طراحی سیستم برق خورشیدی خانگی:
سیستم های فتوولتائیک جدا از شبکه، معمولاً برای مصارف کوچک و در نقاط دورافتاده (مانند دکل های مخابراتی، خانه ها و..) که احداث خطوط انتقال از نظر فنی یا اقتصادی عملی نیست به کار می روند و جایگزین مناسبی برای ژنراتورهای دیزلی هستند.
روز به روز، قیمت پنل های خورشیدی در حال کاهش است. اما هنوز نصب سیستم های خورشیدی جدا از شبکه هزینه بر است.
این آموزش، راهنمایی برای طراحی و ساخت یک سیستم فتوولتائیک جدا از شبکه است. اگر تصمیم گرفته اید انرژی الکتریکی خانه، ویلا یا هر مکان دیگری را با پنل های خورشیدی تأمین کنید، پیشنهاد می کنیم این آموزش را مطالعه کنید.
با مطالعه این آموزش، می توانید شخصاً به طراحی، خرید و نصب یک سیستم خورشیدی اقدام و از صرف هزینه های اضافه جلوگیری کنید.
برای یک سیستم خورشیدی جدا از شبکه به چهار تجهیز اصلی نیاز داریم:
شکل زیر، ارتباط بین تجهیزات مختلف را در یک سیستم خورشیدی جدا از شبکه نشان می دهد.
در کنار تجهیزات نمودار بالا، به تجهیزات دیگری از قبیل سیم مسی، کانکتور MC4، کلید، نمایشگر و فیوز نیز نیاز خواهیم داشت؛ در ادامه، مراحل طراحی سیستم را معرفی می کنیم.
مرحله 1: محاسبات توان:
قبل از انتخاب تجهیزات، باید توان بارها و مدت زمان استفاده از آن ها را محاسبه کنیم. بدین ترتیب، انرژی مصرفی به دست می آید. این کار به سادگی و با دانش ابتدایی ریاضی قابل انجام است:
365 = 160 + 150 + 55 = وات-ساعت کل
اکنون محاسبات مربوط به بار را انجام داده ایم. در مرحله بعد، باید انتخاب تجهیزات را با توجه به نتیجه این محاسبات انجام دهیم.
مرحله 2: انتخاب باتری:
یک پنل خورشیدی توان DC تولید می کند. این توان فقط در طول روز و در صورت وجود نور تولید می شود. بنابراین، چنین به نظر می رسد که اگر بخواهیم یک بار DC را در طول روز با آن تغذیه کنیم، مشکلی نخواهیم داشت. اما این کار مناسب نیست، زیرا:
دو مورد بالا را می توان با استفاده از یک باتری برای ذخیره توان در طول روز حل کرد. علاوه بر این، باتری یک منبع ثابت، پایدار و قابل اطمینان است.
باتری ها انواع مختلفی دارند؛ باتری های خودرو و موتور برای ساعت های کاری کم و البته جریان های بالا طراحی شده اند و برای تخلیه عمیق مناسب نیستند.
اما، باتری های خورشیدی، مانند باتری های سرب-اسید با تخلیه عمیق یا اصطلاحاً دیپ سایکل (Deep-Cycle) قابلیت تخلیه عمیق و طولانی مدت را دارند. باتری های لوله ای سرب-اسید گزینه های مناسبی برای یک سیستم خورشیدی هستند.
باتری های نیکل-هیدرید فلز (Ni-MH) و لیتیم-یون (Li-Ion) نیز برای کاربردهای کوچک و فضای کم مورد استفاده قرار می گیرند.
نکته: توجه کنید که قبل از انتخاب تجهیزات ابتدا باید ولتاژ سیستم را تعیین کنید. ولتاژهای 12، 24 و 48 ولت، ولتاژهای نامی استاندارد و رایج در این سیستم ها است.
هرچه ولتاژ انتخابی بالاتر باشد، جریان سیستم و در نتیجه، تلفات مسی آن کمتر خواهد بود و منجر به انتخاب سیمی با اندازه (سطح مقطع) کمتر می شود. ولتاژ نامی اغلب سیستم های خورشیدی خانگی 12 یا 24 ولت است. برای مثال، در اینجا یک 12 ولت را در نظر می گیریم.
ظرفیت باتری ها براساس آمپر-ساعت بیان می شود.
همان طور که می دانیم:
جریان × ولتاژ = توان
زمان (ساعت) × جریان (آمپر) × ولتاژ (ولت) = آمپر-ساعت
(ولتاژ سیستم را 12 در نظر گرفته ایم) 12 ولت = ولتاژ باتری
30٫42 آمپرساعت = 12 ÷ 365 = ولتاژ ÷ بار = ظرفیت باتری
اما همان طور که می دانیم، بازده باتری 100 درصد نیست و به همین دلیل فرض می کنیم بازده آن، 80 درصد باشد. بنابراین، ظرفیت به صورت زیر تصحیح می شود:
38٫02 آمپرساعت = 0٫8 ÷ 30٫42 = ظرفیت باتری
باتری استاندارد با ظرفیت نزدیک به مقدار بالا (و بزرگ تر از آن)، یک باتری 40 آمپر-ساعت دیپ سایکل سرب-اسید است.
مرحله 3: انتخاب پنل خورشیدی:
پنل خورشیدی نور خورشید را به برق DC تبدیل می کند. پنل هایی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند، پنل های مونوکریستالی و پلی کریستالی هستند. پنل های مونوکریستال گران تر از پنل های پلی کریستال هستند و البته بازده آن ها نیز بیشتر است.
مشخصات پنل های خورشیدی معمولاً در شرایط آزمون استاندارد (STC) بیان می شود. این شرایط استاندارد شامل تابش 1000 وات بر متر مربع، طیف خورشیدی با توده هوای 1٫5 و دمای ماژول 25 درجه سانتی گراد است.
اندازه پنل خورشیدی باید به گونه ای انتخاب شود که باتری را در یک روز آفتابی به صورت کامل شارژ کند. در طول 12 ساعت روشنایی روز، تابش نور خورشید یکنواخت نیست و علاوه بر آن، روشنایی در مکان های جغرافیایی مختلف با هم تفاوت دارد. البته می توانیم فرض کنیم که 4 ساعت تابش مؤثر برای تولید توان نامی وجود دارد.
بنابراین، انرژی خروجی کل پنل ها برابر است با:
12V×40Ah=480Wh
توان تولیدی در هر ساعت نیز به صورت زیر به دست می آید:
480/4=120W
با درنظر گرفتن اندکی حاشیه امنیت، یک پنل خورشیدی 125 وات را برای کار در ولتاژ 12 ولت را انتخاب می کنیم.
مرحله 4: انتخاب شارژ کنترلر:
یک شارژ کنترلر خورشیدی دستگاهی است که بین پنل خورشیدی و باتری قرار می گیرد و ولتاژ و جریانی را که از پنل می آید تنظیم می کند. وقتی ولتاژ پنل خورشیدی افزایش پیدا کند، شارژ کنترلر میزن شارژ باتری ها را تنظیم کرده و از اضافه شارژ آن ها جلوگیری می کند.
معمولاً سیستم های خورشیدی از باتری های 12 ولتی بهره می برند، البته پنل های خورشیدی می توانند ولتاژ بیشتری برای شارژ باتری ها تأمین کنند. در واقع، با تبدیل ولتاژ اضافه به آمپر، ولتاژ شارژ را می توان در یک سطح بهینه نگه داشت، در حالی که زمان مورد نیاز برای شارژ کامل باتری ها کاهش می یابد. این امر سبب می شود سیستم خورشیدی در هر زمانی بهینه عمل کند.
شارژ کنترلرها انواع مختلفی دارند که عبارتند از:
شارژ کنترلرهای ON/OFF کمترین بازده را دارند و حتی الامکان از استفاده از آن ها خودداری می شود. از میان سه نوع شارژ کنترلر بالا نوع MPPT بالاترین بازدهی را دارد، اما از همه گران تر است. بنابراین، می توانیم از دو نوع PWM یا MPPT استفاده کنیم.
از آنجایی که ولتاژ سیستم مورد نظر 12 ولت است، ولتاژ شارژ کنترلر نیز باید 12 ولت باشد. جریان نامی شارژ کنترلر نیز از تقسیم توان خروجی پنل ها بر ولتاژ به دست می آید:
125W/12V=10.4A
بنابراین، یک شارژ کنترلر 12 ولتی با جریانی بیشتر از 10٫4 آمپر انتخاب می کنیم.
مرحله 5: انتخاب اینورتر:
همان طور که می دانیم، پنل ها نور خورشید را به برق DC تبدیل می کنند. اما، اغلب وسایل الکتریکی با برق AC کار می کنند. بنابراین، باید برق DC را به AC تبدیل کنیم. این کار با دستگاهی به نام اینورتر امکان پذیر است.
اینورترها را می توان در سه دسته زیر تقسیم بندی کرد:
اینورترهای موج مربعی ارزان ترین نوع اینورترها هستند، اما برای همه کاربردها مناسب نیستند. شکل موج خروجی اینورتر شبه سینوسی نیز برای برخی موارد خاص، به ویژه آن هایی که دستگاه هایی خازنی و الکترومغناطیسی هستند، مانند اجاق مایکرویو، یخچال و اغلب موتورها توصیه نمی شوند.
اینورترهای شبه سینوسی بازدهی پایین تری نسبت به اینورترهای سینوسی دارند. بنابراین، بهتر است که یک اینورتر سینوسی خالص را انتخاب کنیم. اینورترهای خورشیدی در دو نوع متصل به شبکه و جدا از شبکه موجود هستند. در طراحی مورد نظر ما باید از اینورتر جدا از شبکه استفاده کنیم.
توان اینورتر باید برابر یا بزرگ تر از توان لحظه ای بار در هر زمانی باشد. در مورد سیستم ما، حداکثر بار لحظه ای زمانی رخ می دهد که هر سه وسیله الکتریکی با هم روشن باشند:
=50+80+11=141W
با در نظر گرفتن یک محدوده اطمینان، یک اینورتر 200 وات را انتخاب می کنیم. از آنجایی که ولتاژ سیستم 12 ولت است، یک اینورتر 12 ولت DC به 230 ولت (50 هرتز AC) انتخاب می کنیم.
نکته: توان راه اندازی وسایلی مانند یخچال، سشوار، جاروبرقی، ماشین لباس شویی و… چند برابر بزرگ تر از توان نامی کاری آن ها است. وقتی اندازه اینورتر را تعیین می کنیم، باید به این مورد دقت داشته باشیم.
بخش دوم: نصب سیستم برق خورشیدی خانگی:
پس از طراحی سیستم خورشیدی با توجه به مراحل قبلی، باید سایر تجهیزات مورد نیاز سیستم را با توجه به طراحی های انجام شده تهیه و نصب را انجام دهیم.
مرحله 6: نصب پنل خورشیدی:
اکنون باید پنل را نصب کنیم. ابتدا محل مناسبی را روی سقف یا روی زمین پیدا می کنیم که سایه روی آن نیفتد. سپس آن را با زاویه ای مناسب روی یک پایه قرار می دهیم. برای آنکه بیشترین توان را از پنل بگیریم، باید جهت آن را به گونه ای قرار دهیم که بیشترین توان را از نور خورشید استحصال کند. در ایران، معمولاً زاویه 30 درجه نسبت به زمین و رو به جنوب گزینه مناسبی است.
می توانیم پایه پنل را خودمان نیز بسازیم. برای مثال، شکل زیر، یک پایه کوچک را نشان می دهد.
پنل به صورت زیر روی پایه نصب شده است.
برای نصب پایه، باید آن را روی سطح ثابت قرار داد. برای این کار می توانیم سیمان و ماسه را، به ترتیب، با نسبت 1 به سه ترکیب کرده و پایه ها را به روی سطحی که قرار گرفته اند محکم کنیم. در ادامه، باید پنل را روی پایه قرار دهیم.
برای این کار، در بخش پشت پنل سوراخ های از پیش تعبیه شده ای وجود دارد که می توان با پیچ آن ها را به پایه بست و محکم کرد.
در قسمت پشتی پنل یک جعبه اتصال یا اصطلاحاً جانکشن باکس کوچک وجود دارد که دارای دو خروجی با نشان های مثبت و منفی است. در یک پنل با اندازه بزرگ، سیم های خروجی جانکشن باکس داراری کانکتور MC4 هستند. سیم قرمز معمولاً ترمینال مثبت، و سیم مشکی ترمینال منفی را نشان می دهد. اگر سیم سبزی نیز وجود داشته باشد، مربوط به اتصال زمین است.
مرحله 7: اتصال سری و موازی:
بعد از محاسبه ظرفیت باتری و مشخصات پنل خورشیدی، باید آن ها را به یکدیگر متصل کنیم. در بسیاری از موارد، اندازه پنل یا باتریِ محاسبه شده ای که مورد نظرمان است، در دسترس نیست یا وجود ندارد.
در این موارد می توانیم پنل ها یا باتری های کوچک تر را به یکدیگر متصل کرده و به اندازه مطلوب برسیم. برای رسیدن به ولتاژ و جریان مطلوب، می توانیم از اتصال سری و موازی استفاده کنیم.
اتصال سری: برای سری کردن هر دو دستگاهی باید ترمینال مثبت یکی از آن ها را به ترمینال منفی دیگری متصل کنیم. حال این دستگاه می تواند باتری یا پنل باشد. در اتصال سری، ولتاژ دو دستگاه با هم جمع شده و جریان یکسانی از آن ها عبور می کند.
برای مثال، فرض کنید 2 باتری 12 ولتی را به صورت سری به یکدیگر متصل کرده ایم. در نتیجه، ولتاژ مجموعه آن ها 24 ولت خواهد بود. حال اگر ظرفیت هر باتری 100 آمپر-ساعت باشد، از آنجایی که جریان گذرنده از آن ها یکسان است، ظرفیت کل مجموعه نیز همان 100 آمپر-ساعت خواهد ماند.
اگر مثلاً دو پنل 17 ولتی را با یکدیگر سری کنیم و جریان نامی هریک از آن ها 5 آمپر باشد، مجموعه مدار دارای ولتاژ 34 ولت و جریان 5 آمپر خواهد بود.
اتصال موازی: برای اتصال موازی دو دستگاه به یکدیگر ترمینال مثبت یک دستگاه را به ترمینال مثبت دستگاه دیگر و ترمینال منفی آن را به ترمینال منفی دستگاه دیگر متصل می کنیم. در اتصال موازی، ولتاژ مجموعه تغییری نمی کند، اما اندازه جریان برابر با مجموع جریان های دو دستگاه خواهد شد.
برای مثال، اگر دو باتری 12 ولتی 100 آمپر-ساعت را با یکدیگر موازی کنیم، ولتاژ مجموعه آن ها تغییری نمی کند، اما ظرفیت آن ها با هم جمع شده و 200 آمپر-ساعت خواهد شد.
حال اگر دو پنل 17 ولتی 5 آمپری را با هم موازی کنیم، ولتاژ مجموعه آن ها 17 ولت و جریان 10 آمپر می شود.
مرحله 8: نصب اینورتر و باتری:
شکل زیر، نمونه ای از یک محفظه و پایه را برای اینورتر و باتری ها نشان می دهد. همان طور که می بینیم، روی بدنه محفظه سوراخ های کوچکی برای عبور سیم های پنل، شارژ کنترلر و اینورتر تعبیه شده است.
همچنین، چند سوراخ برای تهویه و گردش هوا روی محفظه ایجاد شده است. یک پنجره کوچک شیشه ای نیز روی در محفظه برای نشان دادن اطلاعات سیستم جانمایی شده است.
شارژ کنترلرها نمایشگری برای ارائه اطلاعات سیستم دارند. شارژ کنترلر را به گونه ای نصب می کنیم که با پنجره کوچک روی محفظه منطبق باشد و بتوانیم اطلاعات آن را بخوانیم.
مرحله 9: سیم کشی:
اولین بخشی از سیستم که باید سیم کشی آن را انجام دهیم، شارژ کنترلر است. در بخش پایین شارژ کنترلر مورد نظر، سه علامت وجود دارد. همان طور که در شکل زیر مشاهده می کنیم، اولین علامت در سمت چپ، پنل را نشان می دهد که اتصال ترمینال مثبت و منفی آن نیز مشخص شده است.
علامت وسط نیز به همین ترتیب مربوط به باتری است. سومین علامت نیز مربوط اتصال مستقیم بارهای صرفاً DC، مانند روشنایی DC است.
شمای کلی اتصالات شارژ کنترلر به صورت زیر است.
طبق دفترچه راهنمای شارژ کنترلر، همیشه باید آن را ابتدا به باتری وصل کرد تا با ولتاژ سیستم (12 یا 24 ولت) کالیبره شود.
توجه: ابتدا اتصال منفی (سیم مشکی) باتری را به شارژ کنترلر متصل کنید.
بعد از اتصال باتری باتری به شارژ کنترلر، می توان سطح شارژ باتری را مشاهده کرد. در ادامه، باید اینورتر را به باتری وصل کنیم.
خروجی AC اینورتر در شکل زیر نشان داده شده است.
اکنون باید پنل خورشیدی را به شارژ کنترلر متصل کنیم. در پشت پنل یک جعبه اتصال کوچک با دو ترمینال (یکی مثبت و یکی منفی) وجود دارد. طول سیم ترمینال ها معمولاً کوتاه است و باید از سیم های دیگری نیز برای اتصال پنل به شارژ کنترلر استفاده کرد.
برای اتصال سیم به شارژ کنترلر باید از نوع خاصی اتصال که با نام MC4 شناخته می شود استفاده کنیم. شکل زیر، اتصال پنل و شارژ کنترلر را با استفاده از MC4 نشان می دهد.
نکته: وقتی پنل را به شارژ کنترلر وصل می کنید، حتماً دقت کنید که پنل در معرض نور نباشد. برای این کار، بهتر است آن را با یک پارچه یا هر چیز تاریک دیگری به طور کامل بپوشانید. این کار برای جلوگیری از اعمال افزایش ولتاژ ناگهانی از پنل به شارژر است.
لازم به ذکر است که در این سیستم با جریان DC سر و کار داریم. بنابراین، حتماً باید سر مثبت پنل به ترمینال مثبت شارژر و سر منفی آن به ترمینال منفی وصل شود. در صورتی که این اتصالات وارونه انجام شود، ممکن است تجهیز دچار آسیب و حتی آتش سوزی شود. بنابراین، لازم است هنگام اتصال سیم ها بسیار دقت کنیم.
حفاظت های اضافه: اگرچه شارژ کنترلر و اینورتر، خود فیوزهایی برای حفاظت دارند، خودمان نیز می توانیم در مکان های زیر فیوزهایی برای حفاظت و ایزولاسیون قرار دهیم:
بعد از همه این اتصالات، سیستم خورشیدی آماده بهره برداری است.
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
