انسان طبیعت معماری
عنوان پروژه :
ساختمان های خورشیدی
استاد:مهندس شریفی
گرد آورنده: جواد حسین وش
موارد مطالعاتی بخش اول : تعاریف بخش دوم : تعریف خورشید بخش سوم : بهره گیری از انرژی خورشید با راهکار غیرفعال بخش چهارم : بهره گیری ازانرژی خورشیدی به شیوه نوین و فعال
مقدمه
امروزه با توجه به حساسیت در بخش انرژی و همچنین پیش بینی هایی در مورد تمام شدن انرژی ، جوامع گوناگون و به خصوص صنعتی به انرژی های تجدید پذیر از جمله انرژی پاک خورشیدی روی آورده اند.در ادامه ابتدا انرژی های خورشیدی در شیوه غیرفعال و سپس به شیوه های نوین و فعال مورد بررسی قرار می گیرد.البته در این تحقیق انرژی خورشیدی در شیوه نوین بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.
تعاریف
راهکار غیر فعال : راهکارهایی ایستا و غیرماشینی جهت استفاده از انرژی
راهکارهای فعال : استفاده از تجهیزات و ماشین آلات برای بهره گیری از انرژی
بهره گیری مستقیم : این شیوه بیشتر مورد استفاده فضای داخلی می باشد و تششعات خورشیدی بدون واسطه وارد فضا می شوند.این روش یکی از زیرشاخه های راهکار غیرفعال است.
بهره گیری غیرمستقیم : این روش نیز مانند بهره گیری مستقیم می باشد با این تفاوت که اشعه خورشید با واسطه وارد فضا می شود.
خورشید چیست ؟
آفتاب اشعه الکترومغناطیس است که از خورشید ساطع می شود.اشعه های الکترو مغناطیسی دارای طول موج هایی بین 0.28 تا 3 میکرون می باشند.طیف نور خورشید خود به 3 قسمت ماورا بنفش ، قابل رویت و مادون قرمز تقسیم می شود . حداکثر شدت تابش آفتاب در قسمت اشعه قابل رویت ولی بیش از نیمی از انرژی حرارتی خورشید مربوط به اشعه مادون قرمز می باشد.
در این شکل مقدار انرژی جذب شده
توسط زمین نشان داده شده است
تابش خورشید بر روی نقطه مشخصی در روی زمین در طول سال ، فصل ، ماه ، روز و حتی ساعت مشخص نیست.کروی بودن زمین ، بیضوی بودن مسیر گردش زمین ، گردش زمین به دور خود و مایل بودن محور زمین به اندازه 23.5 درجه و … از عوامل تعیین کننده شدت تابش خورشید می باشند.
راهکارهای غیرفعال
همانگونه که ذکر شد اگر بهره گیری از انرژی خورشید بدون وجود تجهیزات باشد ، روش غیرفعال نامیده می شود. راهکار غیرفعال خود به دو دسته تقسیم می شود که عبارتند از :
الف – روش مسقیم
ب – روش غیرمستقیم
در سیستم های غیر فعال خورشیدی به ترتیب چهار فرآیند ، جذب انرژی ، ذخیره سازی ، توزیع و کنترل در چرخه ای متناسب با امکانات اقلیمی و نیازهای فضا انجام می پذیرد. به طور معمول جذب و ذخیره سازی به کمک مصالح مناسب با استقرار در موقعیتی مناسب امکان می یابد. در فرآیند جذب ، تکیه بر رنگ ونوع مصالح است و معمولا از مصالح سنگین با مقدار گرمایی ویژه زیاد استفاده می شود. در مرحله جذب فارغ از نوع مصالح و رنگ آن ، موضوع زاویه ، مقدار و مدت زمان تابش نیز مهم است. بدیهی است ضریب جذب مصالح با هم متفاوت است.مثلا مرمر سفید 0.44 و مرمر سیاه 0.66 می باشد.
بدون تردید مهم ترین عامل در چگونگی استفاده از انرژی خورشیدی در ساختمان و به صورت غیر فعال ، نوع جداره های شفاف اعم از جداره های عمودی و افقی است. مقدار انتقال ، جذب و بازتاب تششعات جداره شفاف با جنس ، ضخامت و تعداد لایه ها مرتبط است.البته شیب جداره نیز بی تاثیر نیست.در شکل های زیرچند مورد از حالات شیشه نمایش داده می شود.
روش مستقیم
بهره گیری مستقیم از تابش خورشید از طریق جداره ها و سقف یکی از رایجترین راهکارهای گرمایش خورشیدی است که خود وابسته به جنس جداره ها ، شکل و جهت ساختمان است. اگر در روش مستقیم ذخیره سازس مدنظر نباشد ، استفاده از مصالح با ظرفیت گرمایی بالا غیرضروری است اما اگر ذخیره سازی مدنظر باشد ، طبیعتا استفاده از مصالح با ظرفیت حرارتی بالا لزوم می یابد تا در هنگام روز گرما جذب و شب ها که هوا سردتر است ، دوباره به اتاق پس بدهد و همچنین شب ها نیز سرما را در خود ذخیره و روزها به هوای گرم اتاق پس می دهد. این مراحل بارها در خانه های مسکونی سنتی ایران تکرارشده است.
در بهره گیری مستقیم جداره های شفاف در جبهه جنوبی نقش مهمی را ایفا می کند و نسبت مساحت آن ها به مساحت کف معمولا 2 درصد در نظر گرفته می شود.البته دامنه این نسبت بین 0.15 تا 0.3 درصد می باشد.
تصاویر زیر انواع بهره گیری مستقیم نشان داده شده است
بهره گیری مستقیم با استفادهاز پنجره زیرسقفی
بهره گیری مستقیم با استفادهاز پنجره جنوبی سقفی
بهره گیری غیر مستقیم
در بهره گیری مستقیم تششعات خورشیدی بدون واسطه وارد فضا می شوند در حالی که سیستم غیرمستقیم عناصر جاذب گرما بین فضای داخلی و تابش آفتاب قرار می گیرند و ابتدا خود گرم شده و سپس به طریق همرفت اتاق مجاور خود را گرم می کنند.
به طور کلی روش های بهره گیری غیر مستقیم را می توان در دو مبحث مور بررسی قرار داد. یکی اینکه جاذب واسطه در قسمت جانبی یعنی دیوار قرار گیرد و دیگری اینکه جاذب واسطه در سقف قرار گیرد. هر دو مورد دارای مثال هایی هستند که به آن ها پرداخته خواهد شد.
اگر جاذب واسط در قسمت پهلو باشد ، امکان استفاده از آن به چند صورت وجود دارد. به صورت جدار مانند دیوار ترومب و به صورت فضای واسط مانند فضای گلخانه ای که فضای خورشیدی نامیده می شود.اشکال این جزا که حدفاصل فضای داخلی و خارجی قرار می گیرند این است که بخشی از گرمای ذخیره شده در آن ها به بیرون هم انتقال می یابد. به منظور جلوگیری از این عمل باید شیشه های رو به بیرون دوجداره یا سه جداره باشد. همچنین می توان از عایق های متحرک استفاده کرد که چندان مرسوم نیستند.
سه نوع بهره گیری مستقیم به ترتیب از چپ :
دیوار ترومب – دیوار حایل – فضای خورشیدی
اگر جاذب واسط در سقف قرار گیرد ، در این صورت با بالشتک های سیاه رنگ پر از آب پوشانده می شود تا آب در روز گرما را جذب و شب در اختیار فضای داخلی قرار دهد. البته در شب باید روی بالشتک ها با عایق پوشانده شود تا گرمای ذخیره شده تلف نشود و احیانا آب یخ نزند. این شیوه را سقف استخری یا خورشیدی می نامند که به عنوان سرمایش غیرفعال در تابستان نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
استفاده از کلکتورهای هوای گرم با آب گرم نیز روش دیگری برای بهره گیری از انرژی خورشیدی است که خود فصل مشترک بین سیستم های فعال و غیرفعال خورشیدی می باشد. ولی در اکثر دسته بندی ها این روش جزو سیستم های غیرفعال محسوب می شود. یکی از مهمترین عیب های این روش محدودیت آن می باشد.
بهره گیری از انرژی خورشیدی به شیوه نوین و فعال
راهکارهای فعال
بر خلاف سیستم های غیر فعال چنانچه از تجهیزات و ماشین آلات در ذخیره انرژی خورشیدی استفاده شود ، این روش راهکار فعال نامیده می شود.
شاید آشناترین مورد برای این تعریف صفحات خورشیدی می باشد که تقریبا همه با شکل آن ها آشنا هستیم.این صفحات در ایران در بالای چراغ های راهنمایی قابل مشاهده است
در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم های مختلف استفاده می شود که عبارت اند از:
الف : استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی.
ب : تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک.
استفاده از انرژی حرارتی خورشید
این بخش از کاربردهای انرژی خورشیدی شامل دو گروه کاربردهای نیروگاهی و کاربردهای غیرنیروگاهی می باشد.
کاربردهای نیروگاهی
تاسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می شود . این تاسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده های موجود وبر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند.
الف : نیروگاههای حرارتی خورشید از نوع سهموی خطی
در این نیروگاهها، از منعکس کننده هایی که به صورت سهموی خطی می باشند جهت تمرکزپرتوهای خورشید در خط کانونی آنها استفاده می شود و گیرنده به صور ت لوله ای در خط کانونی منعکس کنندهها قرار می گیرد . در داخل این لوله روغن مخصوص در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشیدگرم و داغ می گردد . این روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار تبدیل می کند .این سیستم آب و بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاههای حرارتی انتقال داده می شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.
نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی
در این نیروگاه ها پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس کننده بنام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته است متمرکز می گردد. در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست می آید که این انرژی بوسیله سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است، جذب می شود و بوسیله مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاه های سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می گردد.
نیروگاه های بشقابی
در این نیروگاهها از منعکس کننده هایی که به صورت شلجمی بشقابی می باشد جهت تمرکز نقطه ای پرتوهای خورشیدی استفاده می گردد و گیرنده هایی که در کانون شلجمی قرار می گیرند به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور آن را به نوع مکانیکی و الکتریکی تبدیل می نماید.
کاربردهای غیر نیروگاهی
کابردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می باشد که اهم آنها عبارت اند از:
الف – آبگرمکن و حمام خورشیدی
ب – سرمایش و گرمایش خورشیدی
ج – آب شیرین کن خورشیدی
د – خشک کن خورشیدی
ه – اجاق خورشیدی
ک – کوره های خورشیدی
ز – خانه های خورشیدی
با توجه به حجم بالای مطالب فقط آبگرمکن و خانه های خورشیدی توضیح داده می شود.
الف – آبگرمکن های خورشیدی و حمام خورشیدی
تولید آب گرم تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکانهایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد. چنانچه ظرفیت این سیستمها افزایش یابد می توان از آنها در حمامهای خورشیدی نیز استفاده نمود. تاکنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران تعداد زیادی آب گرمکن خورشیدی و چندین دستگاه حمام خورشیدی در نقاط مختلف کشور از جمله استان های خراسان، سیستان و بلوچستان، یزد و کرمان نصب و راه اندازی شده است.
آبگرمکن خورشیدی در ایران
خانه خورشیدی
ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه های خود در زمستان استفاده می کردند. آنان ساختمانها را به ترتیبی بنا می کردند که در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن می تابید ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت. در اغلب فرهنگ های دیگر دنیا نیز می توان نمونه هایی از این قبیل طرحها را مشاهده نمود. در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرحهای فراوانی در زمینه خانه های خورشیدی مطرح و آزمایش شد. از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت.
حدود چند سالی است که معماران بطور جدی ساخت خانه های خورشیدی را آغاز کرده اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی نیز دست یافته اند مثلاً در ایالات متحده در سال ۱۸۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده است. در این گونه خانه ها سعی می شود از انرژی خورشید برای روشنایی – تهیه آب گرم بهداشتی – سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود
در ایران نیز پروژه ساخت اولین ساختمان خورشیدی در سال 1377 واقع در ضلع شمالی دانشگاه علم و صنعت و به منظور مطالعه و پژوهش در خصوص بهینه سازی مصرف انرژی و امکان بررسی روشهای استفاده از انواع انرژیهای تجدیدپذیر به ویژه انرژی خورشیدی اجرا گردیده است.
روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو یا دودکش های خورشیدی می باشد در این سیستم از خاصیت دودکش ها استفاده می شود به این صورت که با استفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرمخانه تولید می شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه ها قرار دارد، هدایت می شود.
دودکش های خورشیدی
این هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و با عث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده است می گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می شود هم اکنون یک نمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می رسد.
1- محمدرضا سلطاندوست ، اقلیم معماری تهویه مطبوع 2- علی نمازیان ، اصول استفاده از تابش خورشید در طراحی معماری 3- دانشنامه آزاد فارسی ، وبسایت wikipedia.org 4- شبکه انرژی خورشیدی ایران ، وبسایت solarin.ir 5- سازمان انرژی های نو ایران ، وبسایت suna.org.ir
منابع
پایان