سیستم فوتوولتاییک به سیستمی گفته می شود که می­تواند به طور مستقیم پرتوهای تابیده شده از یک منبع حرارت (برای مثال شعله حاصل از سوخت­های فسیلی) را با استفاده از سلول­های فتوولتاییک به انرژی الکتریکی تبدیل کند. از آنجاییکه مصرف انرژی در جهان رو به افزایش است یافتن شیوه ها و منابعی که جایگزین سوخت های فسیلی باشد، اهمیت دو چندانی می یابد. از این رو با بهره گیری از این عنصر در خانه هوشمند می توان از تاثیرات منفی استفاده از سوخت­های فسیلی، آلودگی و اثرات مخرب و نامطلوب آن بر محیط زیست دوری گزید. این تبعات منفی به یافتن انرژی جایگزین منجر شده است. از تاثیرات استفاده از این سوخت ها بر زندگی انسان­ها و سایر موجودات درکره زمین این است که موجب تلاش گسترده ای در جهت یافتن منابع تولید انرژی جایگزین در دنیا گشته است. تولید همزمان مولد­های برق و حرارت و تولید پراکنده را می­توان به عنوان استراتژی کلیدی در جهت کاهش مصرف انرژی و اجتناب از آلودگی زیست محیطی به حساب آورد. با توجه به این نکات، با بهره گیری از تکنولوژی سیستم فتوولتاییک می‌‌‌‌توان، تاثیرات شگرفی را مشاهده نمود. براساس این تکنولوژی یک مشعل گاز خانگی این قابلیت را خواهد داشت که تمام انرژی گرمایی و الکتریکی مورد نیاز منزل مسکونی را تامین نماید. در بررسی پیش رو به مطالعات اولیه و ارایه مفاهیم بنیادین و مقایسه تکنولوژی سیستم فتوولتاییک خورشیدی با سایر تکنولوژی‌های تولید مستقیم برق از حرارت می‌‌‌‌پردازیم و در پایان پتانسیل این تکنولوژی برای تامین نیازهای انرژی ساختمان بررسی می­ گردد.

سیستم فوتوولتاییک ( Photovoltaics) یا به اختصار PV، یکی از انواع سامانه‌های تولید برق از انرژی خورشید است. در این روش با بکارگیری سلول‌های خورشیدی، می توان انرژی الکتریسیته را از تابش خورشید تولید نمود. متریال به کار رفته در سلول‌های خورشیدی از نوع نیمه رسانا است که از سیلیسیوم تشکیل شده،  سیلیسیوم دومین عنصر فراوان بر روی پوسته زمین، می باشد. وقتی نور خورشید به یک سلول فوتوولتاییک می‌تابد، بین دو الکترود منفی و مثبت اختلاف پتانسیل الکتریکی بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها می‌گردد. سلول فوتوولتایک را می‌توان در دسته فناوری‌های انرژی‌های تجدید پذیر قرار داد.

سیستم فوتوولتاییک خانه هوشمند

پس از تابش نور خورشید به یک سلول سیستم فوتوولتائیک ،الکترون‌های موجود در آن انرژی بیشتری بدست آورده و با تابش نور خورشید، الکترون‌ها در سلول نیمه هادی پلاریزه می گردند، الکترون‌های منفی در سیلیکون نوعN  و یون‌های مثبت در سیلیکون نوع P تشکیل می شوند. در این حالت بین دو الکترود، اختلاف پتانسیل بوجود می آید و این امر موجب ایجاد جریان بین آن‌ها می گردد. از آنجا که سلول هایPV  کوچک و شکننده هستند و تنها مقدار کمی برق تولید می‌کنند و آنها را به صورت مدول شکل می‌دهند. مدولها در اندازه‌های متنوع ساخته  می‌شوند ولی به دلیل راحت بودن درجابجایی، ابعاد آن‌ها به ندرت از ۹۰ سانتیمتر عرض در ۱۵۰ سانتیمتر طول بیشتر میشود. هنگامی که دو سلول با مدول در یک ردیف متصل می‌شوند ولتاژ آنها دو برابر می‌گردد و هنگامی که موازی با هم متصل می‌شوند جریان برق آن دو برابر می‌شود.

اجزای سیستم فوتوولتاییک

یک سیستم فتوولتائیک بصورت کلی تشکیل شده از: صفحه‌ها (پانل‌های) خورشیدی، مبدل برق مستقیم به متناوب، دستگاه کنترل‌کننده، باتری‌های ذخیره، کابل‌های ارتباط، سازه فلزی یا ساختمانی.

پانل‌های خورشیدی سیستم فوتوولتاییک

آرایه‌های فوتوولتائیک به‌صورت کلی به دو حالت سری یا موازی به هم متصل می‌شوند. که عبارتند از تعدادی ماژول که به هم متصل شده‌اند و از اجتماع پانل‌ها آرایه‌ها به وجود می‌آیند. این آرایه‌ها به حالت ثابت یا ردیاب متحرک که بنابر فصل با زاویه تابش خورشید خود را تطبیق می‌دهند، نصب می‌شوند. ردیاب‌ها بر دو نوع هستند، ردیاب‌هایی که بر روی یک محور یا بر روی دو محور دوران می‌کنند و ردیاب‌ها همواره پانل‌های خورشیدی را در جهت تابش خورشید نگاه داشته بنابراین موجب افزایش راندمان خروجی پانل‌ها تا ۲ برابر می‌گردند.

باتری

ولتاژ مورد نیاز سیستم فوتوولتاییک  را تأمین می‌نماید. در سیستم‌های منفصل از شبکه، انرژی ذخیره شده در باتری‌ها، در هنگام شب یا مواقع ضروری دیگر به کار گرفته می‌شود. در سیستم‌های پشتیبانی در مواقع قطع برق شبکه سراسری از باتری استفاده می‌شود، سیستم‌های متصل به شبکه نیازی به باتری ندارند.

جهت گیری پنلهای سیستم فوتوولتائیک

حداکثر جمع‌آوری امواج تابشی خورشید هنگامی رخ می دهد که کلکتور، عمود بر پرتوهای تابش مستقیم باشد. از آنجا که خورشید هم به صورت روزانه و هم سالانه حرکت می‌کند تنها یک کلکتور لولایی دو محوری می‌تواند میزان جذب را در طول سال به حداکثر برساند. با این حال کلکتورهای لولایی تنها در اقلیم‌های خشک که اکثراً دارای پرتوهای تابشی مستقیم می‌باشند می‌تواند برتری داشته باشد و حتی در آنجا نیز ۱۰ تا ۲۰ درصد امواج تابشی خورشید به شکل پخشی می باشد. در اکثر اقلیم‌های آفتابی و مرطوب، چیزی در حدود یک دوم امواج تابشی خورشید مستقیم است در حالیکه در اقلیم‌های ابری ۸۰٪ یا بیشتر، امواج تابشی بصورت پخشی می‌باشند. در صورت یکپارچگی با ساختمان نیز می‌بایست جهت‌گیری و زاویه مناسبی را مورد توجه قرار داد. بهترین زاویه برای یک آرایه PV اساساً تابع زمانی از سال است که بیشترین مقدار برق در آن مورد نیاز ‌باشد. اقلیم‌های گرم بیشترین الکتریسیته را در طول تابستان جهت تهویه مطبوع نیاز دارند در حالیکه اقلیم‌های سرد نیاز به حداکثر الکتریسیته در زمستان برای پمپها و پنکه‌های سامانه‌های گرمایش و روشنایی دارند. معمولاً جهت گیری مطلوب رو به جنوب است با این حال تا ۲۰ درجه به سمت شرق یا غرب از جهت جنوب افت بسیار ناچیزی در سامانه وجود خواهد داشت ، با این حال مقدار بارهای روزانه نیز می‌تواند بر جهت گیری تأثیر بگذارد.

صفحات نمای ساختمان

نماها، اکثریت سطح پوسته یک ساختمان را اشغال می‌نمایند. در حقیقت یک نما نخستین احساس بصری از ساختمان را به بینندگان خود انتقال می‌دهد و معماران بنا نیز با استفاده از نما به بیان ایده‌ها و ترجمه خواسته‌های کارفرما با زبانی ویژه از شکل و رنگ می‌پردازند. مدولهای استاندارد فتوولتائیک می‌توانند به دیوار موجود ساختمان در جهت تأمین نمایی موفق به لحاظ زیبایی شناختی متصل شوند. این واحدها بدون نیاز به عایق به سازه متصل می‌شوند که این عمل توسط زیرسازی شبکه‌ای در مدولهای فتوولتائیک صورت می‌گیرد، بنابراین سیستم‌های فتوولتائیک می‌توانند به عنوان بخش مهمی از عناصر نمای ساختمان مطرح گردند. نمای اصلی یک لایه فتوولتاییک به عنوان مصالح پوششی، مشابه یک شیشه رنگی است. لایه‌های سیستم فتوولتاییک حفاظت طولانی مدت در برابر شرایط جوی را تأمین نموده و می‌توانند در هر اندازه، شکل، طرح و رنگی، برش و تهیه شوند و حتی قسمتی از نور روز را نیز به داخل ساختمان برسانند. این عناصر ساختمانی می‌توانند به عنوان صفحات ساده نما، عناصر چند عملکردی برای نماهای سرد و گرم و یا حتی به عنوان سیستم سایه انداز یا بازشوعمل نمایند.