تکنولوژی فتوولتاییک (PV)

چکیده :
تکنولوژی فتوولتاییک (pv) امروزه به عنوان بخش رایجی از واژه شناسی ساختمان با امکان کاربرد در ساختمان های موجود و نو مطرح شده است. استفاده از این سیستم در پوشش ساختمان بسیار متنوع بوده و راه های نوینی به سوی طراحان خلاق می گشاید. بعنوان نمونه در فوتو ولتائیک های نیمه شفاف، مدولها می توانند در کنار ذخیره انرژی سایر عملکردهای پوششی بنا را نیز به خوبی انجام دهند. درصورتی که تاثیرات و کاربردهای جامع فتوولتاییک ها در ساختمان به دقت درک و در

کل طراحی و مفاهیم انرژی ساختمان در نظر گرفته شود، تواند در اجزای ساختمان کارکردی چند منظوره یافته و علاوه بر تولید الکتریسیته کاربردهای دیگری نیز در پوشش ساختمان به عهده گیرد.
مقدمه
امروزه آگاهی فزاینده ای که در خصوص تخریب عوامل محیطی و توجه ویژهای درباره کیفیت محیط مصنوع در اروپا وجود دارد منجر به تغییر خصوصیات و نیازمندی های ساختمان و طراحی آن شده است. در مرکز این توجهات، نما و پوشش ساختمان قرار دارد. بطوریکه پیشرفت های تکنولوژیکی جدید، رویکردهای مختلفی از سقف و نماهای ساختمان ایجاد می کند. در این میان در رابطه با چند منظورگی پوشش ساختمان، استفاده از تکنیک های فعال و غیر فعال خورشیدی بسیار ضروری است. یکی از این فنون خورشیدی که به طور قابل توجهی به عنوان بخش مهمی از فرهنگ ساختمان مطرح می شود، فتو ولتائیک یا (pv) است.
یک واحد یا مدول فتوولتائیک اساساً پوششی است که می تواند در دوره های مشخصی از روز الکتریسیته تولید کند که این تولید، شاید به عنوان حق امتیاز این محصول بی نظیر ساختمان مطرح گردد. بطوریکه این فتوولتائیک حتی قادر به شرکت در تامین نیروی برق سراسری است. اگرچه هنوز نیروی برق تولیدی آنها، پنج برابر از نیروی برق شبکه گران تر است اما فتوولتائیک های یکپارچه ساختمان یا (bipv) با ارائه مزایای هزینه ای ویژه، برای مناطق شهری نظیر هلند و آلمان که زمین خالی و کافی برای تجهیزات نیروگاه در اختیار ندارند، بسیار جالب توجه می باشند.

مهمترين مزايا و معايب سيستم هاي فتوولتائيك:
مزايا:
• عدم نياز به شبكه سراسري
• عدم نياز به سوخت
• سازگاري با محيط زيست، محيط زيست را آلوده نمي كند
• آلودگي صوتي ندارد

• براي توليد برق نياز به آب ندارد
معايب:
• هزينه سرمايه گذاري اوليه بالا است
• وابستگي به تغييرات تابش خورشيد در طي روز و ماه هاي مختلف

چند نمونه از كاربردهاي سيستمهاي فتوولتائيك:

• روشنايي خورشيدي (معابر، تونلها، منازل، مدارس، جاده ها، چراغهاي دريايي و …)
• پمپ آب (كشاورزي، دامپروري و آبشخور حيوانات، پرورش ماهي، آب شرب و …)
• سيستمهاي نيروگاهي (بصورت مستقل و متصل)
• سيستمهاي پرتابل
• يخچال هاي خورشيدي

فتوولتائیک یکپارچه ساختمان (bipv)
فتوولتاییک (pv) امروزه می تواند در ساختمان های موجود و جدید استفاده شود. کاربرد آن در پوشش ساختمان بسیار متنوع بوده و راه های جدیدی به سوی طراحان خلاق می گشاید.

۱- صفحات نمای ساختمان
نماها اکثریت سطح پوسته یک ساختمان را اشغال می کنند. در حقیقت یک نما نخستین احساس بصری از ساختمان را به بینندگان آخود انتقال می دهد و معماران بنا نیز با استفاده از نما به بیان ایده ها و ترجمه خواسته های کار فرما با زبانی ویژه از شکل و رنگ می پردازند. مدول های استاندارد فتوولتائیک می توانند به دیوار موجود ساختمان برای تامین نمایی موفق به لحاظ زیبا شناختی متصل گردند. این واحد ها بدون نیاز به عایق به استراکچر متصل می شوند که این عمل توسط زیرسازی شبکه ای در مدول های فتوولتائیک صورت می گیرد. بنابراین سیستمهای فتوولتائیک می توانند به عنوان بخش مهمی از عناصر نمای ساختمان مطرح می شوند. چهره اصلی یک لایه فتوولتائیک به عنوان مصالح پوششی، شبیه یک شیشه رنگی است. لایه های فتوولتائیک حفاظت طولانی مدت در برابر شرایط جوی را تامین و می توانند در هر اندازه، شکل، طرح و رنگی، برش و تهیه شوند و حتی قسمتی از نور روز را نیز به داخل ساختمان برسانند. این عناصر ساختمانی می توانند بعنوان صفحات ساده نما، عناصر جند عملکردی برای نماهای سرد و گرم، به عنوان سیستم سایه انداز یا بازشوعمل نمایند. ساختمان۳ Okotech در برلین مثال جالبی از نماهای فتوولتائیک است. نمای این بنا متشکل از گرانیت و پانلهای شیشه ای با استفاده از شیوه ستاره ای شکل (سیستم نمای SJ ) برای نگهداری پانلهاست. دست انداز طبقه دوم تا پنجم توسط صفحات فتوولتائیک پوشانده شده است و این صفحات با داشتن اندکی خاصیت انعکاسی، ظاهری نظیر پانلهای شیشه ای دیگر نما دارند.

۲- نماهای نیمه شفاف
ورقهای فتوولتائیک همانند پنجره ها می توانند کارکرد شفافیت و پش

ت نمایی خود را از دو طریق انجام دهند. سلول فتوولتائیک به تنهایی می تواند بسیار ظریف و یا لیزری بوده و از این طریق امکان ۲۰ تا ۵۰ درصد امکان دید فیلتر شده ای را فراهم کند. مدولهای سیلیکون غیر بلوری نیمه شفاف، ویژه این کارکرد، تهیه می شو

تواند در عین ایجاد فیلتر دید، فضای داخلی را روشن سازند. حتی با اضافه نمودن لایه هایی از شیشه به واحد اصلی از فتوولتائیک نیمه شفاف، عایق حرارتی و صوتی نیز برای نیازهای ویژه ساختمان تامین می شود.
۳- سیستم های سایبان
در معماری امروز نیاز شدیدی برای سیستم های سایه انداز در بازار ساختمان وجود دارد که منجر به استفاده وسیع از بازشوهای بزرگ و پرده ها و یا سایبان های دیگر می گردد. در این میان فتوولتائیک ها با اشکال مختلفی می توانند به عنوان سایبان در بالای پنجره ها و یا بخشی از سازه بام استفاده شوند، البته به شرطی که استفاده از این سایبانها منجر به تحمیل بار اضافی به سازه ساختمان نگردد. سیستم های سایه انداز فتوولتائیک می توانند به گونه ای و در جهتی آرایش یابند که در آن واحد، هم برای تولید بیشترین انرژی و هم برای تامین درجات متغیری از سایه بکار روند.

۴- مصالح بام
بامها برای فتوولتائیک ها بسیار ایده آل می باشند. چرا که معمولاً عوامل سایه ساز در پشت بام بسیار کمتر از سطح زمین است و معمولاً بام، سطح بدون استفاده وسیعی را بدین منظور در اختیار می گذارد.
یک بام شیبدار ایده آل برای فتوولتائیک ها بامی است به سمت جنوب (در نیمکره شمالی) که زاویه ای معادل عرض جغرافیایی ± ۱۵ برای بهترین تولید انرژی داشته باشد. در این خصوص بامهای روبه جنوب شرقی و جنوب غربی نیز قابل قبولند. صفحات فتوولتائیک می توانند بر پشت بام بناهای موجود نیز براحتی نصب گردند. یک روش زیبا برای استفاده از فتوولتائیک ها در بام ساختمان، استفاده از تایلها یا توفالهای PV است که امکان نصب راحت آنها را توسط یک پیمانکار بام نظیر تایلهای یا پوشالهای دیگر پشت بام میسر می سازد. بامهای مسطح نیز مزایایی همچون دسترسی مناسب و نصب آسان دارند. روش کلاسیک در این خصوص، چیدمان و آرایش واحد های فتوولتائیک بر روی زیر ساختهای شبکه ای آن و و نصب آنها که در بام شیبدار نیز صورت می گیرد، می بایست در مورد نیروی باد نیز تدابیر لازم اندیشیده شود. تجربیات و پیشرفت های اخیر در این زمینه سبب سبکی، سهولت و سرعت استعمال این سیستم ها گشته است.

۵- نورگیرها
ساختار نورگیرها معمولاً مزایای انشار نور در ساختمان را با تامین سطحی باز برای نصب مدولهای فتوولتائیک نوام می سازد. در این صورت عناصر فتوولتائیک می بایست نور و الکتریسیته را همزمان تامین کنند. بطوریکه قطعات فتوولتائیک و سازه پشتیبان مورد استفاده برای این نوع کارکرد، مشابه نماهای نیمه شفاف هستند. این ساختار که میتواند از بیرون نیز نمایان گردد، طبقات و راهروهایی زیبا و جذاب از نور پدید آورده و امکان طرح معماری مهیجی از نور و سایه فراهم می سازد.

نصب سلولهاي نوري (فتوولتائيك) بر بام ساختمانها
نصب سلولهاي نوري (فتوولتائيك) بر بام

ساختمانها و استفاده از انرژي الكتريكي حاصله در ساختمان از موضوعات جديد در صنعت برق دنياست.
ايمني و قيمت دو عامل مهم ارزيابي در اين سيستمها هستند. مطالعات نشان ميدهد كه انگيزه هاي زير مي تواند عامل سرمايه گذاري در زمينه توليد برق نوري باشد.
۱- حفاظت از محيط زيست
۲ – يافتن جايگزيني براي نيروگاههاي هسته اي
۳- ملاحظات و پيشرفتهاي فن آوري

يكي از ابزارهاي مهم براي غلبه بر مسائل زيست محيطي ناشي از توليد و مصرف برق ، سيستم هاي غير متمركز فتوو لتائيك (PV) هستند. در حال حاضر ، به دليل هزينه هاي سنگين سرمايه گذاري ، سيستم هاي PV به صورت وسي

عي مورد استفاده قرار نمي گيرند. به منظورگسترش بازار اين نوع سيستم ها ، مشوق هاي اقتصادي ابزار مناسبي است. به اين منظور در هر كشوري شيوه هاي مختلفي به كار گرفته مي شود. در سال ۱۹۹۰ اولين برنامه مهم بين المللي با نام “هزار بام” براي گسترش سيستم هاي فتوولتائيك در آلمان به اجرا گذاشته شد. نصب سيستم

وولتائيك با توان متوسط KWp 6/2 تجهيز شدند.
بزرگترين برنامه گسترش سيستمهاي فتوولتائيك در سال ۱۹۹۴ در ژاپن اجرا شد. اين برنامه ۵ ساله و زمان پايان آن سال ۱۹۹۹ پيش بيني شده بود. تا پايان سال ۱۹۹۷ بيش از۱۰۰۰۰ سيستم كوچك متصل به شبكه با توان متوسط KWp 3 در ژاپن نصب شده است.
خريد سيستم فتوولتائيك در رفتار مصرف كنندگان تغييراتي ايجاد مي كند. مصرف كنندگاني كه داراي مصرف اوليه كم اند تقاضاي خود را به تدريج افزايش مي دهند. اما مصرف كنندگان با مصرف اوليه زياد برق ، در مصرف انرژي صرفه جويي خواهند كرد. بنابر اين مي توان گفت كه ” سيستم هاي PV وسيله صرفه جويي انرژي براي ثروتمندان ” است.
ساختمانهايي كه با سيستم هاي فتوولتائيك تركيب مي شود به قسمي كه سيستم هاي PV قسمتي از نماي خارجي ساختمان را تشكيل مي دهند، به نام Building Integrated Photovoltaic(BIPV) نام گذاري شده اند.
چنين سيستمي در زمستان ، بهار و پائيز نور و گرما را تامين مي نمايد . در تابستان كه نور و گرما مطلوب نيست ، اين عوامل با استفاده از كنترلرهاي خورشيدي ، كنترل مي شوند. سيستم هايBIPV ، كاملآ چند منظوره اند. اين سيستم ها توليد الكتريسيته مي كنند، به جاي المانهاي معمول ساختماني مانند سايه بان ها عمل مي كنند و بار سرمايي و پيك بار الكتريكي را كاهش مي دهند.

بر اساس بررسي هاي انجام شده ، ملاحظات و نتايج زير از نصب اولين سيستم BIPV در كره بدست آمده است:
۱- شيب وجهت پانلهاي PV اثر قابل ملاحظه اي بر ميزان توليد برق دارد. با توجه به زيبايي نماي ساختمان، هزينه و ايمني امكان نصب پانلهاي سايه بان با زاويه ايده آ ل يعني ۳۲ درجه در منطقه جي هونگ وجود نداشت .
۲- وقتي از سيستم هايPV به عنوان سايه بان استفاده مي شود، تاثير سايه ساير پانلهاي PV بايد لحاظ شود . ت كه مانع ورود گرما به ساختمان شده و بنابر اين بار سرمايشي ساخنمان كاهش مي يابد.
۴- نسبت تشعشع مستقيم به تشعشع پراكنده خورشيد اثر قابل ملاحظه اي بر توليد برق سيستم هاي PV دارد.
۵- كاهش مقدار برق توليدي سيستم ، در اثر جمع شدن گرد و غبار بر روي صفحات در طراحي بايد لحاظ گردد .
۶- در يك روز تابستاني ، سيستم PV توان توليد ده در صد از نيازهاي انرژي روشنايي ساختمان را داراست .

آبگرمكن هاي خورشيدي
مهمترين قسمت هر سيستم آبگرمكن خورشيدي يا(SWH Solar water heating) عبارتست از آرايه كلكتورهاي آن كه وظيفه جذب انرژي خورشيدي و تبديل آن به حرارت را به عهده دارند. حرارت دريافت شده از طريق سيال عامل (آب، مايع ضد يخ يا هوا) كه از داخل كلكتور عبور ميكند جذب ميشود. اين حرارت ميتواند مستقيماً مورد استفاده قرار گيرد يا اينكه در يك منبع ذخيره حرارتي، براي استفاده هاي بعدي ذخيره شود. اجزاء مختلف سيستمهاي انرژي خورشيدي دائماً در معرض شرايط جوي هستند، لذا اين قطعات بايد بتوانند در مقابل يخ زدگي يا افزايش بيش از حد حرارت و هنگاميكه تقاضا براي مصرف كم است بطور مناسب محافظت شوند.
در سيستمهاي آبگرمكن خورشيدي، آب مصرفي يا بطور مستقيم با عبور از كلكتور گرم ميشود (سيستمهاي گردش مستقيم) يا اينكه بطور غير مستقيم و توسط يك مبدل حرارتي كه خود در يك سيكل بسته توسط سيال داخل كلكتور گرم شده است، گرما ميگيرد (سيستم گردش غير مستقيم). سيال عامل نيز يا به صورت طبيعي ( غير فعال يا پسيو) جابجا ميشود يا اينكه بصورت اجباري به گردش در ميآيد (فعال يا اكتيو). گردش طبيعي سيال عامل بر اثر پديده ترموسيفون بوجود ميآيد در حاليكه براي گردش اجباري اين سيال از يك پمپ استفاده ميشود. غير از سيستمهاي ترموسيفون و سيستمهايي كه كلكتور و منبع ذخيره يكپارچه دارند، ساير سيستمهاي گرمايش آب توسط ترموستاتهاي تفاضلي كنترل ميشوند.
پنج نوع از سيستمهاي خورشيدي ميتوانند براي گرم كردن آب مصرفي يا بهداشتي مورد استفاده قرار گيرند كه عبارتند از: ترموسيفون، كلكتور- مخزن يكپارچه، گردش اجباري، غير مستقيم و هوا. دوسيستم اول سيستمهاي غير فعال (پسيو) ناميده ميشوند، اما سه سيستم ديگر سيستمهاي فعال (اكتيو) هستند، چون يك پمپ يا فن براي گردش سيال عامل د

ر آنها نصب ميشود. براي جلوگيري از يخ زدگي كلكتور در سيستمهاي مستقيم از گردش معكوس(recirculation) يا تخليه (drain-down) و در سيستمهاي غير مستقيم از تخليه برگشتي (drain-back) استفاده ميشود.
تمامي اين سيستمها داراي مزاياي اقتصادي خوبي هستند و بسته به نوع سوخت جايگزين، دوره بازگشت سرمايه براي آنها بين ۴ سال (براي الكتريسيته) و ۷ سال (براي ديزل) ميباشد. البته دوره بازگشت سرمايه، در كشورهاي مختلف بستگي به شاخصهاي اقتص

ادي، نظير ميزان تورم و قيمت انواع سوخت و غيره دارد. امروزه در دنيا به ميزان بسيار زيادي از كلكتورهاي خورشيدي براي آبگرمكنهاي خورشيدي استفاده ميشود.
يخچال خورشيدي
راه هاي بسياري وجود دارند كه ميتوان انرژي خورشيد را با پروسه توليد سرما ادغام كرد. سرمايش خورشيدي را هم ميتوان از طريق گرمايش خورشيدي بعنوان منبع گرمايي و هم از طريق فتوولتائيك بعنوان منبع الكتريكي ايجاد كرد. اين كار را ميتوان با روشهاي جذبي و جذب سطحي از طريق گرمايش و يا با استفاده از يك يخچال معمولي كه برق آن از فتوولتائيك تامين ميشود انجام داد. سرمايش خورشيدي خصوصاً براي سرد نگهداشتن واكسنها در مناطقي كه الكتريسيته در دسترس نيست يا براي سرمايش مكانها مورد استفاده قرار ميگيرد. انواع روشهاي سرمايش خورشيدي عبارتند از:
• يونيتهاي جذب سطحي (Adsurbtion units)
جامدات متخلخل، كه جاذب ناميده ميشوند، بصورت فيزيكي و بازگشت پذيري ميتوانند مقادير زيادي بخار را كه سيال جذبي (adsorbate) ناميده ميشود خود جذب (adsorb) كنند. ايده اصلي استفاده از اين پديده در قرن نوزدهم بوجود آمد. تراكم بخار جذبي درون جامد جاذب بستگي به دماي زوج يا به عبارت ديگر تركيب جاذب و جذب شونده و نيز فشار بخار دارد. اگر فشار ثابت باشد ميتوان با تغيير دادن درجه حرارت موجب جذب يا بازپس دهي ماده جذبي توسط جاذب شد. اين روش، مبناي كاركرد سيستمهاي خورشيدي استفاده كننده از سيكل جذب بخار مي باشد.
يك زوج جاذب- جذبي براي كار كردن در يك مبرد خورشيدي بايد ويژگيهاي زير را داشته باشد:
– يك مبرد با گرماي نهان بالا
– يك زوج كاري با خواص ترموديناميكي بالا
– يك دماي بازگشتي (بازپس دهي سيال جذبي) كوچك در مواجهه با فشار و دماي كاري
– ظرفيت گرمايي پايين
زوج آب- آمونياك بيشترين استفاده را در بين سيستمهاي موجود دا

رد و استفاده از زوجهاي جذبي مناسب تر براي سيستمهاي خورشيدي در حال بررسي و مطالعه و تحقيق است. بازده اين سيستمها توسط دماي كندانسه محدود ميشود، و بدون استفاده از تكنولوژيهاي سطح بالا امكان كاهش آن وجود ندارد. براي مثال، برجهاي خنك كن و رطوبت زدا (desiccant bends) براي توليد آب سرد براي كنداسه كردن آمونياك در فشار پايين استفاده ميشوند. از جمله معايب ذاتي زوج آب- آمونياك اين است كه لوله ها و مخازني با ضخامت بالا نياز دارند، خوردگي ناشي از آمونياك، مشكلات برودت و جدا كردن آب از آموياك نيز مي باشد. چند زوج ديگر نظير زئوليت- آب، زئوليت- متانول و متانول-كربن فعال در حال بررسي و مطالعه هستند كه از ميان آنها نوع مناسب تري انتخاب گردد. تا كنون زوج متانول- كربن فعال بهترين نتيجه را داشته است .
• يونيتهاي جذبي (Absorbtion units)
پروسه جذبي عبارتست از جذب و گرفتن رطوبت توسط ماده اي كه رطوبت گير ناميده ميشود. رطوبت گيرها يا جاذبها موادي هستند كه قابليت جذب و در برگيري گازها يا مايعات را در خود دارند و ميل تركيبي ويژه اي با آب دارند. در حين جذب، ماده جاذب با گرفتن رطوبت، يك تغيير شيميايي پيدا ميكند، براي مثال ميتوان به نمك طعام اشاره كرد كه هنگام جذب رطوبت تغيير فرم داده و از جامد به سيال تبديل ميشود. ويژگي وابستگي رطوبت گيرها به رطوبت، اين مواد را براي واكنشهاي شيميايي جداساز بسيار سودمند ساخته است.
سيستمهاي جذبي مشابه سيستمهاي تهويه مطبوع بخار-compresstion هستند اما در مرحله فشار (compresstion stage)با هم تفاوت دارند. بطور كلي يك
جاذب، قسمت كم فشار، يك سيار مبرد تبخير شده را جذب ميكند. پر استفاده ترين تركيب مايعات شامل ليتيم برميد- آب كه بخار آب نقش سرد كننده را ايفاد ميكند و آمونياك- آب كه آمونياك سرد كننده است، ميباشند.
اجاق خورشيدي
كشورهاي در حال توسعه كه از شبكه برق پيشرفته‎اي برخوردار نيستند، براي پختن غذا از گرمايش خورشيدي پسيو استفاده مي‎شود.اجاقهاي خورشيدي در دو نوع رايج شلجمي و جعبه اي ساخته شده است. نوع شلجمي آن به صورت يك بشقاب سهموي مي باشد كه براي پختن غذا بوسيله آن بايد ماده غذايي مورد نظر را در كانون اين بشقاب قرار دهيم. كيت آموزشي از اين اجاق در سال ۱۳۸۲ در دفتر انرژي خورشيدي سازمان انرژيهاي نو ايران، در گروه كاربردهاي غيرنيروگاهي، ساخته شد و جهت آموزش در اختيار مدارس و آموزشكده ها قرار گرفت.
اجاق خورشيدي نوع جعبه اي اولين بار توسط شخصي بنام نيكلاس ساخته شد. اين اجاق بسيار ساده بوده و از يك جعبه عايق كاري شده با يك درب شيشه‎اي تشكيل شده بود. در نوع از اجاقهاي خورشيدي، گرماي حاصل از نور متمركز شده خورشيد در داخل جعبه به دام افتاده و مي‎تواند غذاي قرار داده شده در جعبه را گرم كرده و يا آنرا بپزد.

كوره خورشيدي
نوتورا در اوايل قرن ۱۸، اولين كوره خورشيدي را در فرانسه ساخت و ب

وسيله آن يك تل چوب را در فاصله ۶۰ متري آتش زد.بسمر، پدر فولاد جهان نيز حرارت مورد نياز در كورة خود را از انرژي خورشيدي تأمين مي كرد. متداولترين سيستم يك كوره خورشيدي، متشكل از دو آينه، يكي تخت و ديگري كروي مي باشد. نور خورشيد به آينه تخت رسيده و توسط اين آينه به آينه كروي بازتابيده مي شود. طبق قوانين اپتيك، هرگاه دسته پرتوي موازي محور آينه با آن برخورد نمايد، در محل كانون، متمركز مي شوند و به اين ترتيب انرژي حرارتي گسترده خورشيد در يك نقطه جمع مي شود، كه اين نقطه به دماهاي بالايي مي رسد. امروزه پروژه هاي متعددي در زمينه كوره هاي خورشيدي در سراسر جهان در حال طراحي و اجراء مي باشد.

 

چگونه مي توان با استفاده از خورشيد روشنايي ساختمان را تامين كرد؟
اين كاربرد به معني استفاده از نور خورشيد براي روشن كردن داخل ساختمان است.