آموزش خلاصه و کاربردی برق و الکترونیک برای نصاب پنل خورشیدی

آموزش خلاصه و کاربردی برق و الکترونیک برای نصاب پنل خورشیدی - نسخه قابل چاپ

+- تالار گفتمان انجمن علمی انرژی خورشیدی ایران (https://irses.org/forum)
+-- انجمن: آموزش و مبانی انرژی خورشیدی (https://irses.org/forum/forumdisplay.php?fid=13)
+--- انجمن: مبانی برق و الکترونیک (https://irses.org/forum/forumdisplay.php?fid=14)
+--- موضوع: آموزش خلاصه و کاربردی برق و الکترونیک برای نصاب پنل خورشیدی (/showthread.php?tid=71)

آموزش خلاصه و کاربردی برق و الکترونیک برای نصاب پنل خورشیدی - riazat - ۱۴۰۵/۴/۲۷

آموزش خلاصه و کاربردی برق و الکترونیک برای نصاب پنل خورشیدی

نقل قول:هشدار ایمنی: این آموزش جایگزین آموزش عملی و مقررات برق نیست. کار با آرایه‌های خورشیدی، باتری و برق شهر می‌تواند باعث برق‌گرفتگی، سوختگی، آتش‌سوزی یا سقوط شود. برای بخش‌های AC، تابلو، ارت و اتصال به شبکه حتماً از برق‌کار مجاز کمک بگیرید.

۱. مفاهیم اصلی برق
ولتاژ VV
ولتاژ یا اختلاف پتانسیل، نیروی محرک جریان الکتریکی است.
واحد: ولت VV
جریان II
مقدار عبور بار الکتریکی از مدار در واحد زمان است.
واحد: آمپر AA
مقاومت RR
مخالفت مدار یا هادی در برابر عبور جریان است.
واحد: اهم Ω\Omega
قانون اهم
V=I×R V=I\times R
از این رابطه:
I=VR I=\frac{V}{R}
R=VI R=\frac{V}{I}
هرچه ولتاژ بیشتر یا مقاومت کمتر باشد، جریان بیشتری عبور می‌کند.

۲. توان، انرژی و راندمان
توان الکتریکی
P=V×I P=V\times I
واحد توان: وات WW
مثلاً اگر خروجی پنل:
V=30V,I=9A V=30V,\qquad I=9A
باشد:
P=30×9=270W P=30\times9=270W
توان در مدار مقاومتی
P=I2R P=I^2R
یا:
P=V2R P=\frac{V^2}{R}
انرژی الکتریکی
E=P×t E=P\times t
اگر توان برحسب وات و زمان برحسب ساعت باشد:
E=Wh E=Wh
مثلاً وسیله‌ای با توان ۱۰۰ وات که ۵ ساعت کار کند:
E=100×5=500Wh E=100\times5=500Wh
تبدیل واحد:
1kWh=1000Wh 1kWh=1000Wh
راندمان
η=PخروجیPورودی×100 \eta=\frac{P_{\text{خروجی}}}{P_{\text{ورودی}}}\times100
در سیستم خورشیدی، به‌دلیل تلفات پنل، کابل، کنترلر، باتری و اینورتر، توان واقعی کمتر از توان اسمی است.

۳. مدارهای سری و موازی
مدار سری
در مدار سری:

جریان در همه اجزا یکسان است.
ولتاژها جمع می‌شوند.
اگر یک جزء قطع شود، کل مدار قطع می‌شود.

پنل‌های سری
Vکل=V1+V2+⋯ V_{\text{کل}}=V_1+V_2+\cdots
Iکل≈Iیک پنل I_{\text{کل}}\approx I_{\text{یک پنل}}
مثلاً دو پنل ۴۰ ولت و ۱۰ آمپر:
Vکل=80V V_{\text{کل}}=80V
Iکل=10A I_{\text{کل}}=10A
توان:
P=80×10=800W P=80\times10=800W
مدار موازی
در مدار موازی:

ولتاژ همه شاخه‌ها یکسان است.
جریان شاخه‌ها جمع می‌شود.

Iکل=I1+I2+⋯ I_{\text{کل}}=I_1+I_2+\cdots
Vکل≈Vیک پنل V_{\text{کل}}\approx V_{\text{یک پنل}}
دو پنل ۴۰ ولت و ۱۰ آمپر به‌صورت موازی:
Vکل=40V V_{\text{کل}}=40V
Iکل=20A I_{\text{کل}}=20A

نقل قول:پنل‌های موازی باید از نظر مشخصات، جهت تابش و شرایط کاری تا حد امکان مشابه باشند.

۴. جریان مستقیم DC و جریان متناوب AC
DC؛ جریان مستقیم
در DC جریان در یک جهت حرکت می‌کند.
منابع DC:

پنل خورشیدی
باتری
خروجی بسیاری از آداپتورها
ورودی DC اینورتر

در DC، قطب مثبت و منفی اهمیت دارد.
AC؛ جریان متناوب
در AC جهت و مقدار جریان به‌صورت دوره‌ای تغییر می‌کند.
منابع AC:

برق شهر
خروجی AC اینورتر

ولتاژ مؤثر یا RMS در برق AC به‌صورت زیر مرتبط است:
VRMS=VPeak2 V_{\text{RMS}}=\frac{V_{\text{Peak}}}{\sqrt{2}}
برای موج سینوسی:
VPeak=VRMS2 V_{\text{Peak}}=V_{\text{RMS}}\sqrt{2}
در برق تک‌فاز تقریباً:
P=V×I×cos⁡φ P=V\times I\times \cos\varphi
که cos⁡φ\cos\varphi ضریب توان است.
برای بار مقاومتی مانند بخاری:
cos⁡φ≈1 \cos\varphi\approx1
در سیستم سه‌فاز:
P=3×VL×IL×cos⁡φ P=\sqrt{3}\times V_L\times I_L\times\cos\varphi

۵. فرکانس
فرکانس تعداد دفعات تکرار موج در هر ثانیه است.
واحد: هرتز HzHz
برق شهر معمولاً ۵۰ هرتز است.
f=1T f=\frac{1}{T}

ff: فرکانس
TT: زمان یک دوره

۶. ساختار کلی سیستم خورشیدی
یک سیستم معمولی شامل این بخش‌ها است:

پنل‌های خورشیدی
کابل و کانکتورهای DC
جعبه اتصال یا Combiner Box
فیوز و کلید DC
کنترلر شارژ، در سیستم باتری‌دار
باتری
اینورتر
تابلو AC
سیستم ارت و حفاظت در برابر صاعقه و اضافه‌ولتاژ

۷. مشخصات مهم پنل خورشیدی
روی پلاک پنل معمولاً این موارد وجود دارد:
Pmax⁡P_{\max}
توان نامی پنل در شرایط استاندارد، مانند ۴۰۰ وات.
VmpV_{mp}
ولتاژ پنل در نقطه بیشینه توان.
ImpI_{mp}
جریان پنل در نقطه بیشینه توان.
رابطه:
Pmax⁡=Vmp×Imp P_{\max}=V_{mp}\times I_{mp}
VocV_{oc}
ولتاژ مدار باز؛ وقتی پنل به بار متصل نیست.
IscI_{sc}
جریان اتصال کوتاه؛ در شرایط آزمایشگاهی و اتصال کوتاه.

نقل قول:در طراحی، ولتاژ مدار باز پنل‌ها در هوای سرد افزایش می‌یابد. بنابراین باید VocV_{oc} اصلاح‌شده در سردترین دمای محل را با حداکثر ولتاژ ورودی اینورتر مقایسه کرد.

۸. محاسبه تعداد پنل‌ها
تعداد پنل در سری
برای رسیدن به محدوده MPPT اینورتر:
Ns≈VمناسبVmp,پنل N_s\approx\frac{V_{\text{مناسب}}}{V_{mp,\text{پنل}}}
اما باید هر دو شرط بررسی شود:
Ns×Vmp N_s\times V_{mp}
در محدوده MPPT اینورتر باشد و:
Ns×Voc,سرد<Vحداکثر اینورتر N_s\times V_{oc,\text{سرد}} < V_{\text{حداکثر اینورتر}}
تعداد رشته‌های موازی
Np=IموردنیازIهر رشته N_p=\frac{I_{\text{موردنیاز}}}{I_{\text{هر رشته}}}
جریان کل آرایه:
Iکل≈Np×Iرشته I_{\text{کل}}\approx N_p\times I_{\text{رشته}}
توان کل:
Pآرایه=Ns×Np×Pپنل P_{\text{آرایه}}=N_s\times N_p\times P_{\text{پنل}}

۹. اثر دما، سایه و زاویه

افزایش دما معمولاً ولتاژ پنل را کاهش می‌دهد.
هوای سرد ولتاژ مدار باز را افزایش می‌دهد.
سایه جزئی می‌تواند توان کل رشته را به‌شدت کاهش دهد.
پنل‌ها باید تا حد امکان رو به جهت مناسب، بدون سایه و با زاویه صحیح نصب شوند.
پنل‌ها را با شیب و جهت نامناسب یا روی سطحی که در بخشی از روز سایه می‌افتد نصب نکنید.
دیودهای بای‌پس از آسیب ناشی از سایه‌های جزئی جلوگیری کامل نمی‌کنند؛ طراحی درست مهم‌تر است.

۱۰. کنترلر شارژ
کنترلر بین پنل و باتری قرار می‌گیرد.
PWM

ساده‌تر و ارزان‌تر
مناسب‌تر برای سیستم‌های کوچک
پنل باید با ولتاژ باتری سازگاری بیشتری داشته باشد

MPPT

نقطه بیشینه توان پنل را دنبال می‌کند.
معمولاً راندمان بالاتری دارد.
امکان استفاده بهتر از پنل‌های با ولتاژ بالاتر را فراهم می‌کند.

توان تقریبی جریان شارژ:
Iشارژ≈Pپنل×ηVباتری I_{\text{شارژ}}\approx \frac{P_{\text{پنل}}\times\eta}{V_{\text{باتری}}}
مثلاً برای آرایه ۱۰۰۰ وات، باتری ۲۴ ولت و راندمان ۹۰ درصد:
I≈1000×0.924≈37.5A I\approx\frac{1000\times0.9}{24}\approx37.5A
ظرفیت کنترلر باید با حاشیه مناسب انتخاب شود.

۱۱. باتری و محاسبات آن
انرژی باتری
E=Vباتری×Ah E=V_{\text{باتری}}\times Ah
مثلاً باتری ۲۴ ولت و ۱۰۰ آمپرساعت:
E=24×100=2400Wh E=24\times100=2400Wh
انرژی قابل استفاده:
[ E_{\text{قابل استفاده}}
V\times Ah\times DoD\times\eta ]

DoDDoD: عمق مجاز دشارژ
η\eta: راندمان

باتری‌های سرب‌اسیدی معمولاً نباید به‌طور مداوم تا عمق بسیار زیاد تخلیه شوند. باتری‌های لیتیومی شرایط، BMS و محدودیت‌های مخصوص خود را دارند.
جریان ورودی اینورتر
IDC≈PACVباتری×η I_{\text{DC}}\approx \frac{P_{\text{AC}}}{V_{\text{باتری}}\times\eta}
این جریان ممکن است بسیار زیاد باشد؛ بنابراین کابل، فیوز و اتصالات باید دقیق انتخاب شوند.

۱۲. اینورتر
وظیفه اینورتر تبدیل DC به AC است.
انواع رایج:

متصل به شبکه
مستقل از شبکه
هیبریدی
موج سینوسی خالص
موج شبه‌سینوسی

توان انتخابی
توان اینورتر باید با:

توان دائم مصرف‌کننده‌ها
توان راه‌اندازی موتورها و پمپ‌ها
ولتاژ باتری یا آرایه
محدوده MPPT
حداکثر جریان DC
الزامات شبکه

سازگار باشد.
برای بارهای موتوری، توان لحظه‌ای راه‌اندازی ممکن است چند برابر توان نامی باشد.

۱۳. افت ولتاژ کابل
افت ولتاژ زیاد باعث کاهش توان و گرم‌شدن کابل می‌شود.
برای مدار DC دو سیمه:
Vdrop=I×R V_{\text{drop}}=I\times R
مقاومت کابل:
R=ρLA R=\rho\frac{L}{A}
پس:
[ V_{\text{drop}}
I\times\rho\frac{L}{A} ]

LL: طول رفت‌وبرگشت کابل
AA: سطح مقطع
ρ\rho: مقاومت ویژه هادی

درصد افت ولتاژ:
%افت=VdropVنامی×100 \%\text{افت}= \frac{V_{\text{drop}}}{V_{\text{نامی}}}\times100
برای کاهش افت:

سطح مقطع کابل را افزایش دهید.
طول مسیر را کاهش دهید.
ولتاژ سیستم را در صورت امکان بالاتر انتخاب کنید.
از اتصالات سالم و کابل استاندارد استفاده کنید.

نقل قول:مقدار مجاز افت ولتاژ به استاندارد و نوع سیستم بستگی دارد؛ معمولاً باید تا حد امکان پایین نگه داشته شود.

۱۴. انتخاب کابل و کانکتور
برای بخش DC از کابل خورشیدی استاندارد استفاده کنید که دارای ویژگی‌های زیر باشد:

مقاوم در برابر UV
مقاوم در برابر حرارت و رطوبت
دارای عایق مناسب DC
سطح مقطع متناسب با جریان و طول
دارای کانکتورهای سازگار و پرس‌شده صحیح

نکات مهم:

کابل مثبت و منفی را مشخص و نشانه‌گذاری کنید.
از اتصال کابل‌های متفاوت یا کانکتورهای ظاهراً مشابه ولی ناسازگار خودداری کنید.
کابل روی زمین رها نشود.
شعاع خم مجاز کابل رعایت شود.
کابل‌ها از لبه‌های تیز و آب جمع‌شده دور باشند.

۱۵. حفاظت‌های ضروری
فیوز و کلید DC
برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه و جریان بیش از حد استفاده می‌شود. تجهیزات DC باید مخصوص DC باشند؛ کلید AC همیشه برای DC مناسب نیست.
حفاظت اضافه‌ولتاژ؛ SPD
برای کاهش اثر اضافه‌ولتاژ ناشی از صاعقه یا کلیدزنی استفاده می‌شود. SPD باید متناسب با:

ولتاژ DC یا AC
نوع سیستم
آرایش ارت
دستورالعمل سازنده

انتخاب شود.
کلید قطع‌کننده
باید امکان قطع ایمن بخش‌های زیر وجود داشته باشد:

آرایه PV
ورودی اینورتر
باتری
خروجی AC

ارت و هم‌بندی

بدنه فلزی پنل‌ها و سازه باید طبق مقررات به سیستم هم‌بندی و ارت متصل شود.
ارت، جایگزین فیوز یا کلید حفاظتی نیست.
مسیر ارت باید کوتاه، پیوسته و مکانیکی محکم باشد.
اتصال نول و ارت فقط در نقطه مجاز طراحی انجام شود؛ اتصال‌های اضافی می‌تواند خطرناک باشد.

۱۶. ایمنی بسیار مهم در نصب خورشیدی

پنل در نور، حتی بدون اتصال به اینورتر، ولتاژ تولید می‌کند.
هیچ‌وقت MC4 را زیر بار جدا نکنید؛ امکان ایجاد قوس الکتریکی وجود دارد.
قبل از کار، مدار را طبق دستورالعمل ایزوله و قفل‌گذاری کنید.
با مولتی‌متر مناسب، نبود ولتاژ را اندازه‌گیری کنید؛ فقط به خاموش بودن کلید اعتماد نکنید.
برای DC از مولتی‌متر و پراب دارای رده حفاظتی مناسب استفاده کنید.
هرگز مقاومت یا پیوستگی را روی مدار برق‌دار اندازه نگیرید.
قطبیت مثبت و منفی را قبل از اتصال بررسی کنید.
هنگام کار از دستکش عایق سالم، کفش ایمنی، عینک و ابزار عایق استفاده کنید.
کار روی سقف نیازمند تجهیزات جلوگیری از سقوط است.
در رعدوبرق، بارندگی یا سطح خیس کار نکنید.
پنل را فقط با پوشاندن، بی‌برق فرض نکنید؛ اندازه‌گیری و ایزولاسیون لازم است.
باتری‌ها خطر اتصال کوتاه، آتش‌سوزی، انفجار و انتشار مواد خطرناک دارند.
باتری را در محل دارای تهویه مناسب، دور از جرقه و با فیوز نزدیک ترمینال نصب کنید.
قبل از برق‌دار کردن، تمام پیچ‌ها، پرس‌ها، قطبیت، عایق و گشتاور اتصالات بررسی شود.

۱۷. ابزارهای ضروری نصاب

مولتی‌متر با رده حفاظتی مناسب
آمپرمتر کلمپی DC/AC
تستر عایق یا مگااهم‌متر
تستر پیوستگی و قطبیت
آچار گشتاور
ابزار پرس کانکتور
ابزار بازکننده کانکتور
سیم‌چین و سیم‌لخت‌کن مناسب
تجهیزات حفاظت فردی
ابزار اندازه‌گیری تابش و در صورت امکان دوربین حرارتی

۱۸. روش اندازه‌گیری‌های مهم
اندازه‌گیری ولتاژ مدار باز پنل

پنل را از مدار جدا کنید.
مولتی‌متر را روی رنج DC قرار دهید.
پراب قرمز به مثبت و مشکی به منفی.
عدد را با VocV_{oc} روی پلاک مقایسه کنید.

اندازه‌گیری جریان

آمپرمتر باید سری با مدار قرار گیرد.
برای جریان بالا بهتر است از کلمپ‌متر DC استفاده شود.
اتصال مستقیم آمپرمتر به دو سر منبع می‌تواند اتصال کوتاه ایجاد کند.

اندازه‌گیری مقاومت عایقی

فقط در مدار کاملاً جدا و طبق دستورالعمل تجهیزات انجام شود.
مگااهم‌متر می‌تواند به الکترونیک متصل آسیب بزند.

۱۹. خطاهای رایج

سری و موازی‌کردن پنل‌های ناهمسان
بی‌توجهی به افزایش VocV_{oc} در هوای سرد
انتخاب اینورتر بر اساس توان پنل بدون بررسی محدوده MPPT
کابل نازک و طولانی
استفاده از کلید یا فیوز AC در مدار DC
اتصال شل کانکتور و گرم‌شدن آن
بی‌توجهی به سایه
نبود ارت صحیح
نصب پنل یا کابل در معرض آسیب مکانیکی
جداکردن MC4 زیر بار
استفاده از باتری بدون فیوز نزدیک ترمینال
اتکا به رنگ سیم بدون اندازه‌گیری قطبیت

۲۰. فرمول‌های ضروری در یک جدول
موضوع
فرمولقانون اهم
V=IRV=IR
جریان
I=V/RI=V/R
مقاومت
R=V/IR=V/I
توان DC
P=VIP=VI
توان مقاومتی
P=I2RP=I^2R
توان مقاومتی
P=V2/RP=V^2/R
انرژی
E=PtE=Pt
انرژی باتری
E=V×AhE=V\times Ah
راندمان
η=Pout/Pin\eta=P_{\text{out}}/P_{\text{in}}
توان AC تک‌فاز
P=VIcos⁡φP=VI\cos\varphi
توان AC سه‌فاز
P=3VIcos⁡φP=\sqrt3VI\cos\varphi
مقاومت کابل
R=ρL/AR=\rho L/A
افت ولتاژ
Vdrop=IRV_{\text{drop}}=IR
درصد افت
Vdrop/Vنامی×100V_{\text{drop}}/V_{\text{نامی}}\times100
جریان اینورتر
I=P/(Vη)I=P/(V\eta)
فرکانس
f=1/Tf=1/T
چک‌لیست نهایی قبل از راه‌اندازی

قطبیت تمام رشته‌ها بررسی شده است.
VocV_{oc} کل رشته از حد مجاز اینورتر کمتر است.
ولتاژ و جریان در محدوده MPPT هستند.
کابل‌ها و کانکتورها سالم و محکم‌اند.
فیوزها و کلیدهای DC/AC صحیح انتخاب شده‌اند.
ارت و هم‌بندی اجرا شده است.
SPD و حفاظت‌ها نصب شده‌اند.
باتری دارای فیوز، تهویه و تنظیمات صحیح است.
افت ولتاژ کابل قابل قبول است.
راه‌اندازی طبق دفترچه اینورتر انجام شده است.
قبل از لمس هر مدار، نبود ولتاژ با ابزار مناسب تأیید شده است.