محاسبات برق خورشیدی

قبل از طراحی سیستم خورشیدی انجام محاسبات برق خورشیدی بصورت دقیق و صحیح الزامی می باشد. این محاسبات شامل محل نصب سیستم خورشیدی ، میزان برق مصرفی دستگاه های متفاوت ، میزان زمان استفاده از دستگاه ها و … می باشد.

برای طراحی سیستم خورشیدی ابتدا باید میزان مصرف انرژی وسایل و محاسبات آنها را انجام دهیم، سپس با توجه به نیاز می توانیم وات و تعداد پنل خورشیدی، شارژ کنترلر، باتری خورشیدی، اینورتر، وسایل حفاظتی و کابل ها را مشخص نماییم.

اجزای اصلی سیستم خورشیدی عبارتند از:
ماژول (پنل خورشیدی) PV که نورخورشید رو به برق DC تبدیل می کند.

اینورتر که برق DC تولید شده توسط پنل های خورشیدی را به برق AC مصرفی تبدیل می کند.

شارژ کنترلر که ولتاژ و جریان خروجی از پنل به سمت باتری را تنظیم می کند و  از باتری در مقابل شارژ و دشارژ بیش از حد حفاظت می کند که موجب افزایش طول عمر باتری می شود.

باتری که برای ذخیره انرژی مورد نیاز وسایل برقی در طول شب و در روزهای ابری مورد استفاده قرار می گیرد.

محاسبات برق خورشیدی آفگرید (مستقل از شبکه)

مرحله اول : تعیین میزان مصرف توان

اولین مرحله در طراحی سیستم فتوولتاییک خورشیدی این است که کل توان و انرژی مصرفی برای تمام بارهایی که نیاز به تغذیه دارند را مشخص کنیم:

1–1. میزان وات ساعت مصرفی هر وسیله را در طی یک روز محاسبه کنید. سپس مقادیر وات ساعت های مصرفی کلیة وسایل را برای یک روز با هم جمع کنید.

برای مثال: وسایل برقی به قرار زیر است (انتخاب وسایل کم مصرف در سیستم خورشیدی دارای اهمیت است):

• پنج لامپ کم مصرف 20 وات با 6 ساعت استفاده در شب
• یک یخچال هتلی 85 واتی
• تلویزیون LCD متوسط 150 واتی با 4 ساعت استفاده
• لپ تاپ حدودا 50 وات (3 ساعت استفاده در روز)
• هواکش و شارژ گوشی و … جمعا 100 وات (1 ساعت در روز)

مصرف کل انرژی-وات ساعت  2470=100+5*20*6+85*12+150*4+50*3

توجه: معمولا کمپرسور یخچال ها اگر بصورت عادی مورد استفاده قرار گیرند نصف روز (12 ساعت) در حال کار هستند و بقیه ساعت ها خاموشند.

علاوه بر کل انرژی مصرفی شبانه روزی، پیک مصرف برق همزمان را هم بدست بیاوریم. پیک مصرف معمولا وقتی است که همه وسایل همزمان با هم استفاده شود:

120+100+150+85+50=505 وات (پیک مصرف همزمان)

عدد بدست آمده را در 1.3 (بعضا 1.2 رو هم در نظر می گیرن) ضرب کنید تا میزان وات ساعتی که پنل باید در طی یک روز تولید کند بدست بیاید.ضریب 1.3 برای جبران میزان تلفات انرژی در سیستم است یعنی ظرفیت را بالاتر در نظر می گیریم تا با حتی با وجود تلفات و افت راندمان باز هم بتواند پاسخگوی مصرف مورد نیاز ما باشد.

وات ساعت      2470*1.3=3211

 

مرحله دوم : تعیین اندازه ماژول PV

سایزهای مختلف پنل های PV مقادیر متفاوت توان تولید می کنند. هر چه اندازه پنل بزرگتر باشد به همان میزان توان بیشتری تولید خواهد نمود. برای مشخص کردن اندازه ماژول PV، باید ابتدا بیشترین توان تولیدی را بدست آوریم. بیشترین توان تولیدی یا وات پیک (Wp) بستگی به ماژول PV و آب و هوای منطقه مورد نظر دارد. بدین منظور به فاکتوری به نام “پتانسیل تابش” که در هر مکانی متفاوت است نیاز داریم.

برای تعیین اندازه ماژول به طریق زیر عمل می کنیم:

1–2. محاسبه وات پیک کل ( Wp Total ): میزان کل وات ساعت هایی که در طول روز نیاز داریم تا توسط ماژول تولید شود ( عدد بدست آمده از قسمت 2-1 ) را بر ضریب تابش تقسیم کنید تا وات پیک کلی که توسط پنل ها باید تولید شود بدست آید.

با فرض در نظر گرفت ضریب تابش 3.4 خواهیم داشت:

2–2. محاسبه تعداد پنل های مورد نیاز برای سیستم: جواب بدست آمده از قسمت 1 – 2 را بر توان نامی پنل هایی که در اختیار دارید تقسیم کرده و حاصل بدست آمده را به سمت عدد صحیح بزرگتر گرد کنید. جواب، تعداد پنل هایی که باید استفاده کنید را مشخص می کند.

البته باید توجه داشت که حاصل این محاسبه حداقل پنل هایی که باید استفاده کنیم را مشخص می کند. مسلماً اگر پنل های بیشتری استفاده کنیم عملکرد سیستم بهتر خواهد بود و همچنین طول عمر باطری هم افزایش خواهد یافت.

مشخصات پنل در نظر گرفته شده:
Pm = 110 wp
Vm = 16.7 Vdc
Im = 6.6 a
Voc = 20.7 v
Isc = 7.5 a

تعداد پنل‌های مورد نیاز: 413.9 / 110 = 3.76

بنابراین 4 پنل 110 واتی در نظر گرفته می شود.

 

بدترین شرایط وقتی است که باتریها کاملا دشارژ شده باشند و پنل های خورشیدی بخواهند همزمان هم بار مصرفی روزانه را تامین کنند و هم باتریها را شارژ کنند. لذا باید مجموع انرژی مصرفی روزانه و انرژی مورد نیاز برای شارژ بانک باتری را هم با هم جمع کنیم و سپس بر PSH منطقه تقسیم کنیم تا مجموع توان پنل های مورد نیاز بدست اید.

 8*12*100=9600 انرژی مورد نیاز شارژ کل بانک باتری (وات ساعت)

قبلا هم انرژی مصرفی روزانه 3211 وات ساعت بدست آمده بود. بنابراین انرژی کل می شود:

3211+9600=12811 وات ساعت

 

نکته: کل انرژی مصرفی خانه در روز مصرف نمی شود و بخشی در شب استفاده می شود ( که پنل ها بخواهند همزمان هم این مقدار انرژی را تامین کنند و هم باتری ها را شارژ کنند) لذا بهتر است برای تخمین تعداد پنل ها حداکثر انرژی را لحاظ کنید اما اگر از لحاظ اقتصادی هزینه های شما را خیلی بالا می برد می توانید همان مقدار مصرف روزانه را لحاظ کنید، مثلا نصف انرژی کل مصرفی.

مسلماً اگر پنل های بیشتری استفاده کنیم سیستم طراحی شده با اطمینان بالاتری نصب شده و باتریها زودتر شارژ می گردند ولی با این کار هزینه بالاتر می رود که توصیه نمی شود.

 

مرحله سوم : انتخاب اینورتر

در صورت نیاز به خروجی AC بایستی از یک اینورتر استفاده کنیم. نکته بسیار مهم در انتخاب اینورتر این است که ورودی اینورتر به هیچ وجه نبایستی از مجموع توان تمام وسایل برقی (یا پیک مصرف برق همزمان) کمتر باشد.

وسایل الکتریکی دو نوع هستند :

• وسایل برقی معمولی (مقاومتی): این نوع وسایل در هنگام راه اندازی جریانی زیادتر از جریان حالت دائم کار خود از مدار نمی کشند. (البته در هنگام راه اندازی کمی زیادتر جریان دریافت می کنند ولی آنقدر زیاد نیست که در محاسبات تاثیر داشته باشد)
• وسایل برقی دارای موتور: این وسایل در هنگام راه اندازی یک جریان راه انداز دارند یعنی جریان هنگام راه اندازی چند برابر جریان حالت دائم کار آنهاست.

پس در انتخاب اینورتر باید به این نکته توجه کرد که وسایل ما از کدام نوع هستند. اگر وسایل برقی موتوری را می خواهیم با اینورتر راه اندازی کنیم، توان راه اندازی اینورتر باید حداقل هشت برابر توان وسیله موتوری باشد تا بتواند جریان گذرا یا جریان راه اندازی موتور را تامین کند.

برای سیستم های مستقل از شبکه (آفگرید off-grid) ، اینورتر باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند تمام وات مصرفی را تأمین نماید. اندازه اینورتر حدودا 20 تا 30 درصد بزرگتر از پیک مصرف همزمان در نظر گرفته می شود (یا بجای اینکار اگر راندمان اینورتر را داشتید بر راندمان اینورتر موجود بود پیک مصرف همزمان را بر راندمان اینورتر تقسیم کنید).

نحوه محاسبه مجموع کل توان و اینورتر مناسب، به شرح زیر است:

• مجموع کل توان تمامی وسایل: 18 + 60 + 75 = 153 وات
• اینورتر مناسب: 153 * 1.3 = 198.9

در این شرایط، یک اینورتر 200 واتی باید انتخاب شود.

 

اگر از موتور یا کمپرسور استفاده نماییم باید اینورتر حداقل 3 برابر ظرفیت آنها باشد تا تحمل اضافه جریان های زمان راه اندازی را داشته باشد.

505*1.2=606 وات

یعنی حداقل ظرفیت اینورتر مورد استفاده باید حداقل 600 وات باشد (اینورتر 606 واتی در بازار نیست و باید نزدیک به آن را انتخاب کرد)

البته راه دیگر این است که بجای چند برابر کردن توان اینورتر می توانیم از سافت استارتر استفاده کنیم .

نکته: سافت استارتر وسیله ای است برای راه اندازی آرام موتور است یعنی جریان راه اندازی را در موتور کاهش می دهد. که این عامل علاوه بر کاهش تنش های میکانیکی موتور، تنش های الکتریکی را نیز کاهش می دهد و باعث افزایش طول عمر موتور می شود.

ما فرض می گیریم که سافت استارتر برای راه اندازی موتور یخچال داریم.

نکته: توان واقعی یا توان دائم کار همانطور که از نامش پیداست به توانی می گویند که اگر ما آن توان را برای ساعت ها از وسیله دریافت کنیم هیچ گونه افت توان، داغ شدگی یا خاموشی دستگاه را شاهد نباشیم.

نکته: برای سیستم های متصل به شبکه، ورودی اینورتر باید با آرایه PV برابر باشد تا عملکرد سیستم ایمن و مؤثر باشد.

 

مرحله چهارم : تعیین اندازه باتری خورشیدی

نوع باتری توصیه شده در سیستم های خورشیدی باتری دیپ سایکل (باتری با سیکل زیاد) است. در واقع باتری های مورد استفاده در سیستم های PV خورشیدی باید قابلیت این را داشته باشند که تا پایین ترین سطح انرژی دشارژ شده و سپس به سرعت شارژ شوند. (عموماً از باتری های لید اسید خشک استفاده می شود). همچنین ظرفیت آنها به اندازه ای باشد که بتواند وسایل و تجهیزات مورد استفاده را در شب و روزهای ابری به راه بیاندازد.

برای تعیین اندازة باتری به طریق زیر عمل می کنیم:

1–4. مجموع وات ساعت مصرفی کلیة وسایل را در طول یک روز محاسبه کنید.
2–4. عدد بدست آمده را بر 0.85 تقسیم کنید ( به خاطر تلفات باطری ).
3–4. حاصل را بر 0.6 تقسیم کنید ( به خاطر عمق دشارژ dod).
4–4. این عدد را بر ولتاژ نامی باتری تقسیم نمایید.
5–4. حال این عدد را در تعداد روزهایی که تابش خورشید وجود ندارد یا همان روزهای ابری (یعنی تعداد روزهایی که در واقع پنل ها توانی تولید نمی کنند) که نیاز داریم از سیستم ولتاژ بگیریم؛ ضرب کنید. ( معمولاً بین 3 تا 5 روز که بیشتر شرکتها 2 روز رو با توجه به منطقه در نظر می گیرند)

نحوه محاسبه ظرفیت باتری به این صورت است که باید، 18 وات را در 4 ساعت، 60 وات را در 2 ساعت، 75 وات را در 12 ساعت ضرب کرده و مجموع آنها را در عدد 3 ضرب کنیم. عدد حاصل شده برای محاسبه سیستم برق خورشیدی آفگرید باید بر روی حاصلضرب 0.85 * 0.6 * 12 تقسیم شود.

در این حالت، می‌توان از 6 باتری 100 آمپری با 12 ولت استفاده کرد.

 

مرحله پنجم : تعیین اندازه شارژ کنترلر خورشیدی

شارژ کنترلر عموماً بر مبنای ظرفیت ولتاژ و جریان ارزیابی می شود. ولتاژ بایستی مطابق با باتری و آرایه PV در نظر گرفته شده و همین طور بتواند جریان آرایه PV را تحمل کند.
برای شارژ کنترلرهای نوع سری، اندازه کنترلر بستگی به جریان ورودی کل PV که وارد کنترلر می شود و همچنین ساختار پنل PV دارد (سری یا موازی).
به طور استاندارد برای تعیین اندازه شارژ کنترلر جریان مدار کوتاه آرایه PV ( Isc ) را در عدد 1.3 ضرب می کنند.

ظرفیت شارژ کنترلر عبارت است از: 4 * 7.5 * 1.3 = 39 آمپر

بنابراین، برای سیستم برق خورشیدی آفگرید خود، یک شارژ کنترلر 40 یا 45 آمپری با 12 ولت انتخاب می‌کنیم.

 

چون ولتاژ ورودی اینورتر و بانک باتری 24 ولت است، باید ولتاژ شارژ کنترلر هم 24 ولت باشد. جریان شارژ کنترلر هم از تقسیم انرژی کل پنلها تقسیم بر ولتاژ شارژ کنترلر محاسبه می شود:

1970/24=82 آمپر

پس به یک شارژ کنترلر حدودا 80 آمپری نیاز است.

 

جمع بندی

در محاسبه دقیق به اثر آلایندگی ها و دما بر پنل ها، اثر خطای سازنده و افت راندمان سالانه پنل ها، اثر راندمان باتری ها بر طراحی، اثر دمای بهره برداری از باتریها (دما در ظرفیت در دسترس خیلی تاثیر دارد)، اثر جریان شارژ و دشارژ باتریها، محدودیت اضافه جریان راه اندازی، راندمان اینورتر، راندمان شارژ کنترلرهای pwm و mppt، دمای بهره برداری از پنل ها (دما روی توان تولیدی پنل ها خیلی تاثیر گذار است)، زمان شارژ و دشارژ (سرعت شارژ و دشارژ)، تعداد روزهای آفتابی بعد از روزهای ابری (فرصت شارژ کردن بانک باتری توسط شارژ کنترلر)، انواع باتری و ظرفیت دسترس در شرایط مختلف بهره برداری و… می بایست پرداخته شود.