توجه به مبحث انرژی چه به لحاظ آلودگی و چه از نظر محدودیت منابع از موضوعات اصلی دهه­ های اخیر به شمار می­ رود و ­باید تا حد امکان از اتلاف انرژی جلوگیری نمود. افزایش تقاضای انرژی در کنار نگرانی­های زیست­ محیطی، شرایط مثبتی را برای استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مطرح کرده است و همراه با پیشرفت مداوم در فناوری این منابع متخصصان به دنبال چاره ­اندیشی برای تولید انرژی به روش­ های مختلف هستند. تولید برق خورشیدی توسط فتوولتائیک­ ها یکی از این روش ­های پاک و بدون آلودگی است و انتظار می­ رود در آینده نزدیک نقش مهمی را در تقاضای برق و کاهش گازهای گلخانه­ ای ایفاء کند. ساختمان یکپارچه با فتوولتائیک نیز از راهکارهای مناسب برای نیل به این مقصود است؛ در این ساختمان­ ها، پنل­ های فتوولتائیک به عنوان بخشی از پوسته خارجی ساختمان در فرایند طراحی معماری درنظر گرفته می­ شوند و هدف از آن ها استفاده از فضای نما و بام (با یک ترکیب رضایت­بخش) برای تولید انرژی در همان جایی است که مصرف می­ شود.

به دلیل وابستگی زیاد عملکرد پنل­ های فتوولتائیک به در دسترس بودن تابش خورشید در محل مورد نیاز شایسته است که معماران برای طراحی این ساختما­ن­ ها، درک درستی از تابش خورشید و میزان کارایی پنل­ های فتوولتائیک داشته باشند. از اینرو در این مقاله ضمن بیان مدل­ های محاسبه تابش خورشید ابتدا مدل انتخابی بطور کامل معرفی و  سپس با استفاده از این مدل برای ترکیب فتوولتائیک­ ها با ساختمان در شهر تهران، میزان تابش دریافتی از خورشید روی سطوح مختلف تعیین شده است.  بدین ترتیب قابلیت تحلیل و مقایسه فراهم می شود و نتایج حاصل از آن می­تواند راه گشای طراحی و جهت­ یابی مطابق با خورشید، به منظور دستیابی به بهره­ وری بهتر و بازدهی بیشتر از آن ها باشد.

 شدت تابش خورشید و پنل خورشیدی:
 در قسمتی از بدنه یا جعبه پنل های خورشیدی به عددی اشاره می شود که معرف توانی است که انتظار می رود یک چنین پنلی قادر به تولید آن باشد (برحسب وات) البته مشروط بر آن که تابش خورشید در هر مترمربع از محل مورد نظر، 1000 وات در نظر گرفته شود. این شدت تابش یعنی 1000 وات بر مترمربع، رقمی است که در ساعات میانی و به خصوص ظهر هنگام اواسط تابستان می توان به آن دست یافت. بنابراین توقع نداشته باشید که با احتساب یک میانگین روزانه، به چنین رقمی برسید. با دانستن شدت تابش خورشید در مکان مورد نظر و با در نظر گرفتن میانگین روزانه آن یعنی تعداد (کیلووات ساعت ها بر مترمربع در روز ) و با ضرب کردن این رقم در توان پنل های خورشیدی (برحسب وات)، می توان حدود انرژی دریافتی روزانه توسط پنل ها را مشخص نمود.

محاسبه شدت تابش خورشید:

شدت تابش خورشید از یک جا تا جای دیگر در تغییر بوده و میزان آن در ایام مختلف سال نیز عوض می شود. اگر می خواهید یک برآورد تقریبی منطقی داشته باشید باید برای هر مکان خاص و هر موقعیت زمانی مشخص، شدت تابش ویژه ای را در نظر بگیرید. با تسهیلاتی که سازمان فضایی و هوانوردی ملی آمریکا (ناسا) فراهم آورده، یافتن شدت تابش نور خورشید در نواحی مختلف، بسیار ساده شده است. ماهواره های هواشناسی ناسا، شدت تابش نور خورشید را در جای جای کره خاکی ما استخراج کرده ودر اختیار کاربران قرار داده اند.
 
جذب میزان بیشتری از انرژی خورشیدی:
 شیب یا انحراف پنل خورشیدی از راستای عمودی، در میزان انرژی جذب شده مؤثر می باشد، با یک آزمایش عملی ساده می توان پی برد که میزان انرژی دریافتی پنل هایی که به صورت عمودی از یک دیوار آویخته شده اند و هم چنین پنل هایی که مستقیماً و به صورت تخت و افقی بر روی زمین نصب گردیده اند. به مراتب کمتر از مقدار انرژی جذب شده  توسط نمونه هایی است که سطح آن ها به سمت خورشید نشانه رفته و در واقع پنل ها به صورت زوایه دار و اُریب نصب گردیده اند. در صورتی که پنل خورشیدی را به صورت زاویه دار نصب کرده و آن را به صورت متمایل به راستای تابش نور خورشید نشانه روید، قادر به جذب انرژی بیشتری بوده و طبیعتاً توان بیشتری را هم به دست خواهید آورد. اثر این کار در ماه های فصل زمستان که به نظر میرسد خورشید در ارتفاع پایین تری از آسمان واقع شده، محسوس تر می باشد. علت خیلی ساده است؛ وقتی خورشید در نقطه اوج خود قرار دارد، شدت تابش اشعه آن زیادبوده و با گذشت زمان و چرخش خورشید در آسمان، ارتفاع ظاهری آن نسبت به مکان مورد نظر کم شده و اشعه نور آن به صورت مایل دریافت می شود، همان مقدار نور، به مساحت بیشتری تقسیم میگردد.
همان طوری که ملاحظه می کنید، متناسب با زاویه تابش نور خورشید به محل مورد نظر، شدت تابش تغییر می کند. وقتی خورشید دقیقاً در بالای سرمان واقع می شود، تعدادی از پرتوهای نوری خورشید به اندازه 1 متر، محوطه ای به پهنای 1 متر را در روی سطح زمین مورد اصابت خود قرارمی دهند(شکل سمت چپ) هنگامی که مطابق شکل سمت راست، زاویه تابش شعاع های نور خورشیدبا زمین فرضاً 30 درجه می گردد. همان مقدار پرتورهای قبلی با پهنای 1 متر، این بار فضایی در حدود ۲متر از زمین را هدف قرار می دهند. به این ترتیب ملاحظه می شود که شدت تابش نور خورشید در حالت دوم یعنی با زاویه ای 30 درجه، نسبت به حالت اول یعنی 90 درجه، نصف می گردد (یادآوری: در مثلث قائم الزاویه، ضلع روبروی زاویه ی 30 درجه، نصف وتر است).

تأثیر شیب پنل بر شدت تابش نور خورشید:

با شیب دادن و متمایل ساختن پنل ها به سمت خورشید، انرژی بیشتری جذب شده و به تبع آن، برق بیشتری تولید خواهیم کرد. در بسیاری از موارد، اندازه این زاویه به شیب شیروانی ساختمان مورد نظر بستگی دارد هر چند که در سال های اخیر و با تحقیقات صورت پذیرفته و ارائه جداول مختلف، برای هر مکان خاص می توان به زوایای بهینه ای دست یافت که با حداکثر انرژی دریافتی همراه و توأم باشد.

 محاسبه شیب بهینه پنل:

به دلیل زاویه  23/5  درجه ای که محور گردش زمین با صفحه گردش آن به دور خورشید می سازد. شیب بهینه پنل های خورشیدی در طول سال، بسته به فصول مختلف تغییر می کند. درپاره ای از موارد و با توجه به شرایط و موقعیت نصب پنل ها، این امکان وجود دارد که شیب آن ها را به صورت ماهیانه تغییر داده و تنظیم کرد در حالی که در بسیاری از حالات، تغییر دادن زاویه پنل هامقدور نبوده و آن ها را به صورت ثابت نصب می نمایند محاسبه ی شیب بهینه پنل ها دشوار نبوده و از رابطه ی زیر به دست می آید:

عرض جغرافیایی-90 درجه  = بهترین زاویه ی ثابت پنل در طول فصول سال

محاسبه توان تولیدی پنل خورشیدی:

                شدت تابش نور خورشید × وات نامی پنل = وات ساعت در روز

همان طور که ملاحظه کردید رقم مربوط به شدت تابش ، به ماه مورد نظر و شیب پنل بستگی دارد. برای مثال فرض کنید یک پنل خورشیدی20 وات داریم و در شهر لندن و در ماه های خرداد آذر، آن را به دو صورت تخت و زاویه ی 38درجه  قرار داده ایم و به جهت به دست آوردن انرژی دریافتی روزانه می توان به طریق زیر عمل کرد.

کاربرد زاویه چینش آرایه ها:

با این همه، همین حساب های تقریبی و سرانگشتی هم بسیار مفید فایده بوده و می توانند در برآورد هزینه های تقریبی یک سیستم برق خورشیدی، مؤثر واقع شوند. این محاسبه بسیار ساده بوده و کافی است رقم به دست آمده از تعداد وات ساعت ها در روز را به رقم مربوط به بدترین وضعیت شدت تابش خورشید ماهیانه (یعنی ماه آذر) تقسیم کرد. این کار آنقدر ارزش دارد که با صرف کمی وقت، پنل ها را در زوایای مختلف قرار داده و نتایج حاصله را با هم مقایسه کنیم.

مقایسه اطلاعات داده شده در جدول فوق مشخص می کند که بسته به نحوه زاویه دهی پنل ها، انتخاب نمونه هایی در حد 643 الی 1159 وات، کل نیازهای الکتریکی خانه فرضی مورد نظر ما در ماه آذر را مرتفع می سازد.

 راندمان آرایه خورشیدی:

پنل های خورشیدی را با را با حداکثر توان خروجی شان می سنجند حداکثر توان خروجی پنل های خورشیدی، در هوای صاف و آفتابی و در ولتاژی بین 15 الی 42 ولت ایجاد می گردد. هر چند که اکثر اینورترها، باتری ها و کنترل کننده ها، قادر به استفاده از این ولتاژ نبوده و ولتاژ مزبور را باید به طریقی کاهش داد تا با ولتاژ ورودی آن ها هم خوانی پیدا کند و همین کم کردن ولتاژ، خود، باعث اُفت توان هم می گردد. از نقطه نظر انرژی تابشی موجود در یک محل، در قیاس با مقدار انرژی جذب شده به توسط آرایه، راندمان یا بازدهی در حدود 75 ٪ ملاحظه می گردد.

خوش بختانه برای بالا بردن بازده و جبران این گونه تلفات می توان اینورترها و کنترل کننده هایی را ابتیاع نمود که با بهره گیری از یک قابلیت ویژه به نام  ردیاب یا جستجوگر حداکثر توان( با حرف اختصاری  MPPT )، باعث ایجاد بیش ترین توان ممکن می گردند. قابلیت مزبور، ولتاژ دریافتی از آرایه خورشیدی را به گونه ای تنظیم می کند که با تأمین ولتاژ صحیح مورد نیاز باتری ها یا اینورتر، این اُفت را حذف کرده یا لااقل میزان آن را کاهش می دهد. راندمان یا بازده این ردیاب ها بین 901 تا 95 ٪ می باشد هرچند که با توجه به گران بودن کنترل کننده های مجهز به این قابلیت نسبت به انواع فاقد آن ها و هم چنین گرانی اینورترهای مشابه، درموقع خرید باید به این اختلاف هزینه های اولیه توجه کرده و پیامدهای مثبت و منفی آن ها را مدنظر قرار داد.

به طور کلی، کنترل کننده های مجهز به قابلیت MPPT در توان های بیش از 200 وات و اینورترهای مشابه، در توان های بالاتر از 300 وات، مقرون به صرفه و اقتصادی می گردند. ضمناً توجه داشته باشید که در سیستم های متصل به شبکه که اینورتر، مستقیماً از پنل های خورشیدی تغذیه می گردد، حتماً به یک نمونه مجهز به قابلیت ردیابی حداکثر توان نیاز خواهید داشت ولی اگر می خواهید اینورتر را از یک یاچند باتری تغذیه کنید، اجباری به خرید یک نمونه مجهز به قابلیت ردگیری حداکثر توان ندارید خلاصه اگر می خواهید مسئله عدم بازدهی صد در صد یا اُفت توان را هم در محاسباتتان منظور نمایید، مراقب باشید که در صورت استفاده از اینورتر یا کنترل کننده مجهز به قابلیت MPPT ، رقم نهایی محاسبه شده را به 0/9 تقسیم کرده و اگر از نمونه های فاقدMPPT بهره گرفته اید عدد مزبور را به 0/75  تقسیم نمایید. در این صورت خلاصه ی محاسبات به شرح زیر جمع بندی می گردد:

 تأثیر دما پنل خورشیدی:

وقتی پنل های خورشیدی در دماهای پایین و نواحی سردسیری مورد استفاده واقع می شوند، در مقایسه با اقلیم ها و مناطق گرمسیری، عملکرد بهتری را ارائه داده و توان تولیدی در دماهای پایین به مراتب بیشتر از دماهای بالا خواهد بود. به این ترتیب مشاهده می شود که برق تولیدی یک سیستم فتوولتایی در یک روز غبارآلود و نه چندان صاف و آفتابی ولی همراه با وزش باد ملایم و خنک، بیشتر ازیک روز صاف و آفتابی و فاقد وزش باد است.

وقتی پلاک مشخصات پنل های خورشیدی را کنترل می کنید توجه داشته باشید که توان یا وات نامی قید شده، مربوط به تابش دهی 1000 وات بر مترمربع و در دمای ۲5 درجهی سانتیگراد می باشد. لذا باید انتظار داشت که برق تولیدی این پنل ها در دماهای پایین تر از25 درجه، بیشتر و در دماهای بالاتر از آن، کمتر از حد مورد نظر باشد وقتی پنل ها در مقابل تابش نور خورشید قرار می گیرند، گرم شده و قسمت عمده این گرما، ناشی ازجذب اشعه مادون قرمز نور خورشید می باشد و باز به دلیل مشکی یا تیره بودن رنگ آن ها، افزایش دمایشان هم قابل ملاحظه و محسوس خواهد بود. تجربه نشان داده که در نواحی گرمسیری، دمای سطح این پنل ها به راحتی به حدود 80 الی 90 درجهی سانتیگراد هم می رسد. اکثر سازندگان پنل های خورشیدی اطلاعاتی را در اختیار کاربران می گذارند تا آثار این تغییرات دما  بر روی عملکرد پنل ها را به آن ها گوشزد نمایند. این اثر که به (ضریب دمایی توان نامی) موسوم است با  درصدی از کاهش توان به ازای هر درجه سانتیگراد افزایش دما، مشخص می گردد.

معمولاً اندازه ی این پارامتر چیزی در حدود 0/5 درصد می باشد یعنی با هر درجه سانتیگراد بالا رفتن دمای محیط، بازده آرایه خورشیدی به میزان 0/5 درصد کاهش می یابد و بالعکس، با هر درجه سانتیگراد پایین آمدن دما، بازده آرایه به اندازه 0/5 درصد افزایش می یابد ،در جدول زیر درصورتی که اندازه این ضریب را همان 0/5 درصد در نظر بگیریم، تأثیر تغییرات دما بر یک پنل خورشیدی 100 وات به شرح  زیر خواهد بود.

با درک این مسئله که خنک نگه داشتن پنل ها چه تأثیر قابل ملاحظه ای در کارایی آن ها دارد، بهتر است در موقع نصب و طراحی محل استقرار پنل ها، تا حد امکان تمهیداتی را پیش بینی کنید که جریان آزاد هوا از زیر و روی آن ها عبور نماید. اگر هدفتان نصب پنل ها بر روی بام یا شیروانی است حتماً یک بادخور 7 الی 10 سانتیمتری را بین سطح شیروانی یا بام و بدنه پنل ها در نظر داشته باشید. البته به جای خوابانیدن مستقیم پنل ها بر روی شیروانی یا بام می توان آن ها را ابتدا بر روی یک قاب یا پایه سوار کرد که در این صورت هدف مزبور یعنی فاصله دهی و جریان پیدا کردن هوا، به صورت خودکار تأمین می گردد. در مواردی که قرار است پنل ها بر روی شیروانی نصب گردند و در صورتی که میانگین سالیانه دمای هوای محل در حدود 25 درجه سانتیگراد و بیشتر است، برای یافتن دمای واقعی پنل ها، عدد مزبور را در 1/4  ضرب کرده و اگر قرار است پنل ها، بر روی یک دیرک مستقر شوند، برای یافتن  دمای واقعی دمای محل  را در  1/2 ضرب نمایید.