چکیده

در این مقاله به مطالعه فنی و اقتصادی ظرفیتهای استفاده از انرژی خورشیدی در تأمین انرژی ساختمانهای شرکت گاز استان خراسان شمالی پرداخته شده است . انرژی خورشیدی به فاکتورهای هواشناسی، جغرافیایی، اقلیمی و فراجوی بستگی دارد. به این منظور از معتبرترین مرجع مطالعات هواشناسی در سایت ناسا بهره گرفته شد. در ادامه مصارف ساختمانهای هدف مورد تحلیل قرار گرفت. سپس محاسبات فنی و اقتصادی سیستم های فتوولتائیک و گرماخورشیدی ارائه و با توجه به مقدار مصارف ساختمان و میزان تابش خورشیدی دریافتی، نحوه محاسبه اجزاء مختلف سیستم ها تشریح گردیده است. در انتها نیز به تحلیل اقتصادی سیستم های مذکور پرداخته شده و هزینه استفاده از سیستم های فتوولتائیک مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از مطالعات صورت گرفته در این پژوهش حاکی از این امر است که بر خلاف ساختمان جدید الاحداث ستاد شرکت گاز خراسان شمالی تغییرات در ساختمانهای موجود شرکت گاز و نصب سیستم های خورشیدی جدید در آنها به لحاظ اقتصادی مقرون به صرف نمی باشد.

واژههای کلیدی: انرژی خورشیدی، چارت مصرف، سیستم فتوولتائیک، محاسبات اقتصادی.

۱ کارشناس مهندسی مکانیک و رئیس اجرای طرح های شرکت گاز استان خراسان شمالی ۲ کارشناس ارشد مکانیک ٣ کارشناس ارشد مهندسی شیمی و رئیس برنامه ریزی شرکت گاز استان خراسان شمالی
۴ کارشناس برق- الکترونیک و مهندس طراح برق و حفاظت کاتدیک شرکت گاز خراسان شمالی

ششمین کنفرانس انرژیهای تجدیدپذیر، پاک و کارآمد ۲۲ آبان ۰۲۱ -۸۸۶۷۱۶۷۶ ۱۳۹۳

-۱ مقدمه

امروزه موضوع تأمین انرژی از موضوعات قابل تأمل بسیاری از محافل سیاسی و اقتصادی است. نیاز روز افزون بشر ناشی از حس رفاه طلبی و افزایش جمعیت، اتمام منابع انرژی و آلودگی های زیست محیطی سوخت های فسیلی، محدودیت های موجود برای استفاده هر چه بهینه تر از انرژی و به کارگیری انرژی های نو می باشند. از زمان پیشرفت اروپاییانمخصوصاً، شکل معماری برگرفته از طبیعت کنار گذاشته شد و روشهای مصنوعی برای تأمین شرایط آسایش در ساختمان ها جایگزین آنها گردید و حال دوباره توجه دست اندرکاران صنعت ساختمان به سمت بهره گیری هرچه بهتر از عوامل طبیعی مانند خورشید برای تهویه مطبوع ساختمان متوجه گردیده است. قدیمی ترین کاربرد آگاهانه ایرانیان از انرژی خورشیدی در بناها و ساختمان های سنتی، استفاده از سیستم های غیر فعال خورشیدی در حد پیشرفته بوده است. منظور از کاربرد انرژی خورشیدی در ساختمان ها، بهره گیری هرچه بهتر از نور خورشید در جهت تأمین نیازهای گرمایی و سرمایی و در صورت لزوم تأمین الکتریسیته ساختمان ها می باشد. برای کاهش انرژی مورد نیاز یک ساختمان می بایست طراحی آن مطابق با اقلیم منطقه باشد. با داشتن اطلاعات ذیل می توان به اهداف فوق دست یافت:
۱٫ بررسی خصوصیات تابش خورشیدی

۲٫ بررسی وضعیت دما

۳٫ بررسی خصوصیات میزان بارش و رطوبت
۴٫ بررسی میزان و شرایط وزش باد

۵٫ بررسی خصوصیات عایقکاری

در یک طرح خورشیدی دو مسئله اصلی مطرح می شود. یکی چگونگی طراحی برای بهره وری بیشتر از انرژی خورشیدی و دیگری چگونگی طراحی برای به حداقل رساندن اتلاف های حرارتی به منظور استفاده بهتر از انرژی بدست آمده. کاربرد انرژی خورشیدی در ساختمانها به طرق مختلف صورت می گیرد: تأمین آب گرم مصرفی، تأمین گرمای مورد نیاز، تأمین سرمای مورد نیاز و تأمین الکتریسیته.

ارشمیدس در سال ۲۱۲ ق.م با نصب آیینه هایی مربع شکل، کوچک در کنار یکدیگر و روی یک پایه ی متحرک، نور خورشید را بر روی کشتیهای مهاجم رومی متمرکز و آنها را به آتش کشید. اولین دستگاه خوراک پز خورشیدی در قرن هجده توسط محقق فرانسوی دی ساکسر بوسیله یک جعبه سیاه و درپوشی شیشه ای ساخته شد. سپس آنتوان لاوازیه فرانسوی و خالق شیمی نوین در نیمه دوم قرن هجدهم با ساختن کوره ای خورشیدی و استفاده از دو عدسی و کوچک کردن فاصله کانونی موثر، به دمای ْ۱۷۶۰ C◌ د ست یافت .[۱] گرمایش و سرمایش ساختمان ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه ای بود که در سال های ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفت های قابل توجهی رسید. با افزودن سیستم تبرید جذبی به سیستم های خورشیدی می توان علاوه بر تهیه آب گرم مصرفی و گرمایش، از این سیستم ها در فصول گرم برای سرمایش ساختمان استفاده کرد .[۲] سیستم فتوولتائیک، سیستمی است که در آن انرژی خورشیدی بدون بهره گیری از مکانیزم های متحرک و شیمیائی، به انرژی الکتریکی تبدیل می شود . سلول های خورشیدی قادرند انرژی تشعشعی خورشید را با بازدهی معادل ۵ تا ۲۰ درصدمستقیماً به الکتریسیته تبدیل کنند .[۱] سیستم فتوولتائیک مانند سایر مولدها و نیروگاه های برق می تواند در هر ظرفیتی نصب و بهره برداری شود. حتی محدودیت آن بسیار کمتر از سایرین است و می تواند به صورت ژنراتورهایی با توان میلی وات تا چندین مگاوات ساخته شوند. لیکن با توجه به راندمان پائین تبدیل انرژی در این سیستم و بالا بودن قیمت تجهیزات آن، برق تولیدی از این سیستم قدری گران تراست. روش های گرما خورشیدی، با استفاده از انواع کلکتورها و روشهای غیر فعال، جهت جذب و جمع آوری انرژی حرارتی خورشیدی، طراحی شده و برای منظورهائی از قبیل گرم کردن آب، هوا، تولید بخار و سرد کردن و … بکار برده شده اند. برخی سیستم های گرما خورشیدی عبارتند از : سیستمهای آبگرم خورشیدی، سیستمهای گرمایش و سرمایش ساختمانها، سیستمهای تهیه آب شیرین و آب مقطرگیری،

ششمین کنفرانس انرژیهای تجدیدپذیر، پاک و کارآمد ۲۲ آبان ۰۲۱ -۸۸۶۷۱۶۷۶ ۱۳۹۳

سیستمهای انتقال و پمپاژ، سیستمهای تولید فضای سبز (گلخانه ها)، سیستمهای خشک کن و خوراک پز خورشیدی، سیستمهای سرد کننده خورشیدی، برجهای نیرو و نیروگاههای خورشیدی .[۳]
در این پژوهش به مطالعه فنی و اقتصادی ظرفیتهای استفاده از این انرژی در ساختمانهای شرکت گاز استان خراسان شمالی پرداخته شده است. به این منظور ابتدا به ارائه کلیاتی از انرژی خورشیدی پرداخته شد. در این مرحله ماهیت تابش خورشیدی، نحوه محاسبات میزان انرژی دریافتی و تأثیر متغیرهای مختلف هندسی و جغرافیایی بر میزان تابش دریافتی تشریح گردید. پس از آن مختصات جغرافیایی منطقه و متغیرهای هواشناسی مهم مانند ساعات آفتابی مورد مطالعه قرار گرفت. به این منظور از معتبرترین مرجع مطالعات هواشناسی در سایت ناسا بهره گرفته شد. این اطلاعات در محاسبات مربوط به برآورد سیستم از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشند. در ادامه مصارف ساختمانهای هدف قبوض برق مورد تحلیل قرار گرفت. در این بخش فرض شده است که مصرف برق مربوط به روشنایی، لوازم اداری و سرمایش و مصرف گاز به منظور گرمایش و آب گرم می باشد. در نتیجه در این مرحله جمع آوری اطلاعات پایه جهت تحلیل به پایان رسید. در ادامه کاربردهای مختلف استفاده از انرژی خورشید با توجه به نوع و میزان انرژی مصرفی ساختمان تشریح گردید. روشهای معمول به ترتیب کاربرد عبارتند از:

گرماخورشیدی، فتوولتائیک و سیستم های ترمو الکتریک. در مرحله بعد محاسبات فنی و اقتصادی سیستم های فتوولتائیک ارائه گردید. در این بخش با توجه به مقدار مصرف ساختمان و میزان تابش خورشیدی دریافتی، نحوه محاسبه اجزاء مختلف سیستم مانند پانل فتوولتائیک، باتری، کلکتور و … تشریح گردیده است. پس از محاسبه اجزاء مختلف سیستم محاسبات اقتصادی سیستم ارائه گردید. در این قسمت هزینه نصب و راه اندازی سیستم های فتوولتائیک و گرماخورشیدی در هر ساختمان با در نظر گرفتن مصارف بیشینه و میانگین محاسبه شده است. در انتها نیز به تحلیل اقتصادی سیستم های مذکور پرداخته شده و هزینه استفاده از سیستم های فتوولتائیک مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از مطالعات صورت گرفته در این پژوهش حاکی از این امر است که تغییرات در ساختمانهای شرکت گاز و نصب سیستم های خورشیدی در ساختمانهای مذکور به لحاظ اقتصادی مقرون به صرف نمی باشد. اگرچه سیستم های خورشیدی مزایای غیرقابل انکار دیگری بخصوص در بحث محیط زیست دارا می باشند که قابل صرفنظر نمی باشد. البته چنانچه در ساختمانهای در حال ساخت از این سیستم ها استفاده شود به لحاظ اقتصادی مناسب می باشند.

-۲ تابش خورشیدی

خورشید مهمترین منبع تأمین انرژی های تجدیدپذیر است. انرژی های حاصل از زمین گرمایی و نیروی جاذبه بین سیارات در مقایسه با انرژی خورشیدی قابل توجه نیستند. استفاده از این منبع بیکران انرژی توسط سیستم های گرمایش خورشیدی یا سلول های فتوولتاییک به صورت مستقیم و استفاده از انرژی باد و هیدروالکتریک به طور غیرمستقیم میسر می باشد. داشتن اطلاعات و دانش درباره تابش خورشیدی برای استفاده در بسیاری از سیستم های انرژی تجدیدپذیر ضروری است. برای استفاده از انرژی خورشیدی مقادیر فیزیکی تشعشع مهم هستند. مقادیر کمیت های نور روز فقط به قسمت مرئی نور خورشید مرتبط می شود. در حالی که نور خورشید شامل اشعه های نامرئی مادون قرمز و فرابنفش نیز می باشد. مقادیر تابش اندازه گیری شده بر روی سطح زمینمعمولاً کمتر از ثابت خورشیدی هستند. تأثیرات مختلف اتمسفر تابش را کاهش می دهند. از جمله:

− کاهش براثر انعکاس توسط اتمسفر.
− کاهش در اثر جذب توسط اتمسفر (عموما (OR2R, OR3R, HR2RO , CO − کاهش در اثر پراکندگی رایلی.
− کاهش تشعشع در اثر پراکندگی مای.