بررسی شیوههای طراحی سیستمهای فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان

دانلود مقاله بررسی شیوههای طراحی سیستمهای فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان  

چکیده
در کشور ایران به سبب مشکالت منابع انرژی  فسیلی (محدودیت و آلودگیهای زیستمحیطی)، محدودیتهای برقرسانی، لزوم استفاده از انرژی های تجدیدپذیر، و وجود منبع عظیم انرژی خورشیدی در سرتاسر ایران و ضرورت حداکثر بهرهبرداری از این انرژی، امروزه یکی از بهترین راهها به کار گیری سیستمهای فتوولتائیک به این صورت است. نمونه های بسیاری از »ساختمانهای یکپارچه با فتوولتائیک« این رویکرد را در کشورهای مختلف می‌توان دید که رشدی چشمگیر داشته و همچنان رو به پیشرفت است.
معماران و طراحانی که در پی طراحی ساختمانهای بی‌آیپی‌وی هس تند، باید طریقه ترکیب فتوولتائیکها با بنا و مس ائلی را که در طراح ی باید به آنها توجه شود و به طور کلی شیوههای طراحی بی‌آیپی‌وی را بدانند؛ اینکه فرایند طراح ی بی‌آیپی‌وی را چگونه آغاز کنند، در طی این فرایند چگونه عمل کنند، و به پرسشهایی که در این زمینه پیش می آید چگونه پاسخ درست و مناسب دهند. در این مقاله، شیوههای طراحی ساختمان های یکپارچه با فتوولتائیک از قبیل تعیین جهت و شیب فتوولتائی کها، سایه اندازی ها، هماهنگی با سیستمهای غیرفعال خورشیدی، تهویه سیستم، ترکیب فتوولتائیکها با ساختمان و تأثیراتی که بر یکدیگر میگذارند، تأثیر فرم پالن و شیب دیوار نمای ساختمان بر نیروی سیستم فتوولتائیک، تعیین نوع و توان سیستم، هماهنگی میان معمار و دیگر مهندسان دستاندرکار ساختمان و به طور کلی مسائلی که در طول فرایند طراحی ساختمان یکپارچه با فتوولتائیک مطرح می‌ شود، بررسی و در هر زمینه پیشنهادها و راهکارهایی عرضه شده است
مقدمه ۳ در ترکیب با ساختمان، امروزه استفاده از سیستم های فتوولتائیک اهمیت و جذابیت زیادی در میان طراحان و معماران یافته است؛ از همین رو، این ساختمانها را باید به گونهای صحیح و با طرحی مناسب ساخت که پس از نصب، برای خود سیستم فتوولتائیک یا برای ساختمان مش کلی ایجاد نکند. بر این اساس، به منظور اجتناب از آلودگی معمارانه الزم است که سیستمهای فتوولتائیک را به منزله طرحی خود تعریف شده یا یک عنصر معماری در نظر گیریم تا فتوولتائیکها در مسیر طراحی، به بخشی معلوم (بدیهی) از ساختمان و کامال یکپارچه با آن تبدیل شوند.
همانگونه که در طراحی عناصر ساختمان مانند دیوار، پنجره، و سایبان به عرض جغرافیایی محل و اقلیم، همسایگی ها، هماهنگی با سیستمهای غیر فعال خورشیدی ، اندازه ها، جهت ها، زاوی هها، و مواردی دیگر توجه میشود، فتوولتائیکها نیز در مقام عناصر ساختمانی با این مسائل مرتبط هستند. از این رو، در طراحی و ترکیب فتوولتائیکها با ساختمان نیز باید به تمامی مواردی که یک طراح معمار در طول فرایند طراحی با عوامل مختلف پشت سر مینهد، توجه شود.
هدف از این مقاله، بیان شیوههای لازم برای طراحی ساختمانهای یکپارچه با فتوولتائیک و توجه به فتوولتائی کها، از ابتدای فرایند طراحی، به عنوان جزء لاینفک ساختمان است.

کلیدواژگان: انرژی خورشیدی، سیستمهای فتوولتائیک، ساختمانهای یکپارچه با فتوولتائیک، شیوههای طراحی

پرسشهای تحقیق
عوامل مؤثر بر ترکیب یکپارچه سیستمهای فتوولتائیک با معماری کدامند؟
آیا یکپارچگی سیستم‌ های فتوولتائیک با ساختمان بر طراحی معماری اثر می گذارد؟
چگونه می توان از سیستم فتوولتائیک همچون عاملی در کنار دیگر عوامل طراحی ساختمان استفاده کرد؟

شیوه های طراحی سیستمهای فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان
۱ – تعیین جهت و شیب بهینه پنلهای فتوولتائیک
با افزایش شدت تابش پرتوهای خورشید، مقدار خروج نیروی الکتریکی سیستم فتوولتائیک نیز افزایش می‌یابد؛ بنابر این، بازده نیروی سیستم فتوولتائیک با میزان دریافت انرژی خورشید رابطهای مستقیم دارد (ت۱). از طرفی دیگر، تغییر زاویه تابش خورشید و مقدار تابش در زمانهای مختلف در طول روز نیز بر تولید نیروی فتوولتائیکها اثر می‌گذارد؛ از این رو، بازده سیستم فتوولتائیک به جهت و شیب پنلهای مستقر شده (در رابطه با تابش خورشید) بستگی دارد و در نتیجه جهت گیری و شیب پنلهای فتوولتائیک متأثر از میزان دریافت انرژی خورشید است.
میزان دریافت انرژی خورشید در نقاط مختلف بر اساس تفاوت عرض جغرافیایی، ارتفاع از سطح دریا، پدیدههای جوی، و غیره، متفاوت است؛ بدین سبب، برای کسب اطالعات مربوط به تابش، باید ایستگاه هواشناسی (عرض و ارتفاع جغرافیایی) آن مکان مشخص شود تا بتوان میانگین ماهانه و سالانه تابش دریافتی از خورشید را در سطح افق و تمامی سطوح با جهتها و شیبهای مختلف، برای مکان مورد نظر تعیین کرد به منظور حداکثر بهره گیری از انرژی خورشیدی و حداکثر خروجی سیستمهای فتوولتائیک، پنلهای ثابت در چه جهت و با چه زاویهای نسبت به افق باید شیب داش ته باشند؟ یکی از روشهایی که برای دستیابی به جهت و شیب مناسب پنله ای فتوولتائیک در دنیا کاربرد دارد، استفاده از کردارهای تابش است.
در این روش بر اساس دادههای هواشناسی (تابش مس تقیم و پراکندۀ خورشید) و با استفاده از برنامه های رایانهای، میزان تابش خورشید بر کلیه سطوح افقی و عمودی در جهت ها و شیبهای مختلف در کرداری به صورت ماهانه یا سالانه چنانچه پنلهای فتوولتائیک متناسب با زاویه ترسیم میشود. هر یک از این شیبها قرار گیرند، بر اساس میزان انرژی‌ای که از خورشید دریافت میکنند، بازدهی متقاوتی خواهند داشت. بر همین اساس میتوان جهتها و زوایای شیب بهینه پنلهای فتوولتائیک را تعیین کرد.
نقطه حداکثر در این کردار جایی است که در طول سال بیشترین میزان انرژی را از خورشید دریافت میکند؛ زیرا هر چه خورشید بر یک سطح عمودتر بتابد، میزان انرژی‌ای که به آن سطح میرسد بیشتر خواهد بود. در نتیجه چنانچه یک پنل فتوولتائیک در این جهت و زاویه شیب قرار گیرد، حداکثر انرژی الکتریسیته را تولید خواهد کرد.
در «ت۳» خروجی تعدادی از پنلهای فتولتائیک با مساحت ۲۵۰ مترمرب ع با جهت ها و زوایای شیب مختلف، بر اساس اطالع ات و داده های ش هر لندن صورت گرفته اس ت که با مقایسه آنها میتوان به حداکثر میزان تولید انرژی پنلها با جهت و زاویه شیب بهینه دست یافت.
بنابر این، جهت‌ یابی پنلهای فتولتائیک مسئلهای مهم است اما تعیین زاویه آن نیازمند دقت زیادی نیست؛ چرا که کمی اختالف انحراف نسبت به جهت بهینه اش کالی ایجاد نخواهد کرد، لیکن زاویه شیب پنلها (نسبت به افق) مسئله مهمتری است. با تعیین زاویۀ شیب بهینه )بسته به زمانهای استفاده از سیستم( میتوان حدود ۹۵% حداکثر انرژی خروجی را به دست آورد.

۲ . تأثیر سایه‌‌ اندازها بر پنلهای فتوولتائیک
سایه یکی از عواملی است که بر میزان دسترس به خورشید اثر میگذارد. انعکاس زمین، سایه ساختمانهای اطراف، سایه خود ساختمان، و سایه پنلها روی یکدیگر ممکن است بر سیستم فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان تأثیر بنهد. طراح معمار باید موقعیت و محل پنلهای فتوولتائیک را چنان طراحی کند که اثر سایه به هیچ وجه روی آنها نباشد؛ بدان سبب که سایه روی س لولهای فتوولتائیک، عالوه بر کاهش یا عدم بازدهی، باعث آسیب دیدن سلولها نیز خواهد شد. بنابر این، در طراحی چنین ساختمانی باید از ابتدا به مسئله سایه اندازی توجه کرد و تحلیل دقیق سایه را قبل از اینکه سیستم فتوولتائیک با ساختمان ترکیب شود، به انجام رساند تا حداکثر تولید برق به دست آید.