نوردهي به واحدهاي شمالي و نورگيرها

سامانه ي خودکار نوردهي به واحدهاي شمالي و نورگيرها
 

چکيده
 

مسير حرکت خورشيد در نيم کره ي شمالي به گونه ايي است که آفتاب به يک طرف و آن هم به سمت جنوبي ساختمان مي تابد و سمت شمال ساختمان از نور خورشيد بي بهره است و واحدها يا اتاق هايي که به اين سمت هستند از نور کافي برخوردار نمي باشند و آفتاب به آن ها نمي تابد. در طرح ارائه شده تحت عنوان نوردهي به ضلع شمالي ساختمان ها، نورگيرها و ... نور خورشيد به کل ارتفاع ساختمان و محل مورد نظر تابانده مي شود.
هدف از طرح پيشنهادي که به عنوان آفتاب گردان نام گذاري شده است توليد، عرضه و نصب سيستمي براي انتقال آفتاب و افزايش نور به سمت شمال ساختمان ها، داخل نورگيرها، راه روها، دستگاه هاي راه پله، کوچه ها، سوله ها و هر مکاني که با کمبود نور طبيعي مواجه است مي باشد. در واقع از اين سيستم مي توان براي تابش خورشيد در موارد زير استفاده نمود.
• تابش آفتاب و نور خورشيد به واحدها (اتاق هاي) شمالي ساختمان (ساختمان هاي درب به ساخت)
• تابش آفتاب و نور خورشيد به نورگيرهاي ساختمان در هر کجاي ساختمان به ويژه براي ساختمان هاي درب به حياط
• تابش آفتاب و نور خورشيد به راه روها، کوچه ها، انبارها، سوله ها و هر مکاني که نياز به استفاده از آفتاب و نور خورشيد باشد.
همچنين از مزاياي اين سيستم مي توان به موارد زير اشاره نمود:
• تابش آفتاب و افزايش ميزان نور به محل هاي مورد نظر
• بهبود اثرات رواني و بهداشتي به دليل تابش آفتاب و نور در ساختمان هاي مورد نظر
• کاهش مصرف برق که براي تأمين نور اين واحدها استفاده مي شود.
• افزايش قدرت مانور مهندس معمار در استفاده از آفتاب در زمان طراحي ساختمان
" توليد سيستم نوردهي به ضلع شمالي ساختمان ها، نورگيرها و ... به روش ناب "(2)
کليدواژه ها: خورشيد، ساختمان، نور، آينه

مقدمه
 

در بررسي تابش خورشيد به زمين بايد حداقل دو فاکتور را در نظر گرفت. يکي سمت و جهت تابش خورشيد و ديگري ارتفاع خورشيد مي باشد. به عبارت ديگر در نيم کره ي شمالي خورشيد در صبح از سمت شرق طلوع مي کند و در ظهر در راستاي جنوب به وسط آسمان مي رسد و در مغرب غروب مي کند. اين موضوع را تحت عنوان سمت يا جهت تابش خورشيد گويند. از طرفي مقدار زاويه ايي که خورشيد با خط جنوبي دارد را ارتفاع خورشيد گويند. موضوعي که در تابستان خورشيد به صورت عمودي تر و در زمستان به صورت مايل مي تابد.
محور فرضي چرخش زمين با سطح مدار ساليانه اش به نور خورشيد عمود نبوده و زاويه اي به اندازه ي تقريبي 23.5 درجه مي سازد که داراي اثرات مشخصي بر روي زمين است. " تغييرات زوايه ي تابش خورشيد در عرض هاي مختلفِ جغرافيايي و در فصول مختلف به دليل تغييرات زاويه ي محور زمين مي باشد که در طول سال با چرخش زمين به دور خورشيد در بازه ي مثبت و منفي 23.5 درجه تغيير مي کند.
آفتاب در حرکت ظاهري خود در اواخر اسفند و اوايل فروردين در راستاي موازي خط استوا روي دايره ي استوا و يا به تعبير ديگر در دايره ي اعتدال بهاري طلوع و غروب مي کند. بنابراين پرتو تابش خورشيد به دايره ي استوا در اين زمان عمود بوده و دايره ي روشنايي و تاريکي با يکديگر مساوي هستند و در نتيجه طول شب و روز در اين مکان يکسان است و چون خط استوا مبدأ محاسبه ي عرض ها در نظام مختصات جغرافيايي به شمار مي رود، لذا عرض زمين در امتداد اين دايره برابر با صفر مي باشد. با توجه به اين شرايط و زاويه انصراف محور زمين و بازه تغييرات آن، زوايه ي تابش خورشيد در نيم کره ي شمالي و جنوبي متفاوت مي باشد. تمام اين موارد براي هر نقطه از عرض جغرافيايي متفاوت مي باشد و آنچه که در مبحث تابش نور خورشيد براي پروژه ي ما مهم مي باشد زاويه ي تابش و سمت تابش خورشيد به زمين در فصول و نقاط جغرافيايي متفاوت است.
يادآوري اين نکته خالي از لطف نيست که بدانيم اگر در نيم کره ي شمالي واحدهاي شمالي آفتاب ندارند قرينه ي همان نقطه در نيم کره ي جنوبي واحدهاي جنوبي از آفتاب بي بهره هستند. به عبارت ديگر همان گونه که بيان شد سمت تابش خورشيد در نيم کره ي شمالي به ترتيب حرکت از مشرق به جنوب و مغرب مي باشد. در حالي که در نيم کره ي جنوبي به صورت مشرق به شمال و مغرب مي باشد و به همين ترتيب در خط استوا در فصل زمستان خورشيد به سمت جنوب ساختمان ها و در فصل تابستان به سمت شمال ساختمان ها مي تابد.
در طرح ارائه شده توليد سيستم نوردهي به ضلع شمال ساختمان ها، نورگيرها و ... به روش ناب، از خورشيد جهت تابش و انعکاس نور جهت روشنايي استفاده مي گردد. در طرح مزبور که در اداره ي ثبت شرکت ها و ماليکت معنوي به شماره 44042 در تاريخ 86/08/23 به ثبت رسيده و به عنوان پايان نامه ي کارشناسي ارشد در دانشگاه صنعتي اميرکبير دفاع گرديده است با استفاده از آيينه هاي ترکيبي، نور خورشيد به ارتفاع مورد نظر تابانده مي شود. سيستم الکترومکانيکي تعبيه شده در آن به گونه يي مي باشد که خورشيد را در طول روز رديابي کرده و در هر زمان در زاويه ايي نسبت به خورشيد قرار مي گيرد که در طول روز خورشيد به طور ثابت به محل مورد نظر تابانده شود.

خورشيد و انرژي خورشيدي
 

خورشيد عامل و منشأ انرژي هاي گوناگوني است که در طبيعت موجود است از جمله سوخت هاي فسيلي که در اعماق زمين ذخيره شده اند، انرژي آبشارها و باد، رشد گياهان که بيش تر حيوانات و انسان ها براي بقاي خود از آن ها استفاده مي کنند، مواد آلي که قابل تبديل به انرژي حرارتي و مکانيکي هستند، امواج درياها، قدرت جزر و مد که براساس جاذبه و حرکت زمين به دور خورشيد و ماه حاصل مي شود. اين ها همه نمادهايي از انرژي خورشيد هستند.
وابستگي شديد جوامع صنعتي به منابع انرژي به خصوص سوخت هاي نفتي و به کارگيري و مصرف بي رويه آن ها، منابع عظيمي را که در قرون متمادي در لايه هاي زيرين زمين تشکيل شده است تخليه مي کند. با توجه به اين که منابع انرژي زيرزميني با سرعت فوق العاده مصرف مي شوند و در آينده اي نه چندان دور چيزي از آن ها باقي نخواهد ماند، نسل فعلي وظيفه دارد به آن دسته از منابع انرژي که داراي عمر و توان زيادي هستند روي آورده و دانش خود را براي بهره برداري از آن ها گسترش دهد.
خورشيد، يکي از دو منبع مهم انرژي است که بايد به آن روي آورد زيرا به فناوري هاي پيشرفته و پرهزينه نياز نداشته و مي تواند به عنوان يک منبع مفيد و تأمين کننده ي انرژي در اکثر نقاط جهان به کار گرفته شود. به علاوه استفاده از آن برخلاف انرژي هسته اي، خطر و اثرات نامطلوبي از خود باقي نمي گذارد و براي کشورهايي که منابع انرژي زيرزميني ندارند، مناسب ترين راه براي دست يابي به نيرو و رشد و توسعه اقتصادي مي باشد.
ايران با وجود اين که يکي از کشورهاي نفت خيز جهان به شمار مي رود و داراي منابع عظيم گاز طبيعي نيز است، خوشبختانه به علت شدت تابش خورشيد در بيش ترين مناطق کشور، اجراي طرح هاي خورشيدي الزامي و امکان استفاده از انرژي خورشيد در شهرها و روستاهاي پراکنده در سطح کشور، مي تواند صرفه جويي مهمي در مصرف نفت و گاز را به همراه داشته باشد. فناوري ساده، آلوده نشدن هوا و محيط زيست و از همه مهم تر ذخيره شدن سوخت هاي فسيلي براي آيندگان، يا تبديل آن ها به مواد و مصنوعات پرارزش با استفاده از تکنيک پتروشيمي از عمده دلايلي هستند که لزوم استفاده از انرژي خورشيد را براي کشور آشکار مي سازد.
ايران در مجموع کشوري است بسيار آفتابي و از نظر مقدار و دريافت انرژي خورشيدي در شمار بهترين کشورها محسوب مي شود و به صراحت مي توان گفت که سطح کنوني علمي و صنعتي کشور براي ايجاد و گسترش تکنيک خورشيدي به حد کافي آمادگي دارد. بنابراين اگر طرح هاي خورشيدي معرفي شوند و علوم و فنون مربوط ترويج يابند، صنايع خورشيدي کشور، مي تواند به عنوان يک صنعت خودکفا وارد عمل شود.

نور خورشيدي
 

علي رغم استفاده از نور خورشيد در جاهاي مختلف شايد نسبت به ساير مزايايي که از خورشيد گرفته مي شود کم تر به استفاده از نور خورشيد اشاره شده است. در اين زمينه مي توان به تابش نور خورشيد به داخل ساختمان ها، زير زمين ها و کلاً جاهايي که به دليل موقعيت محل، تابش مستقيم نور خورشيد امکان پذير نمي باشد اشاره نمود.
در سوابق استفاده از نور خورشيد براي روشنايي براي مکان هاي تاريک يا کم نور روش هاي مختلفي وجود دارد. در اين خصوص از فن آوري هاي مختلفي براي تابش و به نوعي انتقال نور استفاده مي شود. از جمله اين مي توان به موارد زير اشاره نمود"
• استفاده از فيبرهاي نوري براي انتقال نور به داخل ساختمان ها
• استفاده از انواع آيينه ها با ترکيبات مختلف براي انتقال نور

آفتاب گردان
 

نياز انسان به نور طبيعي همواره مورد تأکيد قرار گرفته است. کلاً نور و روشنايي اثرات مثبت روحي و رواني بر روي افراد دارد و از نظر پزشکي تأکيد شده است که حتي الامکان محيط کار و زندگي به گونه اي انتخاب شود که بتوانيم از نور طبيعي و تابش آفتاب استفاده نماييم. ليکن همان گونه که در پيش معلوم شده حرکت خورشيد و زمين و زواياي تابش به گونه ايي مي باشد که نمي توان به طور همزمان دو سمت شمال و جنوب از تابش آفتاب بهره برد. اين موضوع به ويژه براي مجتمع هاي مسکوني و شرايط ساخت و ساز که محدوديت هاي خاص خود را دارد بيش تر نمود پيدا مي کند.

به عبارتي ابعاد و مشخصات زمين براي ساخت به گونه ايي مي باشد که براي نيم کره ي شمالي تنها سمت جنوب ساختمان ها داراي آفتاب مي باشد و سمت شمال ساختمان ها، نورگيرها، دستگاه هاي راه پله و ... از آفتاب بي بهره هستند. لازم به توضيح است که در اين نيم کره و در فصل تابستان اولين صبح و اواخر عصر سمت شمال نيز با تابش آفتاب مواجه مي باشد. بديهي است عدم تابش آفتاب به سمت شمال ساختمان ها تنها براي مجتمع هاي مسکوني نمي باشد بلکه هر ساخت و سازي را در بر مي گيرد که از جمله آن مي توان انبارها، سوله ها و ... را نام برد.

لذا با توجه به اين شرايط وجود يک سامانه ايي که بتواند محل هايي را که با کمبود نور و عدم تابش آفتاب مواجه هستند آفتاب گير نمايد احساس مي شود. شايد بتوان لزوم چنين نيازي را به مزايايي که مي توان از اين سامانه به دست آورد احساس نمود مزايايي همچون:
• تابش آفتاب و افزايش شدت نور به اتاق ها و محل هاي مورد نظر
• بهبود اثرات رواني به دليل تابش آفتاب و نور به محل سکونت و کار
• کاهش مصرف برق به دليل تابش آفتاب به داخل محل مورد نظر
• اثرات مثبت سلامتي و بهداشتي به دليل تابش آفتاب
• تابش آفتاب و نور خورشيد به واحدهاي شمالي ساختمان (ساختمان هاي درب به ساخت)
• تابش آفتاب و نور خورشيد به نورگيرهاي ساختمان در هر کجاي ساختمان به ويژه براي ساختمان هاي درب به حياط
• تابش آفتاب و نور خورشيد به دستگاه هاي راه پله که در وسط ساختمان قرار دارند
• تابش آفتاب و نور خورشيد به راهروها، کوچه ها، انبارها و هر مکاني که نياز به استفاده از آفتاب و نور خورشيد دارد
• افزايش قدرت مانور مهندس معمار در استفاده از آفتاب در زمان طراحي ساختمان

طرز کار
 

نحوه ي کار آفتاب گردان به اين صورت مي باشد که با تابش خورشيد، آفتاب گردان موقعيت خود را با زاويه ي تابش آن تنظيم کرده و آفتاب را به محل تنظيم شده مي تاباند. با تغيير زاويه ي تابش خورشيد، آفتاب گردان به صورت خودکار موقعيت جديد را تشخيص داده و خود را مجدداً با زاويه ي تابش خورشيد تنظيم مي کند. سيستم آفتاب گردان به گونه ايي طراحي شده است که در تابستان حدود 8 ساعت و در زمستان تقريباً از طلوع تا غروب خورشيد آفتاب را به مکان تنظيم شده مي تاباند.
همان گونه که بيان گرديد ارتفاع خورشيد و سمت تابش خورشيد در طول يک روز از طلوع تا غروب خورشيد براي يک محل و همچنين در فصول و در عرض هاي جغرافيايي مختلف، متفاوت مي باشد. از طرف ديگر محل هايي که قرار است آفتاب گردان نصب شود لزوماً به موازات خط افق قرار ندارند و با زواياي مختلف نسبت به اين خط بنا شده اند. بنابراين سيستم ردياب خورشيد بايد به گونه ايي طراحي شود که بتواند در تمام شرايط به صورت هوشمند خود را با خورشيد تطبيق دهد.
براي اين منظور ما از يک مجموعه مدار الکترونيکي به همراه سنسورهاي نوري استفاده کرده ايم که با انعکاس آفتاب از سطح آيينه به اين سنسورها و بررسي تغييرات جريان آن ها دستورات لازم به موتورها داده مي شود تا آيينه در جهتي حرکت کند که حداقل اختلاف خروجي سنسورها وجو داشته باشد. لازم به توضيح است که طرح به گونه ايي مي باشد که مي توان از آن براي هر نوع ساختمان جدايي از زاويه ي قرار گرفتن ساختمان نسبت به خط افق استفاده نمود.
$حالت هاي مختلف نصب
آفتاب گردان را مي توان با توجه به نوع کاربري مورد نياز در مکان هاي مختلف نصب نمود. در تصاوير 1 و 2، دو حالت مختلف نصب و کاربري آن بر روي ساختمان نشان داده شده است.

نتيجه گيري
 

کشور ما در موقعيتي قرار دارد که به طور متوسط 275 روز آفتابي را در آن شاهد هستيم. از طرفي شرايط ساخت و ساز به ويژه در شهرهاي بزرگ به گونه اي انجام شده است که به دليل شرايط زمين و ساير عوامل سعي بر اين است که حداکثر استفاده از فضا بشود. در اين زمينه افزايش زير بناي مفيد و استفاده حداکثري از فضاها در اولويت معماران قرار دارد. از طرفي با بهره مند شدن از نور طبيعي علاوه بر اثرات مثبت روحي، بهداشتي و سلامتي مي توان ضمن رعايت استانداردهاي ساخت و ساز از منظر تأمين حداقل نور واحدها، از کاهش هزينه هاي مستقيم و غيرمستقيم ساختمان نيز بهره برد. که از جمله اين هزينه ها مي توان به مواد فصل 19 نظام مهندسي اشاره نمود. تمام اين شرايط در کشور ما مهيا است و مي توان از اين سيستم بدون هيچ گونه مشکلي در ساختمان ها استفاده نمود.

پي نوشت
 

1-کارشناس مهندسي صنايع از دانشگاه صنعتي اصفهان، کارشناسي ارشد فناوري اطلاعات، از دانشگاه صنعتي اميرکبير.
2- موضوع پايان نامه ي کارشناسي ارشد منصور منصوري مي باشد که نتيجه ي تحقيقات و مطالعات نامبرده منجر به ثبت اختراع در سال 86 به نام وي گرديد. اين مقاله توضيحات بيش تري از اين محصول ارائه مي نمايد.
 

منبع:ماهنامه فني – تخصصي دانش نما 175 - 174
/ن