بهینه یابی زاویة انحرافِ پنلهای آرایه های خورشیدی عمود مورد پژوهش: شهر تهران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشکدة معمارى و شهرسازى، دانشگاه شهید بهشتى

2 کارشناس ارشد رشتۀ فناورى معمارى، دانشگاه شهید بهشتى

چکیده

مصرف بی‌رویة سوخت‌های فسیلی به خسارات جبران‌ناپذیری منجر شده است. بحران انرژی در جهان و کاهش مستمر ذخیره‌های انرژی‌های تجدیدناپذیر، متخصصان را بر آن داشته که به دنبال جانشین مناسب و پاکی برای سوخت‌های فسیلی باشند. از طرف دیگر، با پیشرفت تکنولوژی و افزایش بهره‌وری از انرژی‌های تجدیدپذیر، جهان به سمت استفاده از این منابع لایزال سوق داده شده است. از میان انرژی‌های تجدید‌پذیر، انرژی خورشیدی و پنل‌های فتوولتاییک،‌ به دلیل دسترسی آسان و قابل استفاده بودن در اکثر نقاط کرة زمین، اهمیّت ویژه‌ای دارد. استفاده از این پنل‌ها‌ در صنعت ساختمان‌سازی تا آنجا پیش رفته است که آن‌ها را عناصری برای ساخت ساختمان‌های پایدار دانسته‌اند و کاربرد آن‌ها در جهان و در پروژه‌های مختلف بر روی بام‌ها، نما‌ها، و.... دیده شده است. زاویة قرارگیری پنل‌ها در جبهه‌های مختلف ساختمان (اعم از بام و نما) و بررسی سایه‌اندازی آن‌ها بر روی هم در هنگام استفاده، به منزلة ابزاری برای ساخت، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.در این مقاله راهکاری پارامتریک در افزونة (پلاگین) گرسهاپر برای محاسبة زاویة انحراف بهینة پنل‌های آرایه‌های خورشیدی در حالت‌های عمود (بر روی نماها)، شیب‌دار (بر روی بام‌های شیبدار)، افقی (بر روی زمین‌ها و بام‌های تخت) و در جهت‌گیری‌های مختلف ساختمان برنامه‌نویسی شد و با تعریف شاخص‌هایی عددی در این راهکار، اهمیت و لزوم استفاده از زاویة مذکور در حالت‌های مختلف مشخص گردید و در گام بعدی اعتبارسنجی محاسباتِ آن به اثبات رسیده است. سپس به واسطة آن، و به صورت موردی برای شهر تهران، زاویة انحرافِ بهینة پنل‌ها برای آرایه‌ای مشخص و عمود (بر روی نما) در جهت‌گیری‌های مختلف آن به دست آمد و اهمیت استفاده از این زاویه و همچنین مقدار آن در جهت‌گیری‌های مختلف نما به صورتِ نموداری گزارش داده شد. در این نوشتار اثبات گشت که لزوم استفاده از زاویة انحراف بهینه در جهت‌گیری‌های به سمت شرق و غرب نما به‌مراتب بیشتر از جهت‌گیری ‌به سمت جنوب آن است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Mohammad Tahsildoost

نویسندگان [English]

  • Mohammad Tahsildoost 1
  • Ali Mohammad Shirazi 2
1 Assistant Professor, Faculty of Architecture and Urban Planning, Shahid Beheshti University
2 MSc, Architecture Technology, Faculty of Architecture and Urban Planning, Shahid Beheshti University
چکیده [English]

The growing levels of fossil fuel consumption in recent years has caused irrecoverable damages to the environment. The global pollution crisis and the increasingly dwindling levels of unrenewable energy reserves have prompted experts to seek clean, suitable replacements for fossil fuels. On the other hand, with the recent technological developments and increasingly efficient methods of using renewable energies, there has grown a tendency in sciences towards using such renewable resources. Of particular importance among these resources is solar energy, specially through photovoltaic panels. This is due to the ease of access and use in many parts of the globe, including most parts of Iran. The use of these panels has gone so far as to be considered as an integrated part of sustainable buildings, with their use significantly on the increase. Naturally, the demand for increased efficiency of these tools has required studies on effective efficiency factors. These include particularly important studies on the positioning angles of panels on different facets of the building (both horizontal and vertical), and on their shading on one another when used as building elements. The present paper adopts a parametric method along with software capabilities of these plug-ins in Grasshopper in order to programme and calculate optimised titling angles for solar settings in vertical (wall-mounted), pitched (pitched roof-mounted), horizontal (ground- and flat roof-mounted) positions and in various building orientations, and to define numeric indices to work out the necessity and importance of the optimised angle. The next step was to assess the reliability of calculations and thereby verify the method.
The method was then applied to the case of Tehran to establish optimised tilting angles for a certain vertical panel setting in different orientations with the importance of optimised angles reported through a chart. In conclusion, it was proved that the use of optimised tilting angle for west- and east-facing walls is significantly more than for south-facing wall.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Angle Optimisation
  • Vertical Solar Settings
  • Partial Shading
  • Parametric Calculations (Grasshopper)
  • Angstrom

مراجع

بهادرینژاد، مهدی و بهاره فرهمندپور، «طراحی وبررسی سیستم برق خورشیدی برای یک ساختمان اداری در تهران»، در بیست و یکمین کنفرانس بین المللی برق، 1385.
شمس، محمدحسین. «مروری بر فناوریهای تولید برق از انرژی خورشیدی جهان»، در فصلنامة توسعۀ تکنولوژی صنعتی، جهاد دانشگاهی واحد صنعتی شریف، ش 21 (تابستان 1392)، ص 16-17.
محمدشیرازی، علی. تدوین الگوی نصب پنلهای خورشیدی در نمای ساختمانها، پایاننامة کارشناسی ارشد رشته فناوری (بایونیک) معماری، استاد راهنما: محمد تحصیلدوست، دانشکدة معماری و شهرسازی، دانشگاه شهید بهشتی، 1396.
معینی، سام و شهرام جوادی. «براورد تابش خورشید در ایران با استفاده از یک مدل بهینه»، در نشریه انرژی ایران, ش 34 (تابستان 1389)، ص 1-10.
وفایی، راحیل و شهرام پوردیهیمی. «براورد تابش خورشید روی سطح فتوولتاییکهای یکپارچه با ساختمان»، در صفه، ش 69 (تابستان 94)، ص 19-36.
وفایی، راحیل. سیستمهای فتوولتاییک در ترکیب با معماری، پایاننامة کارشناسی ارشد دانشگاه شهید بهشتی، 1388.
هیئت دولت، مصوبة ابلاغ نرخ خرید تضمینی برق از نیروگاههای تجدیدپذیر و پاک، 19/2/96.
Appelbaum, J. & J. Bany. “Shadow Effect of Adjacent Solar Collectors in Large Scale Systems”, in Solar Energy, Vol. 23 (1979), pp. 497-507.
Bany, J. & J. Appelbaum. “The Effect of Shading on the Design of a Field of Solar Collectors”, in Solar Cells, Vol. 20 (1987), pp. 201-228.
Benghanem, M. “Optimization of Tilt Angle for Solar Panel: Case Study for Madinah, Saudi Arabia”, in Applied Energy, Vol. 88 (2011), pp. 1427-1433.
Blanco, Jesús M., et al. “Energy Assessment and Optimization of Perforated Metal Sheet Double Skin Façades through Design Builder; A Case Study in Spain”, in Energy and Buildings, 111 (2016), pp. 326-336.
Du, J. & R. Xu & X. Chen & Y. Li & J. Wu, “A Novel Solar Panel Optimizer with Self-compensation for Partial Shadow Condition”, in Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE, 2013, pp. 92-96.
Hafez, A. & A. Soliman & K. El-Metwally & I. Ismail. “Tilt and Azimuth Angles in Solar Energy Applications–A Review”, in Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 77 (2017), pp. 147-168.
Hartner, M. & A. Ortner & A. Hiesl & R. Haas. “East to West–The Optimal Tilt Angle and Orientation of Photovoltaic Panels from an Electricity System Perspective”, in Applied Energy, Vol. 160, pp. 94-107, 2015.
Hay, J.E. “Calculation of Monthly Mean Solar Radiation for Horizontal and Inclined Surfaces”, in Solar Energy, Vol. 23 (1979), pp. 301-307.
Hinrichsen, K. “The Ångström Formula with Coefficients Having a Physical Meaning”, in Solar Energy, Vol. 52 (1994), pp. 491-495.
Ishaque, K. & Z. Salam, “A Review of Maximum Power Point Tracking Techniques of PV System for Uniform Insolation and Partial Shading Condition”, in Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 19 (2013), pp. 475-488.
Kacira, M. & M. Simsek & Y. Babur & S. Demirkol. “Determining Optimum Tilt Angles and Orientations of Photovoltaic Panels in Sanliurfa, Turkey”, in Renewable Energy, Vol. 29 (2004), pp. 1265-1275.
Kaddoura, T.O. & M.A. Ramli & Y.A. Al-Turki. “On the Estimation of the Optimum Tilt Angle of PV Panel in Saudi Arabia”, in Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 65 (2016), pp. 626-634.
Kadri, R. & J-P. Gaubert & G. Champenois. “New Converter Topology to Improve Performance of Photovoltaic Power Generation System under Shading Conditions”, in Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2011 International Conference on, 2011, pp. 1-7.
Kazmi, S.M.R. & H. Goto & O. Ichinokura & H-J. Guo. “An Improved and very Efficient MPPT Controller for PV Systems Subjected to Rapidly Varying Atmospheric Conditions and Partial Shading”, in Power Engineering Conference, 2009. AUPEC 2009. Australasian Universities, 2009, pp. 1-6.
Khoo, Y.S. & A. Nobre & R. Malhotra & D. Yang & R. Rüther & T. Reindl, et al. “Optimal Orientation and Tilt Angle for Maximizing in-plane Solar Irradiation for PV Applications in Singapore”, in IEEE Journal of photovoltaics, Vol. 4 (2014), pp. 647-653.
Liu, X. & X. Mei & Y. Li & Y. Zhang & Q. Wang & J. R. Jensen, et al. “Calibration of the Ångström–Prescott Coefficients (a, b) under Different Time Scales and their Impacts in Estimating Global Solar Radiation in the Yellow River Basin”, in Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 149 (2009), pp. 697-710.
Loutzenhiser, P.G., et al. “Empirical Validation of Models to Compute Solar Irradiance on Inclined Surfaces for Building Energy Simulation”, in Solar Energy, 81(2) (2007), pp. 254-267.
Martinez-Lozano, J. & F. Tena & J. Onrubia & J. De La Rubia. “The Historical Evolution of the Ångström Formula and its Modifications: Review and Bibliography”, in Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 33 (1984), pp. 109-128.
Muzathik, A. & M. Ibrahim & K. Samo & W.W. Nik. “Estimation of Global Solar Irradiation on Horizontal and Inclined Surfaces Based on the Horizontal Measurements”, in Energy, Vol. 36 (2011), pp. 812-818.
Norris, D. “Solar Radiation on Inclined Surfaces”, in Solar Energy, Vol. 10 (1966), pp. 72-76.
Sick, F. & T. Erge. Photovoltaics in Buildings: A Design Handbook for Architects and Engineers, Earthscan, 1996.
Sinha, S. & S. Chandel. “Optimum Tilt Angles for Maximum Power Generation by Photovoltaic Systems in Western Himalayan State of Himachal Pradesh, India”, in Power Electronics (IICPE), 2016 7th India International Conference on, 2016, pp. 1-6.
Weinstock, D. & J. Appelbaum. “Optimal Solar Field Design of Stationary Collectors”, in Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 126 (2004), pp. 898-905.
Weinstock, D. & J. Appelbaum. “Optimization of Economic Solar Field Design of Stationary Thermal Collectors”, in Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 129 (2007), pp. 363-370.
Yadav, A.K. & H. Malik & S. Chandel. “Tilt Angle Calculation for Installation of PV Systems for Mountainous Regions of Himachal Pradesh India”, in Electrical Power and Energy Systems (ICEPES), International Conference on, 2016, pp. 205-209.
Yadav, A.K. & S. Chandel. “Tilt Angle Optimization to Maximize Incident Solar Radiation: A Review”, in Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 23 (2013), pp. 503-513.
Zhen, Z. & Z. Zengwei & S. Li & W. Jun & P. Wuchun & L. Zhikang, et al. “The Effects of Inclined Angle Modification and Diffuse Radiation on the Sun-Tracking Photovoltaic System”, in IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 7 (2017), pp. 1410-1415.
http://amarista.ir/content/statistics/395/
http://www.gadirsolar.es/en/fv-modules.html
http://www.suna.org.ir/ationoffice (سایت انرژیهای نوی ایران)
https://www.accuweather.com/fa/ir/tehran
 

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 10 دی 1397
  • تاریخ بازنگری: 07 بهمن 1399
  • تاریخ پذیرش: 11 دی 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار