پديده فتوولتاييک

مقدمه
 

امروزه با توجه به پيشرفتهاي صنعتي و تکنولوژي، تامين انرژي مسئله بسيار مهمي شده است. منابع فسيلي رايج توليد انرژي، که اکثرا تجديد ناپذير مي باشند، به دليل نشر آلاينده هاي مخرب بر محيط زيست، آينده جوامع را تهديد مي کند. علاوه بر آن، بر طبق تحقيقات دانشمندان اين منابع تا اواخر قرن 21 به اتمام مي رسند. در نتيجه انسانها را به دنبال راه چاره از اين معضل جهاني برداشته، لذا از دهه هاي پاياني قرن 20 منابع انرژي تجديد پذير مورد توجه خاصي قرار گرفته اند که آثار مخرب منابع فسيلي را ندارند.
يکي از راه هاي مناسب براي استفاده از منابع تجديد پذير انرژي، سيستم فتوولتاييک مي باشد. اين سيستم مبتني بر تبديل مستقيم انرژي خورشيدي به انرژي الکتريکي است.
مقدار انرژي تابشي خورشيد بر روي کره زمين 10000 برابر کل مصرف انرژي هاي ساليانه بر روي زمين است که اين مطلب نشان دهنده اهميت توجه به اين منبع در تامين نيازهاي روزمره بشر است. اگر تا بحال انرژي خورشيدي رقيبي جدي براي سوخت هاي فسيلي محسوب نمي شده است، به دليل پايين بودن تاريخي قيمت سوخت هاي فسيلي بوده است. اگرچه هنوز هم فناوري استفاده از انرژي خورشيدي به بلوغ خود نرسيده است، اما رسيدن به اين تکامل نزديک است. بسياري از کشورهاي جهان در تلاشند تا با جايگزيني انرژي خورشيدي در توليد حرارت و الکتريسيته، حداکثر استفاده از اين منبع انرژي را به دست آورده و زيانهاي ناشي از مصرف سوخت هاي فسيلي را کاهش دهند.
انرژي خورشيدي عظيم ترين منبع انرژي در جهان است. اين انرژي پاک، ارزان و بي پايان بوده و در بيشتر مناطق کره زمين قابل استفاده مي باشد. محدوديت منابع فسيلي و پيامدهاي حاصل از تغييرات زيست محيطي و آب و هواي جهاني، فرصتهاي مناسبي را براي رقابت انرژي خورشيدي با انرژي هاي فسيلي، خصوصا در کشورهايي با پتانسيل بالاي تابش ايجاد نموده است.
سيستم هاي انرژي خورشيدي، فناوري هاي جديدي هستند که براي تامين گرما، آب گرم، الکتريسيته و حتي سرمايش منازل مسکوني، مراکز تجاري و صنعتي بکار مي روند.
فناوري هاي حرارتي خورشيدي به دو بخش نيروگاه هاي حرارتي خورشيدي و کاربردهاي غير نيروگاهي سيستمهاي خورشيدي تقسيم بندي مي شوند.

تاريخچه فتوولتاييک
 

عبارت فتوولتاييک "photovoltaic"ترکيبي از کلمه يوناني"photos" به معني نور با "volt" به معناي توليد الکتريسيته از نور است. کشف پديده فتوولتاييک به فيزيکدان فرانسوي ادموند بيکورول(1)نسبت داده مي شود که در سال 1839 با چاپ مقاله اي تجربيات خود را با باتري تر(2) ارائه نمود. او مشاهده نمود که ولتاژ باتري وقتي که صفحات نقره اي آن تحت تابش نور خورشيد قرار مي گيرند، افزايش مي يابد.
اما اولين گزارش از پديده pv در يک ماده جامد در سال 1877 بود، وقتي که دو دانشمند کمبريج دي(3) و آدامز(4)در مقاله اي به انجمن سلطنتي، تغييراتي که در خواص الکتريکي سلنيوم، وقتي که تحت تابش نور قرار مي گيرد را، توضيح دادند.
در سال 1883 چارلز ادگار فريتس (5) که يک مهندس برق اهل نيويورک بود، يک سلول خورشيدي سلنيومي ساخت که از برخي جهات شبيه به سلول هاي خورشيدي سيليکوني امروزي بود. اين سلول از يک ويفر نازک سلنيوم تشکيل شده بود که با يک توري از سيمهاي خيلي نازک طلا و يک ورق حفاظتي از شيشه پوشانده شده بود. اما سلول ساخت او خيلي کم بازده بود. بازده يک سلول خورشيدي عبارت از درصدي از انرژي خورشيدي تابيده به سطح آن مي باشد که به انرژي الکتريکي تبديل شده باشد. کمتر از 1% انرژي خورشيدي تابيده شده به سطح اين سلول ابتدايي به الکتريسيته تبديل مي شد. با وجود اين، اين سلول هاي سلنيومي سرانجام در نور سنج هاي عکاسي به طور وسيعي بکار گرفته شد.

پديده فتوولتاييک (6)
 

فتوولتاييک يکي از انواع روشهاي توليد برق از انرژي خورشيدي مي باشد. اين اثر براي اولين بار توسط آلبرت اينشتين شرح داده شد. در اين روش با بکارگيري سلول هاي خورشيدي، توليد مستقيم الکتريسيته از تابش خورشيد امکان پذير مي شود. ماده اي که سلول هاي خورشيدي از آنها ساخته مي شود سيليکون و آرسينور گاليم هستند. نوعي نيمه رسانا که جزو دومين عنصر فراوان پوسته زمين محسوب مي شوند. سلول هايي که از سيليکون ساخته مي شوند، از لحاظ تئوري بازده ماکزيمم حدود 22 درصد دارند. ولي بازده عملي آن حدود 15 تا 18 درصد است. در صورتي که بازده عملي سلول هايي که از آرسينور گاليم ساخته مي شود، بيشتر از 20 درصد است ولي سلول هاي سيليکوني به خاطر فرآيند ساخت و خالص سازي سيليکون، قيمت بالايي دارند.
وقتي نور خورشيد به يک سلول فتوولتاييک مي تابد، بين دو الکترود منفي و مثبت اختلاف پتانسيل بروز کرده و اين امر موجب جاري شدن جريان بين آنها مي گردد. وقتي که يک کوانتوم انرژي نوري يعني يک فوتون در يک ماده نفوذ مي کند، اين احتمال وجود دارد که بوسيله الکترون جذب شود و الکترون انتقال پيدا مي کند. وقتي که امواج الکترود مغناطيسي خورشيد بر روي سلول هاي خورشيدي مي تابد، جفت ماده ها(الکترون و پوزيترون) يعني در نوار گاف نيم رسانا به تعداد زياد توليد مي شود (توليد زوج). در نتيجه بر هم کنشهاي فيزيکي بين ذرات صورت مي گيرد که نهايتا منجر به يک پيل خورشيدي مي شود. سيستم هاي فتوولتاييک که در حال حاضر به صورت صنعتي توليد مي شود، از نظر فناوري به دو دسته کلي سيليکون کريستالي به عنوان فناوري نسل اول و فيلم– نازک به عنوان فناوري نسل دوم دسته بندي مي گردد.
اين سيستم در طول شبانه روز از ساعت اوليه صبح تا غروب مي توانند بوسيله سيستم هاي pv برق توليد کنند و پيک توليد آنها در ساعات ظهر مي باشد. واحدهاي فتوولتاييک در صورت ابري بودن هوا نيز مي توانند برق توليد کنند، هر چند خروجي آنها کاهش مي يابد، در يک روز بسيار ابري کم نور، سيستم فتوولتاييک ممکن است 5 تا 10 درصد نور خورشيد در روزهاي عادي را دريافت دارد، به طبع خروجي آن نيز به همان ميزان کم خواهد شد.
پنل هاي خورشيدي در دماي پايين تر، برق بيشتري توليد مي کنند. اين تجهيزات همچون ساير دستگاه هاي الکتريکي در صورتي که هوا خنک باشد، بهتر کار مي کنند. البته سيستم هاي pv در روزهاي زمستاني کمتر از روزهاي تابستاني انرژي توليد مي کنند که علت آن نه برودت هوا، بلکه کاهش ساعات روز و پايين بودن زاويه تابش خورشيد است.
پنل هاي خورشيدي طوري ساخته شده اند که در برابر همه سختي هاي محيط مانند سرماي شديد قطبي، گرماي بيابان، رطوبت استوايي و بادهاي با سرعت بيش از 125 مايل در ساعت مقاومت مي کنند. با اين حال، جنس اين وسايل از شيشه بوده و در اثر ضربات سنگين ممکن بشکنند. (تصوير1)

اجزاي سيستم هاي فتوولتاييک
 

1- سلول هاي فتوولتاييک: اين سلول ها مربعهاي نازک، ديسک ها يا فيلم هايي از جنس نيمه هادي هستند که ولتاژ و جريان کافي را در زمان قرار گرفتن در معرض تابش نور خورشيد، توليد مي کنند.
2- مدول: مجموعه اي از سلول هاي فتوولتاييک که لايه لايه در محفظه اي از شيشه قرار گرفته اند.
3- پانل: مجموعه چند مدول را پانل مي گويند.
4- آرايه: تعدادي از پانلها که توسط سيم کشي هاي با ولتاژ معين بهم متصل شده اند، آرايه ناميده مي شود.
5- کنترل کننده شارژ: تجهيزاتي هستند که ولتاژ باتريها را تنظيم و کنترل مي کنند و از آسيب هاي احتمالي وارد بر باتريها جلوگيري مي کنند.
6- ذخيره کننده باتري(باتري بانک): وسيله اي است که انرژي الکتريکي توليدDC را در خود ذخيره مي کند.
7- مبدل: وسيله اي است که جريان DC را به جريان AC براي مصرف، تبديل مي کند.
8- بار DCLOADS) DC: ابزار آلات، موتورها و تجهيزاتي هستند که از جريان DC تغذيه مي شوند.
9- بار(AC(ACLOADS: ابزار آلات، موتورها و تجهيزاتي هستند که از جريان DC تغذيه مي شوند.

مزايا و معايب تکنولوژي فتوولتاييک
 

تکنولوژي فتوولتاييک در ساخت مدل هاي فتوولتاييک از مصالح با دوامي است. در گذشته دوام سيستمها را حدود 10 سال در نظر مي گرفتند. اما با پيشرفتهاي انجام شده، متوسط عمر مفيد اين سيستم ها به 25 سال رسيده است.
در سيستم منابع تجديد ناپذير، هزينه هاي حمل و نقل مواد و نيروي کار بسيار بالا است اما در سيستمهاي فتوولتاييک چنين هزينه هايي در چرخه توليد وجود نارد. زيرا سيستم به بازرسي هي دوره اي و نگهداري و گهگاهي با هزينه اندک نياز دارد.
در سيستمهاي فتوولتاييک نيازي به منابع سوختي فسيلي و ... نمي باشد. بنابراين، مضرات زيست محيطي ناشي از اين منابع و هزينه هاي حمل و نقل و انبار داري آنها حذف مي شوند. سيستمهاي فتوولتاييک بدون حرکت و کاملا بي صدا بوده و آلودگي صوتي ندارد. با توجه به مدولهاي پيش ساخته در اين سيستمها مي توان الکتريسيته را در مقياسهاي مختلف توليد کرد. چنانچه با سيستمهاي فتوولتاييک مي توان از چند ميلي وات تا چندين مگاوات انرژي بدست آورد. اگر اين سيستم را بصورت مدولهاي کوچک و منفرد استفاده کنيم، براي نيازهاي بسيار ناچيز و اگر در مزرعه اي مجموعه اي از آرايشهاي گسترده فتوولتاييک را بکار بريم، نيروگاهي عظيم را ايجاد کرده ايم. در مواقعي که انتقال برق شهري امکان پذير نباشد، مي توان از اين سيستم ها بهره گيري کرد. زيرا بصورت مستقل الکتريسيته توليد کرده و نيازي به نگهداري فراوان ندارد. پس در مناطق دور افتاده و صعب العبور، استفاده از اين سيستمها گزينه مناسبي خواهد بود.
مهمترين ايرادي که به اين سيستمها وارد است، هزينه هاي بالاي نصب و راه اندازي آنهاست. در حاليکه با نگاه کارشناسانه و دقيق، اين سيستم ها در دراز مدت بصرفه خواهند بود. با توجه به نياز اين سيستم ها به نور خورشيد، تغييرات جوي بر مقدار انرژي توليد شده در اين سيستم ها موثر است. پس لازم است که اين موضوع را در طراحي سيستم ها مورد توجه قرار دهيم. در بيشتر مواقع لازم است از باتري هايي بمنظور ذخيره انرژي استفاده شود که اين موضوع سبب افرزايش هزينه ها مي شود. با توجه به نو بودن کاربرد تکنولوژي فتولتاييک در ساختمان، تنها بخشي از مردم با امکانات و ارزشهاي آن آشنا هستند و ا ين موضوع در توسعه بازار آن تاثير منفي دارد.

توليد سلول هاي خورشيدي در جهان
 

بازار جهاني توليد سلول هاي PV با رشد چشمگيري در حال پيشرفت است اين رشد در سال 2003 حدود 5% در سال بوده است. در سال 2006 ظرفيت توليد سلول هاي فتوولتاييک کريستالي بيش از 90% و سهم سلول هاي PV فيلم – نازک در حدود 8% بوده است. با توجه به رشد سريعتر توليد سلول هاي PV فيلم – نازک(سالانه در حدود 80%) پيش بيني مي گردد تا سال 2010 رقم سهم اين سلول ها به 25% تا 30% برسد.
رقم توليد اين سلول هاي فتوولتاييک در سال 2008 به بيش از 3/4 گيگاوات رسيده است. در اين بين شرکت هاي ژاپني که با روند رو به کاهش سهم خود از توليد سلول هاي فتوولتاييک در جهان مواجه هستند، در حدود 26% بازار را در اختيار داشته اند. شرکت هاي چيني ولي با رشد خيره کننده از سهم 20% در سال 2006 به 35% در سال 2007 دست يافته اند.
ظرفيت نصب شده فتوولتاييک در سال 2007 در جهان به رکورد بيش از 826/2 مگاوات رسيده است. در اين بين، کشور آلمان با در دست داشتن 47% ظرفيت نصب شده جهان به 328/1 مگاوات رسيده است. پس از آلمان، اسپانيا با رشد خيره کننده 480درصدي و در دست داشتن 23% از ظرفيت جهان به رقم 640 مگاوات رسيده است. پس از اين دو کشور، ژاپن با 230 مگاوات و آمريکا با 220 مگاوات و در دست داشتن حدود 8% بازار جهاني در رتبه هاي بعدي قرار دارند.

کاربرد انرژي خورشيدي در نيروگاه ها
 

نيروگاه هاي حرارتي خورشيدي از تابش مستقيم خورشيد (DNI) استفاده مي کنند. اين بخش از تابش خورشيد توسط ابرها، دود يا گرد و غبار منحرف نمي شود. بنابراين، نيروگاه هاي حرارتي– خورشيدي بايد در مناطقي که از تابش مناسب خورشيد برخوردار هستند، ساخته شوند. سايتهاي مناسب براي ساخت نيروگاه هاي خورشيدي از تابش خورشيد 2000 کيلووات ساعت بر هر متر مربع سالانه برخوردار هستند، مناطق مناسب تر جهت احداث اين نوع نيروگاه ها از تابشي بيش از 2800 کيلووات ساعت بر هر متر مربع سالانه برخوردار هستند. به طور معمول، نقاطي براي اين سايتها مناسب هستند که آب و هوا و گياهان منطقه رطوبت و گرد و غبار زيادي را در اتمسفر ايجاد نمي کنند، مانند استپها، بوته زار، صحراهاي نيمه خشک و صحراها که به طور معمول در عرض جغرافيايي شمال يا جنوب کمتر از 40 درجه قرار دارند.
از مناطق مستعد مي توان به جنوب غربي ايالات متحده آمريکا، کشورهاي مديترانه اي اروپا، خاور ميانه و خاور نزديک، ايران و صحراهاي هند، پاکستان، چين و استراليا اشاره نمود.
در بسياري از مناطق جهان مي توان با استفاده از تکنولوژي هاي حرارتي– خورشيدي در مساحت يک کيلومتر مربع از زمين 100 الي 300 گيگاوات ساعت الکتريسيته خورشيدي توليد نمود. اين مقدار معادل توليد سالانه نيروگاه هاي متداول فسيلي، زغال سنگ يا گازي با ظرفيت 50 مگاوات در بار متوسط است.
يک نيروگاه خورشيدي شامل تاسيساتي است که انرژي تابشي خورشيد را جمع کرده و با متمرکز کردن آن، درجه حرارتهاي بالا ايجاد مي کند. انرژي جمع آوري شده از طريق مبدلهاي حرارتي، تور بين ژنراتورها و يا موتورهاي بخار به انرژي الکتريکي تبديل خواهد شد.

کاربرد انرژي خورشيدي در معماري
 

استفاده از سيستم هاي فتوولتاييک در ساختمان جذابيت زيادي در ميادين طراحان و معماران يافته است. لذا لازم است اين سيستم ها بگونه اي صحيح و با طراحي مناسبي ساخته شوند بطوريکه بعد از نصب نيازي به دوباره کاري و سرويس هاي مکرر نباشد.
سيستم فتوولتاييک مي تواند بر طرح، شکل، محل قرار گيري و جهت گيري ساختمان موثر بوده و به جزيي مهم از سيستم زيست محيطي ساختمان تبديل شود. بنابراين، بايد به آنها همچون بخش کاملي از سيستم انرژي ساختمان و عملکرد آن توجه نمود.
پس لازم است که بين اجزاي سيستم فتوولتاييک و ساير اجزاي ساختمان هماهنگي و يکپارچگي پديد آيد. از طرف ديگر، جنبه هاي زيبايي شناسانه اين سيستم ها داراي اهميت ويژه اي مي باشد.
به منظور استفاده صيح از سيستم فتوولتاييک، بايد آن را به عنوان يکي از عوامل اوليه طرح ساختمان به شمار آورده، به نيازهاي آن همانند ساير نيازهاي عملکردي ساختمان پاسخ داد. برخي از دلايل که باعث استفاده از سيستم هاي فتوولتاييک در ساختمان مي شود عبارتند از:
- تامين همه يا قسمتي از انرژي الکتريکي ساختمان به منظور کاهش هزينه تامين انرژي.
- همکاري در حفظ محيط زيست.
- خلق آثار بديع هندسي و معماري.
- آشنا نمودن مردم با کاربردهاي سيستم فتوولتاييک
- استفاده از سيستم فتوولتاييک بايد در چارچوب بخشي از استراتژي توليد انرژي ساختمان قرار گيرد لذا لازم است براي استفاده از اين سيستم ها، آنها را به صورت مناسبي بررسي نمود.
عوامل زير بر موفقيت اين سيستم ها مؤثر است:
- موقعيت– ساختمان ها بايد در جايي باشند که در معرض تابش مناسب نور قرار داشته باشند.
- عملکرد– ساختمان بايد نيازمندي هاي الکتريکي فراواني داشته باشد و اين به معني آن است که انرژي توليد شده در ساختمان مصرف شده و مازاد آن به سيستم برق شهري تغذيه مي گردد.
- طراحي- سيستم هاي فتوولتاييک بر شکل و زيبايي ساختمان ها تاثير مي گذارند. پس طراحي بايد به گونه اي باشد که هم طراح و هم مصرف کننده از نتيجه آن راضي باشند.
واضح است که با افزايش نور خورشيد، مقدار توليد سيستم فتوولتاييک زياد تر مي شود. لذا موقعيت سايت داراي اهميت فراواني است. مثلا در نيمکرده شمالي هر چقدر به طرف شمال حرکت کنيم، مقدار انرژي خورشيد قابل دسترسي، کمتر مي شود. لازم است توپوگرافي سايت بررسي شده و انواع بادهاي محلي منطقه نيز همانند قسمتي از سيستم تهويه بنا مورد توجه قرار گيرد. به عنوان مثال در زمستان بايد به اتلاف گرماي ناشي از وجود منافذ در ساختمان و وزن بادهاي کم سرعت اهميت فراواني قائل شد. وزش باد در روزهاي تابستان کمک به بهبود شرايط آسان نموده، موجب مي گردد تا دماي پانلهاي فتوولتاييک کاهش يابد بدين وسيله راندمان آن افزايش يابد. به هر حال وظيفه طراح آن است که به تعادل مناسبي بين شرايط محيطي و طرح دست يابد.
با توجه به تاثير سايه در کاهش توليد سلول هاي فتوولتاييک، لازم است تا حد ممکن از ايجاد سايه بر روي پانلها توسط عوامل مصرفي و طبيعي مانند تپه ها، تيرک هاي تلفن، دودکش ها، درختان، ساختمان هاي اطراف و حتي قسمتهايي از خود آرايه فتوولتاييک ... جلوگيري شود.
مسئله مهم ديگر، جهت يابي صحيح مي باشد. البته در اين رابطه انعطاف پذيري زيادي وجود دارد. جهت يابي مناسب براي ساختمان ها به گونه اي است که آنها با سمت جنوب زاويه اي حدود 20 درجه مثبت يا منفي داشته باشد. در چنين حالتي مي توان 95 درصد يابيشتر از انرژي قابل دستيابي در زاويه هاي گوناگون را براي ساختمان کسب نمود.
در زاويه 30 درجه مثبت يا منفي نسبت به جنوب، مقدار انرژي کسب شده کاهش مي يابد. اما تفاوت اساسي بين سطحي با زاويه 15 درجه نسبت به جنوب شرقي و سطح ديگري با زاويه 15 درجه جنوب غربي، در مدت زمان تابش نور خورشيد به آن است. تعداد زيادي از ساختمان ها، از دفاتر کار گرفته تا هتل ها و حتي ساختمان هاي صنعتي، مي توانند از سيستم فتوولتاييک استفاده کنند. دفاتر اداري نمونه هاي مناسبي جهت استفاده از اين سيستم هستند. زيرا ميزان تقاضاي آنها براي انرژي الکتريکي مقدار قابل توجهي است و اين ساختمان ها در تابستان هم فعالند. از طرفي بيشترين مقدار تقاضا بين ساعات 8 صبح تا 5 بعدازظهر است و تابش خورشيد نيز در همين ساعات مي باشد. پس مي توان نتيجه گرفت که تعادل بين تقاضا و عرضه در سيستم فتوولتاييک مسئله مهمي است.
طراحي سيستم فتوولتاييک براي واحدهاي مسکوني کمي متفاوت است، زيرا در يک خانه مسکوني فعاليتها بصورت شبانه روزي صورت مي گيرد، بويژه در شبها و ايام تعطيل.
استفاده از سيستم فتوولتاييک در سطح ساختمان هاي صنعتي، تجاري و اداري بدليل وجود سقف هاي وسيع و مسطح که مي تواند بسترمناسبي جهت نصب پانلهاي خورشيدي ايجاد نمايد، مناسب مي باشد.
از انرژي حرارتي خورشيد علاوه بر استفاده نيروگاهي، مي توان در زمينه هاي زير بصورت صنعتي، تجاري و خانگي استفاده کرد:
گرمايش آب مصرفي(آب گرمکنهاي خورشيدي براي منازل، ساختمانها، کارخانجات و استخرها)
آبگرمکن هاي خورشيدي به طوريکه از نام آنها پيداست از طريق جذب انرژي تابش خورشيد توسط صفحات جاذب(کلکتور) عمل مي نمايند و راندمان گرمايشي آنها در فصول مختلف سال و بر حسب موقعيتهاي جغرافيايي متفاوت مي باشد. مخزن آبگرم به گونه اي طراحي شده که آبگرم را بطور ذخيره در شبانه روز مهيا نمايد و تلفات حرارتي آن تا صبح روز بعد وطلوع مجدد بسيار ناچيز باشد. با استفاده از اين سيستم مي توان هزينه هاي مصرف گاز– گازوئيل وبرق را بطور چشمگيري کاهش داد که اين امر در پروژه هاي بزرگ ملموس تر خواهد بود، بطوريکه بعد از گذشت حدود 4 الي 5 سال، مي توان با صرفه جويي در مصرف سوخت هاي فسيلي سرمايه گذاري اوليه را مستهلک نمود. هزينه هاي نگهداري و تعميرات اين سيستمها بسيار پائين است. طول عمر کارکرد سيستمهاي استاندارد و با کيفيت فني بالا تا 15 سال مي رسد.

گرمايش فضاي داخلي ساختمانها
 

گرمايش ساختمان توسط خورشيد، اولين و اصلي ترين کاربرد انرژي خورشيدي در بخش ساختمان مي باشد. سيستم هاي گرمايش خورشيدي بر مبناي نوع سيال هوا يا مايع، که درکلکتور هاي خورشيدي گرم مي شود، به دو نوع عمده تقسيم بندي مي شوند. هر دو نوع از اين سيستم ها تابش خورشيد را جمع آوري و جذب کرده و حرارت بدست آمده از خورشيد را جهت تامين بار گرمايش مستقيما به فضاهاي داخلي ساختمان ها انتقال مي دهند. استفاده از اين سيستم ها از منبع انرژي بي پايان و ارزان خورشيدي يکي از مزاياي سيستم هاي خورشيدي مي باشد و از همه مهمتر، اين سيستم ها بر خلاف سوخت هاي فسيلي تهديدي براي محيط زيست به شمار نمي روند.

طراحي و ساخت سيستم هاي فتوولتاييک
 

در طراحي و ساخت اين سيستم ها مي توان از يک دستورالعمل استفاده کرد. اين دستور العمل مشخص مي کند که در يک سايت معين چه مقدار زيربنا لازم است، هزينه ها چقدر هستند، ارتفاع چگونه بايد باشد و...
در ساختمان هاي با سيستم فتوولتاييک، انرژي خورشيدي را براي روشنايي در سراسر سال استفاده مي کنند. اکنون اگر اين سؤال مطرح شود که«سيستم هاي فتوولتاييک چه تفاوت هايي را ايجاد مي کنند ؟» پاسخ چه خواهد بود؟
اوالا از نظر ساختاري، سيستم فتوولتاييک بايد نقشي همانند ساير عناصر ساختمان، مثل ديوار يا سقف را ايفا کنند. بنابراين، بايد همه موارد مواد و مصالح و عوامل مخرب، سلامت سازه، آتش، تاسيسات و...) و هزينه ها را در نظر گرفت. البته علاوه بر موارد فوق، برخي عوامل ديگر نيز وجود دارد، که در ميزان توليد انرژي توسط سيستم فتوولتاييک مؤثر است که عبارت است از:
1- پرهيز از ايجاد سايه توسط خود بنا 2- تهويه و توليد گرما 3- در نظر گرفتن مسيرهاي قابل دسترسي براي سيمها و کابل هاي اتصال 4- حفاظت و نگهداري.
با توجه به اينکه سلول هاي فتوولتاييک بر ظاهر ساختمان تاثير مي گذارند، بايد با دقت از آنها استفاده شود. توجه به گرما و تهويه براي سيستم فتوولتاييک مسئله مهمي مي باشد و در اين رابطه بايد به موارد زير توجه کرد:
- تاثيرات دماي بالاي بالقوه
- برقراري امکان تهويه فضاي پشت مدولها براي افزايش راندمان
- برقراري امکان تهويه فضاي پشت مدولها براي افرايش راندمان
- استفاده از گرماي پشت مدولها

افزايش راندمان سيستم
 

به منظور افزايش راندمان، بايد به دماي بالقوه توجه شود. زيرا اين موضوع با اجزايي از ساختمان که براي کسب تشعشعات خورشيد طراحي شده اند، همکاري مي کند. دوام مصالح، حرکت هاي گرمايي، کيفيت کابلهاي الکتريکي در دماي بالا و...، همگي نيازمند فکر دقيق و سنجيده اند.
مدولهاي فتوولتاييک گرمايي توليد نمي کنند، اما در شرايط تابشي شديد 700 تا 750 وات بر ساعت مي توانند تا 40 درجه سانتي گراد بالاتر از حد مجاز گرم شوند. (تا دماي 70 درجه سانتي گراد يکي از عوامل موثر بر راندمان مدولها، مخصوصا مدولهاي کريستالين، تهويه مناسب هواي پشت آنهاست. روشهاي گوناگوني براي اين کار وجود دارد. يکي از اين روشها، تهويه دهانه هاي مدولها به وسيله روش کش هاي پرده باراني(7) يا استفاده از روش تهويه ساختمان در تهويه مدولها (روش ترکيبي) مي باشد. راه ديگر تهويه، ايجاد يک درز هوا به ضخامت 100 ميلي ليتر است. که البته هر چقدر ضخامت درزها بيشتر باشد (تا 200 ميلي متر)، کيفيت اجرا بهتر مي شود. گرماي منتشر شده از پشت پانلها در فصلهاي گرم سال، قابل توجه است. از اين گرما مي توان به طور مستقيم استفاده کرد و يا اينکه توسط سيستم مجرايي دوباره آن را مورد استفاده قرار داد. روشهاي ديگري نيز جهت استفاده از اين گرما موجود است. به عنوان مثال مي توان پانلهاي فتوولتاييک را با شبکه لوله کشي آب ترکيب نمود. ليکن لازم است مطالعات اقتصادي اين کارها به دقت انجام شود.

انواع طراحي
 

در طراحي سيستم هاي فتوولتاييک در ساختمان سه راه وجود دارد:
1- سيستم هاي متکي بر سقف
2- سيستم هاي متکي بر جداره ي نما
3- سيستم ديوارهاي غشايي
4- سيستم هاي متکي به سقف
5- سقف ها گزينه هاي مناسبي براي نصب سيستم هاي فتوولتاييک هستند.
در سقف ها معمولاً از ايجاد سايه جلوگيري مي شود.
شيب سقف مي تواند به منظر افزايش بازدهي فتوولتاييک ها مفيد باشد. از نظر عملکرد و زيبايي شناسي، سقف ها نسبت به ديوراها مناسب ترند.

تهويه در سيستم هاي سقفي
 

اصولا تهويه و دفع گرماي پانلها در سيستم هاي سقفي ساده تر از ساير سيستم ها است. ارتفاع بيشتر سيستم هاي سقفي باعث افزايش امکان تهويه اين سيستم ها شده است.
به منظور طراحي سيستم فتوولتاييک روي سقف هاي شيبدار، مي توان از فريمهاي فرعي براي نصب مدولها به سازه سقف استفاده کرد. اين روش باعث ايجاد فضاي خالي(به ضخامت 100 ميلي متر) بين مدولها و سازه سقف مي شود.
در طراحي سقفهاي دندانه اي، ايجاد باز شو در قسمت شمالي سقف(پانلهاي فتوولتاييک در سمت جنوب قرار دارند)، باعث دفع گرما مي شود.

سيستم هاي متکي به نما
 

سيستم هاي متکي بر نما در صورت طراحي مناسب مي توانند زيبايي هاي ساختمان را افزايش دهند. بخشي از روکش هاي فلزي مي تواند بعنوان قابهاي شيشه اي پانلهاي فتوولتاييک به کار روند. همچنين مدولها مي توانند با ساير سيستم ها مثل سيستم روکش پرده باراني (8) ادغام شوند.

سيستم ديوارهاي غشايي
 

اين سيستم از انواع پرکاربرد بوده و داراي انواع باگيره هاي متصل به جرزهاي عمودي وافقي پنجرههاي باشد. در ديوارهاي غشايي، سطوح قابل ديد از جنس صيقلي و سطوح غير قابل ديد از جنس شيشه اي مات و يا پانلهاي فلزي مجزا مي باشد. پانلهاي فتوولتاييک به راحتي مي توانند ترکيب شوند. قاب خارجي مي تواند از جنس لايه هاي شيشه اي، فتوولتاييک، رزين، شيشه هاي رو به هم قرار گرفته و... باشد و قاب دروني نيز از جنس شيشه با دهانه هواي محفوظ مي باشد. معمولا ضخامت مدولها حدود 30 ميلي متر است. در طراحي ساختمانهاي با سيستم فتوولتاييک گزينه هاي فراواني را مي توان براي نما بکار برد. به عنوان مثال يک نما مي تواند ترکيبي از سطوح صيقلي و مدولهاي فتوولتاييک مات، يا از مدولهاي فتوولتاييک و سطوح مات و شفاف باشد.

درآمدزايي توسط اين سيستم
 

تکنولوژي فتوولتاييک قادر به ايجاد مشاغل فراواني مي باشد. بخشي از اين مشاغل بطور مستقيم با ساخت اين سيستم مرتبط است و تعداد زيادي از مشاغل نيز بطور غير مستقيم با آن ارتباط دارد. مثلا در ساخت شيشه و فلز، سيم کشي، فعاليت هاي الکتريکي، ساخت تجهيزات جانبي، ساخت و ساز معماري و ...
در يک برآورد کلي در ازاي هر صد ميليون دلار فروش محصولات فتوولتاييک 3800 شغل ايجاد مي شود. پيش بيني مي شود که در سال 2010 م . استفاده از انرژي خورشيدي دو برابر شود و تا سال 2030 فروش محصولات آن به مرز 100 ميليارد دلار برسد. آنچه که گسترش استفاده از اين سيستم را در آينده تضمين مي کند، تميزي، تجديد پذير بودن و قابليت اطمينان اين نوع از انرژي است.

نتيجه
 

بي ترديد يکي از مهمترين فعاليتهاي کشورهاي پيشرفته در کاهش مصرف انرژي هاي ناپاک، گسترش تکنولوژي هايي است که از منابع تجديد پذير و نامحدود انرژي استفاده مي کنند. اين موضوع تاثير فراواني را هم بر اقتصاد و هم بر محيط زيست در پي خواهد داشت. بدين معني که با استفاده از منابع تجديد پذير انرژي از پايان منابع فسيلي سوخت جلوگيري شده و مضرات زيست محيطي آنها نيز ايجاد نخواهد شد. تا زماني که از منابع انرژي تجديد پذير استفاده شود، سيستم هاي فتوولتاييک يکي از بهترين راه هاي توليد انرژي از خورشيد خواهند بود. ضمنا بايستي به سود و زيان اين سيستم نيز توجه داشت.
مواد کلي که ميتوان در استفاده از اين سيستم مورد توجه قرار دهيم:
- زيبايي و نماي ساختمان با سيستم فتوولتاييک از موارد مهم به شمار مي آيد.
- سيستم فتوولتاييک در حفظ محيط زيست تاثيرات فراواني دارند.
- به منظور افزايش راندمان بايد تا حد ممکن از ايجاد سايه جلوگيري شود.
- بايد هماهنگي مناسبي بين الگوي تقاضاي انرژي قابل دستيابي توسط آرايه هاي فتوولتاييک برقرار باشد.
- مدولهاي فتوولتاييک نياز دارند که به ميزان کافي تهويه شده تا به دماي پايين تري برسند و بدين ترتيب عملکرد آنها تعيين گردد.
- پانلهاي فتوولتاييک مي توانند جهت يابي، جايگزين، نما و مقطع ساختمان را تحت تاثير قرار دهند.
- انرژي خورشيدي در ايران فراوان، اما گران است. بيشتر مناطق مرکزي و کوير ايران سرشار از منابع انرژي خورشيدي هست. در کوير از يک و نيم هکتار زمين، در هر ساعت، مي شود يک مگاوات انرژي برداشت کرد. اما هزينه تبديل انرژي خورشيدي به برق، خيلي بالا است. (250 تا 450هزارتومان)که اين رقم بايد به 60 تا 70 هزار به ازاي هر کيلو وات برسد.
- وزارت نيرو 1033 آبگرمکن خورشيدي در شهرهاي بوشهر، طبس، يزد، بجنورد، زاهدان و اصفهان نصب کرده است. در خراسان نيز جهت تامين برق مورد نياز پاسگاه مرکزي گزيک صفحه فتوولتايي نصب شده است که بايد هر چند ساعت يک بار رو به خورشيد چرخانده شوند. (درست مانند گلهاي آفتابگردان). با همه اين اوصاف، آژانس بين المللي انرژي در آخرين گزارش خود پيش بيني کرده است که تا سي سال آينده سوختهاي فسيلي همچنان مهمترين منابع تامين انرژي خواهند بود و سهم انرژي هاي تجديد پذير از 3% فراتر نخواهد رفت و تقاضاي جهاني انرژي ظرف اين سه سال دو سوم افزايش خواهد يافت و البته در ايران نيز هر سال به دو تا سه هزار مگاوات انرژي جديد نياز دارد که سهم منابع تجديد پذير آن بسيار ناچيز است.
- اما به هر حال حرکت بسوي انواع انرژي هاي نو يا تجديد پذير ما را از فاجعه تمام شدن نفت و ساير منابع تجديد ناپذير انرژي مي رهاند. ضمن آنکه چشم انداز رشد فن آوري ها نيز بسيار روشن است. با پيشرفت نانو فن آوري اميدهايي براي جهش در شيوه هاي توليد انرژي و مقرون به صرفه شدن آن به وجود آمده است که مي تواند در تغيير پيش بيني هاي مراکزي چون آژانس بين المللي انرژي تاثير بگذارد.

پي نوشت ها :
 

1- Edmond Becquerel
2- wet Cell
3- R.E.Day
4- W.G.Adams
5- charles edgar fritts
6- photovoltaics
7- Rain Scereen
8- curtion wall
 

منابع:
1- محمد صادق ذبيحي، بررسي شرايط بهينه فني و اقتصادي براي فتوولتاييک در معماري، مجموعه مقالات اولين همايش بهينه سازي مصرف سوخت در کشور
2- رابرت وارطانيان، حسن مقبلي، «تاثير بکارگيري آرايه فتوولتاييک متحرک در ميزان افزايش توان »، مجموعه مقالات سومين همايش بهينه سازي مصرف سوخت در ساختمان.
3- هادي نظرپور، گلبهار ميرحسيني، «استفاده از انرژي خورشيدي در ساختمانها »، مجموعه مقالات دومين همايش بهينه سازي مصرف سوخت در ساختمان.
4- حسن اکبرزادگان، «استفاده از انرژي خورشيدي در ساختمان»، مجموعه مقالات اولين همايش بهينه سازي مصرف سوخت در ساختمان.
5- «کاربرد سيستم هاي فتوولتاييک در معماري خورشيدي »، کنفرانس معماري خورشيدي، دانشگاه علم و صنعت، 1380.
6- H.kelly, Introduction to photovoltaic technology,renewable energy Island press, Washington,d.c
7- Thomas Jefferson، heating، cooling، lighting design methods for architects
8- RandallThomas MaxFordham & Partners، "Photovoltaices and Architecture" London 2001.
9- Anon," Solar Electric Building Homes With Solarpower", London ,GreenPeace,1996.
10- Friedrick Sick, Thomas Erge,"Photovoltaics in Buildings": A design handbook for Architects & Engineers, International Energy Agency, Paris.
11- Sullivan, Ann,"architecture, Vol.84": Photovoltaics Prototype" june1993.
منبع: ماهنامه اطلاعات علمي شماره 366