۱۴۰۵/۴/۲۷، ۰۵:۱۲ عصر
محاسبات و طراحی سیستم خورشیدی
طراحی یک سیستم خورشیدی مناسب فقط به انتخاب چند پنل و یک اینورتر محدود نمیشود. برای طراحی اصولی باید ابتدا میزان مصرف انرژی مشخص شود، سپس نوع سیستم، ظرفیت پنلها، باتری، اینورتر، کنترلر شارژ، کابلها و تجهیزات حفاظتی انتخاب شوند. همچنین باید شرایط تابش منطقه، سایه، دما، جهت نصب، زاویه پنل و نوع بارهای مصرفی بررسی شود.
سیستم خورشیدی ممکن است از نوع آنگرید، آفگرید یا هیبرید باشد. در سیستم آنگرید، برق تولیدی پنلها با شبکه برق هماهنگ میشود. در سیستم آفگرید، برق موردنیاز بدون اتصال به شبکه و با استفاده از باتری تأمین میگردد. سیستم هیبرید ترکیبی از شبکه، پنل خورشیدی و باتری است و معمولاً برای کاهش هزینه برق و تأمین برق پشتیبان استفاده میشود.
۱. جمعآوری اطلاعات اولیه
پیش از شروع محاسبات، باید اطلاعات زیر مشخص شود:
۲. محاسبه توان و انرژی مصرفی
دو مفهوم مهم در محاسبات، توان و انرژی هستند.
توان، سرعت مصرف انرژی یک وسیله است و با وات یا کیلووات بیان میشود. انرژی، مقدار مصرف در طول زمان است و معمولاً با واتساعت یا کیلوواتساعت اندازهگیری میشود.
رابطه اصلی انرژی بهصورت زیر است:
E=P×t E=P\times t
در این رابطه:
برای مثال، اگر یک لامپ ۲۰ وات، روزانه ۶ ساعت روشن باشد:
E=20×6=120Wh/day E=20\times6=120Wh/day
اگر یخچالی با توان متوسط ۱۵۰ وات در طول شبانهروز حدود ۸ ساعت بهصورت واقعی کار کند:
E=150×8=1200Wh/day E=150\times8=1200Wh/day
البته توان درجشده روی پلاک یخچال، پمپ یا کولر معمولاً توان نامی است و وسیله ممکن است بهصورت متناوب کار کند. به همین دلیل برای وسایل دارای کمپرسور یا موتور باید مصرف واقعی یا ضریب کارکرد آنها در نظر گرفته شود.
مصرف روزانه کل از رابطه زیر محاسبه میشود:
Eروزانه=∑(Pi×ti) E_{\text{روزانه}}= \sum(P_i\times t_i)
برای طراحی دقیق، بهتر است مصرف وسایل در ساعات روز و شب جداگانه محاسبه شود. این کار در سیستمهای هیبرید و آفگرید اهمیت زیادی دارد، زیرا مصرف شبانه مستقیماً روی ظرفیت باتری اثر میگذارد.
۳. تبدیل واحدها
اگر توان با کیلووات بیان شده باشد، انرژی با رابطه زیر محاسبه میشود:
E(kWh)=P(kW)×t(h) E(kWh)=P(kW)\times t(h)
برای تبدیل واتساعت به کیلوواتساعت:
1kWh=1000Wh 1kWh=1000Wh
برای مثال، مصرف ۳۰۰۰ واتساعت برابر است با:
3000Wh=3kWh 3000Wh=3kWh
مصرف ماهانه نیز از رابطه زیر بهدست میآید:
Eماهانه=Eروزانه×تعدادروزهایماه E_{\text{ماهانه}}= E_{\text{روزانه}}\times تعداد روزهای ماه
اگر مصرف روزانه ۸ کیلوواتساعت باشد، مصرف تقریبی ماهانه در یک ماه ۳۰روزه برابر است با:
8×30=240kWh 8\times30=240kWh
۴. محاسبه توان همزمان و توان لحظهای
مصرف انرژی با توان لحظهای یکسان نیست. ممکن است مجموع انرژی روزانه کم باشد، اما چند وسیله در یک لحظه روشن شوند و توان زیادی درخواست کنند.
برای محاسبه توان همزمان، توان وسایلی را که احتمال دارد همزمان روشن شوند با یکدیگر جمع کنید:
Pهمزمان=P1+P2+P3+⋯ P_{\text{همزمان}}= P_1+P_2+P_3+\cdots
این مقدار برای انتخاب اینورتر اهمیت دارد.
برای مثال، اگر همزمان یک یخچال ۱۵۰ وات، تلویزیون ۱۲۰ وات، روشنایی ۲۰۰ وات و یک پمپ ۷۵۰ وات روشن باشند:
Pهمزمان=150+120+200+750=1220W P_{\text{همزمان}}= 150+120+200+750=1220W
در این حالت، اینورتر نباید دقیقاً ۱۲۲۰ وات باشد، بلکه باید مقداری ضریب اطمینان نیز در نظر گرفته شود.
۵. توان راهاندازی تجهیزات موتوری
تجهیزاتی مانند یخچال، فریزر، پمپ آب، کولر، کمپرسور و ابزارهای موتوری هنگام روشنشدن، جریانی بیشتر از جریان عادی مصرف میکنند. این جریان ممکن است چند برابر جریان کاری وسیله باشد.
بنابراین اینورتر باید دو مشخصه داشته باشد:
اگر چند وسیله موتوری وجود دارد، باید بررسی شود که آیا همزمان روشن میشوند یا خیر. جلوگیری از روشنشدن همزمان بارهای موتوری میتواند ظرفیت موردنیاز اینورتر را کاهش دهد.
۶. در نظر گرفتن تلفات سیستم
انرژی محاسبهشده برای مصرفکننده، تمام انرژی موردنیاز پنل نیست؛ زیرا در بخشهای مختلف سیستم تلفات ایجاد میشود. مهمترین تلفات عبارتاند از:
انرژی موردنیاز پنل از رابطه زیر قابل محاسبه است:
Eپنل=Eمصرفηکل E_{\text{پنل}}= \frac{E_{\text{مصرف}}}{\eta_{\text{کل}}}
اگر راندمان کلی سیستم ۸۰ درصد باشد:
ηکل=0.8 \eta_{\text{کل}}=0.8
و مصرف روزانه ۶ کیلوواتساعت باشد:
Eپنل=60.8=7.5kWh/day E_{\text{پنل}}= \frac{6}{0.8}=7.5kWh/day
در روش سادهتر میتوان مصرف را در ضریب ۱٫۲۵ ضرب کرد:
Eپنل≈6×1.25=7.5kWh/day E_{\text{پنل}}\approx6\times1.25=7.5kWh/day
۷. بررسی تابش خورشیدی منطقه
تعداد پنلها فقط بر اساس توان مصرفی تعیین نمیشود. باید بدانیم منطقه در روز چند ساعت تابش مؤثر دارد. این مقدار با ساعات آفتابی معمولی یکسان نیست. منظور از ساعات تابش مؤثر، تعداد ساعاتی است که تابش معادل با شدت استاندارد تقریباً ۱۰۰۰ وات بر مترمربع باشد.
برای طراحی باید از دادههای معتبر تابش منطقه، نرمافزارهای تخصصی، اطلسهای خورشیدی یا اطلاعات هواشناسی استفاده کرد.
هرچه تابش مؤثر منطقه کمتر باشد، ظرفیت پنل موردنیاز بیشتر خواهد بود.
۸. محاسبه ظرفیت پنلهای خورشیدی
ظرفیت تقریبی آرایه پنل از رابطه زیر بهدست میآید:
PPV=EروزانهHتابش×PR P_{\text{PV}}= \frac{E_{\text{روزانه}}} {H_{\text{تابش}}\times PR}
در این رابطه:
[ P_{\text{PV}}= \frac{6}{5\times0.8}
1.5kW ]
در این حالت حداقل ظرفیت نظری پنلها ۱٫۵ کیلووات است. برای اطمینان بیشتر، شرایط زمستان، روزهای ابری، افت توان پنل و افزایش احتمالی مصرف نیز باید بررسی شود. بنابراین ممکن است ظرفیت عملی به حدود ۱٫۸ تا ۲ کیلووات افزایش یابد.
اگر از پنلهای ۵۵۰ وات استفاده شود:
[ N= \frac{2000}{550}
3.63 ]
تعداد پنل باید به عدد صحیح رو به بالا گرد شود؛ بنابراین حداقل ۴ پنل نیاز است. در طراحی نهایی، ولتاژ و جریان آرایش پنلها نیز باید با اینورتر یا کنترلر سازگار باشد.
۹. نحوه اتصال پنلها بهصورت سری و موازی
پنلها را میتوان بهصورت سری، موازی یا ترکیبی از سری و موازی متصل کرد.
اتصال سری
در اتصال سری:
Vمجموع=40+40+40=120V V_{\text{مجموع}}=40+40+40=120V
اتصال موازی
در اتصال موازی:
Iمجموع=13+13=26A I_{\text{مجموع}}=13+13=26A
نکات مهم
پنلهای یک آرایه بهتر است از نظر توان، نوع، جهت، زاویه و شرایط کاری مشابه باشند. در اتصال سری، ولتاژ مدار باز در هوای سرد افزایش مییابد و باید حداکثر ولتاژ مجاز ورودی اینورتر یا کنترلر رعایت شود.
رابطه بررسی ولتاژ رشته بهصورت زیر است:
Voc,رشته
۱۰. انتخاب اینورتر
اینورتر باید بر اساس نوع سیستم، توان بارها، ولتاژ باتری و نوع مصرفکننده انتخاب شود.
در سیستم آنگرید
اینورتر باید با شبکه برق هماهنگ باشد و ویژگیهایی مانند موارد زیر داشته باشد:
اینورتر باید:
اینورتر هیبریدی باید قابلیتهای زیر را داشته باشد:
۱۱. انتخاب ولتاژ سیستم
سیستمهای کوچک معمولاً در ولتاژ ۱۲ یا ۲۴ ولت طراحی میشوند، اما برای توانهای بالاتر استفاده از ولتاژ ۴۸ ولت مناسبتر است.
با افزایش توان و کاهش ولتاژ، جریان افزایش مییابد:
I=PV I=\frac{P}{V}
برای مثال، برای تأمین توان ۲۴۰۰ وات:
در سیستم ۲۴ ولت:
I=240024=100A I=\frac{2400}{24}=100A
در سیستم ۴۸ ولت:
I=240048=50A I=\frac{2400}{48}=50A
بنابراین در سیستم ۴۸ ولت، جریان کمتر است و میتوان از کابلهای مناسبتر با افت ولتاژ و تلفات کمتر استفاده کرد.
بهطور کلی:
کنترلر شارژ بین پنل و باتری قرار میگیرد و جریان و ولتاژ شارژ را مدیریت میکند.
دو نوع اصلی کنترلر عبارتاند از:
کنترلر PWM
سادهتر و ارزانتر است، اما پنل را در ولتاژ نزدیک به ولتاژ باتری کار میدهد و در بسیاری از شرایط از تمام توان پنل استفاده نمیکند.
کنترلر MPPT
قادر است نقطه بیشینه توان پنل را پیدا کند و انرژی بیشتری از پنل دریافت کند. این نوع برای سیستمهای بزرگتر، مناطق سرد، رشتههای پنل با ولتاژ بالاتر و پروژههایی که راندمان اهمیت دارد، مناسبتر است.
جریان تقریبی کنترلر از رابطه زیر بهدست میآید:
Iکنترلر=PپنلVباتری I_{\text{کنترلر}}= \frac{P_{\text{پنل}}}{V_{\text{باتری}}}
سپس باید ضریب اطمینان در نظر گرفته شود:
Iنامی≥1.25×Iمحاسبهشده I_{\text{نامی}}\geq 1.25\times I_{\text{محاسبهشده}}
برای مثال، اگر ظرفیت پنلها ۲۰۰۰ وات و ولتاژ باتری ۴۸ ولت باشد:
I=200048≈41.7A I= \frac{2000}{48} \approx41.7A
با درنظرگرفتن ضریب اطمینان:
41.7×1.25≈52A 41.7\times1.25 \approx52A
بنابراین کنترلر ۶۰ آمپر میتواند انتخاب مناسبی باشد، البته ولتاژ ورودی و محدوده MPPT آن نیز باید بررسی شود.
۱۳. طراحی بانک باتری
باتری در سیستم آفگرید و هیبرید نقش ذخیرهکننده انرژی را دارد. ظرفیت باتری باید بر اساس مصرف شبانه، تعداد روزهای پشتیبان و عمق دشارژ مجاز تعیین شود.
ظرفیت انرژی موردنیاز باتری از رابطه زیر محاسبه میشود:
Eباتری=Eبار×Nروز پشتیبانDoD×ηباتری E_{\text{باتری}}= \frac{E_{\text{بار}}\times N_{\text{روز پشتیبان}}} {DoD\times\eta_{\text{باتری}}}
در این رابطه:
Ah=Eباتری(Wh)Vباتری Ah= \frac{E_{\text{باتری}}(Wh)} {V_{\text{باتری}}}
برای مثال، اگر بار موردنیاز شبانه ۴ کیلوواتساعت، تعداد روزهای پشتیبان ۱، عمق دشارژ مجاز ۸۰ درصد، راندمان باتری ۹۰ درصد و ولتاژ سیستم ۴۸ ولت باشد:
Eباتری=40000.8×0.9≈5556Wh E_{\text{باتری}}= \frac{4000}{0.8\times0.9} \approx5556Wh
سپس:
Ah=555648≈116Ah Ah= \frac{5556}{48} \approx116Ah
در عمل باید ظرفیت استاندارد بالاتر انتخاب شود؛ برای مثال بانک باتری ۴۸ ولت و ۱۵۰ آمپرساعت، البته پس از بررسی جریان بار، شرایط دما، عمر مورد انتظار و توصیه سازنده.
عمق دشارژ
عمق دشارژ نشان میدهد چه مقدار از ظرفیت باتری استفاده میشود. تخلیه مکرر باتریهای سرباسیدی تا صددرصد، عمر آنها را بهشدت کاهش میدهد. باتریهای لیتیومی معمولاً قابلیت استفاده از درصد بیشتری از ظرفیت نامی خود را دارند، اما باید حتماً با سیستم مدیریت باتری یا BMS مناسب استفاده شوند.
تفاوت باتری سرباسیدی و لیتیومی
باتری سرباسیدی:
جریان سمت باتری از رابطه زیر محاسبه میشود:
IDC=PACVباتری×ηاینورتر I_{\text{DC}}= \frac{P_{\text{AC}}} {V_{\text{باتری}}\times\eta_{\text{اینورتر}}}
برای مثال، اگر اینورتر ۳۰۰۰ وات، ولتاژ باتری ۴۸ ولت و راندمان اینورتر ۹۰ درصد باشد:
IDC=300048×0.9≈69.4A I_{\text{DC}}= \frac{3000}{48\times0.9} \approx69.4A
این جریان برای انتخاب کابل، فیوز، کلید DC و شینهها اهمیت دارد.
۱۵. محاسبه سطح مقطع کابل
انتخاب کابل باید بر اساس جریان مجاز، طول مسیر، جنس کابل، روش نصب، دمای محیط و افت ولتاژ مجاز انجام شود.
افت ولتاژ در مدار DC رفت و برگشت از رابطه تقریبی زیر قابل محاسبه است:
ΔV=2×L×I×ρA \Delta V= \frac{2\times L\times I\times \rho}{A}
در این رابطه:
بهصورت معمول، افت ولتاژ در بخشهای مختلف باید محدود شود. مقدار دقیق به استاندارد و نوع پروژه بستگی دارد، اما در طراحیهای رایج تلاش میشود افت ولتاژ در مسیرهای DC و AC پایین نگه داشته شود.
کابل پنل باید مخصوص فضای بیرونی و مقاوم در برابر اشعه فرابنفش، رطوبت و تغییرات دما باشد. کابلهای باتری نیز باید برای جریانهای زیاد و شرایط اتصال کوتاه احتمالی مناسب باشند.
۱۶. انتخاب فیوز و تجهیزات حفاظتی
هر بخش سیستم باید حفاظت مناسب داشته باشد. تجهیزات مهم عبارتاند از:
۱۷. جهت، زاویه و محل نصب پنلها
در نیمکره شمالی، پنلها معمولاً رو به جنوب نصب میشوند، اما مقدار دقیق جهت و زاویه باید با توجه به عرض جغرافیایی، فصل هدف و نوع پروژه تعیین شود.
در نصب پنل باید موارد زیر رعایت شود:
۱۸. طراحی سیستم آنگرید
در سیستم آنگرید مراحل طراحی معمولاً به این شکل است:
ابتدا مصرف سالانه یا ماهانه مشخص میشود. سپس ظرفیت مناسب پنلها بر اساس مصرف، تابش منطقه، فضای نصب و هدف اقتصادی تعیین میگردد.
بعد از آن، آرایش سری و موازی پنلها طراحی میشود. ولتاژ مدار باز در پایینترین دمای منطقه و ولتاژ کاری در گرمترین شرایط باید با محدوده ورودی اینورتر سازگار باشد.
برای تعیین تعداد پنلها:
N=PآرایهPهر پنل N= \frac{P_{\text{آرایه}}} {P_{\text{هر پنل}}}
سپس تعداد پنلهای سری و تعداد رشتههای موازی با توجه به محدوده MPPT و جریان مجاز اینورتر تعیین میشود.
در سیستم آنگرید، ظرفیت باتری معمولاً وجود ندارد؛ بنابراین سیستم هنگام قطع شبکه خاموش میشود، مگر اینکه از اینورتر هیبریدی یا سامانه پشتیبان جداگانه استفاده شود.
۱۹. طراحی سیستم آفگرید
برای طراحی آفگرید باید علاوه بر مصرف روزانه، مصرف شبانه و تعداد روزهای ابری نیز در نظر گرفته شود.
مراحل اصلی عبارتاند از:
۲۰. طراحی سیستم هیبرید
سیستم هیبرید به دو بخش اصلی تقسیم میشود:
بارهای عادی
این بارها در شرایط عادی از شبکه یا پنل تغذیه میشوند و در زمان قطعی ممکن است خاموش شوند.
بارهای حیاتی
این بارها باید هنگام قطعی برق از پنل و باتری تغذیه شوند.
برای طراحی سیستم هیبرید باید مشخص شود:
۲۱. کنترل انرژی و اولویت منابع
در یک سیستم هیبرید میتوان اولویت منابع را به روشهای مختلف تنظیم کرد.
حالت اول: خورشید، باتری، شبکه
در این حالت ابتدا انرژی خورشیدی مصرف میشود، سپس باتری و در نهایت شبکه وارد مدار میشود.
حالت دوم: خورشید، شبکه، باتری
در این روش باتری برای زمان قطع برق ذخیره نگه داشته میشود و در شرایط عادی بیشتر از شبکه استفاده میگردد.
حالت سوم: خورشید، باتری در ساعات اوج، شبکه در ساعات عادی
در این حالت باتری برای کاهش مصرف در ساعات گران یا اوج بار استفاده میشود.
انتخاب روش مناسب به تعرفه برق، وضعیت شبکه، ظرفیت باتری و هدف مصرفکننده بستگی دارد.
۲۲. اثر دما بر طراحی
دمای پنل، باتری و اینورتر بر عملکرد سیستم اثر میگذارد.
در هوای سرد، ولتاژ مدار باز پنل افزایش مییابد. بنابراین باید حداکثر ولتاژ پنل در سردترین دمای منطقه محاسبه شود.
در هوای گرم، ولتاژ پنل کاهش مییابد و توان تولیدی کمتر میشود. همچنین باتریها و اینورترها باید در محدوده دمایی مجاز کار کنند.
باتریهای لیتیومی در دمای پایین ممکن است هنگام شارژ آسیب ببینند؛ بنابراین وجود حسگر دما و سیستم مدیریت باتری اهمیت دارد.
۲۳. بررسی فضای نصب
برای برآورد فضای موردنیاز، مساحت تقریبی هر پنل در تعداد پنلها ضرب میشود. علاوه بر سطح خود پنل، باید فضای لازم برای فاصله بین ردیفها، مسیر عبور، دسترسی تعمیراتی و فاصله از لبه سقف نیز در نظر گرفته شود.
اگر هر پنل حدود ۲٫۵ مترمربع مساحت داشته باشد و ۱۰ پنل لازم باشد:
Aپنلها=10×2.5=25m2 A_{\text{پنلها}}= 10\times2.5=25m^2
مساحت واقعی موردنیاز به دلیل فاصلهگذاری و سازه ممکن است بیشتر از این مقدار باشد.
۲۴. راهاندازی و آزمایش سیستم
پس از نصب، نباید سیستم بدون آزمایش کامل وارد مدار شود. مراحل بررسی شامل موارد زیر است:
۲۵. نگهداری و پایش سیستم
برای حفظ راندمان سیستم باید بهصورت دورهای اقدامات زیر انجام شود:
۲۶. یک نمونه محاسبه ساده
فرض کنید بارهای زیر وجود داشته باشد:
300×5=1500Wh 300\times5=1500Wh
مصرف روزانه یخچال:
150×8=1200Wh 150\times8=1200Wh
مصرف روزانه تلویزیون:
120×4=480Wh 120\times4=480Wh
مصرف روزانه لپتاپ:
80×6=480Wh 80\times6=480Wh
مصرف روزانه پمپ:
750×1=750Wh 750\times1=750Wh
مصرف کل:
1500+1200+480+480+750=4410Wh 1500+1200+480+480+750=4410Wh
یا:
4.41kWh/day 4.41kWh/day
اگر تلفات سیستم را با ضریب ۱٫۲۵ در نظر بگیریم:
4.41×1.25=5.51kWh/day 4.41\times1.25=5.51kWh/day
اگر تابش مؤثر روزانه ۵ ساعت باشد و توان مفید هر پنل ۵۵۰ وات در نظر گرفته شود:
Eهر پنل≈0.55×5=2.75kWh/day E_{\text{هر پنل}}\approx0.55\times5=2.75kWh/day
با درنظرگرفتن تلفات، تولید واقعی هر پنل کمتر خواهد بود. برای تأمین حدود ۵٫۵ کیلوواتساعت، احتمالاً به ۳ پنل ۵۵۰ وات نیاز است؛ اما چون پمپ و یخچال بار موتوری هستند و شرایط زمستان و روزهای ابری نیز اهمیت دارد، انتخاب ۴ پنل میتواند اطمینان بیشتری ایجاد کند. تعداد نهایی باید با ولتاژ ورودی اینورتر یا کنترلر نیز سازگار باشد.
برای این مثال، توان همزمان تقریبی در صورت روشنبودن همه وسایل:
300+150+120+80+750=1400W 300+150+120+80+750=1400W
بنابراین اینورتر باید حداقل توان پیوستهای بالاتر از ۱۴۰۰ وات داشته باشد و به دلیل جریان راهاندازی یخچال و پمپ، توان لحظهای مناسب نیز ارائه دهد. یک اینورتر حدود ۲ کیلووات یا بیشتر ممکن است مناسب باشد، اما انتخاب نهایی باید بر اساس جریان راهاندازی واقعی تجهیزات انجام شود.
جمعبندی
طراحی سیستم خورشیدی با محاسبه دقیق بار آغاز میشود. ابتدا باید توان و زمان کارکرد همه تجهیزات مشخص شود و انرژی روزانه بهدست آید. سپس با توجه به تابش منطقه و تلفات سیستم، ظرفیت پنلها محاسبه میشود. پس از آن، توان اینورتر بر اساس توان همزمان و جریان راهاندازی انتخاب میگردد.
در سیستمهای آفگرید و هیبرید، ظرفیت باتری باید بر اساس مصرف شبانه، تعداد روزهای پشتیبان، عمق دشارژ و راندمان باتری محاسبه شود. کنترلر شارژ نیز باید از نظر جریان و ولتاژ با پنلها و باتری سازگار باشد.
در پایان، کابلها، فیوزها، کلیدهای DC و AC، ارت، محافظ اضافهولتاژ و سازه نصب باید بهصورت مهندسی انتخاب شوند. رعایت استانداردهای برق، استفاده از تجهیزات معتبر و بررسی نهایی توسط فرد متخصص برای جلوگیری از برقگرفتگی، آتشسوزی و آسیب به تجهیزات ضروری است.
طراحی یک سیستم خورشیدی مناسب فقط به انتخاب چند پنل و یک اینورتر محدود نمیشود. برای طراحی اصولی باید ابتدا میزان مصرف انرژی مشخص شود، سپس نوع سیستم، ظرفیت پنلها، باتری، اینورتر، کنترلر شارژ، کابلها و تجهیزات حفاظتی انتخاب شوند. همچنین باید شرایط تابش منطقه، سایه، دما، جهت نصب، زاویه پنل و نوع بارهای مصرفی بررسی شود.
سیستم خورشیدی ممکن است از نوع آنگرید، آفگرید یا هیبرید باشد. در سیستم آنگرید، برق تولیدی پنلها با شبکه برق هماهنگ میشود. در سیستم آفگرید، برق موردنیاز بدون اتصال به شبکه و با استفاده از باتری تأمین میگردد. سیستم هیبرید ترکیبی از شبکه، پنل خورشیدی و باتری است و معمولاً برای کاهش هزینه برق و تأمین برق پشتیبان استفاده میشود.
۱. جمعآوری اطلاعات اولیه
پیش از شروع محاسبات، باید اطلاعات زیر مشخص شود:
- محل نصب سیستم
- نوع سیستم؛ آنگرید، آفگرید یا هیبرید
- میزان مصرف روزانه و ماهانه
- توان لحظهای تجهیزات
- مدت زمان کارکرد هر وسیله
- میزان مصرف در شب و روز
- تعداد روزهای پشتیبانی موردنیاز
- دسترسی یا عدم دسترسی به شبکه برق
- فضای قابل استفاده برای نصب پنل
- وجود سایه در محل نصب
- حداقل و حداکثر دمای منطقه
- جهت و زاویه مناسب نصب
- نوع باتری و طول عمر مورد انتظار
- امکان استفاده از ژنراتور پشتیبان
۲. محاسبه توان و انرژی مصرفی
دو مفهوم مهم در محاسبات، توان و انرژی هستند.
توان، سرعت مصرف انرژی یک وسیله است و با وات یا کیلووات بیان میشود. انرژی، مقدار مصرف در طول زمان است و معمولاً با واتساعت یا کیلوواتساعت اندازهگیری میشود.
رابطه اصلی انرژی بهصورت زیر است:
E=P×t E=P\times t
در این رابطه:
- EE انرژی مصرفی برحسب واتساعت است.
- PP توان وسیله برحسب وات است.
- tt زمان کارکرد وسیله برحسب ساعت است.
برای مثال، اگر یک لامپ ۲۰ وات، روزانه ۶ ساعت روشن باشد:
E=20×6=120Wh/day E=20\times6=120Wh/day
اگر یخچالی با توان متوسط ۱۵۰ وات در طول شبانهروز حدود ۸ ساعت بهصورت واقعی کار کند:
E=150×8=1200Wh/day E=150\times8=1200Wh/day
البته توان درجشده روی پلاک یخچال، پمپ یا کولر معمولاً توان نامی است و وسیله ممکن است بهصورت متناوب کار کند. به همین دلیل برای وسایل دارای کمپرسور یا موتور باید مصرف واقعی یا ضریب کارکرد آنها در نظر گرفته شود.
مصرف روزانه کل از رابطه زیر محاسبه میشود:
Eروزانه=∑(Pi×ti) E_{\text{روزانه}}= \sum(P_i\times t_i)
برای طراحی دقیق، بهتر است مصرف وسایل در ساعات روز و شب جداگانه محاسبه شود. این کار در سیستمهای هیبرید و آفگرید اهمیت زیادی دارد، زیرا مصرف شبانه مستقیماً روی ظرفیت باتری اثر میگذارد.
۳. تبدیل واحدها
اگر توان با کیلووات بیان شده باشد، انرژی با رابطه زیر محاسبه میشود:
E(kWh)=P(kW)×t(h) E(kWh)=P(kW)\times t(h)
برای تبدیل واتساعت به کیلوواتساعت:
1kWh=1000Wh 1kWh=1000Wh
برای مثال، مصرف ۳۰۰۰ واتساعت برابر است با:
3000Wh=3kWh 3000Wh=3kWh
مصرف ماهانه نیز از رابطه زیر بهدست میآید:
Eماهانه=Eروزانه×تعدادروزهایماه E_{\text{ماهانه}}= E_{\text{روزانه}}\times تعداد روزهای ماه
اگر مصرف روزانه ۸ کیلوواتساعت باشد، مصرف تقریبی ماهانه در یک ماه ۳۰روزه برابر است با:
8×30=240kWh 8\times30=240kWh
۴. محاسبه توان همزمان و توان لحظهای
مصرف انرژی با توان لحظهای یکسان نیست. ممکن است مجموع انرژی روزانه کم باشد، اما چند وسیله در یک لحظه روشن شوند و توان زیادی درخواست کنند.
برای محاسبه توان همزمان، توان وسایلی را که احتمال دارد همزمان روشن شوند با یکدیگر جمع کنید:
Pهمزمان=P1+P2+P3+⋯ P_{\text{همزمان}}= P_1+P_2+P_3+\cdots
این مقدار برای انتخاب اینورتر اهمیت دارد.
برای مثال، اگر همزمان یک یخچال ۱۵۰ وات، تلویزیون ۱۲۰ وات، روشنایی ۲۰۰ وات و یک پمپ ۷۵۰ وات روشن باشند:
Pهمزمان=150+120+200+750=1220W P_{\text{همزمان}}= 150+120+200+750=1220W
در این حالت، اینورتر نباید دقیقاً ۱۲۲۰ وات باشد، بلکه باید مقداری ضریب اطمینان نیز در نظر گرفته شود.
۵. توان راهاندازی تجهیزات موتوری
تجهیزاتی مانند یخچال، فریزر، پمپ آب، کولر، کمپرسور و ابزارهای موتوری هنگام روشنشدن، جریانی بیشتر از جریان عادی مصرف میکنند. این جریان ممکن است چند برابر جریان کاری وسیله باشد.
بنابراین اینورتر باید دو مشخصه داشته باشد:
- توان پیوسته
- توان لحظهای یا Surge
اگر چند وسیله موتوری وجود دارد، باید بررسی شود که آیا همزمان روشن میشوند یا خیر. جلوگیری از روشنشدن همزمان بارهای موتوری میتواند ظرفیت موردنیاز اینورتر را کاهش دهد.
۶. در نظر گرفتن تلفات سیستم
انرژی محاسبهشده برای مصرفکننده، تمام انرژی موردنیاز پنل نیست؛ زیرا در بخشهای مختلف سیستم تلفات ایجاد میشود. مهمترین تلفات عبارتاند از:
- تلفات کابلها
- تلفات کنترلر شارژ
- تلفات اینورتر
- تلفات شارژ و دشارژ باتری
- تلفات ناشی از گردوغبار
- تلفات ناشی از دمای بالا
- تلفات ناشی از عدم تطابق پنلها
- تلفات ناشی از سایه
- تلفات اتصالات و تجهیزات حفاظتی
انرژی موردنیاز پنل از رابطه زیر قابل محاسبه است:
Eپنل=Eمصرفηکل E_{\text{پنل}}= \frac{E_{\text{مصرف}}}{\eta_{\text{کل}}}
اگر راندمان کلی سیستم ۸۰ درصد باشد:
ηکل=0.8 \eta_{\text{کل}}=0.8
و مصرف روزانه ۶ کیلوواتساعت باشد:
Eپنل=60.8=7.5kWh/day E_{\text{پنل}}= \frac{6}{0.8}=7.5kWh/day
در روش سادهتر میتوان مصرف را در ضریب ۱٫۲۵ ضرب کرد:
Eپنل≈6×1.25=7.5kWh/day E_{\text{پنل}}\approx6\times1.25=7.5kWh/day
۷. بررسی تابش خورشیدی منطقه
تعداد پنلها فقط بر اساس توان مصرفی تعیین نمیشود. باید بدانیم منطقه در روز چند ساعت تابش مؤثر دارد. این مقدار با ساعات آفتابی معمولی یکسان نیست. منظور از ساعات تابش مؤثر، تعداد ساعاتی است که تابش معادل با شدت استاندارد تقریباً ۱۰۰۰ وات بر مترمربع باشد.
برای طراحی باید از دادههای معتبر تابش منطقه، نرمافزارهای تخصصی، اطلسهای خورشیدی یا اطلاعات هواشناسی استفاده کرد.
هرچه تابش مؤثر منطقه کمتر باشد، ظرفیت پنل موردنیاز بیشتر خواهد بود.
۸. محاسبه ظرفیت پنلهای خورشیدی
ظرفیت تقریبی آرایه پنل از رابطه زیر بهدست میآید:
PPV=EروزانهHتابش×PR P_{\text{PV}}= \frac{E_{\text{روزانه}}} {H_{\text{تابش}}\times PR}
در این رابطه:
- PPVP_{\text{PV}} توان موردنیاز پنلها برحسب کیلووات است.
- EروزانهE_{\text{روزانه}} انرژی مصرفی روزانه برحسب کیلوواتساعت است.
- HتابشH_{\text{تابش}} ساعات تابش مؤثر روزانه است.
- PRPR نسبت عملکرد سیستم است.
[ P_{\text{PV}}= \frac{6}{5\times0.8}
1.5kW ]
در این حالت حداقل ظرفیت نظری پنلها ۱٫۵ کیلووات است. برای اطمینان بیشتر، شرایط زمستان، روزهای ابری، افت توان پنل و افزایش احتمالی مصرف نیز باید بررسی شود. بنابراین ممکن است ظرفیت عملی به حدود ۱٫۸ تا ۲ کیلووات افزایش یابد.
اگر از پنلهای ۵۵۰ وات استفاده شود:
[ N= \frac{2000}{550}
3.63 ]
تعداد پنل باید به عدد صحیح رو به بالا گرد شود؛ بنابراین حداقل ۴ پنل نیاز است. در طراحی نهایی، ولتاژ و جریان آرایش پنلها نیز باید با اینورتر یا کنترلر سازگار باشد.
۹. نحوه اتصال پنلها بهصورت سری و موازی
پنلها را میتوان بهصورت سری، موازی یا ترکیبی از سری و موازی متصل کرد.
اتصال سری
در اتصال سری:
- ولتاژ پنلها با هم جمع میشود.
- جریان تقریباً برابر جریان یک پنل باقی میماند.
Vمجموع=40+40+40=120V V_{\text{مجموع}}=40+40+40=120V
اتصال موازی
در اتصال موازی:
- ولتاژ تقریباً ثابت میماند.
- جریان پنلها با هم جمع میشود.
Iمجموع=13+13=26A I_{\text{مجموع}}=13+13=26A
نکات مهم
پنلهای یک آرایه بهتر است از نظر توان، نوع، جهت، زاویه و شرایط کاری مشابه باشند. در اتصال سری، ولتاژ مدار باز در هوای سرد افزایش مییابد و باید حداکثر ولتاژ مجاز ورودی اینورتر یا کنترلر رعایت شود.
رابطه بررسی ولتاژ رشته بهصورت زیر است:
Voc,رشته
۱۰. انتخاب اینورتر
اینورتر باید بر اساس نوع سیستم، توان بارها، ولتاژ باتری و نوع مصرفکننده انتخاب شود.
در سیستم آنگرید
اینورتر باید با شبکه برق هماهنگ باشد و ویژگیهایی مانند موارد زیر داشته باشد:
- محدوده مناسب ولتاژ MPPT
- حداکثر ولتاژ ورودی DC
- حداکثر جریان ورودی
- توان نامی مناسب
- قابلیت ضدجزیرهای
- راندمان بالا
- تعداد مناسب ورودی MPPT
- امکان پایش و ثبت اطلاعات
اینورتر باید:
- توان پیوسته کافی داشته باشد.
- توان راهاندازی بارهای موتوری را تحمل کند.
- با ولتاژ بانک باتری سازگار باشد.
- از باتری در برابر تخلیه بیش از حد محافظت کند.
- شکل موج سینوسی خالص داشته باشد.
- در برابر اتصال کوتاه، اضافهبار و افزایش دما محافظت شود.
اینورتر هیبریدی باید قابلیتهای زیر را داشته باشد:
- اتصال به پنل
- اتصال به باتری
- اتصال به شبکه
- تأمین برق بارهای پشتیبان
- مدیریت اولویت منابع انرژی
- شارژ باتری از پنل و در صورت نیاز از شبکه
- جداسازی ایمن از شبکه هنگام قطعی
- امکان اتصال به ژنراتور در مدلهای خاص
۱۱. انتخاب ولتاژ سیستم
سیستمهای کوچک معمولاً در ولتاژ ۱۲ یا ۲۴ ولت طراحی میشوند، اما برای توانهای بالاتر استفاده از ولتاژ ۴۸ ولت مناسبتر است.
با افزایش توان و کاهش ولتاژ، جریان افزایش مییابد:
I=PV I=\frac{P}{V}
برای مثال، برای تأمین توان ۲۴۰۰ وات:
در سیستم ۲۴ ولت:
I=240024=100A I=\frac{2400}{24}=100A
در سیستم ۴۸ ولت:
I=240048=50A I=\frac{2400}{48}=50A
بنابراین در سیستم ۴۸ ولت، جریان کمتر است و میتوان از کابلهای مناسبتر با افت ولتاژ و تلفات کمتر استفاده کرد.
بهطور کلی:
- سیستم ۱۲ ولت برای توانهای کوچک مناسب است.
- سیستم ۲۴ ولت برای سیستمهای متوسط کاربرد دارد.
- سیستم ۴۸ ولت برای توانهای بالاتر و سیستمهای حرفهای مناسبتر است.
کنترلر شارژ بین پنل و باتری قرار میگیرد و جریان و ولتاژ شارژ را مدیریت میکند.
دو نوع اصلی کنترلر عبارتاند از:
کنترلر PWM
سادهتر و ارزانتر است، اما پنل را در ولتاژ نزدیک به ولتاژ باتری کار میدهد و در بسیاری از شرایط از تمام توان پنل استفاده نمیکند.
کنترلر MPPT
قادر است نقطه بیشینه توان پنل را پیدا کند و انرژی بیشتری از پنل دریافت کند. این نوع برای سیستمهای بزرگتر، مناطق سرد، رشتههای پنل با ولتاژ بالاتر و پروژههایی که راندمان اهمیت دارد، مناسبتر است.
جریان تقریبی کنترلر از رابطه زیر بهدست میآید:
Iکنترلر=PپنلVباتری I_{\text{کنترلر}}= \frac{P_{\text{پنل}}}{V_{\text{باتری}}}
سپس باید ضریب اطمینان در نظر گرفته شود:
Iنامی≥1.25×Iمحاسبهشده I_{\text{نامی}}\geq 1.25\times I_{\text{محاسبهشده}}
برای مثال، اگر ظرفیت پنلها ۲۰۰۰ وات و ولتاژ باتری ۴۸ ولت باشد:
I=200048≈41.7A I= \frac{2000}{48} \approx41.7A
با درنظرگرفتن ضریب اطمینان:
41.7×1.25≈52A 41.7\times1.25 \approx52A
بنابراین کنترلر ۶۰ آمپر میتواند انتخاب مناسبی باشد، البته ولتاژ ورودی و محدوده MPPT آن نیز باید بررسی شود.
۱۳. طراحی بانک باتری
باتری در سیستم آفگرید و هیبرید نقش ذخیرهکننده انرژی را دارد. ظرفیت باتری باید بر اساس مصرف شبانه، تعداد روزهای پشتیبان و عمق دشارژ مجاز تعیین شود.
ظرفیت انرژی موردنیاز باتری از رابطه زیر محاسبه میشود:
Eباتری=Eبار×Nروز پشتیبانDoD×ηباتری E_{\text{باتری}}= \frac{E_{\text{بار}}\times N_{\text{روز پشتیبان}}} {DoD\times\eta_{\text{باتری}}}
در این رابطه:
- EبارE_{\text{بار}} انرژی موردنیاز است.
- Nروز پشتیبانN_{\text{روز پشتیبان}} تعداد روزهای استقلال است.
- DoDDoD عمق مجاز تخلیه باتری است.
- ηباتری\eta_{\text{باتری}} راندمان باتری است.
Ah=Eباتری(Wh)Vباتری Ah= \frac{E_{\text{باتری}}(Wh)} {V_{\text{باتری}}}
برای مثال، اگر بار موردنیاز شبانه ۴ کیلوواتساعت، تعداد روزهای پشتیبان ۱، عمق دشارژ مجاز ۸۰ درصد، راندمان باتری ۹۰ درصد و ولتاژ سیستم ۴۸ ولت باشد:
Eباتری=40000.8×0.9≈5556Wh E_{\text{باتری}}= \frac{4000}{0.8\times0.9} \approx5556Wh
سپس:
Ah=555648≈116Ah Ah= \frac{5556}{48} \approx116Ah
در عمل باید ظرفیت استاندارد بالاتر انتخاب شود؛ برای مثال بانک باتری ۴۸ ولت و ۱۵۰ آمپرساعت، البته پس از بررسی جریان بار، شرایط دما، عمر مورد انتظار و توصیه سازنده.
عمق دشارژ
عمق دشارژ نشان میدهد چه مقدار از ظرفیت باتری استفاده میشود. تخلیه مکرر باتریهای سرباسیدی تا صددرصد، عمر آنها را بهشدت کاهش میدهد. باتریهای لیتیومی معمولاً قابلیت استفاده از درصد بیشتری از ظرفیت نامی خود را دارند، اما باید حتماً با سیستم مدیریت باتری یا BMS مناسب استفاده شوند.
تفاوت باتری سرباسیدی و لیتیومی
باتری سرباسیدی:
- هزینه اولیه کمتر دارد.
- وزن و حجم بیشتری دارد.
- به تهویه مناسب نیاز دارد.
- معمولاً عمق دشارژ عملی کمتری دارد.
- در برابر تخلیه عمیق حساستر است.
- وزن و حجم کمتر دارد.
- راندمان بالاتری دارد.
- عمر چرخهای بیشتری دارد.
- امکان استفاده از ظرفیت مفید بیشتری دارد.
- به BMS و تنظیمات شارژ مناسب نیاز دارد.
- هزینه اولیه بیشتری دارد.
جریان سمت باتری از رابطه زیر محاسبه میشود:
IDC=PACVباتری×ηاینورتر I_{\text{DC}}= \frac{P_{\text{AC}}} {V_{\text{باتری}}\times\eta_{\text{اینورتر}}}
برای مثال، اگر اینورتر ۳۰۰۰ وات، ولتاژ باتری ۴۸ ولت و راندمان اینورتر ۹۰ درصد باشد:
IDC=300048×0.9≈69.4A I_{\text{DC}}= \frac{3000}{48\times0.9} \approx69.4A
این جریان برای انتخاب کابل، فیوز، کلید DC و شینهها اهمیت دارد.
۱۵. محاسبه سطح مقطع کابل
انتخاب کابل باید بر اساس جریان مجاز، طول مسیر، جنس کابل، روش نصب، دمای محیط و افت ولتاژ مجاز انجام شود.
افت ولتاژ در مدار DC رفت و برگشت از رابطه تقریبی زیر قابل محاسبه است:
ΔV=2×L×I×ρA \Delta V= \frac{2\times L\times I\times \rho}{A}
در این رابطه:
- LL طول یکطرفه مسیر است.
- II جریان است.
- ρ\rho مقاومت ویژه هادی است.
- AA سطح مقطع کابل است.
بهصورت معمول، افت ولتاژ در بخشهای مختلف باید محدود شود. مقدار دقیق به استاندارد و نوع پروژه بستگی دارد، اما در طراحیهای رایج تلاش میشود افت ولتاژ در مسیرهای DC و AC پایین نگه داشته شود.
کابل پنل باید مخصوص فضای بیرونی و مقاوم در برابر اشعه فرابنفش، رطوبت و تغییرات دما باشد. کابلهای باتری نیز باید برای جریانهای زیاد و شرایط اتصال کوتاه احتمالی مناسب باشند.
۱۶. انتخاب فیوز و تجهیزات حفاظتی
هر بخش سیستم باید حفاظت مناسب داشته باشد. تجهیزات مهم عبارتاند از:
- فیوز رشتههای پنل
- کلید قطعکننده DC
- کلید قطعکننده AC
- فیوز یا بریکر باتری
- محافظ اضافهولتاژ DC
- محافظ اضافهولتاژ AC
- حفاظت اتصال کوتاه
- حفاظت اضافهبار
- حفاظت جریان معکوس
- سیستم ارت
- حفاظت در برابر صاعقه
- تابلوهای مناسب فضای بیرونی
۱۷. جهت، زاویه و محل نصب پنلها
در نیمکره شمالی، پنلها معمولاً رو به جنوب نصب میشوند، اما مقدار دقیق جهت و زاویه باید با توجه به عرض جغرافیایی، فصل هدف و نوع پروژه تعیین شود.
در نصب پنل باید موارد زیر رعایت شود:
- پنلها در بیشتر ساعات روز بدون سایه باشند.
- فاصله مناسب برای گردش هوا پشت پنل وجود داشته باشد.
- سازه در برابر باد، برف و خوردگی مقاوم باشد.
- آب باران بهدرستی تخلیه شود.
- امکان دسترسی برای شستوشو و تعمیر وجود داشته باشد.
- پنلها در یک رشته جهت و زاویه مشابه داشته باشند.
- از نصب پنل در نزدیکی دودکش یا منابع ایجاد آلودگی پرهیز شود.
۱۸. طراحی سیستم آنگرید
در سیستم آنگرید مراحل طراحی معمولاً به این شکل است:
ابتدا مصرف سالانه یا ماهانه مشخص میشود. سپس ظرفیت مناسب پنلها بر اساس مصرف، تابش منطقه، فضای نصب و هدف اقتصادی تعیین میگردد.
بعد از آن، آرایش سری و موازی پنلها طراحی میشود. ولتاژ مدار باز در پایینترین دمای منطقه و ولتاژ کاری در گرمترین شرایط باید با محدوده ورودی اینورتر سازگار باشد.
برای تعیین تعداد پنلها:
N=PآرایهPهر پنل N= \frac{P_{\text{آرایه}}} {P_{\text{هر پنل}}}
سپس تعداد پنلهای سری و تعداد رشتههای موازی با توجه به محدوده MPPT و جریان مجاز اینورتر تعیین میشود.
در سیستم آنگرید، ظرفیت باتری معمولاً وجود ندارد؛ بنابراین سیستم هنگام قطع شبکه خاموش میشود، مگر اینکه از اینورتر هیبریدی یا سامانه پشتیبان جداگانه استفاده شود.
۱۹. طراحی سیستم آفگرید
برای طراحی آفگرید باید علاوه بر مصرف روزانه، مصرف شبانه و تعداد روزهای ابری نیز در نظر گرفته شود.
مراحل اصلی عبارتاند از:
- محاسبه مصرف روزانه
- محاسبه توان همزمان
- تعیین روزهای پشتیبان
- انتخاب ولتاژ سیستم
- محاسبه ظرفیت باتری
- محاسبه ظرفیت پنلها
- انتخاب کنترلر شارژ
- انتخاب اینورتر
- طراحی کابلها و حفاظتها
- بررسی شرایط زمستانی
- پیشبینی منبع پشتیبان در شرایط اضطراری
۲۰. طراحی سیستم هیبرید
سیستم هیبرید به دو بخش اصلی تقسیم میشود:
بارهای عادی
این بارها در شرایط عادی از شبکه یا پنل تغذیه میشوند و در زمان قطعی ممکن است خاموش شوند.
بارهای حیاتی
این بارها باید هنگام قطعی برق از پنل و باتری تغذیه شوند.
برای طراحی سیستم هیبرید باید مشخص شود:
- بار حیاتی چند وات است.
- بار حیاتی روزانه چند کیلوواتساعت مصرف دارد.
- چند ساعت یا چند روز پشتیبانی لازم است.
- باتری در چه ساعاتی شارژ شود.
- برق شبکه چه اولویتی داشته باشد.
- آیا شارژ از شبکه مجاز است یا خیر.
- آیا ژنراتور به سیستم متصل میشود یا خیر.
۲۱. کنترل انرژی و اولویت منابع
در یک سیستم هیبرید میتوان اولویت منابع را به روشهای مختلف تنظیم کرد.
حالت اول: خورشید، باتری، شبکه
در این حالت ابتدا انرژی خورشیدی مصرف میشود، سپس باتری و در نهایت شبکه وارد مدار میشود.
حالت دوم: خورشید، شبکه، باتری
در این روش باتری برای زمان قطع برق ذخیره نگه داشته میشود و در شرایط عادی بیشتر از شبکه استفاده میگردد.
حالت سوم: خورشید، باتری در ساعات اوج، شبکه در ساعات عادی
در این حالت باتری برای کاهش مصرف در ساعات گران یا اوج بار استفاده میشود.
انتخاب روش مناسب به تعرفه برق، وضعیت شبکه، ظرفیت باتری و هدف مصرفکننده بستگی دارد.
۲۲. اثر دما بر طراحی
دمای پنل، باتری و اینورتر بر عملکرد سیستم اثر میگذارد.
در هوای سرد، ولتاژ مدار باز پنل افزایش مییابد. بنابراین باید حداکثر ولتاژ پنل در سردترین دمای منطقه محاسبه شود.
در هوای گرم، ولتاژ پنل کاهش مییابد و توان تولیدی کمتر میشود. همچنین باتریها و اینورترها باید در محدوده دمایی مجاز کار کنند.
باتریهای لیتیومی در دمای پایین ممکن است هنگام شارژ آسیب ببینند؛ بنابراین وجود حسگر دما و سیستم مدیریت باتری اهمیت دارد.
۲۳. بررسی فضای نصب
برای برآورد فضای موردنیاز، مساحت تقریبی هر پنل در تعداد پنلها ضرب میشود. علاوه بر سطح خود پنل، باید فضای لازم برای فاصله بین ردیفها، مسیر عبور، دسترسی تعمیراتی و فاصله از لبه سقف نیز در نظر گرفته شود.
اگر هر پنل حدود ۲٫۵ مترمربع مساحت داشته باشد و ۱۰ پنل لازم باشد:
Aپنلها=10×2.5=25m2 A_{\text{پنلها}}= 10\times2.5=25m^2
مساحت واقعی موردنیاز به دلیل فاصلهگذاری و سازه ممکن است بیشتر از این مقدار باشد.
۲۴. راهاندازی و آزمایش سیستم
پس از نصب، نباید سیستم بدون آزمایش کامل وارد مدار شود. مراحل بررسی شامل موارد زیر است:
- کنترل سفتی اتصالات
- بررسی قطب مثبت و منفی
- اندازهگیری ولتاژ مدار باز رشتهها
- بررسی جریان رشتهها
- آزمایش پیوستگی ارت
- تست عایقی کابلها
- بررسی عملکرد کلیدها و فیوزها
- بررسی تنظیمات کنترلر
- بررسی تنظیمات باتری
- بررسی محدوده ولتاژ اینورتر
- آزمایش بار در حالت عادی
- آزمایش عملکرد در زمان قطع شبکه
- بررسی دمای کابل و اتصالات
- ثبت ولتاژ، جریان و توان تولیدی
۲۵. نگهداری و پایش سیستم
برای حفظ راندمان سیستم باید بهصورت دورهای اقدامات زیر انجام شود:
- تمیزکردن سطح پنلها
- بررسی وجود سایه جدید
- بررسی ترک، شکستگی یا تغییر رنگ پنل
- کنترل کانکتورها
- بررسی شلبودن اتصالات
- کنترل دمای کابلها و تابلوها
- بررسی خطاهای اینورتر
- کنترل وضعیت باتری
- بررسی عملکرد فنها و تهویه
- ثبت تولید روزانه و ماهانه
- بررسی تغییر غیرعادی در مقدار تولید
۲۶. یک نمونه محاسبه ساده
فرض کنید بارهای زیر وجود داشته باشد:
- روشنایی: ۳۰۰ وات، ۵ ساعت در روز
- یخچال: میانگین ۱۵۰ وات، ۸ ساعت کارکرد مؤثر در روز
- تلویزیون: ۱۲۰ وات، ۴ ساعت در روز
- لپتاپ: ۸۰ وات، ۶ ساعت در روز
- پمپ آب: ۷۵۰ وات، ۱ ساعت در روز
300×5=1500Wh 300\times5=1500Wh
مصرف روزانه یخچال:
150×8=1200Wh 150\times8=1200Wh
مصرف روزانه تلویزیون:
120×4=480Wh 120\times4=480Wh
مصرف روزانه لپتاپ:
80×6=480Wh 80\times6=480Wh
مصرف روزانه پمپ:
750×1=750Wh 750\times1=750Wh
مصرف کل:
1500+1200+480+480+750=4410Wh 1500+1200+480+480+750=4410Wh
یا:
4.41kWh/day 4.41kWh/day
اگر تلفات سیستم را با ضریب ۱٫۲۵ در نظر بگیریم:
4.41×1.25=5.51kWh/day 4.41\times1.25=5.51kWh/day
اگر تابش مؤثر روزانه ۵ ساعت باشد و توان مفید هر پنل ۵۵۰ وات در نظر گرفته شود:
Eهر پنل≈0.55×5=2.75kWh/day E_{\text{هر پنل}}\approx0.55\times5=2.75kWh/day
با درنظرگرفتن تلفات، تولید واقعی هر پنل کمتر خواهد بود. برای تأمین حدود ۵٫۵ کیلوواتساعت، احتمالاً به ۳ پنل ۵۵۰ وات نیاز است؛ اما چون پمپ و یخچال بار موتوری هستند و شرایط زمستان و روزهای ابری نیز اهمیت دارد، انتخاب ۴ پنل میتواند اطمینان بیشتری ایجاد کند. تعداد نهایی باید با ولتاژ ورودی اینورتر یا کنترلر نیز سازگار باشد.
برای این مثال، توان همزمان تقریبی در صورت روشنبودن همه وسایل:
300+150+120+80+750=1400W 300+150+120+80+750=1400W
بنابراین اینورتر باید حداقل توان پیوستهای بالاتر از ۱۴۰۰ وات داشته باشد و به دلیل جریان راهاندازی یخچال و پمپ، توان لحظهای مناسب نیز ارائه دهد. یک اینورتر حدود ۲ کیلووات یا بیشتر ممکن است مناسب باشد، اما انتخاب نهایی باید بر اساس جریان راهاندازی واقعی تجهیزات انجام شود.
جمعبندی
طراحی سیستم خورشیدی با محاسبه دقیق بار آغاز میشود. ابتدا باید توان و زمان کارکرد همه تجهیزات مشخص شود و انرژی روزانه بهدست آید. سپس با توجه به تابش منطقه و تلفات سیستم، ظرفیت پنلها محاسبه میشود. پس از آن، توان اینورتر بر اساس توان همزمان و جریان راهاندازی انتخاب میگردد.
در سیستمهای آفگرید و هیبرید، ظرفیت باتری باید بر اساس مصرف شبانه، تعداد روزهای پشتیبان، عمق دشارژ و راندمان باتری محاسبه شود. کنترلر شارژ نیز باید از نظر جریان و ولتاژ با پنلها و باتری سازگار باشد.
در پایان، کابلها، فیوزها، کلیدهای DC و AC، ارت، محافظ اضافهولتاژ و سازه نصب باید بهصورت مهندسی انتخاب شوند. رعایت استانداردهای برق، استفاده از تجهیزات معتبر و بررسی نهایی توسط فرد متخصص برای جلوگیری از برقگرفتگی، آتشسوزی و آسیب به تجهیزات ضروری است.