بخشی از مقاله
استفاده از انرژی خورشیدی در ساختمان مدرن با استفاده از صفحات خورشیدی
چکیده :
انسان از دیر باز همیشه سعی بر آن داشته که از ابزارهای محیطی خود به بهترین شکل ممکن استفاده نماید. انرژی خورشیدی یکی از از راهکارها برای بهره گیری از مزایای زیاد این منبع بی زوال می باشد و با توجه به پیشرفت معماری و نیاز انسان به رویکردهای جدید معماری خورشیدی می تواند انسانها را به دنیایی جدید رهنمون سازد. معماری خورشیدی مسیریست میانبر برای رسیدن به معماری پایدار و استفاده از بهینه از ابزارها و امکانات فعلی بدون آنکه نیاز به آیندگان به خطر بیافتد. دسترسی کشورهای در حال توسعه به انواع منابع جدید انرژی برای توسعه اقتصادی انها اهمیت اساسی دارد و پژوهش های جدید نشان داده که بین سطح توسعه یک کشور و میزان مصرف انرژی آن رابطه مستقیمی برقرار است . باتوجه به ذخایر محدود انرژی فسیلی و افزایش سطح مصرف انرژی در جهان فعلی دیگر نمی توان به منابع موجود انرژی متکی بود. در کشور ما به توجه به نیاز روزافزون به منابع انرژی و کم شدن منابع انرژی فسیلی، ضرورت سالم نگه داشتن محیط زیست، کاهش آلودگی هوا، محدودیت های برق رسانی و تامین سوخت برای نقاط دور افتاده و... استفاده از انرژی های نو مانند: انرژی باد، انرژی خورشید، انرژی زمین گرمایی، زیست توده و امواج دریا می توان جایگاه ویژه ای داشته باشد. در این مقاله تاثیر استفاده از انرژی برق خورشیدی در تامین انرژی الکتریکی ساختمان در بخش مصارف خانگی و ساختمانهای اداری و شرکت ها پیشنهادی ارائه میکردد.
کلمات کلیدی: صفحات خورشیدی، انرژی خورشیدی
مقدمه
خورشید عامل و منشا انرژیهای گوناگونی است که در طبیعت موجود است از جمله سوخت های فسیلی که در اعماق زمین ذخیره شده اند؛ انرژی باد، رشد گیاهان که بیشتر موجودات برای بقا خود از آن استفاده میکنند. مواد آلی که قابلیت تبدیل انرژی حرارتی و مکانیکی را دارند، امواج دریاها، قدرت جزر و مد که براساس جاذبه و حرکت به دور خورشید و ماه حاصل میشود همه نمادهایی از انرژی خورشید هستند. خورشید یکی ازمنبع مهم انرژی است که باید به ان روی آورد زیرا به فن آوری های پیشرفته و پرهزینه نیاز نداشته و میتواند به عنوان یک منبع مفید و تامین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان بکار گرفته شود. برخلاف بعضی از انرژیها مثل انرژی هسته ای اثرات نامطلوبی از خود به جای نمیگذارد و خطر ناک نیست .برای کشورهای که فاقد منابع انرژی زیر زمینی هستند، مناسب ترین راه برای دستیابی به نیرو و رشد و توسعه اقتصادی هستند.
1
امروزه استفاده از انرژی خورشیدی به هر شکلی مطلوب میباشد و بهره گیری از انرژی خورشیدی برای گرم کردن منازل از لحاظ فن آوری امکان پذیر میباشد. از نظر اقتصادی نیز به علت افزایش روز افزون قیمت سوختهای فسیلی و سایر منابع انرژی و تلاش متخصصین و محققین و دانشمندان را به تعقیب استفاده از انرژی خورشیدی و کاهش هزینه ها پیش از پیش تشویق نموده است . در میان استفاده از انرژی خورشیدی در سیستم گرمایش و سرمایش ساختمانها میتواند در بسیاری از جهات مفید واقع بشود و باعث صرفه جویی بسیار زیادی در استفاده از انرژی بشود. بطوریکه استفاده از این سیستم حتی باعث صرفه جویی تا 50 درصد انرژی میشود. استفاده از انرژی خورشید در صورت بومی شدن فناوری استفاده از آن می توان در استقلال صنعتی کشور نقشی ارزنده را ایفا نماید. علاوه بر آن به دلیل موقعیت جغرافیایی ایران امکان خود کفایی کشور در زمینه انرژی نیز فراهم است. ترویج استفاده از انرژی خورشید می تواند زمینه ساز تولید شغل نیز در بسیاری زمینه های تولید مصالح، ساخت دستگاهها،احداث سیستمهای انتقال و سایر زمینه های مربوطه گردد. استفاده از انرژی خورشیدی گامی موثر در جهت موضوع بحث این نوشتار در تقلیل (وحذف) استفاده از انرژی فسیلی در ساختمان و در نتیجه کاهش آلودگی می باشد.
انرژی تجدیدپذیر چست؟
انرژی تجدیدپذیر عبارت از هر نوع منبع انرژی است که بدون آنکه مخازن تامین کننده آن روبه زوال روند، مورد استفاده قرار گیرد.
مزایا:
این انرژی ها پایان ناپذیرند
انرژی تجدیدپذیر را می توان بطور منطقه ای و محلی تولید نمود.
این انرژی باعث قطع وابستگی می شود.
فتوولتاییک چیست؟
به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم های محرک الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتاییک و به هر سیستمی که از پدیده ها استفاده کند سیستم فتوولتاییک گویند. ( تبدیل مستقیم انرژی تابشی به انرژی الکتریکی)
سیستم های فتوولتاییک یکی از پر مصرف ترین کاربرد انرژی های نو می باشد و تاکنون سیستم های گوناگونی با ظرفیت های مختلف 5/0)وات تا چند مگاوات ) در سراسر جهان نصب شده است .
از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی می توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت و در نتیجه به یک از سلولهای سری و موازی شده پنل فتوولتاییک می گویند .
مواد سازنده سلولهای خورشیدی
2
امروزه اینگونه سلولها از ماده سیلیسیم تهیه می شود و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می شود که از مناطق کویری کشور به فراوانی یافت می گردد. بنابراین از نظر تامین ماده اولیه این سلولها هیچ گونه کمبودی در ایران وجود ندارد سلول خورشیدی عبارت از قطعات نیم رسانایی هستند که انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. باتری های خورشیدی معمولا از مواد نیمه رسانا مخصوصا سیلیسیم تشکیل شده است. رسانندگی این مواد به طور کلی به دما، روشنایی، میدان مغناطیسی و مقدار دقیق ناخالصی موجود در نیم رسانا بستگی دارد و هر اتم سیلیسیم با چهار اتم دیگر پیوند تشکیل می دهد و بدین صورت شکل کریستالی آن پدید می اید. در باتری های خور شیدی به سیلیسیم مقدار جزئی ناخالصی اضافه می کنند اگر اتم ناخالص 5 ظرفیتی باشد (اتم سیلیسیم 4 ظرفیتی است ) آنگاه در ارتباط با چهار اتم سیلیسیم یک لایه آن بدون پیوند باقی می ماند(یک تک الکترون) به همین دلیل چون بار نسبی منفی پیدا می کند به ان سیلیسیم نوع (N) می گویند. وهمین طور اگر اتم ناخالص دارای ظرفیت 3 باشد آنگاه یک حفره ی اضافی ایجاد می شود حفره را به گونه ای می توان گفت جای خالی الکترون است با بار مثبت (به اندازه الکترون) و جرمی برابر با جرم الکترون که این امر باعث مثبت شدن نسبی ماده می شود و به ان سیلیسیم نوع (P) می گویند. هر باتری خورشیدی از شش لایه تشکیل شده که هر لایه را ماده خاص تشکیل می دهد که در شکل مشخص شده است .جریان الکتریکی حاصل از پنل های فتوولتاییک از نوع جریان و ولتاژ مستقیم می باشد .
هرپنل فتوولتاییک متشکل از 36 سلول خورشیدی می باشد ماده ای که سلولهای خورشیدی از انها ساخته می شود سیلیکون و ارسینورگالیم هستند. سلولهای که از سیلیکون ساخته می شود از لحاظ تئوری بازده ماکزیمیم حدود 22 درصد دارند ولی بازده عملی ان حدود 14 تا 18 درصد است در صورتی که بازده سلولهای که از ارسینورگالیم ساخته می شود بازده عملی انها بیشتر از 20 درصد است. البته توانایی تبدیل نور خورشید در بیشتر سلولهای خورشیدی بیشتر از 25 درصد نیست یک صفحه خورشیدی 100 سانتیمتر مربعی معمولی می تواند ولتاژ حدود 700 میلی ولت یا 0/7ولت تولید کند(البته در هنگام تابش کامل افتاب ) مقدار توان تولیدی سیستم های فتوولتاییکی معمولا بین 2تا 50 کیلو وات می باشد. یک سیستم فتوولتاییک که برای استفاده خانگی و با ظرفیت توان تولیدی 2 کیلو وات ساخته شده است می تواند سالانه 3600کیلووات ساعت برق تولید نماید. این میزان انرژی سبب صرفه جویی در مصرف سوخت به میزان 4/2 تن زغال سنگ شده و به علاوه از نشر آلودگی به میزان 5000 پوند از گازهای الاینده در سال نیز جلوگیری می کند. طول عمر پنل های فتوولتاییک به طور عمده 25 تا 30 سال می باشد.
گرانی صفحات خورشیدی به دلیل گرانی سیلیکون به کار رفته در آنهاست اما با توجه به پیشرفت های نانو تکنولوژی می توان امیدوارهایی داشت .
سیستمهای فتوولتاییک از سه بخش عمده تشکیل شده اند :
- 1 پلنهای خورشید (وظیفه این بخش تامین انرژی و منبع تغذیه مورد نیاز سیستم الکتریکی می باشد)
– 2 بخش واسطه (بخش واسطه یا تطبیق توان در واقع وظیفه کنترل و تطبیق توان الکتریکی حاصل از پنلها و مصرف کننده را بر عهده دارد)
3
– 3 مصرف کننده
انواع سلولهای خورشیدی عبارتند از: -1 مونوکریستال
– 2 پلی کریستال وآمورف
انواع روشهای استفاده از سیستمهای فتوولتاییک
-1 سیستمهای متصل به شبکه سراسری برق
در این روش انرژی حاصل از سیستم فتوولتاییک (بااستفاده از تجهیزات الکتریکی مبدل جربان متناوب همچون اینورتورهای متصل به شبکه و.....) مطابق با مشخصات سطح ولتاژ، اختلاف فاز، فرکانس و شبکه سراسری به شبکه سراسری برق ترزیق می گردد.
– 2 سیستمهای مستقل از شبکه
4
این نوع کاربرد نیاز به وجود شبکه سراسری برق قادر به تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کننده می باشد. در این روش انرژی الکتریکی مورد نیاز با استفاده از پنلهای فتوولتاییک سیستمهای ذخیره و کنترل بعنوان یک واحد نیروگاهی با طول عمر مناسب 30 سال می تواند با قابلیت اطمینان بالا قابل نصب و راه اندازی می باشد .به عنوان مثال برای :
روشنایی خورشیدی . (معابر، تونلها، منازل، مدارس، جاده ها، چراغهای دریایی و ...)
سیستم پمپاژ آب توسط پمپهای خورشیدی. (کشاورزی، دامپروری و آبشخور حیوانات، پرورش ماهی، آب شرب و ...)
نیروگاه فتولتاییک. (بصورت مستقل و متصل) سیستم تغذیه یک واحد مسکونی .
سیستم تغذیه ایستگاههای مخابراتی.
– 3 سیستم های هیبرید
به سیستمهایی گفته می شود که از چند منبع تغذیه برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز استفاده می گردد و سیستم فتوولتائیک یکی از منابع تغذیه اصلی می باشد. از جمله منابع تأمین کننده انرژی دیگری که در این مجموعه استفاده می گردند شبکه سراسری برق، دیزل ژنراتور، توربینهای بادی و ... می باشند.(در این مدل، بر اساس موقعیت و نیاز بار استفاده از هر یک از منابع تغذیه مذکور، اولویت بندی و کنترل می گردند).
مزایا:
تحویل انرژی بدون استفاده از شبکه های گسترده انتقال و توزیع
بهبود کیفیت توان
کاهش تلفات الکتریکی
بهبود ولتاژ در خط و کاهش مصرف کننده
آزاد شدن ظرفیت خطوط
عدم سرمایه گذاری در شبکه
امکان برق رسانی به مصرف کنندگان روستایی و نواحی دور دست
کاهش هزینه های تعمیرات و نگهداری خطوط و تجهیزات
کاهش آلودگی محیط زیست
5
معایب:
هزینه بالای تجهیزات و نگهداری آن
مکان های آفتاب گیر خوب از مناطق مسکونی و صنعتی دور است
مکان های نصب صفحات باید آفتاب گیر باشد
* اصول کار یک پنل فتوولتاییک
پنلهای فتوولتاییک از نیمه هادیها ساخته شدهاند. وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتاییک میتابد، به الکترونها در آن انرژی بیشتری میبخشد. بدین ترتیب بین دو الکترود منفی و مثبت اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها میشود.
* ویژگیهای سیستمهایپی وی ( ( PV
این سیستم به فصول بستگی ندارند، اما در طول شبانه روز از ساعت اولیه صبح تا غروب میتوانند سیستمهای PV برق تولید کنند. پیک تولید آنها در ساعات ظهر میباشد.
واحدهای فتوولتاییک در صورت ابری بودن هوا نیز میتوانند برق تولید کنند، هر چند خروجی آنها کاهش مییابد. در یک روز بسیار ابری کم نور، یک سیستم فتوولتاییک ممکن است پنج تا 10درصد نور خورشید در روزهای عادی را دریافت دارد، بالطبع خروجی آن نیز به همان میزان کم خواهد شد.
پنلهای خورشیدی در دمای پایین تر، برق بیشتری تولید میکنند. این تجهیزات همچون سایر دستگاههای الکتریکی در صورتی که هوا خنک باشد، بهتر کار میکنند. البته سیستمهای " " PV در روزهای زمستانی کمتر از روزهای تابستانی انرژی تولید میکنند که علت آن نه برودت هوا، بلکه کاهش ساعات روز و پایین بودن زاویه تابش خورشید است.
