مقدمه

• فتوولتاييك به سيستمي گفته مي شود كه انرژي خورشيد را مستقيماً به انرژي الكتريكي تبديل كرده جوابگوي بخش وسيعي از نياز جامعه به انرژي مي باشد. در اين سيستم بدون استفاده از فرايند ترموديناميك يا سيال عامل، انرژي تشعشعي فوتونهاي نور خورشيد با راندمان 5 تا 25 درصد، مستقيماً به انرژي الكتريكي تبديل مي شود.
• سيستم فتوولتاييك به دليل مزايايي مانند كوتاه بودن زمان طراحي و نصب سيستم، بي صدا بودن فرايند تبديل انرژي، عمر زياد و نياز به نگهداري اندك به دليل نداشتن اجزاء متحرك، حمل و نقل آسان به دليل سبك بودن اجزاء و همچنين عدم توليد آلودگي هاي زيست محيطي، در حال گسترش و پيشرفت شتابان است.
• ليكن نسبت به ساير منابع توليد انرژي داراي قيمت نسبتاً بالايي مي باشد. لذا استفاده بهينه و جذب وتبديل حداكثر مقدار انرژي دريافتي خورشيدي ممكن بسيارضروري است. بدين منظور لازم است تا عوامل مؤثر بر راندمان سيستم هاي فتوولتاييك مشخص گردند و شرايط لازم براي استفاده بهينه از آنها معرفي شوند.
• سيستم هاي فتوولتاييك ( PV )
• ماده اوليه به كار رفته در سيستم هاي فتوولتاييك سيليكون است. زمانيكه صفحه هاي سيليكون در معرض تابش نور خورشيد قرار مي گيرند، جريان الكتريكي مستقيم DC در آنها توليد مي شود. ( تصوير 1).
• پانلهاي فتوولتاييك نسبت به تابش هاي مستقيم و پراكنده عكس العمل نشان مي دهند. اما مقدار خروجي انرژي الکتريکي با افزايش مقدار تابش نور يا پرتوافكني بيشتر، افزايش مي يابد. سيستم فتوولتاييک در بسياري از توليدات امروزي مانند ماشين هاي حساب، ساعتها، راديوها، فانوسهاي دريايي، ماهواره ها و حتي نسل جديد خودروها استفاده مي شود.پديده ديگري که هم اکنون رايج گرديده، استفاده ازسيستم فتوولتاييک در معماري و صنعت ساختمان بمنظور تامين برق ساختمانها مي باشد. ( تصوير 2).
• 
• (تصوير 1) : دياگرام سيستم فتوولتاييک  (تصوير 2) : تابش مستقيم و پراکنده
• انواع سيستم هاي فتوولتاييك 
• سيستم هاي متداول فتوولتاييك داراي انواع مختلف مونوكريستالين سيليكون، پلي كريستالين سيليكون و فيلمهاي نازك سيليكون ( سيليكون بدون شكل ) مي باشند. يك نمونه سلول كريستالين ممكن است ابعادي در حدود 100mm *  100mm داشته باشد. در جدول زير مقدار بازدهي اين سيستمها نشان داده شده است.
• جدول 1 : بازدهي فتوولتاييك ها

  نوع	مقدار توليد تقريبي سلول (%)	مقدار توليد و بازدهي تقريبي يك مدول (%)
  1- مونوكريستالين سيليكون	17 – 13	15  – 12
  2- پلي كريستالين سيليكون	15 – 12	14  – 11
  3- فيلم نازك سيليكون (سيليكون بدون شكل) ((TFS	5	9/4 – 5/4

  ميزان بازدهي در شرايط استاندارد آزمايشگاهي ( STC) تعيين شده است.

• از لحاظ تئوري بازدهي سيستم هاي سيليكوني در حدود 30 % مي باشد كه اين ميزان رو به افزايش است. سلولهاي كريستالين سيليكون شامل دو نوع سيليكون p , n و اتصالات الكتريكي مي باشند. تصوير 3 ساختار اين سلولها را به صورت شماتيك نشان مي دهد.سلولهايي كه داراي ولتاژ كمتري هستند، به صورت سري به هم متصل شده اند. تا مدولي با ولتاژ بيشتر را به وجود آورند. اين مدولها همانند يك ساندويچ ( بصورت ورقه هايي كه لايه لايه بوده و رويهم گذاشته شده اند )، ساخته مي شوند و داراي لايه پشتي و يك لايه پوششي از فلزات نيمه صيقلي است.
• 
• (تصوير 3) : سلول كريستالين سيليكون
• يك فريم سازه اي در برخي موارد از شيشه ها محافظت مي كند. لايه پشتي نيز حتماً نبايد مات و غير شفاف باشد. مثلاً در ساختمان خورشيدي داكسفورد، سلولهاي فتوولتاييك در محفظه هايي بين دو لايه شيشه با فضاي شفاف بين سلولها قرار گرفته اند. ( تصوير 4). بنابراين نور از سطوح شفاف مدولها عبور مي كند. سيستم هاي فتوولتاييك از نوع سيليكونهاي فيلم نازك ( TFS ) که از سيليكونهاي بدون شكل استفاده مي كنند، بين لايه n , p خود يك لايه i نيز دارند. اين سلولها داراي ضخامت كمتري نسبت به انواع كريستالين هستند و مي توانند از جنس پلاستيك يا فلز و به صورت انعطاف پذير باشند. ( تصوير 5).
• 
• (تصوير 4) : فريم سازه اي  (تصوير 5) :کاربرد سيليکون بي شکل درTFS
• زماني كه سلولهاي فتوولتاييك به صورت لايه لايه رويهم قرار بگيرند، يك مدول را تشكيل مي دهند و وقتي تعدادي از مدولها به صورت سري يا موازي به هم متصل شوند، آرايه را تشكيل مي دهند. انرژي توليد شده از يك آرايه به دستگاه PCU منتقل مي شود.
• PCU لغت يا واژه اي است براي ابزار آلاتي كه انرژي خروجي آرايه هاي فتوولتاييك را به شكل مناسب و قابل مصرف براي ساختمان تبديل مي كنند و معمولاً داراي اجزاي اصلي شامل يك مبدل است كه جريان الكتريكي توليدي DC را به جريان متناوب AC تبديل مي كند. ساير قطعات PCU نيز عبارتند از: دستگاه كنترل مشترك و تجهيزات حفاظتي.
• PCU و مبدل بگونه اي نصب مي شوند كه قابل تعويض باشند. در اين سيستم جريان خروجي AC از PCU به سمت يك جعبه توزيع داخل ساختمان رفته و اگر مقدار مصرف از حد معمول تجاوز كند، برق توليد شده  به شبكه برق شهري منتقل می شود.( تصوير 6)
•  
• (تصوير 6) : طرح شماتيک سيستم PV متصل شده به شبکه برق شهري
• مدولهاي كريستالين سيليكون در اشكال و ابعاد متنوعي وجود دارند. البته نمونه هاي مستطيلي 3/. تا 5/1 مترمربع نسبت به بقيه فراوانتر هستند. وزن يك مدول 5/. مترمربع به همراه فريم 1.2m در حدود 7.5 kg مي باشد و پانل هاي بدون كلاف آن حدود 4.5 kg وزن دارند. البته مدولهاي بزرگتر نيز در صورت لزوم توسط سازنده، ساخته مي شود.
• مدولهاي TFS در بازار جهاني معمولاً ابعادي بعرض تقريبي 2/1 تا 1 متر و بطول 7/1 تا 5/1 متر  دارند. در كشور امريكا براي مقياسهاي كوچكتر معمولاً از سيليكون بدون شكل استفاده مي شود كه داراي انعطاف پذيري بيشتري می باشد. مدولهاي مونوكريستالين سيليكون معمولا دررنگ آبي ساده تخت هستند. البته ساير رنگها نيز وجود دارد كه سبب كاهش بازدهي مدول مي گردد.
• مدولهاي پلي كريستالين نيز معمولاً آبي رنگ می باشند. نگاه كردن به يك آرايه پلي كريستالين همانند نگاه كردن به يك آسمان شب پر ستاره است. با اين تفاوت كه رنگ پيش زمينه به جاي مشكي، آبي است .
• سيستم هاي فتوولتاييك از نوع TFS نيز مانند انواع ديگر هستند. ولي سطوح آنها تيره و مات و شبيه به شيشه هاي رنگي مي باشد. رنگها شامل خاكستري، قهوه اي و مشكي است.
• طول عمر سيستمهاي فتوولتاييك نسبتاً زياد است. بطور متوسط اين سيستم ها براي مدت 20 تا 25 سال مورد استفاده قرار مي گيرند و البته كارخانه سازنده اين مدولها معمولاً آنها را براي مدت 10 سال گارانتي مي كند. بدين ترتيب كه آنها در حدود 90 % از انرژي خروجي ارزيابي شده خود را تا مدت 10 سال توليد مي كنند. اما به مرور زمان عواملي همچون نفوذ آب به داخل مدولها باعث آسيب آنها شده و از بازدهي مدولها مي كاهد.
• از نظر مسائل زيست محيطي، سيستم هاي فتوولتاييك داراي مزاياي مهمي مي باشند. اين سيستم ها هيچگونه ضايعات آلوده كننده اي نداشته و درفرايند ساخت، مواد آلوده كننده ای توليد نمي كنند.
• مقدار انرژي توليد شده توسط سيستم هاي فتوولتاييك
• به منظور اندازه گيري انرژي توليدي سيستم هاي فتوولتاييك بايد اينگونه در نظر گرفت كه انرژي خروجي سيستم هاي فتوولتاييك برابر خروجي آرايه هاي فتوولتاييك است منهاي خسارات حاصل از استهلاک در جريان توليد. اين مقدار انرژي به عوامل زير وابسته است:
• 1 – تغييرات مقدار تابش روزانه، به علت چرخش زمين و حركت آن به دور خورشيد.
• 2 – موقعيت سايت يا بعبارت ديگر، ميزان تابش خورشيد در سايت.
• 3 – زاويه انحراف ( كجي ).                                                      
• 4 – زاويه ازيموت يعني زاويه با سمت جنوب. ( تصوير 7)                 
• 5 – مقدار سايه افكني                                                            
• 6 – دما                                 
• 
• (تصوير 7) : زاويه انحراف و زاويه ازيموت
• به منظور مقايسه مدولهاي فتوولتاييك و عوامل مؤثر بر آنها، اين سيستم ها در شرايط استاندارد آزمايشگاهي ( STC ) يعني دماي25 درجه و 1000 وات بر مترمربع آزمايش شده اند. در اين شرايط يك مدول مونوكريستالين با اندازه يك مترمربع و راندمان 15 % مقدار 150 Wp انرژي توليد مي كند. ( جدول 1 ).البته اين انرژي از نوع جريان الكتريكي مستقيمDC  مي باشد. ليکن مقدار تابش دريافتي 1000 وات بر مترمربع مقدار بسيار بالايي است كه فقط در شرايط بسيار آفتابي به دست مي آيد و در حالت كلي مقدار كمتري را بايد در نظر گرفت.
• مكان، زاويه انحراف و زاويه ازيموت
• به منظور بررسي حداكثر مقدار خروجي سيستم هاي فتوولتاييك مخصوصاً در سيستم هاي متصل به شبكه برق، بايد مقدار توليد انرژي ساليانه را در نظر گرفت. بدين منظور بايد از نقشه هاي معدل تابش ساليانه استفاده كرد و اطلاعات لازم مربوط به حداكثر مقدار تابش ساليانه خورشيد روي سطوح افقي را به دست آورد. امروزه اين داده ها را با استفاده از برنامه هاي كامپيوتري و بهمراه داده هاي هواشناسي تحليل مي كنند. ( تصوير 8)
•  
• (تصوير 8) : نقشه تابش سالانه براي اسكدالامور
• نكته مهم در آن است كه نقشه ها تأثير تغييرات را در ميزان تابش همانند عملكرد جهت يابي و زاويه انحراف نشان دهند. مقدار ماكزيمم تابش ساليانه خورشيد و بنابراين، مقدار انرژي توليدي معمولاً در يك جهت گيري حدودي نسبت به  جنوب و در زاويه اي برابر با عرض جغرافيايي محل منهاي 20 درجه نسبت به افق به دست مي آيد.
• به عنوان مثال در منطقه اسكدالامور با عرض جغرافيايي 55درجه و 19 ثانيه شمالي و با ماكزيمم تابش ساليانه حداكثر مقدار انرژي توليدي زماني است كه جهت گيري برابر با 5درجه جنوب غربي و زاويه انحراف حدود 36 درجه مي باشد. (تصوير 8)
• اگر ما يك آرايه مونوكريستالين سيليكون با سطح 50 مترمربع و راندمان 15 % و ميزان انرژي اسمي 7.5 kwp در زاويه انحراف 20 درجه و ازيموت 30 درجه قرار دهيم، مقدار خروجي ساليانه ( S ) برابر است با:
• S=50*920*0/15*0/95=6555kwh/y
• تأثير سايه افكني و عامل دماي هوا
• مقدار توليد سايه به موقعيت جغرافيايي محل، همسايگي ساختمانها و مقدار سايه اي كه فرمهاي معماري ايجاد مي كنند، وابسته است. ايجاد سايه در سيستم هاي فتوولتاييك باعث كاهش راندمان سيستم مي شود.
• قابليت اجرايي مدولهاي سيستم فتوولتاييك PV با افزايش دماي هوا نيز كاهش مي يابد. و اين كاهش راندمان در كريستالين هاي سيليكون نسبت به سيليكون هاي بدون شكل اهميت بيشتري دارد.
• به منظور جلوگيري از افزايش دماي مدولهاي فتوولتاييك بايد در ضمن طراحي سيستم، به اين مسئله توجه شود. يعني هوا بايد بتواند در پشت مدولهاي PV جريان يافته و كيفيت اجراي آنها را حفظ كند.
• مدولهاي فتوولتاييك ساختماني مي توانند تا حدود 24 الي 28 درجه بالاتر از حد مجاز و در شرايط تابشي شديد گرم شوند. به ازاي هر1 درجه افزايش دماي سلول در دماهاي بالاتر از 25 درجه مقدار انرژي توليدي در حدود 0.4 – 0.5 % كاهش مي يابد. بنابراين مي توان خسارات احتمالي را با تقريبي ساليانه به طريق زير محاسبه نمود:
• 15c*./45%/c=6/8%
• بطوركلي بهتر است كه خسارات ناشي از دما و ساير عوامل مانند گرد وغبار و عدم هماهنگي را بعنوان عاملي كلي در نظر گرفته كه تحت عنوان ضريب K نام برده مي شود و مقدار آن برابر با 0.9 مي باشد.
• البته يك عامل خسارت ديگر تحت عنوان L نيز بررسي مي شود و مقدار آن 0.8 است. در نهايت براي سيستم هاي فتوولتاييك در شرايطي كه سايه افكني نداشته باشند، مقدار تقريبي توليد انرژي ساليانه سيستم كه تحت عنوان E ناميده مي شود، از فرمول زير بدست مي آيد.
• E=S*K*L
• E=6555*0/9*./8=4720Kwh/y =94Kwh/m2y
• درحالت كلي تقريباً براي هر يك متر مربع آرايه فتوولتاييك از نوع مونوكريستالين با جهت گيري و زاويه انحراف صحيح و در يك سيستم با راندمان بالا مقدار E برابر 100 Kwh/y مي باشد.
• مقدار انرژي توليدي به مقدار حداكثر راندمان سيستم نيز مرتبط است.بنابراين سيستمي با آرايه مونوكريستالين و مساحت 50 مترمربع داراي مقدار خروجي 4720 Kwh/y  يا 12.9 Kwh/day  است.
• اگر اين عدد به مقدار حداكثر7.5 Wp  تقسيم شود، راندمان سيستم برابر با day/1.7 Kwh/kwp خواهد بود.
• درجدول زيرمقدار انرژي توليدي تعدادي از آرايه هاي گوناگون با سطح 50 مترمربع در زواياي گوناگون مقايسه شده است.
• جدول 2 : مقايسه خروجي آرايه ها( Mwh /y ) (اطلاعات براي شهر لندن و شرايط بدون سايه است ).

• موقعيت	مونوكريستالين سيليكون			TFS
  ديوار قائم	10 درجهجنوبغرب	جنوب	45 درجه جنوبشرقي	15 درجهجنوبغربي	جنوب	45 درجهجنوبشرقي
  	3.72	3.75	3/5	2.13	2.15	2.00
  سقف شيبدار 30درجه	5.38	5.41	5.18	3.08	3.09	2.96
  سقف با زاويه 45 درجه	5.26	5.30	5.00	3.01	3.03	2.86

• نتيجه گيري
• 1 – سيستم هاي فتوولتاييك جريان مستقيم DC را توليد مي كنند. اين جريان در سيستم متصل به شبكه به جريان متناوب AC تبديل مي شود.
• 2 – سيستم هاي فتوولتاييك نسبت به تابش هاي مستقيم و پراكنده خورشيد عكس العمل نشان مي دهند.
• 3 – درخشش بيشتر نور خورشيد باعث توليد مقدار بيشتر انرژي مي شود.
• 4 – سلول هاي فتوولتاييك اجازه عبور نور را نمي دهند، اما مدولها مي توانند بگونه اي سساخته شوند كه بعضي از سطوح آنها شفاف بوده و برخي ديگر مات باشند.
• 5 – مدولها در اشكال و ابعاد مختلفي ساخته مي شوند.
• 6 – طول عمر متوسط مدولهاي فتوولتاييك حدود 20 تا 25 سال مي باشد.
• 7 – طراحان سيستم فتوولتاييك عوامل مهمي را كه بر مقدار انرژي توليدي آن مؤثراست، در نظر مي گيرند. اين عوامل عبارتند از: 1- زاويه انحراف  2- آزيموت  3- سايه افكني  4- دما
• 8 – در سيستم هاي متصل به شبكه شهري، مقدار توليد انرژي ساليانه از مسائل بسيار مهم به شمار مي رود.
• 9 – جهت يابي براي سيستم هاي فتوولتاييك مسئله مهمي است. اما در جهت يابي، نيازي به دقت بسيار بالا در تعيين زاويه وجود ندارد. با جهت يابي و زاويه انحراف تقريباً درست، مي توان حدود % 95 ماكزيمم انرژي خروجي را بدست آورد.
• 10 – گردش هوا براي انتقال و دفع گرما از مدولها، امري لازم و ضروريست.
• 11 – بطور كلي هر 1 مترمربع آرايه فتوولتاييك از نوع مونوكريستالين كه به صورت مناسبي در محل صحيح نصب شده باشد، با راندمان بالاي سيستم مقدار انرژي توليد شده در آن حدود 100 Kwh/y خواهد بود.
• مراجع
• 1- محمدصادق ذبيحي،«بررسي شرايط بهينه فني واقتصادي براي فتوولتاييک در معماري»، مجموعه مقالات اولين همايش بهينه سازي مصرف سوخت کشور.
• 2- مريم بشارتي گيوي،«چگونگي استفاده از نور در ساختمان و ساخت پانل خورشيدي هوشمند»، مجموعه مقالات سومين همايش هينه سازي مصرف سوخت در ساختمان.
• 3- رابرت وارطانيان،حسن مقبلي،«تاثير بکارگيري آرايه فتوولتاييک متحرک در ميزان افزايش توان»، مجموعه مقالات سومين همايش هينه سازي مصرف سوخت در ساختمان.
• 4- Randall Thomas,Max Fordham &Partners,"Photovoltaics and Architecture",London,2001.
• 5- Anon,"Solar Electric Building Homes with solar power",London,Greenpeace,1996.
• 6- Anon,"A performance specification for the energy efficient office of the future.BRECSU.BRE,Watford,1995.
• 7- Friedrick Sick,Thomas Erge,"Photovoltaics in Buildings":A design handbook for Architects & Engineers,International Energy Agency,Paris.