مقاله بررسی نحوه طراحی سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان

بخشی از مقاله

بررسی نحوه طراحی سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان

چکیده

در دنیای امروز ما به موازات افزایش جمعیت ، صنعتی شدن و پیشرفت های تکنولوژیک ، مصرف انرژی هم به سرعت در حال افزایش و منابع انرژی های تجدید ناپذیر در حال کاهش است. امروزه قسمت بزرگی از آلودگی زیست محیطی ناشی از مصرف انرژی و سوخت فسیلی در ساختمان ها هستند که برای بهبود بخشیدن به اثرات مصرف انرژی در ساختمان استفاده ا ز انرژی های تجدید پذیر می باشد. انرژی خورشیدی که منبع تمام انرژی های موجود در دنیا نیز هست مهم ترین منبع انرژی تجدید پذیر در دنیا محسوب می شود و در دنیای امروز ما نیز به سبب مشکلات و محدودیت های منابع انرژی های تجدید ناپذیر و آلودگی های زیست محیطی ، محدودی ت های برق رسانی ، لزوم استفاده از انرژی های تجدید پذیر و وجود منبع عظیم انرژی خورشیدی در سرتاسر ایران و ضرورت حداکثر بهره برداری از این انرژی ، امروزه یکی از بهترین راه ها به کارگیری سیستم های فتوولتائیک به صورت ( ساختمان های یکپارچه با فتوولتائیک ) است.

امروزه با توجه به آگاهی فزاینده ای که در خصوص تخریب عوامل زیست محیطی و کیفیت محیط مصنوع در دنیا وجود دارد تغییرات عمده ای در خصوصیات و نیازمندی های ساختمان ها و طراحی آنها اعمال شده است. در مرکز این توجهات، نما و پوشش ساختمان قرار دارد. بطوریکه پیشرفت های تکنولوژیکی جدید، رویکردهای مختلفی از سقف و نماهای ساختمان ایجاد می کند که در این میان با تاکید بر چند منظورگی پوشش ساختمان، استفاده از تکنیک های فعال و غیر فعال خورشیدی بسیار ضروری است. یکی از این فنون خورشیدی که به طور قابل توجهی به عنوان بخش مهمی از فرهنگ ساختمان مطرح می شود، سلول های فتو ولتائیک است.

معماران و طراحانی که در پی طراحی ساختمان هایی با سیستم های بی آی پی وی هستند، باید طریقه ترکیب فتوولتائیک ها با بنا و مسایلی که در طراحی باید به آنها توجه شود را بدانند؛ اینکه فرایند طراحی بی آی پی وی را چگونه آغاز کنند، در طی این فرایند چگونه عمل کنند، و به پرسش هایی که در این زمینه پیش می آید چگونه پاسخ درست و مناسب دهند. در این مقاله، شیوه های طراحی ساختمان های یکپارچه با فتوولتائیک از قبیل تعیین جهت وشیب فتوولتائیک ها، سایه اندازی ها، هماهنگی با سیستم های غیر فعال خورشیدی، تهویه سیستم، ترکیب فتوولتائیک ها با ساختمان و تاثیراتی که بر یکدیگر می گذارند و به طور کلی مسایلی که در طول فرایند طراحی ساختمان یکپارچه با فتوولتائیک مطرح می شود، بررسی و در هر زمینه پیشنهادها و راهکارهایی عرضه شده است.

کلمات کلیدی: انرژی خورشیدی؛ انرژی های تجدید پذیر؛ سیستم های فتوولتائیک.

.1 مقدمه

تابش انرژی خورشیدی، که باعث تغییرات فیزیکی خاصّی بر روی اتمسفر و همچنین بر روی کره زمین می شود به نوبه خود یکی از مهمترین منابع انرژی محسوب می شود. انرژی خورشیدی به دلیل صاحب بودن مزیتهای خاص در سالهای اخیر به عنوان یک منابع انرژی مورد توجّه معماران و مهندسین ساختمان قرار گرفته است، از جمله این مزیت ها عبارتند از: تجدید پذیر بودن، پایدار بودن، رایگان بودن و نیازمند نبودن به سیستم های پیچیده برای استفاده، بهرهگیری از انرژی خورشیدی در بناها سیستم های مختلفی تعریف شده است که مهمترین اینها؛ سیستمهای فعال، سیستم های غیر فعال و سیستم های مختلط میباشد. سیستم های غیر فعال، بدون نیاز به هرگونه سیستم مکانیکی و مصرف هرگونه انرژی اضافی، با استفاده از اجزا و مصالح ساختمان کار جمعآوری، انبار کردن، توزیع و کنترل انرژی در بنا را انجام می دهد. سیستم های فعّال با استفاده از تکنیکهای سختافزاری به جذب و توزیع انرژی خورشید در ساختمان کمک میکند. سیستم های فعال خورشیدی با توجه به شیوه فعالیت، مصالح و تکنولوژی های بکار رفته در سیستم به دو گروه اصلی تقسیم می شوند؛ گروه اول کلّکتورهای خورشیدی و گروه دوم سیستم های فتوولتائیک میباشند.[2]

.2 سیستم های فتوولتائیک
در حالت کلی سیستم فتوولتائیک، به سیستم هایی گفته میشود که، نور خورشید را با کمک سلول های حساس به نور و مبدلها به انرژی الکتریکی قابل استفاده در ساختمان ها تبدیل میکند. اصطلاح فتوولتائیک، متشکل از دو واژه "فتو" به معنی نور، و "ولتائیک" به معنی الکتریسیته میباشد که در واقع به سیستم هایی که با استفاده از سلول هایریزِ" خورشیدیِ حساسِ به نور" انرژی الکتریکی تولید می کنند گفته می شود. پایه سیستم هایفتوولتائیکِ مدرن در اوایل دهه 1950، زمانی که دانشمندان کریستالهای سیلیکون را کشف کردند، پی ریزی شد و در نهایت در سال 1958 به حالت موفقیت آمیزی نصب شد و مورد استفاده قرار گرفت.[1] سلول های خورشیدی اساسیترین عنصر تشکیل دهنده سیستم های فتوولتائیک میباشند، با اتصال این سلول ها به صورت سری و موازی، واحدهای فتوولتائیک و با اتصال واحدها، پانلهای فتوولتائیک و با اتصال صحیح پانلها، سیستم کامل فتوولتائیک ایجاد می شود. پانلهای خورشیدی که متشکل از میلیون ها سلول ریز خورشیدی هستند با کمک ابزار و تجهیزات خاصی سیستم های فتوولتائیک را تشکیل می دهند که وظیفه اصلی این سیستم ها تبدیل انرژی و نور خورشید به الکتریسیته میباشد. امروزه استفاده از انرژی اتمام ناپذیر خورشیدی و تبدیل آن به انرژی الکتریسیته در بناها به کمک سیستم های فتوولتائیک، به دلیل بهرهوری و بازده نسبتاً زیاد، از اهمیت ویژهای برخوردار است. یک سیستم فتوولتائیک مناسب قادر است با استفاده از مقدار کمی نور خورشید، بدون مصرف هرگونه انرژی تجدیدناپذیر و هزینههای هنگفت مگاواتها انرژی الکتریکی تولید کند.[2] در مواقعی که نور خورشید برای تولید انرژی الکتریکی ناکافی باشد مخصوصاً شب هنگام که به طور کلی امکان هیچ گونه تولیدی وجود ندارد، برای استفاده بهینه از سیستم فتوولتائیک از ابزارهای خاصی برای انبار کردن انرژی الکتریکی تولید شده در طول روز استفاده می شود، بدین ترتیب، سیستم های فتوولتائیک در صورت نصب با زاویه مناسب نسبت به نور خورشید تقریباً همواره قادر به تولید مقدار قابل قبولی انرژی الکتریکی هستند. همانند تمام سیستم های ساختمانی سیستم های فتوولتائیک هم مزایا و معایبی را شامل می شوند، که این مزایا و معایب در سیستم های فتوولتائیک کاملاً برعکس سیستم های سوختِ فسیلی و قدیمی میباشد، که مهمترین مزایای این سیستم ها عبارتند از؛ -1 استفاده از منبع نامحدود انرژی خورشیدی -2 نصب آسان -3 قابل نصب بر روی ساختمان های جدید و قدیمی -4 قابل اطمینان از لحاظ عدم نشر گازهای سمّی و قابل احتراق -5 ضریب اطمینان بالا و مهمترین مضرات این سیستم ها عبارتند از؛ -1 هزینه نصب بالا -2 به صرفه نبودن سیستم ذخیره سازی انرژی از لحاظ اقتصادی.[4]

.2,1 ترکیب سلولهای فتوولتائیک

اساسی ترین عنصر تشکیل دهنده یک واحد فتوولتائیک سلول های خورشیدی هستند که وظیفه آنها جذب نور خورشید و تبدیل به انرژی الکتریکی است. سلول های خورشیدی از قطعات نیمه رسانا که ماده اصلی تشکیل دهنده آنها سیلیکون، گالیوم آرسنید، دی سیلنیدینیوم مس((CIS، سولفید کادمیوم، تلوید کادمیوم (CdTe)و سیلیسیم هیبرید((HIT است، تشکیل می شوند. و لایه هر سلول متشکل از شیشه پوشش دهنده، ماده چسبانندهشفّاف، پوششهای ضدانعکاس، رسانای نوعN و رسانای نوع P می باشد. سلول های خورشیدی به دو نوع، سلول های خورشیدی کریستال و سلول های خورشیدی فیلم نازک تقسیم می شوند. سلول های فتولتائیک به دو حالت سری و موازی در سیستم نصب می شوند، در حالت کلی نوع جریانی که توسط واحدهای فتوولتائیک تولید میشود (DC) میباشد که این نوع جریان قابل تغییر به جریان (AC) توسط دستگاه های مبدل میباشد،[2] و در واقع دو سیستم پایه ای برای این کاربری ها وجود دارد، سیستم های متصل به شبکه (Grid) و سیستم های منفصل از شبکه (Stand Alone)که سیستم متصل به شبکه ایده آل ترین سیستم از لحاظ قابلیت ذخیره سازی انرژی میباشد، این در حالی است که سیستم های منفصل از شبکه برای ذخیره سازی همواره نیاز به یک باتری دارند.[1]

.2,2 تکنولوژیهای جدید

چالش ها بین طراحی های معماری و سیستم های فتوولتائیک باعث به وجود آمدن نسل جدیدی از ساختمان های هوشمند شده است، که در این نسل سیستم های فتوولتائیک خود به تنهایی به عنوان یک عنصر ساختمانی در پوسته خارجی بنا طراحی می شوند. سیستم های جدید فتوولتائیک که بزرگترین تغییر و پیشرفت آنها در نحوه طراحی و نصب آنها به بناها میباشد را سیستم های یکپارچه با ساختمان
(BuildingIntegratedPhotovoltaic) نامیده می شوند.[4]

.3 سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان

قدم اوّل در طراحی این سیستم ها، قبول کردن تمامی بدنه خارجی بناها به عنوان بستری مناسب برای قرارگیری پانل های فتوولتائیک است، به عبارت دیگر، پانل های فتوولتائیک می توانند علاوه بر سقف برای دیوارهای خارجی بنا حتی به عنوان شیشه های پنجره نیز طراحی شوند، که دنیای امروزه ما با توجه به پیشرفت های چشمگیری که در این زمینه داشته امکان این طراحیها را در اختیار ما قرار می دهد. تمامی سیستمهای فتوولتائیک که به صورت یکپارچه با ساختمان طراحی می شوند، در برابر نور خورشید، باران و سایر شرایط اقلیمی مقاوم هستند.1] [ با توجه به این ویژگی بسیار مهم، فتوولتائیکها میتوانند به طور مستقیم به عنوان یک عنصر ساختمانی و یا همراه با مصالح اوّلیه ساختمان استفاده شوند. یک سیستم فتوولتائیک همواره قادر به ایجاد تغییرات چشمگیری در زمینه رفتار کلی بنا میباشد، و این تغییرات در مورد سیستم های یکپارچه با ساختمان نیز قابل قبول میباشد، که مهمترین تاثیر این سیستم ها به حالت کلی، تاثیر بر میزان تولید انرژی الکتریکی در بنایباشد. سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان به عنوان یک عنصر ساختمانی چند کاره طراحی و مورد استفاده قرار می گیرند. معماران با همکاری مهندسان ساختمانی سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان را از چهار جهت مورد برسی قرار می دهند؛ -1بُعد طرّاحی(شکل، اندازه، زاویه، رنگ) -2 ادغام با سیستم مکانیکی -3 ادغام با سیستم الکتریکی -4 کارایی و بازده سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان و مقایسه آن با سیستم های نرمال. مزایای سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان نسبت به سیستم های فتوولتائیک قدیمی: -1 هیچ گونه نیازی به فضای اضافی برای نصب پانل ها وجود ندارد، چرا که سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان به عنوان یک عنصر ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرند. -2 به دلیل جایگزینی سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان با مصالح سنتی، هزینه نصب این سیستم ها در مقایسه با سیستم های قدیمی کاهش مییابد. -3 سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان به عنوان مصالح چند منظوره در بنا مورد استفاده قرار می گیرند. -4 سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان دارای دو امتیاز برتر از لحاظ صرفه جویی در گرمایش بنا نیز می باشند: الف-طرّاحی با توجه به سیستم گرمایش و سرمایش ساختمان ب-طرّاحی به عنوان سیستم سایه
انداز بر روی پنجرهها که در فصل تابستان از دریافت گرمای بیش از حد جلوگیری کرده و بعلاوه انرژی الکتریکی تولید میکند.[8]

.3,1 اصول طراحی سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان
سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان علاوه بر اینکه مناسب برای پروژههای جدید هستند بلکه در پروژههای نوسازی و بهسازی نیز مورد استفاده قرار می گیرند. ولی به جرات میتوان گفت استفاده از سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان در مرحله اولیه طراحی و ساخت هم از لحاظ زیبایی هم از لحاظ تاثیر بر انرژی بسیار مفید میباشد. بر عکس سایر سیستم ها ، نصب سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان میتواند تاثیر بسیار زیادی در روند طراحی ساختمان داشته باشد. مهمترین این تاثیرها بر روی، جهت گیری، فرم - توده و سازه بنا می باشد.[8]

.3,2 نحوه عملکرد سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان

در واقع مواد تشکیل دهنده سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان همانند سیستم های فتوولتائیک میباشد، سلول های خورشیدی متشکل از چسب مخصوص، شیشه شفّاف، چهارچوب و واحدهای فتوولتائیک که به وسیله کابل های مخصوصی تولید انرژی الکتریکی کرده و آن را به شبکه منتقل میکند. سازه تشکیل دهنده سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمانبسته به مکان و موقعیّت نصب آنها در ساختمان دارد.[8]

.3,2,1 سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با بام
یکی از مناسب ترین مکان ها برای نصب سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان پشت بام بناها میباشد. در صورتی که شیب و انحنای بام در جهت مناسبی باشد بهرهوری و بازده سیستم ها بیشتر می شود. همچنین طراحی و اجرای سیستم هایی برای پشت بام همواره ارزانتر، سودمندتر از دیگر سیستم هاست چرا که شیب و زاویه آن نسبت به تابش به راحتی قابل تنظیم است. همچنین تهویه گرمای ناشی از کارکرد سیستمها در سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان پشت بام همواره راحت تر از سیستم های نصب شده در نمای خارجی بنا است. این فاکتور در سیستم هایی که بر روی بامهای شیب دار نصب می شوند بیشتر قابل توجه است چرا که نصب چهارچوب و ایجاد شیب باعث ایجاد فضای خالی و در نتیجه حرکت هوا و جلوگیری از گرم شدن بیش از حد سیستم ها می شود.[8]

بام تخت

سیستم هایی که بر روی بام های تخت نصب می شوند همواره نیازمند یک چهارچوب کمکی برای استقرار پانل ها می باشند که این چهارچوب ها امکان فراهم کردن شیب مورد نظر برای پانل ها را فراهم میکند. برای نصب سیستم های پشت بام سه راهکار وجود دارد؛ -1 چهارچوبی که بر روی سازه سقف نصب می شود، -2 چهارچوبی که بر روی بام بعد از اجرا نصب می شود -3 پانل هایی که به خودی خود مصالح پوشش دهنده سقف را تشکیل می دهند.[4] دسته اول سیستم هایی هستند که بر روی سازه سقف نصب می شوند و به وسیله پیچ و مهر به سازه نصب و ثابت می شوند و زاویه آنها همواره بین 10 الی 60درجه قابل تنظیم است، و معمولاً در مقابل باد با سرعت 200 کیلومتر بر ساعت مقاومت دارند. دسته دوم سیستم هایی هستند که بعد از اتمام سقف بر روی بام جای گذاری می شوند بیشتر به کمک وزن خود پانل ها ثابت سازی می شوند، این سیستم ها از لحاظ هزینه نصب ارزانتر بوده و قابلیت تولید کیلووات ها انرژی الکتریکی را دارند به همین دلیل بیشتر مورد توجه طراحان قرار میگیرد.[5] یکی دیگر از ویژگیهای مهم این سیستم ها امکان انتخاب اندازه پانل ها به دلخواه، به دلیل نبود چهارچوب با اندازه و ابعاد خاص میباشد، که به نوبه خود طراحان را در انتخاب نوع، ابعاد و مکان پانل آزادتر میگذارد. دسته سوم سیستم ها پانل هایی هستند که به عنوان مصالح پوشش دهنده پشت بام مورد استفاده قرار می گیرند که دارای ویژگی خاصی از جمله عبور هوا و عایق بودن هستند. یکی از مهمترین ویژگی این سیستم ها اضافه نکردن وزن سقف به دلیل نبود سیستم نگهدارنده و یا چهارچوب میباشد. هزینه این نوع سیستم از سقف نرمال با مصالح بنّایی گرانتر می باشد فقط زیبایی خاص خود را دارد. پانل ها به صورت جداگانه بر مصالح پایه ای سقف نصب و به کمک چسبنده ها به هم دیگر محکمو ثابت می شوند و معمولاً در پروژههای بهسازی برای کم کردن بار گرمایی و سرمایی ساختمان مورد استفاده قرار می گیرند.[2]

بام شیب دار

یکی از ارزانترین سیستم های قابل نصب بر روی بام های شیبدار، استفاده از پانل های فتوولتائیک به فرم سفال های مورد استفاده در بامهای شیبدار هست، این پانل ها با شکل خاصی تولید می شوند و مراحل نصب آنها فرق چندانی با مراحل نصب سفال های معمولی ندارد. این سیستم ها بیشتر برای بناهای مسکونی استفاده می شود و از لحاظ نوع و مکان نصب به سه گروه تقسیم می شود؛ -1 به عنوان سفال در بام های شیبدار، -2 به عنوان پوشاننده قسمتی از سقف شیبدار -3 به عنوان سرامیک و تایل در سقف شیبدار.[2] اولین نوع این سیستم ها از اتصال چهارچوبهای فلزی بر روی ردیف های سفال سقف و چیدمان آنها به صورت ردیف های منظم و موازی بر روی پایهها میباشد که هزینه نصب آنها به مراتب بیشتر از پانل های سفالی میباشد. نوع دوم سیستم های بام شیبدار، استفاده از پانل های نرمال با ابعاد بزرگتر به عنوان پوشش سقف شیبدار میباشد. نحوه نصب این سیستم ها کم و بیش شبیه نصب پانل های بام های تخت میباشد با این تفاوت که به دلیل نبود فضای کافی پشت سیستم های نصب شده امکان تهویه و عبور هوا از پشت این سیستم ها وجود ندارد. در کشورهای اروپای میانی گرمای پشت این سیستمها در روزهای گرم سال به بالای 60 درجه سانتیگراد میرسد که باعث کاهش 15درصدیِ بازده سیستم و همچنین صرف هزینه اضافی برای نصب سیستم خنک کننده بر روی این سیستم ها می شود.[4] سومین نوع سیستم در بام های شیبدار، استفاده از سرامیک و تایلهای فتوولتائیک میباشد، اصلیترین هدف تولید و طراحی این سیستمها استفاده و نصب بسیار آسان آنها در پروژههای بهسازی بناهای قدیمی و تاریخی با سقف شیبدار میباشد، ولی به دلیل بسته شدن کل سیستم تنها به یک ژنراتور هزینه بسیار زیادی را در بر میگیرد.[5]

بام گنبدوار

با توجه به تکنولوژی های جدید امکان استفاده از پانلهای فتوولتائیک در سقفهای گنبدی نیز فراهم شده است، در این نوع سقف برای چهارچوب پانل ها از مصالح فلزی و در خود پانلهامعمولاً از فیلم های نازک و نیمه شفّاف استفاده می شود. انتخاب نوع قفسه و پایه برای قرارگیری پانل ها بستگی به درصد شیب و انحنای سقف دارد.[3]

بام دندانه ای

این نوع سقفها معمولاً برای استفاده بیشتر از نور خورشید به حالت دندانه ای و با دندانه های شیبدار طراحی می شوند، که شیب آنها معمولاً متناسب با جهت و میزان تابش نور خورشید منطقه میباشد. با توجه به نوع گنبد، کاربری و مصالح آن پانل های نصب شده میتوانند به حالت شفّاف یا نیمه شفّاف و به عنوان لایه عایق، به صورت دو جداره مورد استفاده قرار بگیرند. شیشه های مورد استفاده در این نوع گنبدها می بایست متورّق ویا مقاوم در بآتوریم ها یک کاربری متفاوت و خاص در سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان استفاده از این سیستم ها در آتوریم ها و روشنایی از طریق سقف در معماری میباشد. در این نوع کاربری از سیستم های نیمه شفّاف و پوشش داده شده با شیشه استفاده می شود، که قسمتی از بدنه این پانلها مات و قسمت دیگر شفّاف میباشد، این نوع پانل ها از لحاظ هزینه خریداری گرانتر از بقیه پانل ها میباشد اما به دلیل کاهش تابش مستقیم نور خورشید و قابلیت سایه اندازی(خنک کنندگی غیر فعال) باعث پایین آمدن میزان مصرف انرژی در سیستم سرمایش ساختمان می گردد به همین دلیل در سال های اخیر استفاده از آنها متداول تر بوده است. همواره ما بین پانل های نصب شده در آتوریمها فضایی حدود 5 تا 20 سانتیمتر در نظر گرفته می شود که این فضا امکان استفاده از نور طبیعی خورشید را برای روشنایی و پذیرش گرمای طبیعی در ساختمان فراهم میآورد.[3]
.3,2,2 سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با نمای خارجی