رشد شهرنشینی، کاهش ذخایر سوخت های فسیلی، بحران زیست محیطی و افزایش تنش های ژئوپلیتیکی همگی دلایلی برای اولویت دادن به شهرهایی با دسترسی به منابع انرژی پایدار و تجدیدپذیر هستند. ساختمان های سبز در این زمینه اهمیت بسزایی دارند. این ساختارها با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و بهبود بهره وری انرژی، وابستگی خود را به شبکه های انرژی الکتریکی کاهش می دهند [1]، [2]، [3، [4]، [5]. در نتیجه دستیابی به این هدف، مناطق شهری از نظر تامین انرژی خودکفاتر می شوند. علاوه بر کاهش قیمت انرژی، تولید آلاینده های زیست محیطی و پیامدهای اقلیمی کاهش می یابد. برای مدیریت انرژی در ساختمان‌های سبز، این مطالعه روشی را برای کنترل بارهای روشنایی متصل به فتوولتائیک‌های یکپارچه ساختمان (BIPV) پیشنهاد می‌کند. فتوولتائیک های مجتمع ساختمانی (BIPV) سیستم های مولد انرژی خورشیدی هستند که در اجزای ساختمان از جمله دیوارهای خارجی، سقف ها و پنجره ها گنجانده شده اند [6، [7]، [8]، [9]، [10]. روش پیشنهادی با در نظر گرفتن نوسانات تولید انرژی فتوولتائیک یکپارچه ساختمان‌های سبز، انعطاف‌پذیری بارهای روشنایی را افزایش می‌دهد. با توجه به مدل پیشنهادی، زمانی که تولید انرژی کاهش می‌یابد، بارهای روشنایی در سطوح پایین‌تری عمل می‌کنند و در نتیجه انرژی کمتری مصرف می‌کنند و به سیستم‌های خورشیدی اجازه می‌دهند برای مدت طولانی‌تری استفاده شوند.

این استراتژی همچنین برای طیف گسترده ای از بارها در یک تنظیمات اعمال می شود. برای ارزیابی نیازهای مصرف انرژی ساختمان ها، تقاضاها به دو دسته اساسی و انعطاف پذیر تقسیم می شوند. بسته به مشخصات هر محیط، بخشی از مصرف ارائه شده به طور مداوم به عنوان بارهای اساسی در نظر گرفته می شود. این بارها ممکن است به دلیل اولویت تامین بالاتر یا مشکلات کنترل پذیری در این دسته طبقه بندی شده باشند. بارهای انعطاف پذیر نوع دیگری با انعطاف پذیری بیشتر به دلیل قابلیت کنترل مناسب یا اولویت عرضه کمتر است. برای مدیریت بهینه مصرف انرژی در ساختمان های ادغام شده با سیستم های فتوولتائیک، بارهای انعطاف پذیر در سطح کاهش یافته برای جبران کاهش تولید انرژی عرضه می شود. تولید انرژی BIPV به دلیل عوامل مختلف مانند نوسانات تولید در دوره های مختلف (روزانه، فصلی و غیره) یا کاهش راندمان تولید ناشی از قدیمی شدن تجهیزات مانند باتری ها، اینورترها و پنل های خورشیدی کاهش می یابد. روشنایی یکی از بارهای انعطاف پذیر است که می تواند به تغییرات در عرضه انرژی پاسخ دهد. برای تعیین الگوی مصرف برق می توان از نوع اتصال PV به شبکه الکتریکی و تقاضای هر محیط استفاده کرد. در مورد فتوولتائیک های مستقل، اگر مقدار انرژی استخراج شده از باتری ها کمتر از انرژی مورد نیاز باشد، بارهای انعطاف پذیر، از جمله بارهای روشنایی، در سطح توان و عملکرد کمتری به کار خود ادامه می دهند. بنابراین، بر اساس الگوریتم تعریف شده، بارهای انعطاف پذیر به نوسانات تولید انرژی سیستم های فتوولتائیک با مصرف انرژی کمتر واکنش نشان می دهند. همچنین، در مورد BIPV های متصل به شبکه که از یک دستگاه ذخیره سازی جداگانه استفاده نمی کنند، در دوره هایی از روز که انرژی تولید شده توسط فتوولتائیک برای برآوردن نیازها کافی نیست، بارهای انعطاف پذیر با کاهش توان عمل می کنند. هنگامی که BIPV ها انرژی بیشتری تولید می کنند، بارهای انعطاف پذیر می توانند در سطح بالاتری کار کنند.

لازم به تاکید است که اجرای این انعطاف پذیری با هدف اولویت بندی و ارائه بارهای اساسی تا حد امکان مستقل از شبکه است. علاوه بر این، مدیریت مصرف انرژی موثر را می توان با تعریف الگوهای بار مناسب انجام داد. سیستم های متصل به شبکه مقرون به صرفه تر و قابل اطمینان تر هستند زیرا از برق شبکه های توزیع برق استفاده می کنند که فتوولتائیک ها نمی توانند تقاضای بار را برآورده کنند. مقرون به صرفه بودن فتوولتائیک های متصل به شبکه به این دلیل است که این سیستم های خورشیدی به دستگاه های ذخیره انرژی و تعویض باتری نیاز ندارند. استفاده از سیستم‌های PV متصل به شبکه، به‌ویژه در ساختمان‌های تجاری، دفاتر و محیط‌های صنعتی که اکثر عملیات‌ها در طول روز انجام می‌شوند، بسیار توجیه‌پذیر است. با توجه به مصرف بیشتر این نوع محیط ها در مقایسه با ساختمان های مسکونی، استفاده از ظرفیت زیاد فتوولتائیک متصل به شبکه نه تنها سهم قابل توجهی از انرژی مصرفی این سازه ها را تامین می کند، بلکه هزینه نصب و نگهداری سیستم PV را نیز کاهش می دهد. علاوه بر این، سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه، پتانسیل تبادل و فروش نیروی مازاد تولید شده به شبکه الکتریکی را از طریق زیرساخت اندازه‌گیری پیشرفته (AMI) دارند.

این تحقیق به دلایل ذکر شده عملکرد استراتژی توصیه شده برای سیستم های متصل به شبکه را ارزیابی می کند. به طور مشابه، عملکرد سیستم های خورشیدی مستقل را می توان با استفاده از رویکرد پیشنهادی بررسی کرد. دیودهای ساطع کننده نور (LED)، به طور خاص، به دلیل سادگی کنترل و خروجی لومن بیشتر نسبت به منابع نور سنتی، جایگزین مناسبی برای استفاده در ساختمان های سبز و شهرهای هوشمند هستند [11]، [12]، [13]، 14]، [15]. سناریوهای کنترل مختلفی را می توان بر اساس LED ها تعریف کرد. تنها محدودیت در انعطاف پذیری بار روشنایی، نیازهای بصری کاربران است. با این حال، با استفاده از مدل‌های مناسب، می‌توان سطحی از انعطاف‌پذیری را در کنار برآوردن نیازهای روشنایی ساکنان تعریف کرد. این مطالعه از یک معادله ریاضی برای توضیح رابطه بین انرژی تولید شده تخصیص یافته توسط فتوولتائیک یکپارچه ساختمان و نیازهای روشنایی استفاده می کند.

کنترل منابع نور LED با در نظر گرفتن روابط تعریف شده انجام می شود. شایان ذکر است که از آنجایی که هدف از بکارگیری سیستم های PV تامین طیف وسیعی از بارها در یک محیط به ویژه در ساختمان های سبز می باشد، درصدی از انرژی تولیدی به بارهای روشنایی اختصاص می یابد که از نظر شرایط نیز مورد توجه قرار می گیرد. روابط ارائه شده در این مطالعه راه حل پیشنهادی شامل سیستم کنترلی است که میزان انرژی تولید شده توسط پانل های PV ساختمان را تشخیص می دهد. سپس فرآیند کنترل با مدیریت بارهای روشنایی LED و کاهش توان ورودی آنها بر اساس الگوریتم مشخص شده در صورتی که درصد توان اختصاص داده شده کمتر از مصرف روشنایی باشد، انجام می شود. از طریق توان ورودی ال ای دی ها می توان تولید برق فتوولتائیک ها را به شار نور ال ای دی ها و در نتیجه سطوح روشنایی محیط مرتبط کرد. با افزایش توان ورودی LED ها، نور خروجی آنها افزایش می یابد و بالعکس. هنگامی که قدرت LED ها کاهش می یابد، خروجی نور آنها کاهش می یابد.

از سوی دیگر، استراتژی استفاده شده در این مقاله رابطه ای بین توان خروجی فتوولتائیک و توان ورودی LED ها برقرار می کند. با توجه به رابطه خطی بین توان ورودی LEDها و خروجی نور آنها و رابطه بین تولید برق فتوولتائیک و توان ورودی LEDها، رابطه بین تولید برق PV و شار نوری LEDها تعریف شده است. سیستم پیشنهادی از مدولاسیون عرض پالس (PWM)، یکی از کارآمدترین روش‌های کنترل LED استفاده می‌کند [16، [17]، [18]، [19]. مزایای سیستم ارائه شده به شرح زیر است:

• 1)ارائه راهکاری برای مدیریت بارهای روشنایی در ساختمان های سبز در راستای توسعه شهرهای هوشمند.
• 2)ترکیب منابع نور LED با فتوولتائیک یکپارچه ساختمان.
• 3)تاکید بر استفاده از انرژی های تجدیدپذیر و کاهش وابستگی ساختمان ها و شهرهای آینده به شبکه های برق.
• 4)افزایش انعطاف پذیری بارهای روشنایی در برابر نوسانات در تولید انرژی الکتریکی BIPV.
• 5)کنترل روشنایی به عنوان درصدی از توان تولیدی برای افزایش مدیریت انرژی.
• 6)حفظ حداقل سطوح روشنایی مورد نیاز کاربران بر اساس الگوریتم پیشنهادی.

توسعه جوامع سبزتر و هوشمندتر مستلزم استفاده از مدل‌های انعطاف‌پذیر برای ایجاد ساختارهای خودکفا و مؤثر برای رسیدگی به نیازهای در حال تحول ساکنان و مقابله با شرایط پیش‌بینی نشده است. این مطالعه به رویارویی ساختمان‌های سبز با تغییرات در تولید برق BIPV با استفاده از یک مدل انعطاف‌پذیر می‌پردازد. روش پیشنهادی به سمت توسعه شهرهای آینده با دسترسی پایدار به انرژی گام برمی دارد. مخاطبان اصلی این مطالعه طراحان ساختمان سبز، برنامه ریزان شهر هوشمند، طراحان سیستم های کنترل روشنایی، تولیدکنندگان چراغ و منبع نور، مدیران و مهندسان پروژه های ساختمانی و علاقه مندان به فناوری های جدید در زمینه های کنترل، روشنایی، سیستم های فتوولتائیک، سبز هستند. ساختمان ها و شهرهای هوشمند موارد زیر باقیمانده این مقاله است: بخش 2 مرور ادبیات را تشریح می کند، بخش 3 مشخصات منبع نور را توضیح می دهد، بخش 4 طراحی سیستم کنترل را توضیح می دهد و بخش 5 به عمق زیادی در نتایج شبیه سازی می پردازد.