تکنولوژي هاي نو در تأمين انرژي هاي نو در ساختمان

سلول هاي خورشيدي
 

New technologies in providing new energies for buildings (Solar cells)

چکيده
 

انرژي خورشيدي به طور رايگان و بدون هيچ گونه محدوديتي در همه ي نقاط جهان يافت مي شود. يکي از اميد بخش ترين سيستم هاي تبديل تابش خورشيدي به انرژي قابل استفاده در ساختمان، سلول هاي خورشيدي (Solar Cells) است. سلول هاي خورشيدي با قرارگيري در معرض نور، جريان مستقيم الکتريکي توليد مي کنند. اين قابليت بر پايه ي تأثير کوانتوم فتوالکتريک است. اين فن آوري با راندمان بالا، انرژي الکتريکي و حرارتي مورد نياز ساختمان را تأمين مي نمايد، تا جايي که مي تواند ساختمان را به طور کامل از حيث انرژي خود اتکا کند. سيستم هاي فتو ولتائيک مي توانند يکي از مهم ترين روش هايي باشند که برق مورد نياز روستاها، مناطق دور افتاده و عشاير کشور را تأمين نمايند، زيرا به دليل صعب العبور بودن اغلب اين مناطق، تغذيه آن ها از طريق شبکه هاي سراسري برق، بسيار پر هزينه و گاه غير ممکن است. اين فن آوري اگرچه هنوز هم نسبت به فن آوري متداول توليد برق، گران تر است. ولي يکي از بهترين روش هايي خواهد بود که براي توليد برق، از انرژي پايان ناپذير خورشيد بهره مي گيرد. در اين مقاله با معرفي سازوکار سلول هاي خورشيدي، روش هايي براي استفاده هاي خانگي و تأمين انرژي هاي حرارتي و الکتريکي بيان شده است که با اين فن آوري مقادير زيادي از دي اکسيد کربن جو نيز به دام مي افتد.
کليد واژه ها: انرژي هاي تجديد پذير، نيمه رساناها، سلول هاي خورشيدي، ساختمان هاي خوداتکا

مقدمه
 

تغييرات آب و هوايي و نتايج حاصل از آن بزرگ ترين چالشي است که ما در اين قرن با آن روبه رو هستيم. همان طور که رشد جمعيت افزايش مي يابد و در زمان مشابه جاذبه ي مهاجرت به شهرها بيش تر مي شود، ساخت و ساز قديم و جديد مي بايد به يک هدف پايه و بنيادين در نبرد براي معکوس نمودن مطالبه ي انرژي هاي حاصل از سوخت فسيلي تبديل شود. دانشجويان، اساتيد و شاغلان صنعت ساختمان نيازمند اين هستند که از اهميت نقش خود، در خلق ساختمان هايي که نه تنها کيفيت زندگي را ارتقا مي بخشند بلکه پايداري و دوام چنين کيفياتي را تضمين مي کنند، آگاه شوند.
کربن در طول زمان، آهسته و به کندي در زمين به دام افتاده است و در طول ميليون ها سال ذخيره هاي فسيلي پُر جرمي را ساخته است. مشکل اساسي اين است که اين اندوخته هاي کربني به صورت دي اکسيد کربن در جو آزاد خواهند شد. تجمع هاي اتمسفري Co2 ناشي از اقدامات اوليه ي صنعتي در حدود 270 قسمت در هر يک ميليون از واحد حجم (ppmv) بوده است. اکنون تخمين زده مي شود که اين ميزان به ppmc 380 رسيده است. هدف جامعه ي علمي اين است که ميزان co2 جوي را تا سال 2050 زير ppmv 500 نگه دارد. پيش بيني مي شود که با روند کنوني استفاده از سوخت هاي فسيلي اين ميزان در نيمه ي قرن حاضر به ppmv 800 برسد.

alt=" تکنولوژي هاي نو در تأمين انرژي هاي نو در ساختمان" src="/userfiles/Article/1390/10/15045.JPG"

کره ي زمين انرژي ساليانه اي معادل 178000 تراوات از خورشيد دريافت مي کند که اين ميزان تقريباً 15000 برابر مصرف انرژي زمين است. از اين ميزان جذب شده ي انرژي، 30 درصد آن به فضا بازتاب داده مي شود، 50 درصد آن در جو مي ماند و دوباره تابش مي شود و 20 درصد آن نيز صرف چرخه ي هيدرولوژيکي مي شود. تنها 0/6 درصد از آن صرف فتوسنتز مي شود که کل حيات از آن سرچشمه مي گيرد و تمام ذخيره هاي انرژي ناشي از سوخت هاي فسيلي ما نيز از آن ناشي مي شود. امنيت سياره به توانايي و تمايل ما در استفاده از اين انرژي آزاد و بدون ايجاد اثرات نامطبوع، بستگي دارد (ميزان آلودگي ناشي از سوختن سوخت هاي فسيلي).
بزرگ ترين پتانسيل براي کاهش اين تغيير در بستر چگونگي ساختمان سازي نهفته است. در بريتانياي کبير، بيش تر از 50 درصد Co2 توليد شده، در بخش ساختمان محاسبه شده است.نوعي فن آوري وجود دارد که اين رقم را در ساختمان هاي جديد و ساختمان هاي کنوني از بين مي برد. امروزه گونه اي از ساختمان ها طراحي شده اند که مي توانند کاهش Co2 را به 80 تا 90 درصد در برابر ميزان فعلي برساند. در ساختمان هاي مربوط به دوره ي سال هاي 1960 تا 1970 نشانه هايي از غرور انساني وجود دارد و مبارزه عليه طبيعت در هر گامي به چشم مي خورد. با شروع هزاره ي سوم، گرايش به همکاري بين فعاليت هاي انساني و نيروهاي طبيعت مشاهده شده است. امروزه، اين موضوع مي تواند به صورت بهتر از آنچه هست در طراحي ساختمان ها، مديريت شود.

انرژي تجديدپذير خورشيد
 

انرژي خورشيدي به طور رايگان و بدون هيچ گونه محدوديتي در همه ي نقاط جهان دريافت مي شود. واضح ترين و ساده ترين روش استفاده از انرژي خورشيدي تبديل آن به انرژي حرارتي از طريق گردآورنده هاي حرارتي خورشيدي است. بنابراين قابل درک است که بسط و توسعه ي اوليه ي سيستم هاي انرژي خورشيدي بر روي تأمين انرژي لازم براي گرم کردن فضاي ساختمان ها و تأمين آب گرم مورد نياز، متمرکز شده بود. با اين حال، تبديل مستقيم نور خورشيد به الکتريسيته نظر بسياري از دانشمندان را برانگيخت، نه تنها به اين خاطر که اين فن آوري مي توانست به طور موثر از تمرکز سيستم هاي توليد بق بکاهد، بلکه همچنين توليد برق از انرژي خورشيدي با هزينه ي اندک و با راندمان بالا همواره از خواست هاي بشر بوده است. (تصوير 1)

مصارف انرژي خورشيدي
 

1) گرم کننده ها مثل آبگرم کن خورشيدي، که براي گرماي خانه ها و کوره هاي خورشيدي که براي ذوب فلزات حتي با دماي بالا نظير آهن استفاده مي شود و دمايي تا حدود 6000 درجه سانتي گراد توليد مي کنند. 2) دستگاه هاي آب شيرين کن، که توسط آينه هايي نور خورشيد را روي مخازن آب متمرکز مي کنند تا کار تبخير را انجام دهد. 3) الکتريسيته خورشيدي، که اين روش نسبت به ساير روش ها ارجحيت دارد. انرژي الکتريکي به سادگي قابل تبديل به ساير انرژي ها بوده و مي توان آن را ذخيره کرد.
اغلب قمرهاي مصنوعي و ماهواره هايي که از دهه ي 1950 ميلادي تا کنون به فضا فرستاده شده اند، قدرت مورد نياز خود را از پانل هاي متشکل از سلول هاي خورشيدي دريافت نموده اند. سيستم هاي فتوولتائيک مي توانند يکي از مهم ترين روش هايي باشند که برق مورد نياز روستاها و مناطق دور افتاده کشور را تأمين نمايند، زيرا به دليل صعب العبور بودن اغلب اين مناطق، تغذيه ي آن ها از طريق شبکه هاي سراسري برق، بسيار پُر هزينه و گاه غيرممکن مي باشد. اين فن آوري اگرچه هنوز هم نسبت به فن آوري متداول توليد برق، گران تر است، ولي يکي از بهترين روش هايي خواهد بود که براي توليد برق، از انرژي پايان ناپذير خورشيد ي بهره مي گيرد. در کشورهاي متعددي يارانه هاي منطقه اي به شکل قابل توجه، به صنايع فتو ولتائيک اختصاص داده مي شود. و به تبع آن قيمت ها مي تواند به سرعت به اقتضاي مقياس هاي اقتصادي، افت کنند. يکي از مثال هاي پيشگام در کاربردهاي خانگي، خانه ي مستقل ساخته شده به وسيله رابرت ويل (Robert Vill) واقع در لندن مي باشد. (تصوير 2)
سلول هاي فتو ولتائيک هيچ بخش متحرکي ندارند، در موقع کار هيچ صدايي توليد نمي کنند و از هر دو جنبه ي زيبايي و علمي جذاب به نظر مي رسند. نيروي توليد شده از طريق دسترسي به نور تابيده شده به سلول در آن ذخيره مي شود و اين روند حتا در مواقعي که آسمان ابري و تيره است نيز صورت مي گيرد. بين سال هاي 2001 و 2002، توسعه و پيشرفت توليد سلول هاي فتو ولتائيک تا 56 درصد براي اروپا و 41 درصد براي ژاپن افزايش يافت. مزيت ساختمان هايي که به اين نوع سيستم مجهز شده اند شامل اين موارد مي باشد:

تصوير 2: خانه ي مستقل لندن با نمايي از فضاي خورشيدي وسيستم هاي انرژي ساز نوري(فتو ولتائيک)

* توليد پاک الکتريسيته؛
* توليد در محل خود در داخل محيط شهري؛ و
* عدم نياز به استفاده از محيط ديگر.
امروزه، برنامه هاي ملي و بين المللي وجود دارند که جهت حمايت از فرصت هايي براي اين پروژه ها به کار گرفته شده اند. آلمان يکي از کشورهاي پيش قدم در توسعه کاربرد فتو ولتائيک ها در ساختمان است. قانون انرژي تجديدپذير درآلمان به توليد الکتريسيته از سقف ها با سلول هاي فتو ولتائيک اهميت بيش تري بخشيده است و از هدف آغازي خود يعني ساخت 100000 سقف فتوولتائيک، پيش افتاده است. اين قانون اخيراً دوباره وضع شده است و ساخت بيش از 100000 سقف فتو ولتائيک ديگر براي آن در نظر گرفته شده است.

تصوير3: نمايي از نحوه ي کارکرد يک سلول ساده

سلول هاي خورشيدي (Photovoltaies)
 

ميزان انرژي که خورشيد براي زمين تأمين مي کند پنج برابر الکتريسيته لازم براي ادامه حيات تمدن مدرن است. يکي از اميدبخش ترين سيستم هاي تبديل تابش خورشيدي به انرژي قابل استفاده سلول Photovoltaies است. اين سلول ها زماني که در معرض نور قرار مي گيرند جريان مستقيم الکتريکي (DC) توليد مي کنند. در حال حاضر سيليکون ماده رايج فتوولتائيک است که روي ماده مناسبي مثل شيشه رسوب مي کند. مشکلات آن عبارت است از گران بودن، خروجي و نتيجه ي کم در هر ناحيه و قابليت عمل آن تنها در نور روز. بنابراين به دليل تغييرات آب و هوايي و فصلي دچار نوسان خواهد شد. اين روش چون جريان مستقيم (DC) توليد مي کند، براي برخي اهداف بايد تبديل به جريان غيرمستقيم (AC) شود که توسط يک مبدل صورت مي گيرد.
شايد بهترين موقعيت و مزيت فتوولتائيک ها، قابليت توسعه و رشد مناطق روستايي و کشورهاي در حال توسعه باشد. در واقع اين حوزه، حوزه اي است که کشورهاي صنعتي بايد به فکر سرمايه گذاري و انتقال تکنولوژي خود به کشورهاي کم توسعه يافته باشند. امکانات پزشکي مناطق روستايي از طريق امواج فو ولتائيک تغذيه مي شوند. براي مثال بيمارستان روستايي Dire در مالي، در مقياس کوچک تر به وسيله ي سلول هاي متحرک و فشرده فتو ولتائيک يخچال و پمپ آب را به کار مي اندازد.

تصوير 4: چگونگي ايجاد جريان الکتريکي با اثر فوتوالکتريک دريک سلول نيمه هادي

ساختار سلول هاي فتو ولتائيک
 

فتو ولتائيک ها دستگاه هايي هستند که نور را به صورت مستقيم به الکتريسيته تبديل مي کنند. در حال حاضر بيش تر آن ها شامل دو لايه ي نازک مواد نيمه هادي هستند که هر لايه شاخص هاي الکتريکي متفاوتي دارد. در بيش تر فتو ولتائيک هاي معمول هر دو لايه از سيليکون ساخته شده اند، اما با هم فرق دارند.
هنگامي که نور به يک سلول فتوولتائيک تابيده مي شود، الکترون ها توسط انرژي تابشي از خورشيد آزاد مي شوند و اين توانايي را پيدا مي کنند که از يک طرف به طرف ديگر بروند. بعضي از الکترون ها به عنوان انرژي مفيد گرفته مي شوند و به يک حوزه ي اضافي هدايت مي شوند. (تصوير 3)
توانايي سلول ها براي تبديل نور به الکتريسيته توسط وات پيک (wp) (watts peak) تعريف مي شود. اين موضوع بر مبناي يک آزمايش قرار دارد و حجم قدرت توليد شده توسط يک فتو ولتائيک زير نور 1000 وات در هر مترمربع است. محدوده ي قيمت ها براي توليد فتو ولتائيک بين 2 يورو و 4 يورو در هر wp مي باشد.

تصوير 5: پروژه ي مسکوني بروگ سانن. کل انرژي مورد نياز اين ساختمان از نور خورشيد تأمين مي شود.

سلول هاي خورشيدي (solar cells) از نيمه هادي ها ساخته شده و با اتصال سيليکون هاي نوع N و P شکل مي گيرند. وقتي نور خورشيد به يک سلول خورشيدي مي تابد به الکترون ها در آن انرژي بيش تري مي بخشد . با تابش نور خورشيد الکترون ها در نيمه هادي پلاريزه شده، الکترون هاي منفي در سيليکون نوع N و يون هاي مثبت در سيليکون نوع P به وجود مي آيند. در اين فرآيند يونيزه شدن هر دو نوع بارهاي متحرک در يک شبکه ي نيمه هادي با الکترون هاي منفي آزاد و حفره هاي مثبت آزاد توليد مي شوند. در نتيجه، بارهاي منفي به يک طرف و بارهاي مثبت به طرف ديگر روانه مي گردند. در اثر جدا شدن بارها، پتانسيل الکتريکي v در بين دو طرف قطعه ي نيمه هادي ايجاد مي شود. با گذاشتن الکترودهايي در دو طرف نيمه هادي، جريان الکتريکي I را مي توان توسط يک بار خارجي از آن دريافت نمود. قدرت الکتريکي P=I×V که از اين طريق به دست مي آيد، به بار داده مي شود.
شايان ذکر است که هر قدر ميزان خلوص سيليکون در سلول بيش تر باشد، راندمان آن هم افزايش مي يابد. يک سلول خورشيدي با اندازه 10 سانتيمتر در 10 سانتيمتر چنانچه در معرض تابش مستقيم خورشيد قرار گيرد، قدرتي نزديک به 1/5 ولت مي تواند توليد نمايد. وضعيت ايده آل براي سقف هاي شيرواني زماني حاصل مي شود که رو به جهت جنوب طوري قرار گيرند که در برابر سايه ي ايجاد شده توسط درختان و يا ساير ساختمان ها قرار نگرفته باشد. با اين حال جهت يابي شرق و غرب نيز مي تواند مقدار قابل توجهي الکتريسيته توليد کند. جهت زاويه ي تابش لبه ها به عرض جغرافيايي بستگي دارد. در لندن اين زاويه 35 (درجه) است به عنوان يک راهنماي مهم، در لندن يک مترمربع از فتوولتائيک هاي مونوکريستالين مي تواند kwh 111 الکتريسيته در هر سال توليد کند. در شيب هاي کم و يا سقف هاي صاف پيشنهاد مي شود سلول ها بر روي ساختارهاي تيغه اي در جهت هاي مناسب قرار داده شوند. با اين حال در آب و هواي انگلستان، يک سقف صاف (بدون شيب) هنوز هم مي تواند 90 درصد خروجي تابش را دريافت کند.
يکي از ساختمان هاي موفق، پروژه ي مسکوني است که در بروگ ساتن (Borough of Sutton) قرار دارد و با سلول هاي فتو ولتائيک در نما و سقف انرژي خود را تأمين مي کند. اين پروژه توسط بيل دانستر (Bill Dunster) طراحي شده و به وسيله ي مهندسان آروپ (Arup) اجرا شده است. در واقع اين بنا بدين منظور ساخته شده است تا همه ي انرژي مورد نياز ساختماني را بدون نياز به انرژي هاي فسيلي تأمين نمايد. (تصوير 5)

تصوير 6: نحوه ي کارکرد فن جهت استفاده از گرماي ايجاد شده در فرآيند توليد انرژي الکتريکي

سلول هاي فتو ولتائيک حتماً بايد در معرض تهويه ي و بادخوري قرار گيرند، زيرا بازده ي آن ها با افزايش دما دچار نزول مي شود. اين نياز براي استفاده ي بهتر در يک رستوران در کاروليناي شمالي ايالات متحده آمريکا به کار برده شده است. سيستم سقف آن 32 مدول فتو ولتائيک غير شفاف دارد که با يک باتري kwh 20 (بيست کيلوواتي) سرويس مي شود. اين مکمل ها در زمان هاي اوج مصرف (peak) مطالبه مي شوند.
خاصيتي که اين سيستم را منحصر به فرد مي کند، اين است که گرماي اين روي هم گذاشتن مجموعه ي زير سلول ها، به مايعي که گرماي ساختمان را تأمين مي کند داده مي شود. يک پنکه، هوا را در بين سلول ها پخش مي کند. به محض آن که گرماي خورشيدي جمع شود پنکه به صورت اتوماتيک به کار مي افتد و گرما را از سلول هاي فتو ولتائيک دور مي کند و آن را به يک حلقه مبدل گرمايي هدايت مي کند. (تصوير 6)
اين فن آوري مي تواند هزينه اي معادل 3000 دلار در هر سال در سومندي و قيمت آب گرم رستوران صرفه جويي کند و همزمان 22680 کيلوگرم از co2 عملياتي را به دام اندازد.
در طول ماه هاي تابستاني در بسياري مواقع صفحه هاي فتوولتائيک به خنک سازي فعال نياز دارند تا بيش ترين ميزان خروجي را داشته باشند. يک پيشنهاد ديگر اين است که صفحه ها به وسيله ي طراحي مناسب وضعيت آن ها و مکاني که در آن قرار مي گيرد تهويه شوند. به اين صورت که به جريان هوا اجازه داده شود تهويه خنک به صورت طبيعي از ابتدا تا انتها صورت پذيرد. به دليل آن که بيش تر نياز به الکتريسيته با جريان متناوب مي باشد (AC)، يک مبدل مي بايد کار گذاشته شود. (مجله ي پژوهشي انرژي تجديدپذير CADDET مارس 2000)

نتيجه گيري
 

بحث گرم شدن زمين منجر به افزايش فشار در خصوص طراحي ساختمان هايي است که بيش ترين استفاده را از انرژي خورشيدي به منظور سيستم هاي نوردهي، سرما و گرماي خانه داشته باشند. امروزه سيستم هاي فتوولتائيک فراواني وجود دارد که با توجه به کاربردهاي آن ها از نظر اقتصادي مقرون به صرفه مي باشند. سيستم هاي توليد قدرت فتوولتائيک ثابت کرده اند که قابل اعتماد هستند و با توجه به تجربياتي که به دست آمده است، چه از نظر بهره برداري و چه از نظر هزينه ي سرويس و نگهداري، توجيه پذير مي باشند. طراحي اين سيستم ها بسيار ساده است و هر يک از اجزاي آن را مي توان با توجه به خواست ها و نيازهاي کاربر محاسبه، و اندازه ي مورد نياز را تعيين نمود. فن آوري ساخت، نصب، ارتباط سيستمي، بهره برداري و تعيين ميزان انرژي اين سيستم ها کاملاً مشخص مي باشد. بر اساس تجربياتي که بيش از 2700 سيستم فتوولتائيک در 45 کشور از 5 نوع کاربرد مختلف از قبيل پمپاژ آب، مخابرات، سرد کردن واکسن ها، روشنايي و تأمين برق منازل و سيستم هاي با کاربردهاي چندگانه به دست آمده، مشخص شده است که اين سيستم ها، کاملاً مورد قبول کاربران قرار گرفته اند. بر اساس مطالعات و بررسي هايي که دپارتمان انرژي آمريکا (DOE) به عمل آورده، احداث يک سيستم فتوولتائيک براي توليد برق، اغلب بسيار ارزان تر از تأمين برق مزبور با کشيدن خط جديدي از شبکه سراسري و نگهداري آن است.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- عضو هيات علمي گروه عمران دانشگاه ياسوج eskandari@mail.yu.ac.ir
2- عضو گروه فيزيک دانشگاه آزاد اسلامي واحد ياسوج www.architecta.net
 

منابع
-Adams, Rober W., (1981), "Adding Solar Heat to Your Home," Tab Books, Inc., PA, 280pp.
- ASE Americas, Inc., (1998), Product Literature, 4 Suburban Park Drive, Billerica, MA 01821-3980.
- AstroPower, Inc., (2002), "AstroPower Unveils New Rooftop-Integrated
-Solar Electric Power Systems", Now. 12, (301) 366-0400 xt 2025.
- Bazilian, M. D., Leenders, F., Van der Ree B. G. C. and Pras, D., (2001)
-"Photovoltaic co-generation in the built environment", Solar Energy, Vol. 71(1), pp. 57-69.
- Clearwater Australia Pty Ltd., 47 Myrtle Street, Glen Waverley, Victoria, Australia 3150, Voice: (03) 9561-6577, Fax: (03) 9561-6599.
- www.clearwater.com.au. A US distributor is Zodiac Pool Care, Inc., 5028 S. Ash Ave., Suite 108, Tempe, AZ 85282, Voice: (*800) 937-7873.
- www.zodiacpoolcare.com
- ClimateMaster, 7300 S. W. 44th St., Oklahoma City, Oklahoma, 73129, Phone: (405) 745-6000.
-L. Jiang, Q. Wang, E.A. Schif, S. Guha S, J. Yan and X. Deng, Electroabsorption measurements and builtt-in potentials in amorphous silicon p-i-n solar cells, Appl. Phys. Lett. 69 (1996), p. 3063.
- M. A. Green, K. Emery, D. L. King, Y. Hisikawa and W. Warta, Solar cell efficiency tables (version 28), Prog. Photovolt: Res. Appl. 14 (2006), p. 455.
- J. M. Pearce, J.R. Koval, A.S. Ferlauto, R. W. Collins, C.R. Wronski, J. Yang and S. Guha, Guha, dependence of open-circuit voltage in hydrogenated protocrystalline silicon solar cells on carrier recombination in p/i interface and bulk regions, Appl. Phys. Lett. 77 (2000), p. 3093
- Davis Instruments 3465 Diablo Avenue, Hayward, CA 94545-2778, Voice: (510) 732-9229 (in USA and Canada), (510) 732-7814 (outside USA or Canada), Fax: (510) 670-0589. www.davisnet.com
-Deffeyes, Kenneth S., (2001), "Hubberts Peak: The Impending World
- Oil Shortage, "Princeton University Press, 208 pp.
- Diablo Solar Services, Inc., 5021 Blum Road #2B, Martinez, CA 94553-9906, (925) 313-0600. www.diablosolar.com
-EUREC Agency, (1997), "The Future for Renewable Energy: Prospects and Directions, " James & James, London, 209 pp.
دانش نما شماره پياپي 166-165