходит для управления освещением, автоматических жалюзи и датчиков заполняемости, расположенных рядом с окнами. Комбинирование фотоэлектрических систем с небольшими суперконденсаторами обеспечивает работу в темные периоды. Министерство энергетики США выделяет BIPV в качестве ключевой технологии для сокращения использования энергии в зданиях, а периоды окупаемости сокращаются по мере снижения затрат на ячейки.

Вибрационная энергия сбор

Вибрации от пешеходного движения, машин и оборудования HVAC являются надежным источником энергии во многих коммерческих зданиях. Пьезоэлектрические материалы - такие как цирконат цирконат свинца (PZT) или поливинилиден фторид (PVDF) - генерируют напряжение при механическом напряжении. Электромагнитные и электростатические преобразователи также существуют, но пьезоэлектрические конструкции доминируют благодаря их простоте и высокой плотности мощности в прерывистых вибрационных средах.

В число применений входят самоходные датчики мониторинга состояния конструкций на мостах и высотных зданиях, а также беспроводные вибрационные коммутаторы для управления освещением в оживленных коридорах. В промышленных зданиях сборка из конвейерных лент и компрессоров питает мониторы состояния, которые сообщают о состоянии активов без проводки. Управление строительных технологий (BTO) при Министерстве энергетики США финансировало исследования виброуборочных комбайнов для датчиков HVAC, демонстрируя надежность в полевых испытаниях.

TEG особенно эффективны при интеграции в системы рекуперации отработанного тепла. Например, размещение модулей TEG на трубах с горячей водой вблизи котельных может приводить в действие датчики температуры и расхода без внешней мощности. В передовом производственном офисе отмечается, что отработанное тепло от строительных систем представляет собой в значительной степени неиспользованный ресурс. Недавние достижения в гибких термоэлектрических материалах также позволяют собирать тепло из человеческого тела в носимых устройствах оператора здания, хотя это остается нишей по сравнению со встроенными в здание устройствами.