ساخت ماکت خانه سبز - جلسه هفتم

اهداف جلسه : آشنایی با نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک
وسایل مورد نیاز : ....................
1_ سیستم برق فتوولتائیک :
سیستم فتوولتائیک مانند سایرمولد ها و نیروگاه های برق می تواند در هر ظرفیتی نصب و بهره برداری شود. حتی محدودیت آن بسیار کمتر از سایرین است و می تواند به صورت ژنراتورهایی با توان میلی وات تا چندین مگاوات ساخته شوند. لیکن با توجه به راندمان پائین تبدیل انرژی دراین سیستم و بالا بودن قیمت تجهیزات آن، برق تولیدی ازاین سیستم قدری گران تر است.
شرایط بهینه در بارگیری سیستم فتوولتائیک در معماری ساختمان از دو زاویه قابل بررسی است :
· مجتمع کردن سیستم فتوولتائیک با معماری و تاسیسات الکتریکی ساختمان
·طراحی و محاسبه سیستم فتوولتائیک به صورت فصلی
استفاده از پانل های خورشیدی در معماری ساختمان، باعث کاهش هزینه های بارگیری این انرژی می شود و می تواند در توسعه کاربرد آن موثر باشد. در تلفیق یک سیستم فتوولتائیک با معماری و تاسیسات ساختمان، تجهیزات اصلی سیستم باقیمانده و سایرتجهیزات به نوعی با وسایل مشابه در ساختمان ادغام می شوند. بعضی از قطعات جانبی تجهیزات اصلی نیز برای نصب نمای ساختمان، قابل حذف و صرفه جوئی هستند و بدین ترتیب با همکاری طراح ساختمان و طراح سیستم خورشیدی می توان شرایطی را ایجاد کرد که امکان بهره برداری از سیستم فتوولتائیک با شرایط بهینه فنی و اقتصادی میسر باشد.
یکی از موارد استفاده از سیستم های خورشیدی برای گرمایش ساختمان سیستم گرمایش کفی است که به جای استفاده ازمنابع  فسیلی برای آب گرم مصرفی از انرژی خورشیدی وآب گرمکن خورشیدی تامین می شود.
سیستم برق خورشیدی از اجرای مختلفی تشکیل شده است که عبارتند از:
·پانل یا صفحه خورشیدی؛ انرژی نور خورشید را به برق مستقیم تبدیل می نماید.
·جعبه اتصال گروهی؛  واسطه اتصال پانل ها به مدار برق و محافظ پانل های خورشیدی از صاعقه و برق آسمانی است.
 · سازه های فلزی یا ساختمانی؛ نگهدارنده پانل ها در جهت و زاویه خاص هستند.
·دستکاه کنترل کننده ؛ کنترل کننده تولید برق، مصرف برق، شارژ باطری های ذخیره و تنظیم کننده مشخصات برق تولیدی ومصرفی از نظر ولتاژ و آمپر است.
· کابل های ارتباط؛ اتصالات سیستم فتوولتائیک و مدار برق را بر قرار می کند.
· باطری های ذخیره؛ برق مورد نیاز برای ساعات بدون نور خورشید ذخیره می کند.
·مبدل برق مستقیم به متناوب؛ برق مستقیم را به برق متناوب یک فاز و یا سه فاز تبدیل می کند.
2_ کاربردها و چگونگی بکارگیری سیستم های فتوولتائیک (برق خورشیدی) :
سیستم‌های فتوولتائیك جهت مصارف عمومی و كشاورزی، بصورت نیروگاه های مستقل از شبكه سراسری برق یا سیستم های متصل به شبكه سراسری با ساختار نصب ثابت و یا متحرک در واحدهای كوچك باتوان پائین جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز ماشین حساب‌های كوچك تا سیستم‌های بزرگ نیروگاهی را نام برد.
در خصوص سیستم های متحرک می بایست متذکر شد که، مزیت آن امکان ردیابی خورشید و افزایش انرژی الکتریکی حاصل از تابش خورشید در طی روز می باشد. در شکل زیر یک سازه متحرک و مقایسه انرژی الکتریکی حاصل ازتبدیل انرژی تابشی نشان داده شده است.
با وجود این مطلب، بدلیل افزایش احتمال خرابی درسیستم مکانیکی، نیاز به انرژی الکتریکی جهت به حرکت در آوردن سازه در کاربردهای کوچک و پراکنده توصیه نمی گردند. تنها درتعدادی از نیروگاه های برق خورشیدی (فتوولتائیک) در جهان از این نوع سازه استفاده شده است.
1-2_ روش های کاربرد سیستم های برق خورشیدی :
متصل به شبكه سراسری برق ( Grid Connected ):
در این روش، انرژی الکتریکی حاصل از سیستم فتوولتائیک (با استفاده از تجهیزات الکتریکی مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب، همچون اینورترهای متصل به شبکه و ...) ضمن تغییر شکل و تطبیق سطح ولتاژ و فرکانس انرژی الکتریکی حاصل از سیستم فتوولتائیک، با مشخصات سطح ولتاژ، اختلاف فاز، فرکانس و...  شبکه سراسری به شبکه سراسری برق تزریق می گردد. با استفاده از نیروگاه های فتوولتائیك متصل به شبكه سراسری بصورت متمركز و یا غیرمتمركز (ضمن تقویت انرژی جاری در شبكه توزیع)، بدلیل تزریق ولتاژ و جریان ، مانع افت ولتاژ شبکه توزیع گردیده و در نتیجه از فشار بر روی نیروگاه ها در طی روز جلوگیری نمود. این امر به مثابه این است که هر مشترك شبكه سراسری برق، با نصب سیستم متصل به شبکه، خود بعنوان یك تولید كننده پراکنده کوچک (DG)، بصورت نیروگاهی کوچک عمل نماید. دراین روش علاوه بر تامین بخشی از انرژی الكتریكی مورد نیاز مصرف کننده، انرژی الکتریکی (مازاد بر مصرف) به شکه سراسری برق تزریق می شود. درشکل زیر سهم این روش کاربرد سیستم های برق خورشیدی (فتوولتائیک)، نشان داده شده است. 
سیستم های مستقل از شبکه سراسری برق ( Stand Alone ):
تأمین انرژی الکتریکی ایستگاه های مخابراتی و تلویزیونی، خانه های مسکونی، چادرهای عشایری، کلبه های روستایی و بصورت کلی رفع نیاز انرژی الکتریکی مناطقی که فاقد شبکه سراسری برق می باشند. این بخش سهم بالایی از سیستم های مستقل از شبکه را در جهان به خود اختصاص داده است. در بسیاری از کشورهای جهان (بویژه کشور های درحال توسعه جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز روستاهای فاقد برق ، از این سیستم استفاده می گردد، بطور مثال در سال 2007 کشور اندونزی برق رسانی به 15000 خانوار روستایی را از این طریق آغاز نموده است) .
عدم نیاز به سوخت و مشكلات سوخت رسانی بویژه در مناطق صعب العبور و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم و طول عمر مناسب از جمله عمده مزایایی است كه در رشد و توسعه این سیستم‌ ها بویژه در نقاط محروم كشور نقش عمده و بسزایی دارد.
پیش بینی‌های آینده حاكی از آن است كه در كشور‌های توسعه یافته در سال‌های آتی با استفاده از این سیستم در طی روز و در زمان تابش خورشید، سهم قابل توجهی از تولید برق آن كشورها از طریق سیستم‌های فتوولتائیك متصل به شبكه تامین خواهد شد.
3_ طراحی و محاسبه سیستم فتوولتائیک
برای طراحی یک سیستم فتوولتائیک لازم است عوامل مختلفی مورد توجه و بررسی قرارگیرند که بعضی از آنها در محاسبه ظرفیت و خروجی سیستم، یا برآورد برقی که تولید می شود موثرند و بعضی دیگر در انتخاب نوع تجهیزات و طراحی آنها نقش دارند. این عوامل عبارتند از :
موقعیت جغرافیایی : عرض و طول جغرافیایی و نیز ارتفاع محل نصب سیستم فتوولتائیک، فاکتورهای لازم برای محاسبه قدرت تابش نور خورشید است.
موقعیت زمانی : در بررسی موقعیت زمانی، محل نصب و شرایط آن نسبت به حرکت خورشید، وجود سایه ارتفاعات و کوههای اطراف و یا حتی سایه ساختمانها و تعیین ساعاتی از روز که ممکن است وجود این سایه ها مانع از تابش مستقیم نور خورشید به پانل ها باشد، بررسی می شود. فاصله سیستم نسبت به مصرف کننده و مسیرکابل کشی، طول کابل های اتصال را تعیین می کند. مقاومت الکتریکی کابل ها و تلفات انرژی در آنها در محاسبات ظرفیت سیستم فتوولتائیک موثر است.
شرایط اب و هوایی : تعداد روزهای ابری پشت سر هم از جمله عوامل مهمی است که در بررسی شرایط آب و هوایی تعیین می شود. اگر بخواهیم مقداری از برق خورشیدی را برای ایام ابری ذخیره کنیم این عامل در محاسبات وارد شده و ظرفیت سیستم فتوولتائیک با توجه به برق مورد نیاز در ایام ابری محاسبه می شود. علاوه بر آن وزش باد و سرعت آن برای تعیین استحکام سازه فلزی یا ساختمانی، میزان بارندگی و ارتفاع برف برای تعیین ارتفاع پانل ها ازسطح زمین، شفافیت هوا، میزان شرجی بودن و یا غبار آلود بودن و اثر آنها در شدت تابش نور خورشید، وجود صاعقه و رعد و برق برای پیش بینی تجهیزات ایمنی مناسب از جمله عوامل دیگری است که بررسی می شود.
برق مورد نیاز : در بررسی میزان نیاز به انرژی الکتریکی علاوه برتوان، ولتاژ، مستقیم و متناوب بودن آن و مقدار لحظه ای مورد توجه قرار می گیرد. توان مصرفی مستقیماً در محاسبات وارد می شود، و ولتاژ تعیین کننده تعداد صفحات خورشیدی است که با یکدیگر سری و موازی می شوند. مقدار برق لحظه ای مربوط به هنگامی است که همه مصرف کننده ها با هم در مدار قرار می گیرند و یا دستگاه هایی به مدار وارد می شوند که برق شروع  به کار آنها با مصرف مستمر آنها متفاوت است، این عوامل برای طراحی دستگاه کنترل کننده بسیار اهمیت دارد.
4_ كاربردهای سیستم های فتوولتائیك :
· سیستم های تأمین برق مستقل از شبکه (تأمین برق خانه های مسکونی، چادرهای عشایری، کلبه های روستایی و بصورت کلی رفع نیاز الکتریکی مناطق فاقد شبکه سراسری برق می باشند) .
· پمپاژ خورشیدی (آب شرب، آبیاری، دامپروری، پرورش ماهی، جنگلها، مراتع، آبشخورحیوانات، آبنماها و…) . یکی از کاربردهای موفق سیستم های فتوولتائیک ، پمپاژ آب خورشیدی می باشد.  افزایش تقاضا در این بخش نشان گر توانمندی و قابلیت کارکرد این سیستم می باشد. بطورمثال درسال 2006 در کشور مکزیک بیش از800 عدد پمپ با توان تجمعی33 کیلووات و در بنگلادش بیش از 5000 عدد پمپ در سال2005 و 2006 با مبلغ تجمعی 21 میلیون دلار نصب و راه اندازی گردید و یا 6/6% از سیستم های فتوولتائیک نصب شده در کشور هند را سیستم های پمپ فتوولتائیک تشکیل می دهد..در تصویر زیر نمونه ای از این سیستم نشان داده شده است.
 ·روشنایی خورشیدی (منازل مسكونی و مدارس، ایستگاههای بین راهی، تونل ها، فانوسهای دریایی، چراغ های پارکی و ...) . میزان روشنایی درشب یک امتیاز برای شهرهای بزرگ و صنعتی می باشد و بدون دسترسی به برق، تامین روشنایی به لامپ های دینامی و یا چراغ های نفتی محدود می گردد. یکی از راه حل های مناسب جهت تامین روشنایی مناسب جهت مناطق فاقد دسترسی به برق، استفاده از چراغ های خورشیدی می باشد که سالانه ده ها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می گردد.
· این سیستم در تامین روشنایی منازل مسكونی و مدارس، ایستگاههای بین راهی، چراغ های راهنمایی و رانندگی، فانوس های دریایی و ... موثر واقع شده است. بگونه ای که تعداد بسیار زیادی از آن ها در کشور ما نیز در شهرها (بویژه تهران) و جاده های کشور نصب گردیده است. در همین رابطه در تصاویر زیر نمونه هایی که توسط سازمان انرژی های نو که در نقاط مختلف کشور نصب و اجرا گردیده است، نشان داده شده است.
 · سیستم تغذیه كننده پرتابل (قابل حمل و نقل) . همچون خودروهای خورشیدی، مصارف الکتریکی غیرصنعتی در ابزارهایی مانند، اسباب بازی ها، ماشین حساب های خورشیدی و... قابلیت حمل و نقل سهولت در نصب و راه اندازی از جمله مزایای این سیستم ها می باشد كه در رشد و توسعه آن نقش بسزایی دارد.
·حفاظت كاتدیك : بمنظور جلوگیری از پوسیدگی لوله های انتقال مواد اولیه، شیمیایی، نفت و گاز،  نشت مواد مذكور از لوله‌ها و جلوگیری از آلودگی محیط زیست استفاده از حفاظت كاتدیك فتوولتائیك یك راه حل مناسب و ساده جهت جلوگیری از این مسئله می باشد.
·یخچالهای خورشیدی : در سال های اخیر استفاده از یخچال های خورشیدی برای سرویس دهی به روستا ها و ارائه خدمات بهداشتی و تغذیه ای در مناطق دور افتاده و صعب العبور رشد روز افزونی داشته است. با توجه به حساسیت داروها، مواد خوراكی و فاسد شدنی نسبت به افزایش دما خنك نگهداشتن آنها در حمل و نقل و همچنین در محل نگهداری مهم و خطرناك می باشد. قابلیت اعتماد یخچال های خورشیدی بگونه ای است كه در طی 5 سال گذشته بیش از 10000 یخچال خورشیدی برای كاربردهای بهداشتی و درمانی در سراسر آفریقا راه اندازی شده است. 
5_ کاربرد انرژی خورشیدی درساختمان :
بخش ساختمان یکی ازعمده ترین بخش های مصرف کننده انرژی است و به همین سبب لازم است توجه ویژه ای به مقوله بهینه سازی مصرف سوخت درساختمان مبذول نمود. از نقطه نظر کلی می توان گفت که با آگاه ساختن مردم، تدوین قوانین مناسب و اصلاح قیمت ها از طریق رفع تدریجی یارانه های دولتی می توان گام موثری در جهت بهبود مصرف سوخت در ساختمان ها برداشت اما جایگزینی انرژی های تجدیدپذیر به طور اعم به جای سوخت های فسیلی که عمده ترین منبع تامین انرژی در کشورمان محسوب می شوند، راه حلی است که مشخصه اصلی آن، آینده نگری و رعایت توأمان حقوق نسل های فعلی و آتی است.
روند رو به افزایش انبوه سازی و ساخت مجتمع های مسکونی درکشور، موجب استفاده ازانرژی های طبیعی در مجتمع های مسکونی و چگونگی طراحی این ساختمان ها به صورت سازگار و هماهنگ با طرح های خورشیدی می باشد.
منظور از کاربرد انرژی خورشیدی در ساختمان ها بهره گیری هر چه بهتر از نورخورشید درجهت تأمین نیازهای گرمایی و سرمایی و درصورت لزوم تأمین الکتریسیته ساختمان ها می باشد. درمرحله اول با بکارگیری طراحی معماری خورشیدی که تشابه بسیاری با معماری سنتی کشور مان دارد نیازهای گرمایی و سرمایی ساختمان ها به حداقل رسانده می شود. دراین طراحی مسائلی از قبیل : جهت ساختمان، عایق کاری حرارتی، تعیین سطح مناسب پنجره ها، دو جداره کردن پنجره ها در برخی مناطق و استفاده از بعضی ازسیستم های غیر فعال خورشیدی از قبیل دیوار ترومپ درنظر گرفته می شوند که با اعمال این پارامترها، انرژی مورد نیاز این نوع ساختمان ها نسبت به یک ساختمان معمولی(با زیربنای یکسان) درصد قابل توجهی کمتر بوده و میزان این درصد بستگی به بکارگیری میزان این پارامترها و شرایط اقلیمی هر منطقه دارد.
از آنجایی که ایران دارای حوزه های اقلیمی مختلف می باشد امکانات انرژی خورشیدی نیز تابعی از این حوزه های مختلف اقلیمی است. بر این اساس برای کاهش انرژی مورد نیاز یک ساختمان می بایست طراحی آن مطابق با اقلیم آن منطقه باشد. درکلیه مناطق مختلف آب وهوایی ساختمان هایی که بر طبق اصول طراحی اقلیمی ساخته شده اند ضرورت گرمایش و سرمایش مکانیکی را به حداقل کاهش می دهند.
اطلاعات مورد نیاز برای دستیابی به اهداف فوق را می توان به پنج بخش تقسیم نمود:
الف) بررسی خصوصیات تابش خورشیدی
ب) بررسی وضعیت دما
ج) بررسی خصوصیات میزان بارش و رطوبت
د) بررسی میزان و شرایط وزش باد
ه) بررسی خصوصیات عایق کاری
 دریک طرح خورشیدی دو مسئله اصلی مطرح می شود؛ یکی چگونگی طراحی برای بهره وری بیشتر از انرژی خورشیدی و دیگری چگونگی طراحی برای به حداقل رساندن اتلاف های حرارتی به منظور استفاده بهتر از انرژی بدست آمده که درصورت عدم توجه به هر یک از این موارد، طرح مورد نظر از کارایی لازم برخوردار نخواهد بود. دلیل عمده عدم استقبال اقشار مختلف مردم از استفاده انرژی خورشیدی امری اجتناب ناپذیر است.
ذکر این نکته ضروریست که استفاده از انرژی خورشیدی بدون توجه به طراحی اقلیمی ساختمان نه تنها به صرفه نبوده بلکه هزینه های اضافی نیزدر برخواهد داشت. بنابراین توصیه می گردد با تهیه و تدوین ضوابط طراحی الگوی مسکن متناسب با اقلیم هر منطقه، طراحان را وادار به رعایت حداقل استانداردها دراین زمینه بنمایند و نیز در جهت توسعه استفاده از انرژی خورشیدی درساختمان، سیاست های تشویقی و تنبیهی مدون گردد.
تامین روشنایی : روشنایی ساختمان ها می تواند با استفاده از سلولهای فتوولتائیک تأمین شود. یعنی با محاسبه انرژی مورد نیاز برای روشنایی ساختمان تعداد پانل های فتوولتائیک ( هر پانل از سری، موازی قرارگرفتن چند سلول تشکیل شده است) و ظرفیت باطری ذخیره مورد نیاز مشخص می شود و در نتیجه با استفاده از پانل های خورشیدی و شارژ رگولاتور (که از شارژ و دشارژ بیش از حد باطری جلو گیری می کند) و باطری ذخیره روشنائی مورد نیاز ساختمان تأمین خواهد گردید.
تکلیف : سیستم های مستقل از شبکه و متصل به شبکه هرکدام در چه مواردی بیشتر کاربرد دارند ؟
منابع مطالعه :
1_ کتاب 50 پروژه کاربردی با انرژی خورشیدی-نوشته گیوین دی.جی.هارپر-ترجمه محمد حسین مهربان و بهار پورشاهیان
2_ کتاب مبانی انرژی خورشیدی – نوشته دافی و بکمن
 تنظیم کننده: محبوبه همت

مطالب مرتبط:
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه اول
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه دوم
 ساخت ماکت خانه سبز-جلسه سوم
 ساخت ماکت خانه سبز-جلسه چهارم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه پنجم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه ششم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هفتم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هشتم