برای طراحی نیروگاه خورشیدی ابتدا باید میزان مصرف انرژی وسایل و محاسبات آنها را انجام بدهیم سپس با توجه به نیاز می توانیم وات و تعداد پنل خورشیدی، شارژ کنترلر، باتری خورشیدی، اینورتر، وسایل حفاظتی و کابل ها را مشخص کرد.
اجزای اصلی نیروگاه خورشیدی عبارتند از:
ماژول 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 بارهای AC 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 نیروگاه خورشیدی
گام ۱: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:
۱–۱٫ 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 ما، وسایل برقی به قرار زیر است (انتخاب وسایل کم مصرف در سیستم خورشیدی دارای اهمیت است):
- یک لامپ فلورسنت ۱۸ وات با ۴ ساعت استفاده در روز
- یک فن ۶۰ واتی با ۲ ساعت استفاده در روز
- یک یخچال ۷۵ واتی با ۲۴ ساعت کار در روز ( که کمپرسور در ۱۲ ساعت کار می کند و در ۱۲ ساعت خاموش)
۲–۱٫ عدد بدست آمده را در ۱٫۳ (بعضا ۱٫۲ رو هم در نظر می گیرن) ضرب کنید تا میزان وات ساعتی که پنل باید در طی یک روز تولید کند بدست بیاید. (ضریب ۱٫۳ میزان تلفات انرژی در سیستم است).
گام ۲: تعیین اندازة ماژول PV
سایزهای مختلف پنل های PV مقادیر متفاوت توان تولید می کنند. هر چه اندازة پنل بزرگتر باشد به همان میزان توان بیشتری تولید خواهد نمود. برای مشخص کردن اندازة 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 منطقة مورد نظر دارد. بدین منظور به فاکتوری به نام “پتانسیل تابش” که در هر مکانی متفاوت است نیاز داریم. (برای مشاهده ضریب تابش در نقاط مختلف ایران کلیک کنید).
برای تعیین اندازة ماژول به طریق زیر عمل می کنیم:
۱-۲) محاسبة 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 ۲-۱ ) 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 ۳٫۴ خواهیم داشت:
۲-۲) محاسبة تعداد پنل های مورد نیاز برای سیستم: جواب بدست آمده از قسمت ۱ – ۲ 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
بنابراین ۴ پنل ۱۱۰ واتی در نظر گرفته می شود.
گام ۳: انتخاب اینورتر
ابتدا بگذارید از اینجا شروع کنیم که 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. 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 معلوم است 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.
در صورت نیاز به خروجی AC بایستی از یک اینورتر استفاده کنیم. نکتة بسیار مهم در انتخاب اینورتر این است که ورودی اینورتر به هیچ وجه نبایستی از مجموع توان تمام وسایل برقی کمتر باشد. همچنین ولتاژ نامی اینورتر باید با ولتاژ بانک باتریها برابر باشد.
برای سیستم های مستقل، اینورتر باید به اندازة کافی بزرگ باشد تا بتواند تمام وات مصرفی را تأمین نماید. اندازة اینورتر بین ۲۵ تا ۳۰ درصد بزرگتر از مجموع توان تمامی وسایل در نظر گرفته می شود . اگر از موتور یا کمپرسور استفاده نماییم اندازة اینورتر باید حداقل ۳ برابر ظرفیت آنها باشد تا بتواند جریان ضربه را تحمل کند.
برای سیستم های متصل به شبکه، ورودی اینورتر باید با آرایة PV برابر باشد تا عملکرد سیستم ایمن و مؤثر باشد.۴
یک اینورتر ۲۰۰ واتی در نظر گرفته می شود.
گام ۴: تعیین اندازة باتری
نوع باتری توصیه شده در سیستم های خورشیدی باتریهای 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:
۱–۴٫ مجموع وات ساعت مصرفی کلیة وسایل را در طول یک روز محاسبه کنید.
۲–۴٫ عدد بدست آمده را بر ۰٫۸۵ تقسیم کنید ( به خاطر تلفات باطری ).
۳–۴٫ حاصل را بر ۰٫۶ تقسیم کنید ( به خاطر عمق دشارژ dod).
۴–۴٫ این عدد را بر ولتاژ نامی باتری تقسیم نمایید.
۵–۴٫ 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 ۳ تا ۵ روز
که بیشتر شرکتها ۲ روز رو با توجه به منطقه در نظر می گیرند)
می توان ۶ باتری ۱۰۰ آمپری ۱۲ ولت در نظر گرفته شود.
گام ۵: تعیین اندازة شارژ کنترلر خورشیدی
شارژ کنترلر عموماً بر مبنای ظرفیت ولتاژ و
جریان ارزیابی می شود . ولتاژ بایستی مطابق با باتری و آرایة PV در نظر
گرفته شده و همین طور بتواند جریان آرایة PV را تحمل کند .
برای شارژ کنترلرهای نوع سری ، اندازة 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 اندازة شارژ کنترلر جریان مدار کوتاه آرایة PV ( Isc ) را در عدد ۱٫۳ ضرب می کنند.
بنابراین یک شارژ کنترلر ۴۰ یا ۴۵ آمپری ۱۲ ولت را انتخاب می کنیم.