آشنائی با سیستم انرژی های نو بخش خورشید

انرژی خورشید
 
     کلیات:
 
خورشید با عمری بیشتر از 6000 میلیون سال در هر ثانیه 2/4 میلیون تن از جرم خود را تبدیل به انرژی     می نماید که با توجه به وزن خورشید که در حدود 333 هزار برابر وزن زمین است تا پنج میلیلارد سال دیگر می تواند این انرژی را تأمین نماید. در شکل شماره (5) میزان انرژی تابش خورشید بر کره زمین نشان داده شده است.
 
با روي آوري و دست يابي به تكنولوژي هاي پيشرفته، بگارگيري و استفاده از انرژي هاي پاك و سيستم هاي تجديدپذير در تامين انرژي مورد نياز بشر در چند ساله اخير رشد قابل ملاحظه اي داشته است . در اين ميان استفاده از انرژي خورشيدي ، باتوجه به سهولت در دسترسي و كاربرد در موقعيت مناسبي قرار دارد. خورشيد بزرگترين منبع تأمين كننده انرژي كره زمين مي باشد كه انرژي صادره از آن بصورت هاي مختلف در جهت تأمين انرژي مورد نياز اعم از سوختهاي فسيلي و غيرفسيلي مورد استفاده قرار مي گيرد.
 
انرژي تابشي خورشيد در سيستم هاي برق خورشيدي(فتوولتائيك)، بطور مستقيم و بدون نياز به فرآيندهاي واسطه به انرژي الكتريكي تبديل مي شود.  لذا سهولت در دسترسي به انرژي الكتريكي حاصل از برق خورشيدي كاربرد آنرا به مراتب بالاتر از حامل هاي انرژي هاي تجديدپذير قرار مي دهد.
 
 
 
  انواع کاربردهای انرژی خورشیدی:
 
بطور کلی می توان استفاده از انرژی خورشیدی را به دو دسته تقسیم نمود:
 
الف: استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی:
 
نیروگاه های حرارتی خورشیدی بسته به نوع دریافت کننده حرارت و شکل هندسی آن به انواع مختلفی تقسیم می شوند که عبارتند از:
 
نیروگاه های سهموی خطی شکل شماره ، نیروگاه های دریافت کننده مرکزی شکل شماره ،
 
 
 
نیروگاه های شلجمی بشقابی شکل شماره ، نیروگاههای دودکش های خورشیدی

کاربردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید عبارتند از:

آبگرمکن خورشیدی  ، حمام خورشیدی ، آب شیرین کن خورشیدی ، خشک کن خورشیدی  و اجاق خورشیدی

ب: تبدیل مستقیم پرتوهای خورشیدی به الکتریسیته به وسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک:به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم های محرک، الکتریسیته تولید کند، پدیده فتوولتائیک گویند که از ظرفیتهای 5/0 تا چند مگاوات و با نصب آنها بصورت موازی و سری می توان جریانها و ولتاژهای مورد نظر را تامین نمود. دراينسيستمانرژيموجوددرنورخورشيد،توسط سلولهاي خورشيدي مستقيماًبه برق  DCتبديل ميكند. بااستفاده ازبرق حاصلهوبهرهجوييازتجهيزات الكتريكي و الكترونيكي موجود ميتوان انرژي الكتريكي كليه بارهاي AC  و  DCراتأمين نمود.سيستمهايفتوولتاييكازسهبخش اصلي تشكيل شده است

ـ سلولهايخورشيديكهمبدلانرژيتابشيخورشيدبهانرژي الكتريكي مي باشند

ـ قسمتواسطهيابخش توان مطلوب،انرژي الكتريكي حاصل ازسيستم هايفتوولتائيك رابراساس طراحي انجام شده،متناسب بانيازمصرف كننده،مديريتوالقاءمينمايد.ـمصرف كننده يابارالكتريكي،كليه مصرف كنندگان الكتريكي اعم ازمصارف برق مستقيم (AC وDC) رامتناسب باميزان مصرف شامل ميگردد.درشكل زیربخشهاي اصلي سيستم فتوولتائيكنشان شده است

سیستم برق فتوولتائیک
 
سیستم فتوولتائیک مانند سایرمولد ها و نیروگاه های برق می تواند در هر ظرفیتی نصب و بهره برداری شود. حتی محدودیت آن بسیار کمتر از سایرین است و می تواند به صورت ژنراتورهایی با توان میلی وات تا چندین مگاوات ساخته شوند. لیکن با توجه به راندمان پائین تبدیل انرژی دراین سیستم و بالا بودن قیمت تجهیزات آن، برق تولیدی ازاین سیستم قدری گران تر است.
 
شرایط بهینه در بارگیری سیستم فتوولتائیک در معماری ساختمان از دو زاویه قابلل بررسی است :
 
v    مجتمع کردن سیستم فتوولتائیک با معماری و تاسیسات الکتریکی ساختمان
 
v    طراحی و محاسبه سیستم فتوولتائیک به صورت فصلی
 
استفاده از پانل های خورشیدی در معماری ساختمان، باعث کاهش هزینه های بارگیری این انرژی می شود و می تواند در توسعه کاربرد آن موثر باشد. در تلفیق یک سیستم فتوولتائیک با معماری و تاسیسات ساختمان، تجهیزات اصلی سیستم باقیمانده و سایرتجهیزات به نوعی با وسایل مشابه در ساختمان ادغام می شوند. بعضی از قطعات جانبی تجهیزات اصلی نیز برای نصب نمای ساختمان، قابل حذف و صرفه جوئی هستند و بدین ترتیب با همکاری طراح ساختمان و طراح سیستم خورشیدی می توان شرایطی را ایجاد کرد که امکان بهره برداری از سیستم فتوولتائیک با شرایط بهینه فنی و اقتصادی میسر باشد.
 
یکی از موارد استفاده از سیستم های خورشیدی برای گرمایش ساختمان سیستم گرمایش کفی است که به جای استفاده ازمنابع  فسیلی برای آب گرم مصرفی از انرژی خورشیدی وآب گرمکن خورشیدی تامین می شود.
 
سیستم برق خورشیدی از اجرای مختلفی تشکیل شده است که عبارتند از:
 
1)     پانل یا صفحه خورشیدی؛ انرژی نور خورشید را به برق مستقیم تبدیل می نماید.
 
2)     جعبه اتصال گروهی؛  واسطه اتصال پانل ها به مدار برق و محافظ پانل های خورشیدی از صاعقه و برق آسمانی است.
 
3)     سازه های فلزی یا ساختمانی؛ نگهدارنده پانل ها در جهت و زاویه خاص هستند.
 
4)  دستکاه کنترل کننده ؛ کنترل کننده تولید برق، مصرف برق، شارژ باطری های ذخیره و تنظیم کننده مشخصات برق تولیدی ومصرفی از نظر ولتاژ و آمپر است.
 
5)     کابل های ارتباط؛ اتصالات سیستم فتوولتائیک و مدار برق را بر قرار می کند.
 
6)      باطری های ذخیره؛ برق مورد نیاز برای ساعات بدون نور خورشید ذخیره می کند.
 
7)     مبدل برق مستقیم به متناوب؛ برق مستقیم را به برق متناوب یک فاز و یا سه فاز تبدیل می کند.
 
 
 
  طراحی و محاسبه سیستم فتوولتائیک
 
برای طراحی یک سیستم فتوولتائیک لازم است عوامل مختلفی مورد توجه و بررسی قرارگیرند که بعضی از آنها در محاسبه ظرفیت و خروجی سیستم، یا برآورد برقی که تولید می شود موثرند و بعضی دیگر در انتخاب نوع تجهیزات و طراحی آنها نقش دارند. این عوامل عبارتند از :
 
v  موقعیت جغرافیایی : عرض و طول جغرافیایی و نیز ارتفاع محل نصب سیستم فتوولتائیک، فاکتورهای لازم برای محاسبه قدرت تابش نور خورشید است.
 
v  موقعیت زمانی : در بررسی موقعیت زمانی، محل نصب و شرایط آن نسبت به حرکت خورشید، وجود سایه ارتفاعات و کوههای اطراف و یا حتی سایه ساختمانها و تعیین ساعاتی از روز که ممکن است وجود این سایه ها مانع از تابش مستقیم نور خورشید به پانل ها باشد، بررسی می شود. فاصله سیستم نسبت به مصرف کننده و مسیرکابل کشی، طول کابل های اتصال را تعیین می کند. مقاومت الکتریکی کابل ها و تلفات انرژی در آنها در محاسبات ظرفیت سیستم فتوولتائیک موثر است.
 
v  شرایط اب و هوایی : تعداد روزهای ابری پشت سر هم از جمله عوامل مهمی است که در بررسی شرایط آب و هوایی تعیین می شود. اگر بخواهیم مقداری از برق خورشیدی را برای ایام ابری ذخیره کنیم این عامل در محاسبات وارد شده و ظرفیت سیستم فتوولتائیک با توجه به برق مورد نیاز در ایام ابری محاسبه می شود. علاوه بر آن وزش باد و سرعت آن برای تعیین استحکام سازه فلزی یا ساختمانی، میزان بارندگی و ارتفاع برف برای تعیین ارتفاع پانل ها ازسطح زمین، شفافیت هوا، میزان شرجی بودن و یا غبار آلود بودن و اثر آنها در شدت تابش نور خورشید، وجود صاعقه و رعد و برق برای پیش بینی تجهیزات ایمنی مناسب از جمله عوامل دیگری است که بررسی می شود.
 
v  برق مورد نیاز : در بررسی میزان نیاز به انرژی الکتریکی علاوه برتوان، ولتاژ، مستقیم و متناوب بودن آن و مقدار لحظه ای مورد توجه قرار می گیرد. توان مصرفی مستقیماً در محاسبات وارد می شود، و ولتاژ تعیین کننده تعداد صفحات خورشیدی است که با یکدیگر سری و موازی می شوند. مقدار برق لحظه ای مربوط به هنگامی است که همه مصرف کننده ها با هم در مدار قرار می گیرند و یا دستگاه هایی به مدار وارد می شوند که برق شروع  به کار آنها با مصرف مستمر آنها متفاوت است، این عوامل برای طراحی دستگاه کنترل کننده بسیار اهمیت دارد.
 
 
  کاربردها و چگونگي بکارگيري سيستم هاي فتوولتائيک (برق خورشيدي)
 
سيستم‌هاي فتوولتائيك جهت مصارف عمومي و كشاورزي، بصورت نيروگاه هاي مستقل از شبكه سراسري برق یا سيستم هاي متصل به شبكه سراسري با ساختار نصب ثابت و یا متحرک در واحدهاي كوچك باتوان پائین جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز ماشين حساب‌هاي كوچك تا سيستم‌هاي بزرگ نيروگاهي را نام برد.
 
 
 
در خصوص سیستم های متحرک می بایست متذکر شد که، مزیت آن امکان ردیابی خورشید و افزایش انرژی الکتریکی حاصل از تابش خورشید در طی روز می باشد. در شکل زیر یک سازه متحرک و مقایسه انرژی الکتریکی حاصل ازتبدیل انرژی تابشی نشان داده شده است.
 
با وجود این مطلب، بدلیل افزایش احتمال خرابی درسیستم مکانیکی، نیاز به انرژی الکتریکی جهت به حرکت در آوردن سازه در کاربردهای کوچک و پراکنده توصیه نمی گردند. تنها درتعدادی از نیروگاه های برق خورشیدی (فتوولتائیک) در جهان از این نوع سازه استفاده شده است.
 
 
   روش های کاربرد سیستم های برق خورشیدی
 
1.       متصل به شبكه سراسري برق ( Grid Connected )
 
 
 
در اين روش، انرژي الکتريکي حاصل از سيستم فتوولتائيک (با استفاده از تجهيزات الکتريکي مبدل جريان مستقيم به جريان متناوب، همچون اينورترهاي متصل به شبکه و ...) ضمن تغيير شکل و تطبيق سطح ولتاژ و فرکانس انرژي الکتريکي حاصل از سيستم فتوولتائيک، با مشخصات سطح ولتاژ، اختلاف فاز، فرکانس و...  شبکه سراسري به شبکه سراسري برق تزريق مي گردد. با استفاده از نيروگاه هاي فتوولتائيك متصل به شبكه سراسري بصورت متمركز و يا غيرمتمركز (ضمن تقويت انرژي جاري در شبكه توزيع)، بدليل تزريق ولتاژ و جريان ، مانع افت ولتاژ شبکه توزيع گرديده و در نتيجه از فشار بر روي نيروگاه ها در طي روز جلوگيري نمود. اين امر به مثابه اين است که هر مشترك شبكه سراسري برق، با نصب سيستم متصل به شبکه، خود بعنوان يك توليد كننده پراکنده کوچک (DG)، بصورت نيروگاهي کوچک عمل نماید. دراین روش علاوه بر تامین بخشي از انرژي الكتريكي مورد نياز مصرف کننده، انرژي الکتریکی (مازاد بر مصرف) به شکه سراسری برق تزریق می شود. درشکل زیر سهم این روش کاربرد سیستم های برق خورشیدی (فتوولتائیک)، نشان داده شده است.
 
 
در جدول زیر توان نامي و محل احداث تعدادي از نيروگاههاي بزرگ فتوولتائيك در جهان ذكر شده است. اين در حالي است که قريب به 40 نيروگاه فتوولتائيک در جهان نصب و مشغول بهره برداري مي باشند که غالب آنها در کشورهاي اروپايي که از حيث تابش پتانسيل بالايي را دارا نمي باشند، قرار دارند.
 
 
 
1.        سيستمهاي مستقل از شبکه سراسري برق ( Stand Alone )
 
تأمين انرژی الکتریکی ایستگاه های مخابراتی و تلویزیونی، خانه هاي مسکوني، چادرهاي عشايري، کلبه هاي روستايي و بصورت کلي رفع نياز انرژي الکتريکي مناطقی که فاقد شبکه سراسري برق مي باشند. این بخش سهم بالایی از سیستم های مستقل از شبکه را در جهان به خود اختصاص داده است. در بسیاری از کشورهای جهان (بویژه کشور های درحال توسعه جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز روستاهای فاقد برق ، از این سیستم استفاده می گردد، بطور مثال در سال 2007 کشور اندونزی برق رسانی به 15000 خانوار روستایی را از این طریق آغاز نموده است).
 
عدم نياز به سوخت و مشكلات سوخت رساني بويژه در مناطق صعب العبور و عدم نياز به تعمير و نگهداري مداوم و طول عمر مناسب از جمله عمده مزايايي است كه در رشد و توسعه اين سيستم‌ ها بويژه در نقاط محروم كشور نقش عمده و بسزايي دارد.
 
 
 
پيش بيني‌هاي آينده حاكي از آن است كه در كشور‌هاي توسعه يافته در سال‌هاي آتي با استفاده از اين سيستم در طي روز و در زمان تابش خورشيد، سهم قابل توجهي از توليد برق آن كشورها از طريق سيستم‌هاي فتوولتائيك متصل به شبكه تامين خواهد شد.
 
 
 
  كاربردهاي سيستم هاي فتوولتائيك
 
 
     سيستم هاي تأمين برق مستقل از شبکه (تأمين برق خانه هاي مسکوني، چادرهاي عشايري، کلبه هاي روستايي و بصورت کلي رفع نياز الکتريکي مناطق فاقد شبکه سراسري برق مي باشند)
    پمپاژ خورشيدي (آب شرب، آبياري، دامپروري، پرورش ماهي، جنگلها، مراتع، آبشخورحيوانات، آبنماها و…)
 
 
 
یکی از کاربردهای موفق سیستم های فتوولتائیک ، پمپاژ آب خورشیدی می باشد.  افزایش تقاضا در این بخش نشان گر توانمندی و قابلیت کارکرد این سیستم می باشد. بطورمثال درسال 2006 در کشور مکزیک بیش از800 عدد پمپ با توان تجمعی33 کیلووات و در بنگلادش بیش از 5000 عدد پمپ در سال2005 و 2006 با مبلغ تجمعی 21 میلیون دلار نصب و راه اندازی گردید و یا 6/6% از سیستم های فتوولتائیک نصب شده در کشور هند را سیستم های پمپ فتوولتائیک تشکیل می دهد..در تصویر زیر نمونه ای از این سیستم نشان داده شده است.
 
    روشنايي خورشيدي (منازل مسكوني و مدارس، ايستگاههاي بين راهي، تونلها، فانوسهاي دريايي، چراغ های پارکی و ...)
 
میزان روشنایی درشب یک امتیاز برای شهرهای بزرگ و صنعتی می باشد و بدون دسترسی به برق، تامین روشنایی به لامپ های دینامی و یا چراغ های نفتی محدود می گردد. یکی از راه حل های مناسب جهت تامین روشنایی مناسب جهت مناطق فاقد دسترسی به برق، استفاده از چراغ های خورشیدی می باشد که سالانه ده ها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می گردد.
 
 
 این سیستم در تامین روشنایی منازل مسكوني و مدارس، ایستگاههای بین راهی، چراغ های راهنمایی و رانندگی، فانوس های دریایی و ... موثر واقع شده است. بگونه ای که تعداد بسیار زیادی از آن ها در کشور ما نیز در شهرها (بویژه تهران) و جاده های کشور نصب گردیده است. در همین رابطه در تصاویر زیر نمونه هایی که توسط سازمان انرژی های نو که در نقاط مختلف کشور نصب و اجرا گردیده است، نشان داده شده است.
 
    سيستم تغذيه كننده پرتابل (قابل حمل و نقل)
 
همچون خودروهای خورشیدی، مصارف الکتریکی غیرصنعتی در ابزارهایی مانند، اسباب بازی ها، ماشین حساب های خورشیدی و... قابليت حمل و نقل سهولت در نصب و راه اندازي از جمله مزاياي اين سيستمها مي باشد كه در رشد و توسعه آن نقش بسزايي دارد.
                 حفاظت كاتديك
 
بمنظور جلوگيري از پوسيدگي لوله هاي انتقال مواد اوليه، شيميايي، نفت و گاز،  نشت مواد مذكور از لوله‌ها و جلوگيري از آلودگي محيط زيست استفاده از حفاظت كاتديك فتوولتائيك يك راه حل مناسب و ساده جهت جلوگيري از اين مسئله مي باشد.
 
  يخچالهاي خورشيدي
 
در سالهاي اخير استفاده از يخچالهاي خورشيدي براي سرويس دهي به روستا ها و ارائه خدمات بهداشتي و تغذيه اي در مناطق دور افتاده و صعب العبور رشد روز افزوني داشته است. با توجه به حساسيت داروها، مواد خوراكي و فاسد شدني نسبت به افزايش دما خنك نگهداشتن آنها در حمل و نقل و همچنين در محل نگهداري مهم و خطرناك مي باشد. قابليت اعتماد يخچالهاي خورشيدي بگونه اي است كه در طي 5 سال گذشته بيش از 10000 يخچال خورشيدي براي كاربردهاي بهداشتي و درماني در سراسر آفريقا راه اندازي شده است.
 
 
در شکل شماره (15) نمایی از یک سل فوتوولتائیک نمایش داده شده است که ابعاد تقریبی و مشخصات فنی آن بصورت ذیل می باشد.
 
ابعاد و مشخصات فنی یک پنل فوتوولتائیک به شرح ذیل می باشد.
 
توان : 45 وات
 
ولتاژ: 5/16 ولت
 
جریان:73/2  آمپر
 
ابعاد: 11*462*977 میلی متر
 
 
استفاده از انرژی خورشیدی در طراحی ساختمان
 
امروزه موضوع انرژی یکی از موضوعات مهم و بحث برانگیز محافل اقتصادی است. افزایش جمعیت، اتلاف انرژی و آلودگی های ناشی از سوخت های فسیلی، عواملی هستند که هر روز محدودیت های آینده بشر و مخاطرات آن را گوشزد می کنند. با توجه به محدودیت های موجود، تنها استفاده ازروش های درست مصرف، بهینه سازی وسایل مصرف انرژی و به کارگیری انرژی های نو می تواند بحران انرژی را مهارکند.
 
از زمان انقلاب صنعتی به نظرمی رسد بشر از روش های مصنوعی برای تامین شرایط آسایش در ساختمان استفاده می کند. این روش نه تنها گران است بلکه باعث تخریب محیط زیست می گردد. این است که دوباره توجه معماران و دست اندرکاران صنعت ساختمان به سمت بهره گیری هر چه بیشتر و بهتر از عوامل طبیعی برای گرمایش و سرمایش ساختمان معطوف گردیده است.
 
سابقه استفاده بشر از انرژی های نو بسیار طولانی است و تقریباً به هنگام پیدایش انسان بر می گردد. اما نگاه امروز ها به این منابع انرژی، نگاه ابتدایی و ساده نیست بلکه می خواهیم نیاز امروز  بشر متمدن و صاحب فناوری های بسیار گسترده و پیچیده را  تامین کنیم. بنابراین می بایست انرژی خورشیدی را به انرژی های مورد نیاز تبدیل نمائیم و یا به اصلاح فناوری مصرف کنندگان بپردازیم  به نحوی که بتوانند مستقیماً از انرژی خورشیدی بهره برداری کنند.
 
انرژی خورشیدی، انرژی است ارزان، فراوان، سالم و تمیزکه سالیان متمادی بشر از آن استفاده کرده است اما پس از دستیابی به منابع سوخت فسیلی، تجربیات گذشته را رها کرده و روز به روز به استفاده از این منابع افزود. به طوری که پس از آن چنان مصرف لجام گسیخته واتلاف این منابع، آینده تیره ای درپیش رو است که در آن منابع سوخت پایان یافته است. این دور نما سبب شده تا درگوشه و کنار جهان بار دیگر امکان استفاده از انرژی خورشیدی و بکارگیری آن در گرمایش و سرمایش منازل مسکونی مورد توجه قرار گیرد.
 
 
  کاربرد انرژی خورشیدی درساختمان
 
بخش ساختمان یکی ازعمده ترین بخش های مصرف کننده انرژی است و به همین سبب لازم است توجه ویژه ای به مقوله بهینه سازی مصرف سوخت درساختمان مبذول نمود. از نقطه نظر کلی می توان گفت که با آگاه ساختن مردم، تدوین قوانین مناسب و اصلاح قیمت ها از طریق رفع تدریجی یارانه های دولتی می توان گام موثری در جهت بهبود مصرف سوخت در ساختمان ها برداشت اما جایگزینی انرژی های تجدیدپذیر به طور اعم به جای سوخت های فسیلی که عمده ترین منبع تامین انرژی در کشورمان محسوب می شوند، راه حلی است که مشخصه اصلی آن، آینده نگری و رعایت توأمان حقوق نسل های فعلی و آتی است.
 
‏ روند رو به افزایش انبوه سازی و ساخت مجتمع های مسکونی درکشور، موجب استفاده ازانرژی های طبیعی در مجتمع های مسکونی و چگونگی طراحی این ساختمان ها به صورت سازگار و هماهنگ با طرح های خورشیدی می باشد.
 
منظور از کاربرد انرژی خورشیدی در ساختمان ها بهره گیری هر چه بهتر از نورخورشید درجهت تأمین نیازهای گرمایی و سرمایی و درصورت لزوم تأمین الکتریسیته ساختمان ها می باشد. درمرحله اول با بکارگیری طراحی معماری خورشیدی که تشابه بسیاری با معماری سنتی کشور مان دارد نیازهای گرمایی و سرمایی ساختمان ها به حداقل رسانده می شود. دراین طراحی مسائلی از قبیل : جهت ساختمان، عایق کاری حرارتی، تعیین سطح مناسب پنجره ها، دو جداره کردن پنجره ها در برخی مناطق و استفاده از بعضی ازسیستم های غیر فعال خورشیدی از قبیل دیوار ترومپ درنظر گرفته می شوند که با اعمال این پارامترها، انرژی مورد نیاز این نوع ساختمان ها نسبت به یک ساختمان معمولی(با زیربنای یکسان) درصد قابل توجهی کمتر بوده و میزان این درصد بستگی به بکارگیری میزان این پارامترها و شرایط اقلیمی هر منطقه دارد.
 
از آنجایی که ایران دارای حوزه های اقلیمی مختلف می باشد امکانات انرژی خورشیدی نیز تابعی از این حوزه های مختلف اقلیمی است. بر این اساس برای کاهش انرژی مورد نیاز یک ساختمان می بایست طراحی آن مطابق با اقلیم آن منطقه باشد. درکلیه مناطق مختلف آب وهوایی ساختمان هایی که بر طبق اصول طراحی اقلیمی ساخته شده اند ضرورت گرمایش و سرمایش مکانیکی را به حداقل کاهش می دهند.
 
اطلاعات مورد نیاز برای دستیابی به اهداف فوق را می توان به پنج بخش تقسیم نمود:
 
الف) بررسی خصوصیات تابش خورشیدی
 
ب) بررسی وضعیت دما
 
ج) بررسی خصوصیات میزان بارش و رطوبت
 
 د) بررسی میزان و شرایط وزش باد
 
ه) بررسی خصوصیات عایق کاری
 
دریک طرح خورشیدی دو مسئله اصلی مطرح می شود؛ یکی چگونگی طراحی برای بهره وری بیشتر از انرژی خورشیدی و دیگری چگونگی طراحی برای به حداقل رساندن اتلاف های حرارتی به منظور استفاده بهتر از انرژی بدست آمده که درصورت عدم توجه به هر یک از این موارد، طرح مورد نظر از کارایی لازم برخوردار نخواهد بود. دلیل عمده عدم استقبال اقشار مختلف مردم از استفاده انرژی خورشیدی امری اجتناب ناپذیر است.
 
ذکر این نکته ضروریست که استفاده از انرژی خورشیدی بدون توجه به طراحی اقلیمی ساختمان نه تنها به صرفه نبوده بلکه هزینه های اضافی نیزدر برخواهد داشت. بنابراین توصیه می گردد با تهیه و تدوین ضوابط طراحی الگوی مسکن متناسب با اقلیم هر منطقه، طراحان را وادار به رعایت حداقل استانداردها دراین زمینه بنمایند و نیز در جهت توسعه استفاده از انرژی خورشیدی درساختمان، سیاست های تشویقی و تنبیهی مدون گردد.
 
روش های مختلف کاربرد انرژی خورشیدی در ساختمان
 
v  تامین آب گرم مصرفی : در سیستم های فعال خورشیدی آ ب گرم مصرفی عمدتاً بوسیله آبگرمکن های خورشیدی با استفاده ازکلکتورهای تخت تأمین می شود.
 
v  تامین گرمای مورد نیاز : تأمین درصدی از گرمای مورد نیاز ساختمان ها معمولاً به یکی از روش ها و یا ترکیبی از آنها صورت می گیرد : دیوار ترومپ، گلخانه، استخر های خورشیدی،...
 
v  تامین سرمای مورد نیاز : سرمایش بوسیله انرژی خورشیدی به روش های مختلفی از جمله سیستم های جذبی صورت می گیرد. تامین بار برودتی مورد نیاز ساختمان ها در دوره گرما توسط سیستم های جذبی به گونه ای است که گرمای مورد نیاز ژنراتور چیلرهای جذبی توسط سیستم های خورشیدی از قبیل کلکتورهای تخت با بازدهی بالا و ... تأمین می گردد.
 
 
v    تامین روشنایی : روشنایی ساختمان ها می تواند با استفاده از سلولهای فتوولتائیک تأمین شود. یعنی با محاسبه انرژی مورد نیاز برای روشنایی ساختمان تعداد پانل های فتوولتائیک ( هر پانل از سری، موازی قرارگرفتن چند سلول تشکیل شده است) و ظرفیت باطری ذخیره مورد نیاز مشخص می شود و در نتیجه با استفاده از پانل های خورشیدی و شارژ رگولاتور (که از شارژ و دشارژ بیش از حد باطری جلو گیری می کند) و باطری ذخیره روشنائی مورد نیاز ساختمان تأمین خواهد گردید.
 
 
 
گرمایش و سرمایش ساختمان
 
از آنجا که روزانه انرژی بسیاری صرف گرمایش و سرمایش ساختمان ها می شود، طراحی و اجرای ساختمان هایی که بتواند از انرژی خورشیدی حداکثر استفاده را ببرد بسیار حائز اهمیت است.
 
تأمین نیاز حرارتی ساختمان ها با استفاده ازخورشید به دو طریق فعال و غیرفعال قابل دسترسی است. کیفیت و چگونگی معماری ساختمان به دریافت و ذخیره انرژی خورشیدی درحالت غیرفعال بسیار بستگی دارد درصورتی که گرمایش خورشید بصورت فعال، مستلزم استفاده از گردآورنده های خورشیدی و یک منبع انرژی دیگر جهت انتقال سیال گرم شده به داخل ساختمان می باشد.
 
اگر خانه دارای طراحی استاندارد بوده و در مقابل آفتاب قرارداده شده باشد، می تواند یک خانه خورشیدی غیرفعال باشد، یعنی برای کارکرد مناسب می بایست طوری جهت دهی شده باشد که یکی از دیوارهای اصلی و تعداد زیادی از پنجره ها رو به جنوب باشند. عایق کاری و استفاده از پنجره های مناسب ( شیشه های دوجداره) الزامی و استفاده از مصالح با ذخیره گرمایی بالا مناسب است. در مناطق گرم پنجره های شرقی- غربی باید سایه مناسبی داشته باشند. پنجره های جنوبی نیزمی توانند با سایبان هایی محافظت شوند. پرده ها و سایه اندازهای عایق داخلی نیز می توانند مفید باشد.
 
 
 
  سیستم های غیر فعال خورشیدی
 
در سیستم گرمایش خورشیدی غیر فعال ساختمان به طور طبیعی و با استفاده از عوامل طبیعی مثل خورشید گرمایش انجام می گیرد. بدین معنی که چنین سیستمی این امکان را فراهم می سازد که ساختمان بدون نیاز به انرژی فسیلی و در نهایت با مصرف انرژی بسیار کمی کار کند. در مورد سیستم های گرمایش غیرفعال ساختمان ها روش های مختلفی وجود دارد از جمله ورود مستقیم نور خورشید به داخل اتاق ازطریق پنجره ها، استفاده از دیوار ذخیره کننده انرژی خورشیدی (دیوار ترومپ) و دیوار آبی، استفاده از گلخانه مجاور، استخر یا حوضچه روی بام.
 
 
 
·        شیوه دریافت مستقیم
 
1)     پنجره ها در جنوب ، جنوب غربی و شرقی ساختمان و حتی المقدور دوجداره
 
2)     پنجره های جذب کننده نورخورشید
 
3)     پنجره روی بام شیب دار
 
 
 
·        در شیوه دریافت غیرمستقیم
 
دراین روش تشعشعات خورشیدی به جرم جذب کننده حرارت که بین خورشید و داخل خانه قرار گرفته می تابد، این جرم گرم شده و سپس انرژی خود را به اتاق ها می دهد. در این شیوه معمولاً از دیوار جذب و انباشت حرارت استفاده می شود. مصالح عمده جذب و انباشت حرارت دو نوعند : دیوار ترومب و آب سیستم
 
 دیوار آب و دیوارترومب یکی است ولی در دیوار آب به طریق جابجایی و دیوار ترومب به طریق هدایت حرارت را منتقل می کند. سطح خارجی سیاه و کدر بوده و حرارت جذب شده توسط آن باعث گرم شدن دیوار و سپس آب می شود و حرکت و جابجایی آب سبب انتقال حرارت به دیوار شده و دیوارنیزبوسیله تشعشع هوای داخلی را گرم می کند. یک تانک آب فولادی معمولی می تواند راه حلی مناسب برای تامین این جرم حرارتی باشد زیرا آب بسیار موثرتر از بتن و گچ در ذخیره و پس دادن گرما عمل می کند. مخزن آب در زمستان انرژی خورشید را در طول روز برای گرم کردن خانه درطول شب  ذخیره می کند و خنکای شب هنگام را برای روزهای گرم تابستان درخود نگه می دارد. نکته بسیار مهم این است که مخزن آب باید کاملاً در معرض نور خورشید قرار گیرد.
 
·        در شیوه گلخانه های مجاور
 
شیشه های دو جداره و یا پلاستیک شفاف جهت این کار مناسب هستند. دیوار یبن گلخانه و فضای نشیمن باید با ظرفیت حرارتی بالا باشد ( دیوار آب یا ترومب) درانتخاب مابقی مصالح آزادی عمل بیشترمی باشد. با طراحی خوب تمامی تشعشعات وارده به گلخانه به حرارت تبدیل شده و در این صورت بازدهی 50‏% الی  75% در زمستان است  و مقدار حرارت منتقل شده به اتاق ها 10‏% الی 30% انرژی تابشی است که با اضافه کردن سیستم انباشت کننده مکانیکی این مقدار بیشترمی شود.
 
 
·        در شیوه استخر یا حوضچه روی بام :
 
‏جرم جذب کننده حرارت روی بام قرار گرفته است این شیوه برای سرمایش و گرمایش استفاده می شود. حوضچه ها با جدارهای شیشه ای روی بام باید از ساعت 10صبح الی 14 بعد از ظهر در تابش مستقیم خورشید بوده و در تابستان باید درمعرض هوای آزاد و خنک شب قرار گیرد. ارتفاع آب دربام حدود 5ا الی30  ‏سانتیمتر بوده، لذا اسکلت بنا باید قابلیت تحمل 150ـ300 کیلوگرم آب درهر مترمربع را داشته باشد.
 
این سیستم جهت گرمایش و سرمایش از دو خاصیت مهم برخورداراست :
 
v    نوسانات شدید درجه حرارت در داخل بسیار کم می باشد.
 
v    به علت سطح تشعشع وسیع ( معمولا تمام سقف) کیفیت حرارتی بسیار خوبی در داخل ایجاد می شود.
 
در شب های زمستان محفظه آب باید توسط یک عایق حرارتی محفوظ شود تا گرمای جذب شده در طول روز را سریع از دست ندهد و در روزهای تابستان می بایست کاملا سایه بر روی آن انداخته شود. روی حوضچه ها می تواند در روزهای تابستان باز باشد تا از سرمایش ناشی از تبخیر نیز بتوان بهره گرفت.
 
تامین شرایط آسایش درنقاط مختلف جهان درماه های گرم سال به کمک فرایند سرما سازی امکان پذیر است. مولفه بار سرمایشی در بسیاری از کشور هایی که درمناطق گرمسیری قرار دارند سهم بالایی از بار برق مصرفی را در فصل گرما به خود اختصاص می دهد. سیستم های تراکمی درحال حاضر عمده ترین روش تامین فرآیند سرماسازی و تهویه مطبوع هستند. این سیستم ها از عوامل اصلی تخریب لایه اوزون شناخته شده اند، ضمن آنکه مصرف برق آنها نیز زیاد می باشد. به این لحاظ استفاده ازانرژی خورشیدی برای تامین سرمایش به عنوان جایگزینی برای سیستم های تراکمی مورد توجه قرار گرفته است.
 
  سیستم های فعال خورشیدی
 
سیستم های خورشیدی فعال شامل استفاده ازکلکتورهای انرژی خورشیدی هستند که در دو نوع آبگرمکن و فتوولتائیک وجود دارند. استفاده ازاین وسایل و تجهیزات واسطه می تواند باعث انعطاف پذیری درصرفه جوئی انرژی شود.
 
 
 
آبگرمکن خورشیدی
 
اصول مهم  و عمده ای که بایستی در مورد کلکتورهای آبگرمکن خورشیدی درنظر گرفته شوند عبارتند از :
 
v    نصب کلکتور روی پشت بام ها با زاویه عرض جغرافیایی محل به علاوه 15 درجه می باشد.
 
v  کلکتورها باید به صورتی قرارگیرند که میزان سایه اجسام مانند ساختمان های اطراف، دودکش ها وغیره حداقل باشد. در زمانی که کلکتورها بصورت ردیف های پشت سرهم نصب می شوند باید دقت کافی درمورد عدم ایجاد سایه بعمل آید.
 
   مزایای استفاده از انرژی خورشیدی:
 
v    توليد برق بدون مصرف سوخت
 
v    عدم احتياج به آب زياد
 
v    عدم آلودگي محيط زيست
 
v    امكان تأمين شبكه هاي کوچك و ناحيه اي
 
v    استهلاك کم و عمر زياد
 
v    عدم نیاز به متخصص
 
 
 
   انرژی خورشیدی و محیط زیست:
 
نيروگاه هاي خورشيدي ضمن توليد برق هيچگونه آلودگي در هوا نداشته و مواد سمي و مضر توليد نمي کنند؛ در صورتيكه نيروگاه هاي فسيلي هوا و محيط اطراف خود را با مصرف نفت ـ گاز و يا ذغال سنگ آلوده کرده و نيروگاه هاي اتمي با توليد زباله هاي هسته اي خود که به دلیل تشعشع مواد راديو اکتيو بسيار خطرناك بوده و ضمن ایجاد آلودگی محيط زندگي و مشكلات عظيمي را براي ساکنين کره زمين بوجود مي آورند.
 
 
  هزینه های پنل های خورشیدی:
 
بالا بودن هزینه سرمایه گذاری اولیه در سیستم های برق خورشیدی (فتوولتائیک) مهمترین مسئله بر سرراه توسعه و ترویج این سیستم ها می باشد. حمایت های دولتی و سیاست های تشویقی، توجه به امر تحقیق و توسعه زیر ساختارها و... از جمله فعالیت هایی که در کشورهای پیشرو در این صنعت به رشد، توسعه و ترویج بازار آن کمک های فراوانی نموده است.
 
روند نزولي كاهش هزينه تمام شده برق خورشيدي حاصل از سيستمهاي فتوولتائيك و همچنين پيش بيني برابري آن با قيمت هاي پيك شبكه در سال هاي آتي در شكل (16) ارائه شده است.
 
همانگونه كه در تصوير مشخص است، در سال 2010 هزينه هر كيلووات ساعت انرژي الكتريكي حاصل از سيستم فتوولتائيك باانرژي الکتريکي حاصل از سوخت فسيلي برابر گشته و در سال 2020 الي 2025 اين ميزان با هزينه توليد در شرايط عادي برابر مي گردد. در اين راه، كاهش قيمت پنل و افزايش راندمان پنل ها از ابزار دستيابي به قيمت هاي مذكور مي باشد.
 
در شکل زیر روند کاهش هزینه تمام شده انواع تکنولوژی های تولید پنل فتوولتائیک در جهان ازسال 1995 الی 2020 نشان داده شده است.
 
مشاهده می گردد هزینه تولید پنل های از نوع سیلیکونی بیش از تکنولوژی های دیگر میباشد. اما  همانگونه که در بخش های پیش نیز توضیح داده شده است، باتوجه به کیفیت و راندمان و قابلیت کاربرد سیستم های از نوع سیلیکونی حجم تولیدات و کاربرد آن در جهان در رتبه نخست در میان انواع تکنولوژي های تولید بر خوردار میباشد. همانند کالاها و دیگر محصولات تولیدي ديگر، بازار، قيمت پنل های فتوولتائیک را تعيين و راهبري ميكند. سرمایه گذاری در سیستم های برق خورشیدی در دو بخش سرمایه گذاری ثابت یا اولیه و متغیر به شرح جدول زیر نشان داده شده است.