توان الکتریکی در نیروگاه خورشیدی

توان الکتریکی به زبان ساده بیانگر آهنگ مصرف یا تولید انرژی الکتریکی نسبت به زمان است. به عنوان مثال یک مصرف کننده الکتریکی توان بالا، انرژی بیشتری نسبت به مصرف کننده توان پایین، در یک زمان مشخص مصرف می کند. واحد توان الکتریکی وات است و با حرف W نشان داده می شود. در برق خورشیدی، توان الکتریکی در دو سمت مصرف کننده و تولید کننده از اهمیت بالایی برخوردار است. پنل خورشیدی، انرژی الکتریکی را با توان مشخص تولید و مصرف کننده ها نیز این انرژی تولید شده را با توان مشخص در واحد زمان مصرف می کنند.

همچنین تجهیزات مبدل مانند اینورتر نیز دارای محدودیت در تبدیل برق ورودی با توان مشخص هستند. مقدار توان الکتریکی در بسیاری از موارد به دلیل بالا بودن با واحد کیلووات KW نیز بیان می شود که هر 1000 وات برابر با یک کیلووات می شود.

مقدار توان الکتریکی از فرمول های بسیاری محاسبه می شوذ که معروف ترین آن حاصل ضرب ولتاژ در جریان است. در جریان مستقیم DC که مقدار ولتاژ و جریان نسبت به زمان تغییری نمی کند، توان به راحتی از حاصل ضرب این دو مقدار با یکدیگر به دست می آید اما در جریان متناوب AC، رابطه توان مقداری دشوار تر می شود.

توان الکتریکی در جریان مستقیم

در مدارات جریان مستقیم مانند پنل خورشیدی و باتری، به دلیل ثابت بودن منحنی ولتاژ و جریان نسبت به زمان، از حاصل ضرب ولتاژ در جریان، توان الکتریکی به دست می آید. برای مثال یک پنل خورشیدی را در نظر بگیرید که در لحظه در حال تولید 6 آمپر جریان با ولتاژ 29 ولت است. از حاصل ضرب این دو مقدار 174 وات بدست می آید. این عدد نشان می دهد پنل خورشیدی در ساعت 174 وات ساعت انرژی تولید می نماید.

پنل خورشیدی تولید کننده توان است و در صورتی که یک مصرف کننده الکتریکی مانند پمپ به پنل خورشیدی به صورت مستقیم یا توسط مبدل متصل شود، در صورتی می تواند بهترین عملکرد خود را داشته باشد که توان مصرفی آن از توان تولیدی پنل خورشیدی کمتر باشد. به طور مثال یک پنل خورشیدی 500 وات نمی تواند یک پمپ آب 600 واتی را روشن نماید. همچنین نمی تواند یک پمپ آب 400 تا 500 وات را نیز روشن نماید.

علت این مشکل کمتر بودن توان تولیدی پنل خورشیدی نسبت به توان نامی و درج شده در پشت پنل خورشیدی است. به طور معمول توان درج شده در پشت پنل خورشیدی بر مبنای تست STC بوده و این مقادیر در آزمایشگاه و تحت دقیق ترین و بهترین شرایط محیطی اندازه گیری می شود. در عمل پنل خورشیدی به دلیل نداشتن شرایط ایده آل مانند زاویه تابش خورشید، توان پایین تری تولید می نماید. برای مثال بیشتر پنل های خورشیذی در تابش مستقیم آفتاب حداقل 15 تا 20 درصد انرژی را با توان کمتر از توان نامی تولید می نمایند.

در دیتاشیت تمام پنل های خورشیدی، مقادیر توان و ولتاژ و جریان در جدولی جدا به نام NOTC یا NTC درج شده اند که به واقعیت بیشتر نزدیک است. همچنین ممکن است یک پنل در شرایط آب و هوای ابری، چیزی بیش از 50 درصد افت داشته باشد که در طراحی نیروگاه خورشیدی باید به تمام این موارد توجه نمود.

توان الکتریکی در اینورتر خورشیدی

همانطور که در بخش قبلی اشاره شد، پنل خورشیدی می تواند به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به مصرف کننده های متنوع الکتریکی متصل شود. به عنوان مثال یک پمپ آب جریان مستقیم را در نظر بگیرید که ولتاژ کار آن در بازه 24 تا 36 ولت و توان آن نیم اسب بخار است. هر اسب بخار 750 وات و نیم اسب بخار برابر با 375 وات تا 400 وات است. برای راه اندازی چنین پمپی نیازمند پنل خورشیدی در بازه 500 تا 700 وات هستیم که در این حالت در صورت ابری بودن هوا و یا تلفات داخلی و نصب پنل خورشیدی، پمپ همچنان به فعالیت خود ادامه می دهد. اما اگر این پمپ به یک پمپ تکفاز 220 ولت تبدیل شود، دیگر پنل خورشیدی قادر به راه اندازی آن نمی شود.

دلیل این امر بحث توان نبوده و برای راه اندازی پمپ مشکل ولتاژ وجود دارد. پنل خورشیدی در بازه 500 تا 700 وات حداکثر دارای ولتاژ 50 تا 60 ولت است و پمپ آب با 220 ولت روشن می شود. همچنین شکل موج ولتاژ پنل خورشیدی ثابت و خروجی پنل چریان مستقیم است و مقدار جریان نسبت به زمان در مدت زمان مشخص تغییری نخواهد کرد اما پمپ AC به جریان متناب با شکل موج سینوسی نیاز دارد که در هر ثانیه 100 بار (فرکانس 50 هرتز) مقدار آن از 0 ولت به حداکثر مقدار خود یعنی 310 ولت برسد که مقدار موثر این ولتاژ 220 ولت می شود.

اینورتر می توانید شکل موج ولتاژ را تغییر و ولتاژ پنل خورشیدی را با پمپ AC تطبیق دهد. به صورت تئوری اینورتر تغییری روی توان ایجاد نمی کند و توان ورودی با خروجی برابر است. اما در عمل مقداری تلفات توان وجود دارد و ممکن است چیزی در حدود 5 تا 10 درصد توان در اینورتر تلف شود.

توان ورودی انورتر از حاصل ضرب ولتاژ در جریان بدست می آید و می تواند ورودی به صورت مستقیم به پنل خورشیدی یا باتری ها متصل شود. ورودی اینورتر به دلیل پایین بودن ولتاژ، دارای جریان بالا است و خروجی که ولتاژ افزایش می یابد، جریان به شدت کاهش پیدا می کند.

برای مثال یک اینورتر 3 کیلووات را در نظر بگیرید. در صورت حداکثر توان اگر ولتاژ ورودی 12 ولت باشد، جریان ورودی چیزی در حدود 250 آمپر است. در خروجی ولتاژ برابر با 220 ولت و حداکثر جریان به 13 آمپر می رسد. به همین دلیل سیم های ورودی اینورتر با ضخامت بیشتر انتخاب می شود. همچنین توصیه می شود برای کاهش تلفات و همچنین قطر سیم، در اینورتر های توان بالا از ورودی با ولتاژ بیشتر استفاده شود.

توان الکتریکی در جریان متناوب AC

در جریان متناوب AC، مقدار ولتاژ و جریان به صورت متناب در حال تغییر است. هر دو شکل موج نیز از نوع سینوسی بوده و متوسط شکل موج سینوسی برابر صفر است. اما متوسط حاصل ضرب ولتاژ در جریان که توان می شود، صفر نبوده و برابر با حاصل ضرب ولتاژ موثر در جریان موثر است. برای مثال در برق شهر که یک موج سینوسی با ماکزیموم 310 ولت است، مقدار ولتاژ موثر برابر با 220 ولت بوده و توان نیز بر مبنای ولتاژ موثر محاسبه می شود. رابطه توان متوسط به صورت زیر است.

با توجه به رابطه توان متوسط، برای محاسبه جریان مصرفی کافی است توان مصرف کننده را بر ولتاژ 220 ولت تقسیم نماییم که به طور مثال برای یک پمپ یک اسب بخار (750 ولت) مقدار جریان مصرفی برابر با 3.4 آمپر است. نکته مهم در اینجا جریان راه اندازی اولیه است که در پمپ های AC بدون درایو در لحظه اولیه راه اندازی جریان الکتریکی بیشتری از منبع دریافت می شود که به طور معمول 1.5 تا 2 برابر جریان در توان نامی است. به طور مثال ممکن است در یک کفکش یک اسب بخار در لحظه اولیه جریانی معادل 7 آمپر از منبع کشیده شود که نیاز به اینورتر با توان 1.5 کیلووات است. پس جریان راه اندازی اولیه نیز برای تشخیص توان اینورتر از اهمیت بالایی برخوردار است. برخی از اینورتر ها قادر به تامین توان بالاتری در مدت زمان کوتاهی هستند که این مقدار در کاتالوگ اینورتر ها درج شده است. به این توان، حداکثر توان لحظه ای اینورتر گفته می شود و گاهی اوقات برای آن مدت زمان نیز تایین می شود. برای مثال در اینورتر IP2000 برند EPEVER کاتالوگ به ما اعلام می کند که این دستگاه توان تامین 1.6 کیلووات به صورت دائم و 2 کیلووات را تا 15 دقیقه دارد.

توان جریان متناوب در بار های موتوری

برخی از بارهای الکتریکی مانند موتورها به دلیل ساختار سیم پیچی شده آن ها دارای ظرفیت سلفی هستن و ممکن است بیش از جریان نامی خود، جریان الکتریکی از منبع دریافت نمایند. روی برخی از موتور ها توان به جای کیلووات بر حسب کیلو ولت آمپر KVA یا به صورت ساده شده کاوا بیان می شود.

به عنوان مثال اگر موتوری دارای توان مصرفی 1 کیلووات است باید جریانی در حدود 4.5 آمپر از اینورتر دریافت کند اما در عمل نزدیک به 5 آمپر از منبع دریافت می کند. این جریان اضافه می تواند ناشی از ضریب توان در مدار باشد و در اصل توان موتور چیزی در حدود 1.1 کاوا است. در این حالت جریان اضافی در سیم پیچ موتور ذخیره می شود و عملا کاربردی در سیستم ندارد اما باید مقدار آن را در زمان طراحی اینورتر یا پنل خورشیدی لحاظ کنیم. به زودی نوشته ای تحت عنوان ضریب توان در مجله سولارنیرو قرار خواهیم داد تا توسط آن بتوانید مقدار این جریان اضافی را اندازه گیری نمایید.

توان جریان متناوب در برق سه فاز

در سه فاز، هر فاز دارای توان مشخص و مربوط به خودش است. در یک سیستم سه فاز نامتعادل جریان هر فاز با فاز دیگر متفاوت است و توان هر فاز برابر با حاصل ضرب جریان فاز در ولتاژ فاز (در ایران 220 یا 230 ولت) است که توان کل سیستم سه فاز از جمع توان هر سه فاز بدست می آید. در بار های تقریبا متعادل، توان هر فاز از تقسیم توان کل به 3 بدست می آید. همچنین از تقسیم توان هر فاز بر ولتاژ فاز (220 یا 230 ولت) جریان فاز بدست می آید.

به عنوان مثال یک پمپ 10 کیلووات سه فاز، به طور معمول متعادل است و توان هر فاز حدود 3.3 کیلووات و جریان هر فاز 15 آمپر است. برای محاسبه کلید مینیاتوری و اینورتر از جریان 15 آمپر استفاده می شود. همچنین برای راه اندازی این پمپ توصیه می شود از یک اینورتر با توان بیش از 10 کیلووات استفاده نمود. اگر اینورتر از نوع اینورتر کنترل دور موتور است باید توان اینورتر حدود 10 تا 20 درصد بالاتر از توان پمپ یا موتور باشد و در صورتی که موتور دارای جریان اولیه بالا بوده و اینورتر بدون واحد کنترل دور فرکانسی است، توصیه می شود بین 50 تا 100 درصد بسته به نوع اینورتر و جریان راه انداز، توان خروجی اینورتر را بالاتر در نظر بگیرید.

در این نوشته به برسی توان در نیروگاه برق خورشیدی و پنل خورشیدی پرداخته شد و شما می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نیروگاه برق خورشیدی به مجله آموزشی سولارنیرو مراجعه نمایید. همچنین در صورتی که قسمتی از مطالب برای شما ناواضح است می توانید سوال و پیشنهاد خود را در قسمت نظرات درج نمایید تا کارشناسان ما شما را به بهترین شکل راهنمایی یا بخشی از نوشته را بهبود دهند.