استفاده از انرژی تجدید پذیر خورشیدی در راستای توسعه معماری پایدار

چکیده

در دنیای مدرن ، مسأله بحران انرژی و سوخت های فسیلی از جمله مسائل مهم و بحث انگیزی اسـت . انسـان امروزی با عدم توجه به قوانین معماری بومی و اقلیمی و سیستم های غیر فعال خورشیدی علاوه بر مصرف زیاد منابع انرژی و سوخت های فسیلی، سبب آلودگی محیط زیست شده است. بـرهمین اسـاس معمـاری پایـدار و استفاده از انرژی های تجدید پذیر در سطح جهانی اهمیت ویژه ای پیدا کرده اسـت کـه پـر اهمیـت تـرین آن انرژی خورشیدی است. با توجه به اینکه کشور ایران روی کمربند خورشیدی جهان قرار گرفته اسـت و یکـی از کشورهایی است که از تابش نور خورشید با قدرت و توان مطلوب برخوردار بوده و از مناطق بسیار مستعد بـرای بهره گیری از این انرژی می باشد، می توان از طریق جذب انرژی خورشیدی با استفاده از تکنولوژی های نـوین طراحی انرژی خورشیدی و طراحی اقلیمی، مصرف انرژی را به طور قابل ملاحظـه ای کـاهش داد. توجـه شـود استفاده از انرژی تجدید پذیر خورشیدی یکی از کارامـدترین راه حـل هـا جهـت مشـکلات زیسـت محیطـی و دستیابی به معماری پایدار است ، بصورتی که در آینده جایگزین سوخت های فسیلی گـردد. هـدف ایـ ن مقالـه بررسی سیستم های انرژی خورشیدی که شامل سیستم های فعال و غیرفعال و کـاربرد انـرژی خورشـیدی بـه عنوان یک انرژی پاک در جهت توسعه پایدار منطقه و معرفی و نحوه عملکرد این سیستمها در ساختمان همراه با ذکر نمونه های موفق اجرا شده در سطح جهان می باشد..

مقدمه

خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژیهای دیگر است. طبق برآوردهای علمی در حدود 6000 میلیون سال از تولد این گوی آتشین میگذرد و در هر ثانیه 4.2 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل میشود. با توجه به وزن خورشید که حدود 333 هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را میتوان به عنوان منبع عظیم انرژی تا 5 میلیارد سال آینده به حساب آورد. قطر خورشید 1.39 × 610 کیلومتر است و از گازهایی نظیر هیدروژن ( 86.8 درصد) هلیوم ( 3 درصد) و 63 عنصر دیگر که مهمترین آنها اکسیژن – کربن – نئون و نیتروژن است تشکیل شده است. میزان دما در مرکز خورشید حدود 10 تا 14 میلیون درجه سانتیگراد می باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به 5600 درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر میشود. زمین در فاصله 150 میلیون کیلومتری خورشید واقع است و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول میکشد تا نور خورشید به زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید حدود از کل انرژی تابشی آن میباشد.

جالب است بدانید که سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژیهای باد و آبشار و امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید میباشد. شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز میگردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلائی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدانهای محرابها را روشن میکردند. یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته میشد.

ولی مهمترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم میباشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته میشود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده است. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمانهای قدیم بوده است.

با وجود به آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستمها شده بود تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال 1973 باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله تولد انرژی از راههای دیگر (غیر از استفاده سوختهای فسیلی) توجه جدیتری نمایند.

انرژی خورشیدی

خورشید ستاره ای است از ستارگان رشته اصلی که 5 میلیارد سال از عمرش می گذرد. این ستاره کروی شکل بوده و عمدتا از گازهای هیدروژن و هلیوم تشکیل  شده است. وسعت این ستاره 1.4  میلیون کیلومتر ( 870000 مایل) است. جرم این ستاره 7 برابر جرم یک ستاره معمولی بوده و همچنین 750 برابر جرم تمام سیاراتی است که بدورش می چرخند. در هسته خورشید، جرم توسط واکنشهای هسته ای تبدیل به تشعشعات الکترو مغناطیسی که نوعی انرژی هستند، می شود.

این انرژی به سمت بیرون تابانده شده و باعث درخشندگی خورشید می گردد. سایر اجسام آسمانی موجود در منظومه شمسی که توسط جاذبه خورشید در مدارهایشان قرار گرفته اند نیز گرمایشان را از این انرژی می گیرند. انرژی خورشیدی« همانطور که از نامش پیداست انرژی است که به صورت »نور« و »گرما« آن را دریافت می کنیم. این انرژی بر آب و هوا و اقلیم زمین بسیار تأثیر دارد.

گرما و نور حاصل از خورشید منبعی است که 99.9 درصد آن مانند انرژیهای بادی، هیدرو الکتریک و زیست گیاهی انرژی قابل بازیافت محسوب میشود. تکنیکهای مختلفی برای استفاده از این انرژی وجود دارد. پیشینه این تکنیکها به دوران باستان در ایران، چین، هند و امریکای لاتین بازمی گردد. آنها ساختمانهایی میساختند که به سمت خورشید بودند. تکنیکهای نوین گرفتن انرژی گرمایی، نور، برق و حتی پرواز است.

»توان خورشیدی« درست مانند: انرژی خورشیدی یا به طور خاص تبدیل نور خورشید به برق است. اینکار را میتوان هم از طریق » اثرهای نور، ولت « اجرا کرد و هم با استفاده از یک ماده ی گرم شونده برای تولید بخار برای به کار انداختن ژنراتورها اجرا نمود. گستره این تکنیکها از روشهای سنتی مرتبط با غذا تا گرما، نور و دستگاههای مولد برق را شامل میشود.

انرژی خورشیدی وسیعترین منبع انرژی در جهان به شمار می رود، انرژی تابشی گسیل شده از خورشید به زمین در هر ساعت از مقدار کل انرژی مصرفی ساکنان زمین در طول یک سال بیشتر است. برای مثال انرژی خورشیدی تابیده شده به سطح یک منطقه آزمایشی در نوادای آمریکا با مساحت 1300 مایل مربع در صورت تبدیل به انرژی الکتریکی با کارایی 15 درصد، دو برابر مقدار انرژی تولیدی سالیانه نفتی ایالات متحده آمریکا خواهد بود.

چه تفاوتی بین انرژی خورشیدی و نیروی خورشیدی است؟

از زمانیکه کره زمین به دور خورشید می چرخیده همواره انرژی خورشیدی وجود داشته است. برای مدت طولانی از قرن هفتم قبل از میلاد، زمانیکه از شیشه به عنوان ذره بین استفاده می شد، انسان تلاش می کرده از این انرژی بهره ببرد. در این عصر با پیشرفت تکنولوژی الکتریسیته، نور و گرما در اختیار بشر قرار گرفته است ولی نکته مورد اهمیت این است که ما برای سود خود بهتر است از تابش سخاوتمندانه خورشید بهره برداری کنیم.

خیلی مواقع از واژه انرژی خورشیدی بعنوان مترادفی برای نیروی خورشیدی استفاده می شود. نیروی خورشیدی نیرویی است که از خورشید به برق تبدیل می شود. این تبدیل به دو صورت روی می دهد: صورت اول، گرما ی خوزشید به مایع منتقل و با تولید بخار و انتثال نیرو به ژنراتورها حرکت ایجاد می شود و صورت دوم، از طریق فتو ولتاییک است .

گرمایش خورشیدی ایستا:

یک سیستم گرم کننده انفعالی (غیرفعال) سیستمی است که در آن گرم کردن ساختمان به طور طبیعی و با استفاده از عوامل طبیعی خورشید انجام گیرد به این معنی که چنین سیستمی این امکان را فراهم می سازد که ساختمان بدون نیاز به انرژی فسیلی یا مصنوعی خارجی و حداکثر با مصرف انرژی بسیار کمی کار کند به عبارت دیگر سیستم خورشیدی انفعالی چیزی جز خود ساختمان نیست. در چنین سیستمی بعضی از عناصر مختلف عملکردی چندگانه دارند. مثلا دیوارها علاوه بر تشکیل جداره های خارجی ساختمان، عمل جذب حرارت ، ذخیره سازی و توزیع حرارت را نیز به عهده دارند.

چهار عامل مهمی که بر عملکرد یک ساختمان خورشیدی ایستا تأثیر می گذارند، عبارتند از :

1. اندازه منافذ خورشیدی (پنجره، نورگیر سقفی، گلخانه و غیره)
2. میزان حفاظت از انرژی در ساختمان (به ویژه در نتیجه عایق بندی بدنه ساختمان و کنترل نفوذ)
3. آب و هوا (و به طور اساسی، نحوه تابش خورشید و دمای هوا).
4. مقدار و موقعیت قرارگیری جرم ذخیره سازی(برای کاهش نوسانات زیاد دما و کاهش برافروختگی ساختمان)

اجزای مورد نیاز و روش کار در سیستمهای انفعالی

1. پرتوگیر : پرتوگیر عبارتست از سطح شیشه ای شفاف که معمولا در نمای جنوبی ساختمان قرار داده می شود. سطح پرتوگیر را می توان به صورت عمودی مطابق پنجره ها قرار داد و یا آنکه آنها را به صورت شیب دار مثل نورگیرهای سقفی نصب کرد.
2. جذب کننده : جذب کننده سطحی است که به طور مستقیم یا غیرمستقیم مشرف به پرتوهای خورشیدی است که از طریق پرتوگیرها وارد می شود.جذب کننده اشعه خورشیدی را به انرژی حرارتی تبدیل می کند که این انرژی به صورت تابش یا هدایت از سطح جذب کننده ، به هوا انتقال می یابد.
3. انباره (ذخیره کننده ) : انباره عبارتست از مصالح متراکمی که حرارت انتقال یافته از جذب کننده را ذخیره می کند. انباره باید مناسب با سیستم را داشته باشد و دقت شود که حجم و ضخامت آن مناسب با مقدار حرارتی که برای جمع آوری و نگهداشتن ضروری باشد، معمولا انباره در داخل و یا در مجاورت فضائی که گرم کردن آن مورد نظر است قرار داده می شود. باید توجه شود که معمولا جذب کننده و انباره یکی هستند مانند یک کف- یک دیواره بتنی یا آجری.
4. توزیع کننده : در یک سیستم خورشیدی انفعالی توزیع کننده عبارتست از روش یا وسیله ای که بوسیله آن، حرارت به ساختمان منتقل می شود. توزیع حرارت ممکن است با استفاده از پدیده های طبیعی یعنی تابش و یا جابجائی صورت گیرد و یا اینکه حرارت را می توان با استفاده از وانتلاتور و یا پمپ، از قسمت جمع کننده به داخل ساختمان هدایت کرد.
5. تنظیم کننده حرارت : تنظیم کننده که گاهی آن را کنترل نیز می گویند وسیله ای است که در مواقع ابری و یا در شبهای سرد، از تلف شدن انرژی حرارتی ذخیره شده جلوگیری می کند که در این حال تنظیم کننده عبارت است از یک صفحه عایق حرارتی ، تنظیم کننده می تواند وسیله ای باشد که در مواقع عدم نیاز، جذب حرارت را به حداقل برساند که در این صورت سایه بان و یا هواکش را می توان یک تنظیم کننده معرفی کرد.

انواع سیستمهای گرمایش خورشیدی ایستا

1. جذب مستقیم ، نوعی سیستم گرمایشی خورشیدی ایستا است که از پنجره های رو به جنوبی در آن استفاده می شود که نور آفتاب زمستان را مستقیما به داخل ساختمان هدایت می کنند و آنگاه این نور در داخل توسط مصالح حجیم حرارتی جذب می شود.
2. دیوار ذخیره سازی حرارتی، نوعی سیستم گرمایش خورشیدی ایستا است که از دیواری رو به جنوب تشکیل می شود که از مصالح سنگین بنایی (دیوار ترومب) یا از ظروف پر از آب (دیوار آبی) ساخته شده است. در سطح بیرونی این دیوار، از شیشه استفاده می شود تا نور خورشید را به داخل هدایت کرده و از دفع حرارت در شب بکاهد.
3. فضای خورشیدی، نوعی سیستم گرمایش خورشیدی ایستا است که از اتاقی شیشه ای (شبیه به گلخانه یا آتریوم و پاسیو) واقع در ضلع جنوبی یک ساختمان استفاده می کند و به نوعی توسط یک دیوار مشترک، از دیگر فضاهای ساختمان متمایز می شود . در این سیستم ، گرما از فضای خورشیدی به فضاهای نشیمن مجاور، یا به صورت هدایت (از طریق روزنه ها یا بازشوهای واقع در دیوار) منتقل می شود . جرم حرارتی به شکل ظروف آب یا دیوارهای بنایی و کف ها، در جهت پایدار کردن دما هم در فضای خورشیدی و هم در ساختمان عمل می کند.

گرمایش خورشیدی فعال (پویا،مکانیکی):

در سیستمهای خورشیدی فعال از گرداورها و ذخیره و توزیع کننده های حرارت مانند پمپ و بادرسان و کنترلهای اتوماتیک استفاده می شود که قابل نصب می باشد.

جذب انرژی خورشید در فضا و انتقال آن به زمین

برای جذب انرژی خورشیدی در فضا و انتقال بیسیم آن به زمین و تبدیل آن به الکتریسیته؟ برای من هم اول باور کردنش مشکل بود. اما انرژی خورشیدی فضایی موضوعی کاملا جدی است و یکی از منابع انرژی بازگشت پذیر مهمی است که در دراز مدت به آن فکر میشود.

بخش بزرگی از انرژی تابشی خورشید در جو مستهلک/منعکس/جذب میشود (انرژی خورشیدی موجود در خارج از جو زمین حدود 8 تا 10 برابر بیشتر از سطح زمین است). اما سلولهای خورشیدی مستقر در فضا میتوانند این انرژی را بهتر دریافت کنند و بعد به صورت امواجی که در جو کمتر مستهلک میشوند به زمین ارسال کنند.

ایده کار اینطور است که آینه هایی در فضا نصب میشود که انرژی خورشید را بدون مزاحمت جو، جذب کنند. بعد آنرا روی سلولهای خورشیدی که در فضا نصب شده میتابانند و انرژی تولید شده به صورت امواج مایکروویو به سمت زمین تابیده میشود و ایستگاه زمینی انرژی دریافتی را به الکتریسیته تبدیل میکند. مجموعه آینه و سلول خورشیدی فضایی را »ماهواره انرژی خورشیدی « می گویند.

کاربردهای انرژی خورشید

در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستمهای مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری میشود که عبارتند از:

1. استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی.
2. تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک.

1 – 1 – استفاده از انرژی حرارتی خورشید

این بخش از کاربردهای انرژی خورشید شامل دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی میباشد.

1 – 2 –  انرژی خورشیدی و کاربرد آن به عنوان تامین کننده انرژی آینده بشر

استفاده از انرژی خورشیدی در زندگی بشر مقوله ای جدید نیست چرا که از دیرباز به شکلهای گوناگون مورد استفاده قرار گرفته است. ساده ترین شکل استفاده از این منبع بی نهایت در ساخت بناهای قدیمی دیده میشود. همانطور که در شکل زیر دیده میشود، برای استفاده حداکثر از انرژی گرمایی خورشید، بنا به صورت چهارضلعی طراحی شده است که در هر فصل از سال گوشه ای از ساختمان آفتابگیر است.

1 – 3 – میانگین تابش خورشید بر خاک ایران

هر متر مربع از خاک ایران به طور متوسط میتواند تا 2 هزار کیلو وات در ساعت انرژی خورشیدی دریافت کند که رقمی کم نظیر در جهان است. به ویژه اگر بدانیم، این مقدار بیش از 2 برابر میانگین رقمی است که هر متر مربع کشور آلمان دریافت میکند؛ با این وجود، آلمانها 25 برابر ایران در استحصال انرژیهای نو موفقتر عمل کرده اند!

در عصر جدید همراه با پیشرفت علوم و تکنولوژی روشهایی پیشرفته تر برای استفاده از انرژی خورشیدی به وجود آمد. از جمله این روشها میتوان به ابداع روشهای گوناگون برای ساخت نیروگاههای خورشیدی برای تولید برق اشاره کرد. هم اکنون تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی به روشهای گوناگونی امکانپذیر است که میتوان به استفاده از کلکتورهای سهموی خطی، کلکتورهای تخت و پانل های خورشیدی برای تولید برق اشاره کرد. امروزه استفاده از کلکتور برای تولید انرژی الکتریکی در نیروگاهها مورد توجه فراوان قرار گرفته است. اما به دلیل هزینه سنگین ساخت این نیروگاهها، برای تولید الکتریسیته در واحدهای کوچک مانند پمپ و یخچال خورشیدی از پانل های خورشیدی استفاده میشود.

1 – 4 – مزایای نیروگاههای خورشیدی

1. تولید برق بدون مصرف سوخت
2. عدم احتیاج به آب زیاد
3. عدم آلودگی محیط زیست
4. امکان تأمین شبکه های کوچک و ناحیه ای
5. استهلاک کم و عمر زیاد
6. عدم احتیاج به متخصص

1 – 5 – کاربردهای غیر نیروگاهی

1. آبگرمکنهای خورشیدی و حمام خورشیدی
2. گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی
3. آب شیرین کن خورشیدی
4. اجاقهای خورشیدی
5. کوره خورشیدی
6. خشک کن خورشیدی
7. خانه های خورشیدی

2 – 1 – تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک.

هم اکنون تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی به روشهای گوناگونی امکانپذیر است که میتوان به استفاده از کلکتورهای سهموی خطی، کلکتورهای تخت و پانل های خورشیدی برای تولید برق اشاره کرد. امروزه استفاده از کلکتور برای تولید انرژی الکتریکی در نیروگاهها مورد توجه فراوان قرار گرفته است. اما به دلیل هزینه سنگین ساخت این نیروگاه ها، برای تولید الکتریسیته در واحدهای کوچک مانند پمپ و یخچال خورشیدی از پانل های خورشیدی استفاده میشود.

2 – 2 – سیستمهای فتوولتائیک

به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیزمهای محرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. سیستمهای فتوولتائیک یکی از پر مصرفترین کاربرد انرژیهای نو میباشند و تاکنون سیستمهای گوناگونی با ظرفیتهای مختلف ( 0.5 وات تا چند مگاوات ) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستمها هر روزه بر تعداد متقاضیان آنها افزوده میشود. از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی میتوان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل فتوولتائیک میگویند. امروزه اینگونه سلولها عموما از ماده سیلیسیم تهیه میشود و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می گردد. بنابراین از نظر تأمین ماده اولیه این سلولها هیچگونه کمبودی در ایران وجود ندارد.

2 – 3 – سلول خورشیدی

سلول الکتریکی که انرژی پرتوی خورشید را طی فرآیند فتوولتاییک به انرژی الکتریکی تغییر میدهد.

2 – 4 – برج نیروی خورشیدی

روش تجسمی تولید انرژی برقی از تشعشعات خورشیدی , این روش شامل تمرکز تعداد زیادی اشعه خورشیدی روی یک منبع مجزا (دیگ جوش) که معمولا در بالاترین بخش برج قرار میگیرد است که در نهایت باعث تولید دمای زیاد میشود. سیال موجود در منبع به بخار تبدیل شده و توربینهای مولد انرژی الکتریکی را به کار می اندازد.

2 – 5 – سیستم گرمایی حاصل از حرارت خورشید

سیستمی که با استفاده از تجمع دهنده ها، انرژی نورانی خورشید را روی دریافت کننده ها تمرکز داده تا گرما تولید شود. تکنولوژی گرمایش با پرتو خورشیدی به وسیله سیستم انتقال هوای گرم

2 – 5 – 1 –  سیستم دیوار ترومب

این سیستم ها معمولا در ضلع شیشه دار خود دارای رنگ تیره می باشند تا بتوانند نور خورشید را جذب کنند. در این سیستم ها گرما به کندی از طریق ضخامت دیوار هدایت می شود. هر چه ضخامت مصالح بنایی بیشتر باشد، نوسانات دما در فضای نشیمن، کمتر و تأخیر در انتقال گرما از طریق دیوار، طولانی تر خواهد بود. می توان ضخامت دیوار را طوری بهینه ساخت که حداکثر تأثیر گرمایشی آن به صورت قابل پیش بینی تا هنگام شب یعنی هنگامی که بیشترین مقدار گرمایش مورد نیاز است، به تأخیر افتد (مثلا یک دیوار بنایی 12 اینچی می تواند گرمای خورشیدی ظهر را درست تا قبل از زمان خواب به تأخیر اندازد).

دیوار ترومب، عنصری ایده آل برای کامل نمودن سیستم جذب مستقیم می باشد، چرا که تاخیر در زمان انتقال گرما از این دیوار موجب خواهد شد گرما در فاصله زمانی بیشتری نسبت به حالت جذب مستقیم از طریق پنجره ها، در فضا آزاد شود. نتیجه حاصل از این امر، جریان یکنواخت گرمای خورشیدی به داخل فضا می باشد.

2 – 5 – 2 – مخازن آب

استفاده از حوضچه استخر روی بام برای گرمایش و سرمایش ساختمانها یکی از روشهای ساده و ارزان می باشد. در این سیستم در روی پشت بام خانه خورشیدی، یک کیسه پلاستیکی پر از آب به ضخامت تقریبا 20 سانتیمتر قرار داده می شود که بر روی فلز سیاه رنگی در پشت بام تعبیه می گردد و به این شکل ترکیبی از گرمایش برای زمستان و سرمایش برای تابستان به وجود می آید.

گرمای دریافت شده به سقف ساختمان منتقل شده و از طریق سقف، هوای داخلی ساختمان گرم می شود. شب هنگام برای جلوگیری از تلفات حرارتی سقف، صفحات عایق سطح حوضچه آب و پشت بام را می پوشانند و حرارت ذخیره شده در آب و سقف ساختمان، باعث گرم شدن هوای داخل ساختمان می گردد.

2 – 5 – 3 – شیشه های هوشمند

امروزه نوع جدیدی از پنجره ها با شیشه های هوشمند ساخته می شوند که در تابستان گرمای آفتاب را در ساختمان کاهش می دهند و در مقابل در زمستان اشعه گرما دهنده را بیشتر جذب می نماید. بدین ترتیب صرفه جویی زیادی در مصرف برق برای سرمایش و گرایش در فصول مختلف سال باعث می شوند.

1. شیشه های هالوگرافیک – اپتیک
2. شیشه های ترموتراپ
3. شیشه های الکترو کروم
4. شیشه های فتوکروم
5. شیشه های پلیمر-دیسپرسد-لیکوئید-کریستال
6. شیشه های گس کروم
7. شیشه های فتوولتائیک

یکی دیگر از روش های کنترل نور تابشی خورشید استفاده از شیشه های هالوگرافیک-اپتیک است که اختصارا  HOE  نامیده می شود.در این روش، بصورت فیزیکی تابش و مسیر تابش و زاویه آن کنترل می شود. مثل عملکرد آیینه ها، عدسی ها، منشورها و اشیاء اپتیکی دیگر. HOE ها، درحقیقت، شکل ها و المان هایی هستند که به روش لیزری بر روی فیلم هایی با درجه حساسیت بالای فوتویی تولید می شوند و در شیشه های چندلایه به کار برده می شوند. با تابش نور و متناسب با زاویه تابش، شکل های مورد نظر پدید می آیند . این ها در ابعاد 10 در 10 سانتیمتر تولید می شوند و با تابش خورشید بر روی پرده نمایش به ابعاد یک در یک متر ظاهر می گردند.

با استفاده از شیشه های <ترموتراپ> می توان نیاز ساختمان به انرژی در طول روز را، به صورتی کاملا محسوس، کاهش داد.با این قابلیت ها در جداره شیشه های پنجره ها، برخلاف روش های سنتی استفاده از سایبان و کرکره، می توان انرژی حاصل از تابش و جریان نور را مستقیما و بصورت دینامیکی تنظیم نمود. شیشه های با قابلیت تنظیم و روشن وخاموش شدن را می توان در ساختمان های اداری و عمومی استفاده نمود. این نوع شیشه ها، امروزه نقش بسیار مهمی در پوشش بازشوهای این ساختمان ها دارند.

شیشه های فتوولتائیک. در این سیستم، انرژی تابشی خورشید، مستقیما، تبدیل به انرژی الکتریکی می شود. اساس این سیستم بر این اصل استوار است که ذرات و سلول های نور خورشید، بصورت تک یا مجتمع، درصدهای بازدهی متفاوتی دارند و در رنگ های متفاوتی بروز می کنند، از آبی تا خاکستری. بهترین روش استفاده از سیستم فوتوولتائیک، استفاده از آن همراه با روش ها و سیستم های هوشمند دیگر است.

شیشه های <الکترو کروم>، تشکیل شده از دو لایه شیشه معمولا 4 میلی با یک لایه فیلم پلیمری یک میلیمتری به عنوان انتقال دهنده یون های مثبت ومنفی. عملکرد این نوع شیشه ها مثل باطری اتومبیل است. زمانی که روشن هستند نور خورشید را عبور می دهند، و وقتی خاموشند نور امکان عبور ندارد.

شیشه های فتوکروم، که شبیه شیشه های عینک های فتوکرومیک هستند که با تابش نور به رنگ تیره درمی آیند و امکان انتقال نور و گرما را کم می کنند.

شیشه های پلیمر-دیسپرسد-لیکوئید-کریستال که مثل لایه های ترموتراپ با کنترل نور و ضریب شکست نور متفاوت در لایه ها، باعث اختلال مثبت در عبور نورخورشید می شوند.

شیشه های <گس کروم> و <چیدروکروم> که با تغییر رنگ و توسط <وولفرام اکساید تیتان> باعث جلوگیری از تابش خورشید می شود.

کاربرد سلول های فتوولتائیک در معماری امروز

سلولهای فتوولتائیک زیبا و در شیشه هایی به رنگهای مختلف ساخته میشوند، به طوریکه مهندسین معمار میتوانند آنها را علاوه بر کارکرد اصلی، برای زیبا سازی ساختمانها نیز، به کار گیرند. سلولهای خورشیدی امروزی حتی میتوانند به عنوان شیشه پنجره کار کنند. این سلولها این قابلیت را دارند که بین %80 تا %90 نور خورشید را از خود عبور دهند. این کیفیت باعث میشود که پنجره هایی مجهز به سلولهای خورشیدی بتوانند به خنک ماندن هوای داخل خانه در تابستان کمک کنند و همچنین ساختمان را هم زیباتر نمایان کنند و هم انرژی الکتریسیته مورد نیاز ساختمان را تهیه کنند.

وقتی از سلول خورشیدی در یک پنجره استفاده میشود، سلول نصب شده حتی بهتر از شیشه عمل میکند و بنابراین به این ترتیب در مصرف مصالح ساختمانی ساختمان نیز صرفه جویی میشود. بدین ترتیب پنجره ای داریم که برای ما انرژی الکتریسیته نیز تولید میکند!

پنجره تولید کننده انرژی

نخستین واحد شیشه نور شفاف (پی وی جی یو) است که می تواند بیشترین دید و بینائی را در انرژی صفر، میسر سازد. آقای گونن فینک، مدیرعامل »انرژی خورشیدی فیثاغورثی« می گوید: »نوآوری نورشناسی با استفاده از سلول خورشیدی، به انرژی خورشیدی امکان می دهد بصورت بخشی از طرح های نسل آینده در آید. این پدیده می تواند با عبور نور، فواید بسیاری، عاید سازد، از جمله تولید نیرو و کاستن از میزان ضرورت تولید انرژی……….

لایه بیرونی نما ساختمان را درمقابل هوای بد و وزش باد محافظت می کند و به مثابه دریچه و سوپاپ هوای تازه عمل می کند. یکی از نمونه های عالی نماهای دولایه، ساختمان اداره مرکزی جی.اس.دبلیو در برلین اثر معمار<ساوربروخ هوتون> است. در اینجا، نمای دولایه به عنوان حفره هوای آلوده مصرف شده در ساختمان عمل می کند. هوای تازه بیرون ساختمان به کمک پره های کار گذاشته شده در نمای شرقی در امتداد کریدور وارد ساختمان می شود و با جریان منظم در دفاتر و فضاهای ساختمان گردش می کند و سپس از طریق فضای بین دو لایه نما از ساختمان خارج می شود. در شیشه پنجره ها و بازشو های از دو عنصر wolfram و vanadium به عنوان تنظیم کننده و فیکسر نورخورشید استفاده شده است.

نمونه های موردی استفاده از انرژی تجدید پذیر خورشیدی در راستای توسعه معماری پایدار

شهرهای شناور

ایده ساخت شهرهای شناور چیز جدیدی نیست و مدتی است که ذهن بشر امروز را مشغول خود ساخته است ، افزایش جمعیت دنیا و کمبود زمین برای سکونت و هزاران عامل دیگر باعث و بانی چنین طراحی ها و ایده هایی می باشد ، این ایده که لیلی پد نام دارد توسط وینسنت کالبات  طراحی شده است شهری شناور می باشد که چشمها را خیره می سازد طراحی مدرن و زیبای آن واقعا دلفریب است ، گنجایش این شهر شناور 50,000 خانه می باشد که شهری است برای سال 2100 ، انرژی این شهر از طریق انرژی خورشیدی تامین می شود و شهری سبز است و سوخت ها در آن جایی ندارند .

بزرگترین مزرعه خورشیدی امریکا

اخیرا بزرگترین مزرعه خورشیدی امریکا که بزرگترین صفحه فتوولتاییک در امریکا محسوب می شود در نزدیکی نوادا گشایش یافت . این پروژه نیاز های پایه انرژی 3000 نفر را تامین می کند این نیروگاه 30000 مگاواتی در 140 هکتار واقع شده و البته درست است که انرژی تولیدی ان زیاد قابل ملاحظه نیست ولی اصل کار بسیار با ارزش است و این سبز اندیشیدن قدمی است در کاهش مصرف زغال سنگ

دهکده خورشیدی در فرایبورگ – فرایبورگ: شهری نمونه از لحاظ زیست محیطی

در منطقه ای از شهر که سابقا پایگاه نظامی فرانسه بود امروزه 2000 خانه “ مهربان با محیط زیست ” وجود دارد. بخشی از این خانه ها ( 50 خانه ) پروژه ای است با عنوان دهکده خورشیدی که تمامی خانه های این دهکده مجهز به سلولهای خورشیدی هستند و این جامعه کوچک تمامی انرژی الکتریکی خود را از طریق همین سلولهایی که بر روی سقف خانه ها نصب شده اند تهیه می کند. رولف دیش ، معمار و طراح این خانه های خورشیدی است که اولین سلولها را بر روی سقف خانه خودش نصب کرده است. جالب اینکه اهالی این دهکده ی خورشیدی نه تنها انرژی مورد استفاده خود را تامین می کنند بلکه 4-3 برابر مصرف خود انرژی الکتریکی تولید میکنند و در نتیجه درآمدی نیز برای خود ایجاد کرده اند. با اینکه خرید این خانه های مجهز بسیار گرانتر از خانه های معمولی میباشد ولی خریدار از پرداخت هزینه هایی مثل گرمایش و الکتریسیته رها میشود و با فروش الکتریسیته در دراز مدت میتواند حتی هزینه خرید خانه را جبران کند. بنا به گفته یکی از خانواده هایی که در این خانه ها زندگی میکنند در طول سال تا 5000 یورو درآمد از فروش انرژی الکتریکی دارند.

شهر عمودی در دبی

این آسمانخراش شگفت انگیز 2.4 کیلومتری قسمتی از پروژه شهر جمیره دوبی است. این ساختمان به قدری بلند است که آسانسور مرکزی آن در حقیقت یک ترن عمودی با سرعت 202 کیلومتر در ساعت است. این شهر-آسمانخراش سالیانه 37000 مگاوات ساعت برق مصرف خواهد کرد و پیک مصرف آن 15 مگاوات خواهد بود. اما همانگونه که در نقشه ها مشاهده می کنید بخش بزرگی از برق مصرفی این ساختمان از منابع سازگار با طبیعت، از قبیل انرژی باد، انرژی زمین-گرمایی و انرژی خورشیدی تامین خواهد گردید.

برج خورشیدی شهر ریودوژانیروی برزیل

قرار است برج خورشیدی المپیک 2016 ریو در جزیره کوتوندوبا  نزدیک سواحل ریودوژانیروی برزیل بنا شود. این برج هم یک برج دیده بانی و هم نمادی برای خوش آمد گویی به میهمانان هوایی و دریایی المپیک 2016 ریودوژانیرو است. برج شهر خورشیدی که توسط شرکت معماری و طراحی رافا  ، واقع در زوریخ آلمان طراحی شده میبایستی در طول روز انرژی خورشید را توسط سلولهای خورشیدی بیشمار خود جذب کند تا نیروی برق مورد نیاز برای المپیک 2016 و همچنین شهر ریودوژانیرو را تامین کند. انرژی مازاد هم صرف پمپاژ کردن آب دریا به مخازن عظیم برج میشود تا در طول مدت شب این آب از بالای برج به سمت پایین جاری شود و با به حرکت درآوردن توربینهای برج نیروی برق مورد نیاز بازیهای المپیک 2016 و شهر ریودوژانیرو را در شب هنگام نیز تامین کند.

نتیجه گیری

بی تردید یکی از مهم ترین و شاخص ترین سیاست هایی که کشور های توسعه یافته نر زمینه کاهش مصرف انرژی اتخاذ کرده اند فراهم کردن امکانات لازم برای توسعه وگسترش تکنولوژی هایی است که به نوعی سبب کاهش مصرف انرژی می شوند .همچنین سرمایه گذاری در تجهیزاتی که موجب صرفه جویی در مصرف انرژی می شود ، اثر های دو جانبه ای بر اقتصاد و محیط زیست می گذارد. بدین معنی که از یک طرف بر اثر صرفه جویی موجب کاهش هزینه های انرژی می شود و از طرف دیگر با بهبود بازده تجهیزات انرژی بر ،کاهش آلاینده های محیط زیست را امکان پذیر مینماید. بنابر این ،مقوله بهینه سازی و صرفه جویی در مصرف انرژی یک مقوله ملی است که برخورد با آن نیز نیازمند به عزم ملی و کلیه دستگاه ها و نهاد ها می باشد.

نگارنده : نگار مقدسیان نیاکی

دانلود فایل pdf مقاله