چکیده : تکنولوژی فتوولتاییک (pv) امروزه به عنوان بخش رایجی از واژه شناسی ساختمان با امکان کاربرد در ساختمان های موجود و نو مطرح شده است.
استفاده از این سیستم در پوشش ساختمان بسیار متنوع بوده و راه های نوینی به سوی طراحان خلاق می گشاید.
بعنوان نمونه در فوتو ولتائیک های نیمه شفاف، مدولها می توانند در کنار ذخیره انرژی سایر عملکردهای پوششی بنا را نیز به خوبی انجام دهند.
درصورتی که تاثیرات و کاربردهای جامع فتوولتاییک ها در ساختمان به دقت درک و در کل طراحی و مفاهیم انرژی ساختمان در نظر گرفته شود، تواند در اجزای ساختمان کارکردی چند منظوره یافته و علاوه بر تولید الکتریسیته کاربردهای دیگری نیز در پوشش ساختمان به عهده گیرد.
مقدمه امروزه آگاهی فزاینده ای که در خصوص تخریب عوامل محیطی و توجه ویژهای درباره کیفیت محیط مصنوع در اروپا وجود دارد منجر به تغییر خصوصیات و نیازمندی های ساختمان و طراحی آن 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.
در این میان در رابطه با 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، فتو ولتائیک یا (pv) است.
یک واحد یا مدول فتوولتائیک اساساً پوششی است که می تواند در دوره های مشخصی از روز الکتریسیته تولید کند که این تولید، شاید به عنوان حق امتیاز این محصول بی نظیر ساختمان مطرح گردد.
بطوریکه این فتوولتائیک حتی قادر به شرکت در تامین نیروی برق سراسری است.
اگرچه هنوز نیروی برق تولیدی آنها، پنج برابر از نیروی برق شبکه گران تر است اما فتوولتائیک های یکپارچه ساختمان یا (bipv) با ارائه مزایای هزینه ای ویژه، برای مناطق شهری نظیر هلند و آلمان که زمین خالی و کافی برای تجهیزات نیروگاه در اختیار ندارند، بسیار جالب توجه می باشند.
مهمترین مزایا و معایب سیستم های فتوولتائیک: مزایا: عدم نیاز به شبکه سراسری عدم نیاز به سوخت سازگاری با محیط زیست، محیط زیست را آلوده نمی کند آلودگی صوتی ندارد برای تولید برق نیاز به آب ندارد معایب: هزینه سرمایه گذاری اولیه بالا است وابستگی به تغییرات تابش خورشید در طی روز و ماه های مختلف چند نمونه از کاربردهای سیستمهای فتوولتائیک: روشنایی خورشیدی (معابر، تونلها، منازل، مدارس، جاده ها، چراغهای دریایی و ...) پمپ آب (کشاورزی، دامپروری و آبشخور حیوانات، پرورش ماهی، آب شرب و ...) سیستمهای نیروگاهی (بصورت مستقل و متصل) سیستمهای پرتابل یخچال های خورشیدی فتوولتائیک یکپارچه ساختمان (bipv) فتوولتاییک (pv) امروزه می تواند در ساختمان های موجود و جدید استفاده شود.
کاربرد آن در پوشش ساختمان بسیار متنوع بوده و راه های جدیدی به سوی طراحان خلاق می گشاید.
1- صفحات نمای ساختمان نماها اکثریت سطح پوسته یک ساختمان را اشغال می کنند.
در حقیقت یک نما نخستین احساس بصری از ساختمان را به بینندگان آخود انتقال می دهد و معماران بنا نیز با استفاده از نما به بیان ایده ها و ترجمه خواسته های کار فرما با زبانی ویژه از شکل و رنگ می پردازند.
مدول های استاندارد فتوولتائیک می توانند به دیوار موجود ساختمان برای تامین نمایی موفق به لحاظ زیبا شناختی متصل گردند.
این واحد ها بدون نیاز به عایق به استراکچر متصل می شوند که این عمل توسط زیرسازی شبکه ای در مدول های فتوولتائیک صورت می گیرد.
بنابراین سیستمهای فتوولتائیک می توانند به عنوان بخش مهمی از عناصر نمای ساختمان مطرح می شوند.
چهره اصلی یک لایه فتوولتائیک به عنوان مصالح پوششی، شبیه یک شیشه رنگی است.
لایه های فتوولتائیک حفاظت طولانی مدت در برابر شرایط جوی را تامین و می توانند در هر اندازه، شکل، طرح و رنگی، برش و تهیه شوند و حتی قسمتی از نور روز را نیز به داخل ساختمان برسانند.
این عناصر ساختمانی می توانند بعنوان صفحات ساده نما، عناصر جند عملکردی برای نماهای سرد و گرم، به عنوان سیستم سایه انداز یا بازشوعمل نمایند.
ساختمان3 Okotech در برلین مثال جالبی از نماهای فتوولتائیک است.
نمای این بنا متشکل از گرانیت و پانلهای شیشه ای با استفاده از شیوه ستاره ای شکل (سیستم نمای SJ ) برای نگهداری پانلهاست.
دست انداز طبقه دوم تا پنجم توسط صفحات فتوولتائیک پوشانده شده است و این صفحات با داشتن اندکی خاصیت انعکاسی، ظاهری نظیر پانلهای شیشه ای دیگر نما دارند.
2- نماهای نیمه شفاف ورقهای فتوولتائیک همانند پنجره ها می توانند کارکرد شفافیت و پشت نمایی خود را از دو طریق انجام دهند.
سلول فتوولتائیک به تنهایی می تواند بسیار ظریف و یا لیزری بوده و از این طریق امکان 20 تا 50 درصد امکان دید فیلتر شده ای را فراهم کند.
مدولهای سیلیکون غیر بلوری نیمه شفاف، ویژه این کارکرد، تهیه می شوند.
از سوی دیگر، سلول های بلورین نیز در روشی مشابه می تواند در عین ایجاد فیلتر دید، فضای داخلی را روشن سازند.
حتی با اضافه نمودن لایه هایی از شیشه به واحد اصلی از فتوولتائیک نیمه شفاف، عایق حرارتی و صوتی نیز برای نیازهای ویژه ساختمان تامین می شود.
3- سیستم های سایبان در معماری امروز نیاز شدیدی برای سیستم های سایه انداز در بازار ساختمان وجود دارد که منجر به استفاده وسیع از بازشوهای بزرگ و پرده ها و یا سایبان های دیگر می گردد.
در این میان فتوولتائیک ها با اشکال مختلفی می توانند به عنوان سایبان در بالای پنجره ها و یا بخشی از سازه بام استفاده شوند، البته به شرطی که استفاده از این سایبانها منجر به تحمیل بار اضافی به سازه ساختمان نگردد.
سیستم های سایه انداز فتوولتائیک می توانند به گونه ای و در جهتی آرایش یابند که در آن واحد، هم برای تولید بیشترین انرژی و هم برای تامین درجات متغیری از سایه بکار روند در معماری امروز نیاز شدیدی برای سیستم های سایه انداز در بازار ساختمان وجود دارد که منجر به استفاده وسیع از بازشوهای بزرگ و پرده ها و یا سایبان های دیگر می گردد.
سیستم های سایه انداز فتوولتائیک می توانند به گونه ای و در جهتی آرایش یابند که در آن واحد، هم برای تولید بیشترین انرژی و هم برای تامین درجات متغیری از سایه بکار روند.
4- مصالح بام بامها برای فتوولتائیک ها بسیار ایده آل می باشند.
چرا که معمولاً عوامل سایه ساز در پشت بام بسیار کمتر از سطح زمین است و معمولاً بام، سطح بدون استفاده وسیعی را بدین منظور در اختیار می گذارد.
یک بام شیبدار ایده آل برای فتوولتائیک ها بامی است به سمت جنوب (در نیمکره شمالی) که زاویه ای معادل عرض جغرافیایی ± 15 برای بهترین تولید انرژی داشته باشد.
در این خصوص بامهای روبه جنوب شرقی و جنوب غربی نیز قابل قبولند.
صفحات فتوولتائیک می توانند بر پشت بام بناهای موجود نیز براحتی نصب گردند.
یک روش زیبا برای استفاده از فتوولتائیک ها در بام ساختمان، استفاده از تایلها یا توفالهای PV است که امکان نصب راحت آنها را توسط یک پیمانکار بام نظیر تایلهای یا پوشالهای دیگر پشت بام میسر می سازد.
بامهای مسطح نیز مزایایی همچون دسترسی مناسب و نصب آسان دارند.
روش کلاسیک در این خصوص، چیدمان و آرایش واحد های فتوولتائیک بر روی زیر ساختهای شبکه ای آن و سپس نصب آنها بر روی بام می باشد.
در این روش علاوه بر توجه ویژه در خصوص آرایش مدول ها و نصب آنها که در بام شیبدار نیز صورت می گیرد، می بایست در مورد نیروی باد نیز تدابیر لازم اندیشیده شود.
تجربیات و پیشرفت های اخیر در این زمینه سبب سبکی، سهولت و سرعت استعمال این سیستم ها گشته است.
5- نورگیرها ساختار نورگیرها معمولاً مزایای انشار نور در ساختمان را با تامین سطحی باز برای نصب مدولهای فتوولتائیک نوام می سازد.
در این صورت عناصر فتوولتائیک می بایست نور و الکتریسیته را همزمان تامین کنند.
بطوریکه قطعات فتوولتائیک و سازه پشتیبان مورد استفاده برای این نوع کارکرد، مشابه نماهای نیمه شفاف هستند.
این ساختار که میتواند از بیرون نیز نمایان گردد، طبقات و راهروهایی زیبا و جذاب از نور پدید آورده و امکان طرح معماری مهیجی از نور و سایه فراهم می سازد.
نصب سلولهای نوری (فتوولتائیک) بر بام ساختمانها نصب سلولهای نوری (فتوولتائیک) بر بام ساختمانها و استفاده از انرژی الکتریکی حاصله در ساختمان از موضوعات جدید در صنعت برق دنیاست.
ایمنی و قیمت دو عامل مهم ارزیابی در این سیستمها هستند.
مطالعات نشان میدهد که انگیزه های زیر می تواند عامل سرمایه گذاری در زمینه تولید برق نوری باشد.
1- حفاظت از محیط زیست 2 - یافتن جایگزینی برای نیروگاههای هسته ای 3- ملاحظات و پیشرفتهای فن آوری یکی از ابزارهای مهم برای غلبه بر مسائل زیست محیطی ناشی از تولید و مصرف برق ، سیستم های غیر متمرکز فتوو لتائیک (PV) هستند.
در حال حاضر ، به دلیل هزینه های سنگین سرمایه گذاری ، سیستم های PV به صورت وسیعی مورد استفاده قرار نمی گیرند.
به منظورگسترش بازار این نوع سیستم ها ، مشوق های اقتصادی ابزار مناسبی است.
به این منظور در هر کشوری شیوه های مختلفی به کار گرفته می شود.
در سال 1990 اولین برنامه مهم بین المللی با نام "هزار بام" برای گسترش سیستم های فتوولتائیک در آلمان به اجرا گذاشته شد.
نصب سیستم ها در سال 1995 به پایان رسید.
تقریبا" 2250 عدد از پشت بامهای منازل آلمان با سیستم های فتوولتائیک با توان متوسط KWp 6/2 تجهیز شدند.
بزرگترین برنامه گسترش سیستمهای فتوولتائیک در سال 1994 در ژاپن اجرا شد.
این برنامه 5 ساله و زمان پایان آن سال 1999 پیش بینی شده بود.
تا پایان سال 1997 بیش از10000 سیستم کوچک متصل به شبکه با توان متوسط KWp 3 در ژاپن نصب شده است.
خرید سیستم فتوولتائیک در رفتار مصرف کنندگان تغییراتی ایجاد می کند.
مصرف کنندگانی که دارای مصرف اولیه کم اند تقاضای خود را به تدریج افزایش می دهند.
اما مصرف کنندگان با مصرف اولیه زیاد برق ، در مصرف انرژی صرفه جویی خواهند کرد.
بنابر این می توان گفت که ” سیستم های PV وسیله صرفه جویی انرژی برای ثروتمندان ” است.
ساختمانهایی که با سیستم های فتوولتائیک ترکیب می شود به قسمی که سیستم های PV قسمتی از نمای خارجی ساختمان را تشکیل می دهند، به نام Building Integrated Photovoltaic(BIPV) نام گذاری شده اند.
چنین سیستمی در زمستان ، بهار و پائیز نور و گرما را تامین می نماید .
در تابستان که نور و گرما مطلوب نیست ، این عوامل با استفاده از کنترلرهای خورشیدی ، کنترل می شوند.
سیستم هایBIPV ، کاملآ چند منظوره اند.
این سیستم ها تولید الکتریسیته می کنند، به جای المانهای معمول ساختمانی مانند سایه بان ها عمل می کنند و بار سرمایی و پیک بار الکتریکی را کاهش می دهند.
بر اساس بررسی های انجام شده ، ملاحظات و نتایج زیر از نصب اولین سیستم BIPV در کره بدست آمده است: 1- شیب وجهت پانلهای PV اثر قابل ملاحظه ای بر میزان تولید برق دارد.
با توجه به زیبایی نمای ساختمان، هزینه و ایمنی امکان نصب پانلهای سایه بان با زاویه ایده آ ل یعنی 32 درجه در منطقه جی هونگ وجود نداشت .
2- وقتی از سیستم هایPV به عنوان سایه بان استفاده می شود، تاثیر سایه سایر پانلهای PV باید لحاظ شود .
3- مزیت سایه بانهای PV در مقایسه با سایر سایه بانها و یا پرده ها آنست که مانع ورود گرما به ساختمان شده و بنابر این بار سرمایشی ساخنمان کاهش می یابد.
4- نسبت تشعشع مستقیم به تشعشع پراکنده خورشید اثر قابل ملاحظه ای بر تولید برق سیستم های PV دارد.
5- کاهش مقدار برق تولیدی سیستم ، در اثر جمع شدن گرد و غبار بر روی صفحات در طراحی باید لحاظ گردد .
6- در یک روز تابستانی ، سیستم PV توان تولید ده در صد از نیازهای انرژی روشنایی ساختمان را داراست .
آبگرمکن های خورشیدی مهمترین قسمت هر سیستم آبگرمکن خورشیدی یا(SWH Solar water heating) عبارتست از آرایه کلکتورهای آن که وظیفه جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به حرارت را به عهده دارند.
حرارت دریافت شده از طریق سیال عامل (آب، مایع ضد یخ یا هوا) که از داخل کلکتور عبور میکند جذب میشود.
این حرارت میتواند مستقیماً مورد استفاده قرار گیرد یا اینکه در یک منبع ذخیره حرارتی، برای استفاده های بعدی ذخیره شود.
اجزاء مختلف سیستمهای انرژی خورشیدی دائماً در معرض شرایط جوی هستند، لذا این قطعات باید بتوانند در مقابل یخ زدگی یا افزایش بیش از حد حرارت و هنگامیکه تقاضا برای مصرف کم است بطور مناسب محافظت شوند.
در سیستمهای آبگرمکن خورشیدی، آب مصرفی یا بطور مستقیم با عبور از کلکتور گرم میشود (سیستمهای گردش مستقیم) یا اینکه بطور غیر مستقیم و توسط یک مبدل حرارتی که خود در یک سیکل بسته توسط سیال داخل کلکتور گرم شده است، گرما میگیرد (سیستم گردش غیر مستقیم).
سیال عامل نیز یا به صورت طبیعی ( غیر فعال یا پسیو) جابجا میشود یا اینکه بصورت اجباری به گردش در میآید (فعال یا اکتیو).
گردش طبیعی سیال عامل بر اثر پدیده ترموسیفون بوجود میآید در حالیکه برای گردش اجباری این سیال از یک پمپ استفاده میشود.
غیر از سیستمهای ترموسیفون و سیستمهایی که کلکتور و منبع ذخیره یکپارچه دارند، سایر سیستمهای گرمایش آب توسط ترموستاتهای تفاضلی کنترل میشوند.
پنج نوع از سیستمهای خورشیدی میتوانند برای گرم کردن آب مصرفی یا بهداشتی مورد استفاده قرار گیرند که عبارتند از: ترموسیفون، کلکتور- مخزن یکپارچه، گردش اجباری، غیر مستقیم و هوا.
دوسیستم اول سیستمهای غیر فعال (پسیو) نامیده میشوند، اما سه سیستم دیگر سیستمهای فعال (اکتیو) هستند، چون یک پمپ یا فن برای گردش سیال عامل در آنها نصب میشود.
برای جلوگیری از یخ زدگی کلکتور در سیستمهای مستقیم از گردش معکوس(recirculation) یا تخلیه (drain-down) و در سیستمهای غیر مستقیم از تخلیه برگشتی (drain-back) استفاده میشود.
تمامی این سیستمها دارای مزایای اقتصادی خوبی هستند و بسته به نوع سوخت جایگزین، دوره بازگشت سرمایه برای آنها بین 4 سال (برای الکتریسیته) و 7 سال (برای دیزل) میباشد.
البته دوره بازگشت سرمایه، در کشورهای مختلف بستگی به شاخصهای اقتصادی، نظیر میزان تورم و قیمت انواع سوخت و غیره دارد.
امروزه در دنیا به میزان بسیار زیادی از کلکتورهای خورشیدی برای آبگرمکنهای خورشیدی استفاده میشود.
یخچال خورشیدی راه های بسیاری وجود دارند که میتوان انرژی خورشید را با پروسه تولید سرما ادغام کرد.
سرمایش خورشیدی را هم میتوان از طریق گرمایش خورشیدی بعنوان منبع گرمایی و هم از طریق فتوولتائیک بعنوان منبع الکتریکی ایجاد کرد.
این کار را میتوان با روشهای جذبی و جذب سطحی از طریق گرمایش و یا با استفاده از یک یخچال معمولی که برق آن از فتوولتائیک تامین میشود انجام داد.
سرمایش خورشیدی خصوصاً برای سرد نگهداشتن واکسنها در مناطقی که الکتریسیته در دسترس نیست یا برای سرمایش مکانها مورد استفاده قرار میگیرد.
انواع روشهای سرمایش خورشیدی عبارتند از: یونیتهای جذب سطحی (Adsurbtion units) جامدات متخلخل، که جاذب نامیده میشوند، بصورت فیزیکی و بازگشت پذیری میتوانند مقادیر زیادی بخار را که سیال جذبی (adsorbate) نامیده میشود خود جذب (adsorb) کنند.
ایده اصلی استفاده از این پدیده در قرن نوزدهم بوجود آمد.
تراکم بخار جذبی درون جامد جاذب بستگی به دمای زوج یا به عبارت دیگر ترکیب جاذب و جذب شونده و نیز فشار بخار دارد.
اگر فشار ثابت باشد میتوان با تغییر دادن درجه حرارت موجب جذب یا بازپس دهی ماده جذبی توسط جاذب شد.
این روش، مبنای کارکرد سیستمهای خورشیدی استفاده کننده از سیکل جذب بخار می باشد.
یک زوج جاذب- جذبی برای کار کردن در یک مبرد خورشیدی باید ویژگیهای زیر را داشته باشد: - یک مبرد با گرمای نهان بالا - یک زوج کاری با خواص ترمودینامیکی بالا - یک دمای بازگشتی (بازپس دهی سیال جذبی) کوچک در مواجهه با فشار و دمای کاری - ظرفیت گرمایی پایین زوج آب- آمونیاک بیشترین استفاده را در بین سیستمهای موجود دارد و استفاده از زوجهای جذبی مناسب تر برای سیستمهای خورشیدی در حال بررسی و مطالعه و تحقیق است.
بازده این سیستمها توسط دمای کندانسه محدود میشود، و بدون استفاده از تکنولوژیهای سطح بالا امکان کاهش آن وجود ندارد.
برای مثال، برجهای خنک کن و رطوبت زدا (desiccant bends) برای تولید آب سرد برای کنداسه کردن آمونیاک در فشار پایین استفاده میشوند.
از جمله معایب ذاتی زوج آب- آمونیاک این است که لوله ها و مخازنی با ضخامت بالا نیاز دارند، خوردگی ناشی از آمونیاک، مشکلات برودت و جدا کردن آب از آمونیاک نیز می باشد.
چند زوج دیگر نظیر زئولیت- آب، زئولیت- متانول و متانول-کربن فعال در حال بررسی و مطالعه هستند که از میان آنها نوع مناسب تری انتخاب گردد.
تا کنون زوج متانول- کربن فعال بهترین نتیجه را داشته است .
یونیتهای جذبی (Absorbtion units) پروسه جذبی عبارتست از جذب و گرفتن رطوبت توسط ماده ای که رطوبت گیر نامیده میشود.
رطوبت گیرها یا جاذبها موادی هستند که قابلیت جذب و در برگیری گازها یا مایعات را در خود دارند و میل ترکیبی ویژه ای با آب دارند.
در حین جذب، ماده جاذب با گرفتن رطوبت، یک تغییر شیمیایی پیدا میکند، برای مثال میتوان به نمک طعام اشاره کرد که هنگام جذب رطوبت تغییر فرم داده و از جامد به سیال تبدیل میشود.
ویژگی وابستگی رطوبت گیرها به رطوبت، این مواد را برای واکنشهای شیمیایی جداساز بسیار سودمند ساخته است.
سیستمهای جذبی مشابه سیستمهای تهویه مطبوع بخار-compresstion هستند اما در مرحله فشار (compresstion stage)با هم تفاوت دارند.
بطور کلی یک جاذب، قسمت کم فشار، یک سیار مبرد تبخیر شده را جذب میکند.
پر استفاده ترین ترکیب مایعات شامل لیتیم برمید- آبکه بخار آب نقش سرد کننده را ایفاد میکند و آمونیاک- آب که آمونیاک سرد کننده است، میباشند.
اجاق خورشیدی کشورهای در حال توسعه که از شبکه برق پیشرفتهای برخوردار نیستند، برای پختن غذا از گرمایش خورشیدی پسیو استفاده میشود.اجاقهای خورشیدی در دو نوع رایج شلجمی و جعبه ای ساخته شده است.
نوع شلجمی آن به صورت یک بشقاب سهموی می باشد که برای پختن غذا بوسیله آن باید ماده غذایی مورد نظر را در کانون این بشقاب قرار دهیم.
کیت آموزشی از این اجاق در سال 1382 در دفتر انرژی خورشیدی سازمان انرژیهای نو ایران، در گروه کاربردهای غیرنیروگاهی، ساخته شد و جهت آموزش در اختیار مدارس و آموزشکده ها قرار گرفت.
اجاق خورشیدی نوع جعبه ای اولین بار توسط شخصی بنام نیکلاس ساخته شد.
این اجاق بسیار ساده بوده و از یک جعبه عایق کاری شده با یک درب شیشهای تشکیل شده بود.
در نوع از اجاقهای خورشیدی، گرمای حاصل از نور متمرکز شده خورشید در داخل جعبه به دام افتاده و میتواند غذای قرار داده شده در جعبه را گرم کرده و یا آنرا بپزد.
کوره خورشیدی نوتورا در اوایل قرن 18، اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوب را در فاصله 60 متری آتش زد.بسمر، پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز در کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین می کرد.
متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی، متشکل از دو آینه، یکی تخت و دیگری کروی می باشد.
نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می شود.
طبق قوانین اپتیک، هرگاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید، در محل کانون، متمرکز می شوند و به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می شود، که این نقطه به دماهای بالایی می رسد.
امروزه پروژه های متعددی در زمینه کوره های خورشیدی در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می باشد.
چگونه می توان با استفاده از خورشید روشنایی ساختمان را تامین کرد؟
این کاربرد به معنی استفاده از نور خورشید برای روشن کردن داخل ساختمان است.
در این کاربرد، پنجرههای وجه جنوبی، پنجرههای سقفی و پنجرههای نورگیر بام (یک ردیف پنجره که نزدیک به پشت بام نصب میشود)، میتوانند نور را به درون اتاقهای رو به شمال ساختمان برسانند.
در طبقاتی که فاقد دیوارهای داخلی جدا کننده میباشند، نور به سراسر ساختمان میرسد.
در ساختمانهای تجاری و اقتصادی این کاربرد میتواند موجب صرفه جویی قابل توجهی در صورتحسابها و هزینههای برق شود.
تنها استفاده روشنایی خورشیدی، تأمین روشنایی با کیفیت بالاتر نمی باشد، بلکه بر راندمان کاری نیروی انسانی و سلامتی نیز موثر میباشد.
لازم بذکر است که استفاده از این سیستم در مدارس، می تواند در ارتقاء سطح علمی و سلامتی دانش آموزان مؤثر باشد.
گرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان برای گرمایش خورشیدی پسیو دو اقدام اولیه باید صورت گیرد: استفاده از شیشه در وجه جنوبی استفاده ازجرم حرارتی جهت جذب کردن، ذخیره سازی و انتشار گرما در اینجا 3 رهیافت برای سیستم های پسیو وجود دارد: 1) کسب مستقیم 2)کسب غیر مستقیم 3) ایزوله کردن هدف همه سیستم های گرمایش خورشیدی ذخیره سازی گرما توسط مصالح ساختمانی و رها سازی آن در زمانهایی است که تابش خورشید وجود ندارد.
هنگامیکه مصالح ساختمانی گرما را برای استفاده های بعدی ذخیره می نمایند گرمایش خورشیدی فضای مطلوبی را برای داخل خانه مهیا می نماید.
1) کسب مستقیم : معمولترین سیستم خورشیدی پسیو، کسب مستقیم نامیده میشود.
کسب مستقیم مربوط به نور خورشید است که از پنجره ها وارد ساختمان میشود و فضای داخلی منزل را گرم میکند.
طی ساعات افتابی این گرما در جرمهای حرارتی سقفها یا دیوارهای داخلی با جنس آب، سنگ، بتون آجر ذخیره میشود.
گرمای ذخیره شده در جرم حرارتی در طی ساعاتی که آفتاب غروب کرده است به درون منزل منتقل میشود.
طراحییک سیستم کسب مستقیم عبارت است از محاسبه سطح پنجره و میزان جرم حرارتی مورد نیاز جهت گرم کردن فضای منزل بطور کلی مساحت شیشه درکسب مستقیم باید حداقل 7 صدم مساحت سقف خانه باشد و از 12 درصد ان تجاوز نکند.
در کسب مستقیم شیشه های دوجداره نیز توصیه میشوند.
در این سیستم فضای منزل ، یک کلکتور خورشیدی، جاذب گرما و سیستم توزیع می باشد.
شیشه ضلع جنوبی انرژی خورشیدی را به داخل خانه جائیکه جرم حرارتی مانند دیوارها و کف بطور مستقیم و غیر مستقیم تحت تابش این نور قرار می گیرند هدایت می کند.
سیستم کسب مستقیم 75-40 درصد از انرژی خورشیدی برخورد کرده به پنجره را مصرف می کند.(شکل 1) در سیستم کسب مستقیم دیوارها و کفها به عنوان جرم حرارتی بخشهای عملیاتی خانه هستند.
همچنین می توان با استفاده از مخازن آب ،گرما ر ذخیره کرد اگرچه استفاده از مجموعه مخازن آب در نقشه ساختمان دشوار می باشد .
جرم حرارتی در اثر جذب گرما در طی روز گرم می شود و در شب گرما را به فضای منزل هدایت می کند اکثر سیستمهای خورشیدی پسیو با عطف به جرم حرارتی یا موادی با ظرفیت جذب و ذخیره گرمای بالا (آجر،بتون،موزائیک،آب) کار می‌کنند.
جرم حرارتی را میتوان در نقشه ساختمان، در قسمتهای سقف، دیوارهای داخلی، شومینه یا بالکنها بکار برد.
این سطوح نیاز به تابش مستقیم خورشید ندارند اما باید رنگ آنها تیره باشد.
میزان ذخیره سازی حرارت مواد مختلف وابسته به هدایت حرارتی، گرمای ویژه و چگالی آنها میباشد.
اغلب با افزایش چگالی، رسانایی گرما نیز افزایش مییابد.
نکات مهمی که در مورد سقف باید به آنها توجه کرد، عبارتند از: نوع رنگ، رنگ.
بتن، آجر، کاشیهای شیشه ای و سرامیک تیره همچنین دیوارهای داخلی و شومینه جهت ذخیره سازی گرما به جرم بیشتری نیاز دارند.
از نقطه نظر انرژی بکار بردن چندین جرم حرارتی در منزل دشوار خواهد بود ولی جرم حرارتی که جهت ذخیره سازی حرارت بکار میرود زیاد گران نیست.
شکل(1) قوانین کلی سیستم کسب مستقیم: تحلیل یک ذخیره ساز گرمای خورشیدی که برای رسانش گرما به منزل استفاده می شود.
ضخامت مصالح جرم حرارتی از 15.24 سانتی مترتجاوز نکند.
کفهایی که بعنوان جرم حرارتی استفاده می شوند نباید توسط فرشهای سرتاسری کاملاً پوشیده شده و تا حد ممکن کاملاً بدون کف پوش باشند.
استفاده از رنگ تیره برای کفها ، استفاده از رنگ روشن برای دیوارهای کم جرم و هر رنگ دلخواه برای دیوارهایی که بعنوان جرم حرارتی استفاده می شوند .
برای هر0.09 مترمربع شیشه جنوبی ، 67.9 کیلوگرم مصالح ساختمانی یا 15.12 لیتر آب به عنوان جرم حرارتی استفاده می شوند.
حفره های بلوکهای بتنی که بعنوان ذخیره ساز حرارتی استفاده می شوند با بتون پر شوند.
استفاده از جرم حرارتی با ضخامت کم درفضای مسکونی با صرفه تر از جرم کلفترسطوح متمرکز کننده می باشد .
مساحت سطوح جرمی بی حفاظ در معرض تابش باید 9 برابر مساحت شیشه ها باشد.
دمای خورشیدی بدون استفاده از جرم حرارتی در کسب مستقیم استفاده می شود.
گرمایش خورشیدی پایه ترین تکنیک خورشیدی پسیو است که شامل افزایش تعداد پنجرهها در وجه جنوبی و جنس پنجره ها به عنوان جرم حرارتی که اغلب در منازل رعایت میشود می باشد.
در خانه خورشیدی حدود 25% پنجرهها روبه جنوب بوده و 3% آن در سقف خانه ها قراردارد.
صرفه جویی انرژی در این روش کم بوده اما هزینه پایینی در بردارد.
2)کسب غیر مستقیم : در یک سیستم کسب غیر مستقیم، جرم حرارتی بین فضای منزل و خورشید قرار گرفته پرتو خورشیدی که به آن می رسد را جذب می کند و از طریق رسانش به فضای منزل منتقل می کند.
سیستم کسب غیر مستقیم 45-30 درصد از انرژی خورشیدی که به شیشه بعنوان جرم حرارتی می رسد مصرف می نماید.
انواع سیستمهای کسب غیر مستقیم عبارتند از: سیستم دیوار انباشتگر حرارت (دیوارهای ترومب) سیستم حوضچه ای دیوار آبی دیوار ترومب: در این سیستم، جرم حرارتی تقریباً پشت شیشه ضلع جنوبی قرار داده می شود.
شکل2دریچه هایی در بالا و پایین دیوار ترومب وجود دارند که به گرما اجازه جریان یافتن از این دیوار و شیشه به داخل منزل را می دهند.
شبها وقتیکه دریچه ها بسته شوند تابش حرارت از دیوار، فضای منزل را گرم می نماید.
این دیوار تکنیکی برای گرفتن گرمای خورشید بوده و توسط مهندس فرانسوی فلیکس ترومب ساخته شد.
قسمتی از دیوار جنوبی که از مواد جرم حرارتی مثل بتن ساخته شدهاند را با شیشهای که در فاصله 0.05 متراز سطح واقع شده است میپوشانند.
نور خورشید وارد شده و گرما توسط شیشه محبوس میشود و به دیوار در جذب آن کمک میکند.
سپس گرما به داخل خانه در ساعات شبانه و غروب تابیده میشود.
دیوارهای ترومب نیازی به تهویه ندارند زیرا هدف گردش هوای گرم بوده و گرفتن گرما از طریق تابش از دیوار میباشد.
دیوار ذخیره ساز حرارت باید جامد باشد و هیچ دریچه یا منفد بازی به بیرون یا فضای منزل نداشته باشد.
در تابستان دیوار ترومب بازده بهتری نسبت به روش کسب مستقیم دارد.
دیوارهای ترومب با پنجرههای روش کسب مستقیم در همان دیوار ترکیب میشوند.
شیشههای دو جداره نیز برای ذخیره حرارت توصیه میشوند بین شیشه و جرم حرارتی 7.62-2.54 سانتی متر فاصله باید باشد.
سیستم های حوضچه ایی : در بام های مسطح 0.3-0.15 متر آب ذخیره می شود.
این سیستم بهترین سیستم سرمایشی برای مناطق با رطوبت کم می باشد، ولی برای مناطق مرطوب آب باید در مخازن فایبرگلاس یا پلاستیکی بزرگ قرار گیرد که توسط شیشه پوشیده شده و فضای زیر آن توسط تابش گرم می شود.
دیوار آبی: آب در مخازن صلبی نگهداری میشود.
ظرفیت ذخیره گرمای آب دو برابر بیشتر از جرم حرارتی میباشد.
بنابراین به نسبت حجم کمتر از جرم حرارتی نیاز میباشد.
حداقل 13.23 لیترآب به ازای هر فوت مربع شیشه در مخزن ریخته میشود.
حتی یک لوله داغ داخل دیوار یا یک استخر نیز بعنوان جرم ذخیره ساز حرارت استفاده میشود.
قوانین کلی سیستم کسب غیر مستقیم برای دیوارهای ترومب: 1- دیوار جرمی رو به خورشید بوده و تیره رنگ باشد .
2- حداقل فاصله 0.1 متر بین دیوار جرم حرارتی و شیشه وجود داشته باشد.
3- دریچه هایی که در دیوار جرم حرارتی استفاده می شوند، باید هنگام شب بسته باشند .
اگر عایق متحرک شبانه در سیستم دیوار حرارتی استفاده شود، مساحت دیوار جرم حرارتی حدود 15% کاهش می یابد .
اگر جنس دیوار حرارتی آجری باشد ضخامت تقریبی ان 0.35-0.25 متر برای بتن0.45-0.3 متر برای خشت خام وسایر مصالح 0.3-0.2 متر و برای آب حداقل 0.15 مترباید باشد 3)ایزوله کردن خانه : یک سیستم ایزوله مجموعه بخشهایی جدای از قسمت اصلی خانه دارد، مثل یک اتاق خورشیدی و یک مدار منتقل کننده حرارت از کلکتور به سیستم انباشتگر خانه و از نقاط تمایز این سیستم با سایر سیستم ها عایق نمودن منزل مسکونی می باشد.
سیستم ایزوله 30-15 درصد از نور خورشید که به شیشه جهت گرمایش فضای منزل می رسد را استفاده می کندو همچنین انرژی خورشیدی را در اتاقهای خورشیدی حفظ می نماید.
ظاهراً اتاقهای خورشیدی یا گلخانه های خورشیدی ترکیبی از سیستم های کسب مستقیم و غیر مستقیم می باشند.
نور خورشیدی ورودی به اتاق خورشیدی در جرم حرارتی ذخیره می شود .
نور خورشید توسط رسانش از دیوار جرمی مشترک بین منزل و گلخانه به داخل منزل منتقل می شود.
انواع روشهای سرمایش پسیو تکنیهای سرمایش طبیعی باعث می شوند بدون استفاده از هر گونه انرژی در تابستان، خانه خنک بماند.
سایه از جمله موارد کاربردی و مهم در خانه های خورشیدی پسیو می باشد زیرا همین ساختار در زمستان نور خورشید را جمع آوری می کند.
جرم حرارتی و مصالح ساختمانی به همان خوبی که در گرمایش کاربرد دارند در سرمایش نیز مؤثرند.
در زمستان گرما را ذخیره می کنند و در تابستان جهت خنک سازی منزل استفاده می شوند همچنین بکار بردن پنجره هایی که در تابستان با ایجاد سایه گرمای کمتری به خانه منتقل می کنند.
پنجره های مناسب جهت تهویه: یک استراتژی اولیه برای سرمایش ساختمانها بدون بکار بردن قطعات مکانیکی در آب و هوای گرم بکار بردن تهویه طبیعی می باشد نسیمهای رایج تابستانی با شیشه های بزرگ دیوار جنوبی که برای گرمایش پسیو بکار می روند هماهنگی دارد و به پیرو استراتژی های زیر امکان استفاده از تهویه و دریچه خورشیدی را بطور مؤثری کارا می سازند.
وضعیت پنجره هاباید به گونه ای باشد که بهترین جریان هوا بوجود آمده وپنجره های با حفاظ (سایبان دار) بطور کامل باز شود.
این پنجره بهترین محافظ در برابر باران بوده و بهتر از پنجره های دو لنگه (لولایی) عمل می کنند.اگر اتاقی فقط در یک وجه پنجره دارد می توان بجای یک پنجره از دو پنجره پهن استفاده نمود.
کنسول بام: کنسولهای ثابت نه گران هستند و نه نیازی به اپریشن دارند.
فقط در طراحی آنها باید دقت کرد بگونه ای که در تابستان برای خارج کردن گرما و در زمستان برای حفظ گرما در داخل منزل عمل کنند ترکیب هوشیارانه ایی از کنسولهای با اندازه مشخص در پنجره های جنوبی و سایه آن روی سایر پنجره ها راه حل مؤثری می باشد.
در سانتافی[2] یک کنسول ایده آل برای پنجره با بلندی 1.2 متر، 45.72 سانتی مترمی باشد البته اگر بالای کنسول33 سانتی متر بیشتر از بالای پنجره باشد.
سایه بان: وسایل ایجاد کننده سایه قبل از اینکه نور خورشید به ساختمان برسد آنها را متوقف می کنند این وسایل عبارتند از سایبان، صفحات خورشیدی، پرده های غلطان، دیافراگم مخصوص پشت پنجره و بادگیر عمودی.این وسایل قابل کنترل بوده و توسط صاحب خانه بر حسب نیاز تنظیم می شوند استفاده از پرده در منزل کم هزینه و مفید می باشد راه دیگر ایجاد سایه استفاده از یک ایوان یا دالان در قسمتهای شرقی یا غربی ساختمان می باشد.
فوائد طرحهای پسیو خورشیدی بازده بالای انرژی ، صورت حسابهای کمتر در طی سال سرمایه گذاری، بدون وابستگی به افزایش هزینه های سوخت، پس انداز مالی طولانی مدت بعد از بازگشت هزینه اولیه رضایت صاحب خانه، ارزش بالای فروش مجدد.
محیط زندگی جذاب، پنجره های بزرگ و چشم اندازهای طبیعی فراوان، آفتاب موجود در خانه و طرح کفهای باز