جلسه یازدهم: سامانه فتوولتائیک

۱. اصل کارکرد فتوولتائیک (اثر فوتوالکتریک)

هسته اصلی این سیستم‌ها، سلول خورشیدی (Solar Cell) است که معمولاً از نیمه‌هادی‌های سیلیسیمی ساخته می‌شود.

• فرآیند: وقتی فوتون‌های نور خورشید به سلول برخورد می‌کنند، باعث آزاد شدن الکترون‌ها در نیمه‌هادی شده و جریان الکتریکی (DC - جریان مستقیم) ایجاد می‌کنند.


• ساختار پایه: تعداد زیادی سلول به هم متصل شده و یک پنل خورشیدی را تشکیل می‌دهند.

۲. اجزای اصلی سیستم فتوولتائیک در ساختمان

برای استفاده از این انرژی در ساختمان، صرفاً وجود پنل کافی نیست و به تجهیزات زیر نیاز است:

1. پنل‌های خورشیدی (PV Modules): وظیفه جذب نور و تولید برق DC.


2. اینورتر (Inverter): مهم‌ترین جزء تبدیل‌کننده؛ برق DC تولید شده توسط پنل‌ها را به برق AC (جریان متناوب - همان برق شبکه) تبدیل می‌کند تا قابل استفاده برای وسایل برقی ساختمان باشد.


3. سیستم ذخیره‌سازی (Battery - اختیاری): برای ذخیره برق در زمان تولید مازاد (روز) جهت استفاده در شب یا زمان قطعی برق.


4. کنترل‌کننده شارژ (Charge Controller): محافظت از باتری‌ها در برابر شارژ یا تخلیه بیش از حد.


5. سازه نصب (Mounting System): برای نصب پنل‌ها بر روی سقف یا نما با زاویه و جهت بهینه.

۳. انواع سیستم‌های PV از نظر اتصال به شبکه

• سیستم متصل به شبکه (On-Grid): رایج‌ترین نوع در ساختمان‌های شهری. برق تولیدی به شبکه برق عمومی تزریق می‌شود و در صورت نیاز ساختمان، از شبکه برق می‌گیرد. (بدون نیاز به باتری گران‌قیمت).


• سیستم مستقل از شبکه (Off-Grid): مناسب مناطق دورافتاده. کاملاً وابسته به باتری‌هاست.


• سیستم هیبریدی (Hybrid): ترکیبی از هر دو؛ متصل به شبکه همراه با سیستم ذخیره‌سازی برای مدیریت شرایط اضطراری.

۴. معماری فتوولتائیک (BIPV)

یکی از مفاهیم مهم برای شما به عنوان دانشجوی این حوزه، BIPV (Building-Integrated Photovoltaics) است.

در این روش، پنل‌های خورشیدی به عنوان مصالح ساختمانی عمل می‌کنند، نه اینکه صرفاً روی پشت‌بام نصب شوند.

• نمونه‌ها:


• شیشه‌های خورشیدی (نیمه‌شفاف که هم نور را عبور می‌دهند و هم برق تولید می‌کنند).


• کاشی‌ها یا سفال‌های خورشیدی روی سقف.


• نماهای کرتین‌وال (Curtain Wall) خورشیدی.


• مزیت: کاهش هزینه‌های مصالح سنتی، زیبایی‌شناسی مدرن و استفاده حداکثری از سطوح ساختمان.

۵. پارامترهای مؤثر بر بازدهی (مهم برای طراحی)

• جهت‌گیری (Orientation): در نیمکره شمالی، جهت جنوب بهترین عملکرد را دارد.


• زاویه شیب (Tilt Angle): باید با عرض جغرافیایی محل پروژه هماهنگ باشد تا بیشترین تابش مستقیم جذب شود.


• سایه (Shading): برخلاف حرارتی‌ها، سایه حتی روی یک بخش کوچک از پنل می‌تواند خروجی کل پنل را به شدت کاهش دهد (اثر “گلوگاه”).


• دما: برخلاف تصور، بازدهی پنل‌های فتوولتائیک با افزایش بیش از حد دما کاهش می‌یابد. (تهویه پشت پنل‌ها برای خنک‌سازی ضروری است).

۶. مقایسه سریع: فتوولتائیک در مقابل حرارتی