آموزش برق خورشیدی – نکات مهم در طراحی برق خورشیدی

به طور معمول فرایند طراحی نیروگاه خورشیدی جدا از شبکه توسط روابط و مفاهیم عنوان شده در فصل های قبل صورت می گیرد اما نکات بسیار مهمی وجود دارد که حاصل تجربه بوده و در عمل بدست می آید. در این فصل قصد داریم به این نکات در قالب مثال های متعدد اشاره کنیم.

ولتاژ پنل خورشیدی مهم است

همانطور که می دانید در فرایند انتخاب پنل خورشیدی و یا شارژکنترلر، ولتاژ پنل خورشیدی اهمیت بسیاری دارد. پنل خورشیدی دارای دو ولتاژ است. یکی ولتاژ در نقطه حداکثر توان که به آن ولتاژ نامی پنل نیز گفته می شود و دیگری ولتاژ مدار باز پنل که باید عدد آن بیشتر از ولتاژ نامی باشد.

برای اندازه گیری ولتاژ مدار باز،‌ کافی است زمانی که پنل زیر نور خورشیدی قرار دارد سیم های آن را از شارژکنترلر جدا و با ولتمتر مقدار آن را اندازه گیری کنیم.

برخی پنل ها با ولتاژ بالا به بازار عرضه می شوند. برای مثال یک پنل ۲۰۰ واتی ممکن است به صورت ۱۸ ولتی، ۲۴ ولتی، ۲۹ ولتی و یا ۳۶ ولتی به بازار عرضه شود. گفتنی است فقط در پنل های ۱۸ ولتی و ۲۹ ولتی مناسب شارژکنترلر PWM هستند و در صورت استفاده از پنل ۲۴ ولتی و ۳۶ ولتی راندمان به شدت کاهش پیدا می کند.

گاهی در بازار منظور از پنل ۲۴ ولتی، یک پنل با ولتاژ نامی ۲۸ ولت است و منظور از پنل ۱۲ ولتی، پنل خورشیدی با ولتاژ نامی ۱۸ ولت است. پنل خورشیدی با ولتاژ نامی ۲۴ ولت بسیار خاص و به طور معمول در رنج ۱۵۰ وات تا ۲۰۰ وات یافت می شود که نمی توان آن را به شارژکنترلر PWM متصل نمود. همچنین در صورت استفاده از آن در کنار شارژکنترلر MPPT باید ولتاژ باتری ۱۲ ولت باشد زیرا ولتاژ باتری ۲۴ ولت در حالت شارژکامل در حدود ۲۵ تا ۲۶ ولت است و این پنل قادر به شارژ این باتری نیست.

مثال – یک پنل خورشیدی ۷۲ سلولی ۳۳۰ واتی با ولتاژ نامی ۳۶ ولت و ولتاژ مدار باز ۴۲ ولت را چگونه به باتری ۱۲ ولتی یا ۲۴ ولتی متصل کنیم.

در صورتی که از شارژکنترلر PWM استفاده کنیم در حالت باتری ۱۲ ولت راندمان کمتر از ۳۰ درصد و در حالت ۲۴ ولت راندمان در حدود ۵۰ درصد است. بنابر این اصلا توصیه نمی شود از شارژکنترلر PWM برای این مدل پنل استفاده نماییم.
در صورت استفاده از شارژکنترلر MPPT می توان این پنل را به راحتی به باتری ۱۲ ولت یا ۲۴ ولت متصل نماییم. در صورت استفاده از باتری ۱۲ ولتی باید شارژکنترلر ۳۰ آمپر انتخاب نماییم زیرا از حاصل ضرب جریان شارژکنترلر در ولتاژ باتری توان پنل محاسبه می شود. در صورت استفاده از باتری ۲۴ ولتی می توان شارژکنترلر را تا ۲۰ آمپر کاهش داد.

مثال – یک پنل خورشیدی ۱۸۰ وات دارای ولتاژ نامی ۲۴ ولت و ولتاژ مدار باز ۳۰ ولت است. شرایط اتصال این پنل خورشیدی را به یک باتری ۱۲ ولتی و ۲۴ ولتی برسی کنید.

در این مورد به هیچ وجه نمی توان از شارژکنترلر PWM استفاده نمود زیرا در حال استفاده از باتری ۱۲ ولتی، ولتاژ باتری با ولتاژ پنل بسیار اختلاف دارد و در حال باتری ۲۴ ولتی به دلیل اینکه باتری در حالت نیمه شارژ و شارژ ولتاژی بالاتر از ۲۴ ولت دارد، امکان استفاده از این پنل خورشیدی با شارژکنترلر PWM وجود ندارد.

در MPPT و با باتری ۲۴ ولتی نیز این محدودیت وجود دارد. زیرا ولتاژ باتری در حالت شارژ یا نیمه شارژ بالاتر از ۲۴ ولت است و پنل قادر به شارژ باتری نیست. اما در صورت استفاده از یک شارژکنترلر ۲۰ آمپر MPPT می توان پنل ۱۸۰ وات را به باتری ۱۲ ولت متصل نمود.
برای رفع مشکل شارژر PWM می توان به جای یک ۱۸۰ وات از ۲ پنل ۹۰ وات یا یک پنل با توان بالاتر استفاده نمود.

سیستم های بزرگ رو با ولتاژ باتری بالاتر طراحی کنید

بسیاری از همکاران ترجیح می دهند در طراحی نیروگاه خورشیدی ولتاژ باتری را ۱۲ ولت نگه دارند اما این کار علاوه بر افزایش هزینه خرید شارژکنترلر باعث افزایش تلفات می شود. به مثال زیر توجه کنید.

مثال – یک نیروگاه خورشیدی شامل ۴ باتری ۱۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت و یک اینورتر ۱۵۰۰ وات است. عمق دشارژ ۵۰ درصد در نظر گرفته شده و شارژکنترلر را مطابق ظرفیت باتری ها طراحی نمایید.

سه راهکار پیش روی طراح است:

• موازی کردن باتری ها با یکدیگر که نتیجه یک باتری ۴۰۰ آمپر ۱۲ ولت می شود
• سری و موازی کردن باتری ها که نتیجه یک باتری ۲۰۰ آمپر ۲۴ ولت می شود
• سری کردن همه باتری ها که نتیجه یک باتری ۱۰۰ آمپر ۴۸ ولتی می شود

در حالت اول نیاز به یک شارژر ۴۰ آمپر MPPT است. جریان ورودی اینورتر از تقسیم توان اینورتر بر ولتاژ ورودی اینورتر بدست می آید و برابر با ۱۲۵ آمپر است. جریان شارژ باتری ها نیز حداکثر ۴۰ آمپر است.
در حال دوم نیاز به یک شارژر 20 آمپر MPPT است. جریان ورودی اینورتر در این حالت نصف و در حدود ۶۰ آمپر است.
در حالت سوم نیاز به یک شارژر ۱۰ آمپر MPPT است. جریان ورودی در این حالت نصف ۲۴ ولت و برابر با ۳۰ آمپر است.

همانطور که مشاهده کردید با ترکیب باتری ها و افزایش ولتاژ مجموع آن علاوه بر این که قیمت شارژکنترلر کاهش می یابد، جریان عبوری از سیم نیز کاهش و در نتیجه تلفات هم کم می شود. همچنین ضخامت سیم مورد استفاده نیز کاهش یافته و هزینه ها کمتر می شود.

توصیه می شود در سیستم های کوچک تا حدود ظرفیت ۱۲۰۰ وات ساعت ولتاژ باتری ۱۲ ولت طراحی شود. در سیستم های متوسط ۱۲۰۰ وات ساعت تا ۴۰۰۰ وات ساعت، ولتاژ باتری ۲۴ ولت در نظر گرفته و در سیستم هایی با ظرفیت بالاتر از ۴۰۰۰ وات ساعت، ولتاژ باتری ۴۸ ولت در نظر گرفته شود.

گاهی اوقات در برخی سیستم ها از ولتاژ ۳۶ ولت هم استفاده می شود که به دلیل محدود بودن اینورتر هایی با این ولتاژ، این روش زیاد توصیه نمی شود.

تخمین انرژی مصرفی و توان مصرفی را جدی بگیرید

بسیاری از نارضایتی های مشتریان از نیروگاه خورشیدی به دلیل جدی نگرفتن انرژی مصرفی یا توان مصرفی توسط طراح است. در این حالت یا اینورتر جوابگوی تامین توان مصرف کننده ها نبوده و خاموش می شود و یا در طول روز انرژی ذخیره شده در باتری تمام می شود و خروجی قطع می شود. به منظور خودداری از این کار به مثال های زیر توجه کنید.

مصرف کننده های کوچک را جدی بگیرید

برخی مصرف کننده های کوچک مانند دوربین مداربسته دارای توان کمی هستند اما بازه زمانی آن ها ۲۴ ساعت است. برای مثال یک دوربین دید در شب در شب دارای توان ۸ وات است که در طول ۲۴ ساعت ۲۴۳ وات ساعت، انرژی مصرف می کند. در صورت استفاده از ۴ عدد دوربین و DVR انرژی مصرفی تا حد زیادی بالا می رود و در حدود ۱۵۰۰ وات ساعت است.

اشتباه در مدت زمان کارکرد یخچال

یخچال ها دارای کمپرسور است که به طور معمول حدود ۸ تا ۱۲ ساعت در روز روشن است. هرچه دمای یخچال پایین بیاید و یا درب آن زیاد باز و بسته شود، مدت زمان کارکرد کمپرسور افزایش می یابد. در برخی پروژه ها مدت زمان یخچال ۱۰ ساعت در نظر گرفته می شود که کارکرد یخچال در این ۱۰ ساعت با کارکرد آن در ۲۴ ساعت تفاوتی ندارد. زیرا حدود ۸ ساعت کمپرسور کار می کند تا دمای یخچال خاموش را به میزان ایده آل برساند.

در جاهای شلوغ مانند هتل از یخچال بیش از حد استفاده می شود و درب آن مدام در حال باز و بسته شدن است. بنابر این باید انرژی مصرفی را ۲۰ تا ۳۰ درصد بالاتر در نظر بگیریم.

سری و موازی کردن پنل ها با توان غیر یکسان

سری و موازی کردن پنل هایی با توان یکسان و یا تقریبا یکسان در سیستم های خورشیدی امکان پذیر است.  برای مثال موازی کردن یا سری کردن دو پنل خورشیدی ۳۲۰ وات و ۳۰۰ وات مشکل خاصی ایجاد نمی کند اما در صورت سری یا موازی کردن پنل های خورشیدی با توان های غیر یکسان مشکلات اساسی را می تواند ایجاد کند. برای درک بهتر به مثال های زیر توجه نمایید.

سری کردن دو پنل با توان غیر یکسان

در این صورت جریان خروجی پنل خورشیدی با توان بالاتر به اندازه جریان پنل خورشیدی کوچکتر محدود می شود. برای مثال اگر دو پنل ۲۵۰ وات و ۳۳۰ وات را با یکدیگر سری کنیم در صورتی که پنل خورشیدی ۲۵۰ وات دارای جریان خروجی ۵ آمپر باشید، در این صورت جریان پنل خورشیدی ۳۳۰ وات به ۵ آمپر محدود می شود و در صورت ثابت ماندن ولتاژ آن توان خروجی آن نیز محدود می شود.

موازی کردن دو پنل با توان غیر یکسان

در این صورت به دلیل وجود اختلاف بین ولتاژ دو پنل خورشیدی، ممکن است پنل کوچکتر به عنوان مصرف کننده در مدار قرار بگیرد و بخشی از توان پنل خورشیدی بزرگتر در آن تلف و در نتیجه توان خروجی مجموع کمتر از حاصل جمع توان دو پنل خورشیدی شود.

موازی کردن اینورتر ها

به هیچ وجه اینورتر ها را با یکدیگر موازی نکنید. فقط برخی از اینورتر ها هستند که امکان موازی شدن به کاربر را می دهند که در این صورت باید به شرایط موازی شدن در کاتالوگ آن توجه نمود. در غیر این صورت با موازی کردن اینورتر ها امکان سوختن آن ها وجود دارد. اینورتر ها خروجی هایی با فاز و فرکانس متفاوت با یکدیگر تولید می کنند که در صورت اتصال موازی آن ها یکی از آن ها به عنوان مصرف کننده عمل می کند و امکان سوختن آن ها وجود دارد.

بهتر است از اینورتر هایی با امکان موازی شدن استفاده کنید و یا اینکه خروجی هر اینورتر را به بخش مجاز متصل نمایید. برای مثال ممکن است در یک واحد مسکونی از یک اینورتر برای آشپزخانه و یک اینورتر برای سایر تجهیزات الکتریکی استفاده شود.

هیچ مشکلی برای موازی شدن ورودی اینورتر ها که باتری ها تغذیه می شود، وجود ندارد.

سری و موازی کردن شارژکنترلر ها

به منظور دستیابی به جریان و ولتاژ شارژ باتری در شارژکنترلر ها ممکن است تعدادی شارژکنترلر با یکدیگر سری یا موازی شوند. به هیچ وجه این کار برای تمامی شارژکنترلر ها توصیه نمی شود و تنها برای شارژکنترلر های خاص این کار توصیه می شود.

در صورت تمایل به انجام این کار توصیه می شود پنل های ورودی هر شارژکنترلر به صورت مستقل باشد و در نهایت خروجی باتری تمامی شارژر ها با یکدیگر موازی شود. این کار باعث افزایش جریان شارژکنترلر ها می شود.