آموزش برق خورشیدی – طراحی پکیج برق خورشیدی – بخش دوم

مرحله دوم – طراحی ظرفیت باتری ها

باتری های مورد استفاده در نیروگاه خورشیدی به طور معمول از نوع سیلد لید اسید AGM و با ولتاژ ۱۲ ولت است. برای محاسبه ظرفیت باتری مورد نیاز بهتر است انرژی مصرفی محاسبه شده در مرحله قبل را تقسیم بر ولتاژ باتری کنیم تا ظرفیت مورد نیاز محاسبه شود. برای مثال در مرحله قبل یک سیستم خورشیدی نگهبانی را با انرژی مصرفی ۲۰۰۰ وات ساعت در شبانه روز محاسبه کردیم. میزان ظرفیت باتری مورد نیاز این سیستم از تقسیم عدد ۲۰۰۰ بر ۱۲ که ولتاژ باتری است بدست می آید. ظرفیت باتری مورد نیاز برای این سیستم ۱۶۶ آمپر ساعت است.
در صورتی که از یک باتری ۱۶۶ آمپر ۱۲ ولت در این سیستم استفاده شود، ظرفیت باتری به طور کامل در آخر روز تخلیه و شارژ باتری ۰ درصد می شود. همانطور که فصل گذشته نیز در مورد آن صحبت شد، بسته به اینکه چند درصد از ظرفیت باتری AGM در طول روز مورد استفاده قرار گیرد، طول عمر باتری تعریف می شود. به منظور استفاده از باتری AGM‌ یا GEL به صورت بهینه و همچنین تامین حداقلی انرژی در روزهای ابری بهتر است ظرفیت باتری را دو برابر ظرفیت مورد نیاز در نظر بگیرید.
به همین دلیل در مثال قبل به جای استفاده از باتری ۱۶۶ آمپر ساعت از باتری ۳۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت استفاده می کنیم که در طول روز تقریبا ۵۰ درصد آن مورد استفاده قرار می گیرد. ۵۰ درصد باقی مانده باعث افزایش طول عمر باتری و همچنین تامین انرژی پشتیبان در روز های ابری است. همچنین در صورت نیاز به ظرفیت پشتیبان بیشتر، ظرفیت باتری را بیشتر در نظر می گیریم.
در مثال قبل ظرفیت باتری برابر ۳۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت محاسبه شد. به دلیل اینکه این باتری بسیار بزرگ و کمیاب است بهتر است به جای استفاده از باتری ۳۰۰ آمپر ۱۲ ولت از ۳ باتری ۱۰۰ آمپر ۱۲ ولت استفاده شود. همچنین می توان از ۲ باتری ۱۵۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت نیز استفاده نمود.
نکته مهم در این بخش انتخاب ولتاژ باتری است. همانطور که قبل تر نیز در مورد آن صحبت شد، ولتاژ باتری سیلد لید اسید AGM یا GEL مورد استفاده در نیروگاه خورشیدی به طور معمول ۱۲ ولت است اما بر اساس نحوه اتصال آن به سیستم می توان ولتاژ مجموع را تایین نمود. برای مثال ۲ باتری ۱۵۰ آمپر ساعت را می توان با یکدیگر سری و ولتاژ مجموع را به ۲۴ ولت رساند.
افزایش ولتاژ باتری ها به طور معمول باعث کاهش جریان سیستم و در نتیجه کاهش تلفات می شود. در بخش های بعدی به خصوص در مرحله بعدی به طور کامل تر به این موضوع پرداخته می شود.

مرحله سوم – طراحی شارژکنترلر

به طور معمول توصیه می شود باتری های سیلد لید اسید AGM‌ و GEL را حداکثر با جریانی معادل ۱۰ درصد یا نهایتا ۱۵ درصد ظرفیت کل شارژ شوند. برای مثال یک باتری ۳۰۰ آمپر بهتر است با جریانی معادل ۳۰ آمپر یا نهایتا ۴۵ آمپر شارژر شود. بر همین اساس میزان جریان شارژکنترلر مورد نظر مشخص می شود.
متوسط تابش سالیانه در بیشتر نقاط ایران ۵ ساعت است که در صورتی که باتری را با نرخ ۱۰ درصد ظرفیت آن شارژ نماییم، در طول ۵ ساعت حدود نصف آن شارژ می شود. از طرفی چون ۵۰ درصد باتری هر روز مورد استفاده قرار می گیرد، هر روز مقدار مصرف شده از باتری مجدد شارژ می گردد. در صورتی که نیروگاه خورشیدی در نقاطی با متوسط تابش پایین نصب می شود بهتر است شارژکنترلر را قوی تر و معادل ۱۵ درصد ظرفیت باتری انتخاب کرد.
در مثال سیستم خورشیدی نگهبانی که در مرحله اول مورد برسی قرار گرفت، مقدار کل باتری ۳۰۰ آمپر ساعت در نظر گرفته شد. حال برای شارژ این مقدار باتری بهتر است از یک شارژکنترلر ۳۰ تا ۴۵ آمپر استفاده نمود. اما اینجاست که ولتاژ باتری می تواند در انتخاب شارژکنترلر تاثیر گذار باشد. در ادامه به این مثال توجه فرمایید.
در صورتی که در این پروژه ما نیاز به ۳۰۰ آمپر ساعت داشته باشیم می بایست از سه باتری ۱۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت استفاده نمود. بنابراین شارژر مورد نظر باید بین ۳۰ تا ۴۵ آمپر انتخاب شود. حال اگر به جای ۳ باتری ۱۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت از ۲ باتری ۱۵۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت استفاده شود و این دو باتری به جای اینکه با یکدیگر موازی شوند، با یکدیگری سری شوند، در مجموع به جای یک باتری ۳۰۰ آمپر ۱۲ ولت،‌ ظرفیت باتری ۱۵۰ آمپر ساعت باقی مانده و ولتاژ کل ۲۴ ولت می شود. حال به جای یک شارژر ۳۰ تا ۴۵ آمپر از یک شارژر ۱۵ تا ۲۰‌ آمپر استفاده می کنیم. با این کار علاوه بر کاهش قیمت شارژر، تلفات ناشی از جریان بالا نیز کاهش پیدا می کند.

انتخاب شارژکنترلر از اهمیت بالایی برخوردار است و بهتر است در همین مرحله نوع آن را ( PWM یا MPPT ) انتخاب نماییم. تفاوت بین دو نوع شارژر PWM و MPPT در فصل قبل و در بخش معرفی شارژکنترلر مورد برسی قرار گرفت اما در این بخش نیز به آن پرداخته خواهد شد. به طور معمول توصیه می شود برای سیستم های کوچک با تعداد باتری کم از شارژکنترلر های PWM و برای سیستم های بزرگ و سیستم هایی در محیط های ابری از شارژکنترلر MPPT استفاده نمود. البته این تحلیل کامل نبوده و در بسیاری از سیستم های بزرگ از شارژکنترلر PWM استفاده می شود اما تنها ضعف شارژر های MPPT قیمت آن است که در سیستم های بزرگ هزینه آن در مقایسه با هزینه باتری ها قابل مقایسه نیست.

مهم ترین پارامتر ها در انتخاب شارژکنترلر موارد زیر است:

1. ولتاژ باتری ( انتخاب ولتاژ شارژکنترلر )
2. ظرفیت باتری در ولتاژ مورد نظر ( انتخاب جریان شارژکنترلر )
3. ولتاژ و جریان پنل خورشیدی ( انتخاب جریان و توان شارژکنترلر )

در ادامه با چند مثال مفاهیم بالا را بیشتر باز خواهیم کرد :

یک عدد باتری ۲۸ آمپر ساعت ۱۲ ولت

در این مثال ظرفیت باتری ۲۸ آمپر ساعت است که ۱۰ درصد تا ۱۵ درصد ظرفیت ۲.۸ آمپر تا ۴.۲ آمپر است. بر همین اساس جریان شارژکنترلر ۵ آمپر انتخاب می شود. ولتاژ باتری شارژر هم باید ۱۲ ولت انتخاب شود. همچنین می توان از شارژر های ۱۲/۲۴ ولت نیز استفاده نمود که در این صورت شارژر به صورت خودکار ولتاژ را تشخیص می دهد.

۲ عدد باتری ۱۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت

در این مثال می توانیم باتری را به دو صورت سری و یا موازی با یکدیگر متصل کنیم. در صورتی که باتری ها با یکدیگر سری شوند، ظرفیت ثابت و ولتاژ افزایش می یابد که در نتیجه یک باتری ۱۰۰ آمپر ۲۴ ولت ساخته می شود. در حالت موازی ترمینال های مثبت هر باتری به یکدیگر و ترمینال های منفی به یکدیگر متصل می شوند. در این حالت ولتاژ ثابت و ظرفیت ۲ برابر می شود که حاصل یک باتری ۲۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت است.

• حالت اول – باتری ۱۰۰ آمپر ۲۴ ولت
• حالت دوم – باتری ۲۰۰ آمپر ۱۲ ولت

در حالت اول جریان شارژکنترلر ۱۰ آمپر و ولتاژ آن ۲۴ ولت است. در حال دوم جریان شارژکنترلر ۲۰ آمپر و ولتاژ ۱۲ ولت در نظر گرفته می شود.

۴ عدد باتری ۱۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت

در این حالت می توان باتری را به سه حالت زیر در مدار قرار داد:

• تمام باتری ها به صورت موازی با هم قرار بگیرند – نتیجه باتری ۴۰۰ آمپر ۱۲ ولت
• باتری ها به صورت سری و موازی با هم قرار بگیرند – نتیجه باتری ۲۰۰ آمپر ۲۴ ولت
• تمام باتری ها با یکدیگر سری شوند – نتیجه باتری ۱۰۰ آمپر ۴۸ ولت

در حال اول ظرفیت باتری ها در مجموع ۴۰۰ آمپر است پس بنابر این جریان شارژکنترلر باید بین ۴۰ تا ۶۰ آمپر انتخاب شود. همچنین ولتاژ شارژکنترلر باید ۱۲ ولت باشد.

در حالت دو ظرفیت ۲۰۰ آمپر ساعت است که جریان شارژکنترلر بین ۲۰ تا ۳۰ آمپر انتخاب می شود. همچنین ولتاژ شارژکنترلر ۲۴ ولت انتخاب می شود.

در حالت سوم ظرفیت باتری ۱۰۰ آمپر است که جریان شارژکنترلر ۱۰ تا ۱۵ آمپر و ولتاژ شارژکنترلر ۴۸ ولت انتخاب می شود.