چگونه یک سیستم خورشیدی فتوولتائیک مستقل را طراحی و نصب کنیم

طراحی و نصب سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی

جامعه مدرن به انرژی برای نیازهای روزانه مانند صنعت، گرمایش، حمل و نقل و کشاورزی تکیه می‌کند که بیشتر توسط منابع غیرقابل تجدید (فحم، نفت، گاز) تأمین می‌شود. با این حال، این منابع خسارت محیط زیستی ایجاد می‌کنند، به طور نامتعادل توزیع شده‌اند و به دلیل ذخایر محدود قیمت آنها ناپایدار است—این موضوع تقاضای انرژی‌های تجدیدپذیر را افزایش می‌دهد.

انرژی خورشیدی، فراوان و قادر به تأمین نیازهای جهانی است. سیستم‌های فتوولتائیک مستقل (شکل ۱) انرژی مستقل از شرکت‌های توزیع را ارائه می‌دهند. در ادامه مروری بر برنامه‌ریزی، طراحی و نصب آنها برای تولید برق ارائه شده است.

برنامه‌ریزی سیستم فتوولتائیک مستقل
ارزیابی و بررسی مکان:

• کاهش سایه: اطمینان حاصل کنید که محل نصب (بلندی یا زمین) بدون سازه‌های سایه‌آور است و هیچ ساخت‌وساز آینده‌ای نور خورشید را مسدود نمی‌کند.

• مساحت سطح: مساحت محل را تعیین کنید تا تعداد/اندازه پنل‌های فتوولتائیک را برآورد کنید و محل قرارگیری وارتنرهای، مبدل‌ها و بانک‌های باتری را برنامه‌ریزی کنید.

• اعتبارات سقف: برای سقف‌های مایل، زاویه مایل را یادداشت کنید و از مونتاژ مناسب استفاده کنید تا نور خورشید را به حداکثر برسانید (بهترین حالت عمود بر پنل‌ها).

• مسیریابی کابل: مسیر کابل‌ها (متصل به وارتنر، بانک باتری، کنترل‌کننده شارژ و آرایه فتوولتائیک) را برنامه‌ریزی کنید تا استفاده از کابل کاهش یابد و کاهش ولتاژ را کمینه کنید، به تعادل کارایی و هزینه دقت کنید.

ارزیابی منبع انرژی خورشیدی:

• داده‌های تابش: انرژی خورشیدی دریافتی را اندازه‌گیری یا (از ایستگاه‌های هواشناسی) به دست آورید، از کیلووات ساعت بر متر مربع در روز (kWh/m²/day) یا ساعات پیک خورشیدی روزانه (PSH، ساعات با میانگین تابش ۱۰۰۰ W/m²) استفاده کنید.

• معیار کلیدی: از PSH برای محاسبات ساده‌شده استفاده کنید (با "ساعات آفتابی میانگین" که مدت زمان را نشان می‌دهد، تمایز قائل شوید). کمترین میانگین تابش ماهانه را برای اطمینان از قابلیت اعتماد سیستم در دوره‌های کم‌تابش اتخاذ کنید.

اعتبارات برای سیستم‌های فتوولتائیک مستقل
۱. محاسبه تقاضای انرژی

اندازه سیستم به تقاضای بار بستگی دارد که به صورت زیر محاسبه می‌شود:

• تقاضای انرژی روزانه (واط‌ساعت) = مجموع (توان اسمی دستگاه‌ها در واط × ساعات عملکرد روزانه).

• بیشترین تقاضای روزانه را برای تعادل قابلیت اعتماد و هزینه استفاده کنید (عملکرد در دوره‌های استفاده بالا را تضمین می‌کند، اگرچه این کار هزینه سیستم را افزایش می‌دهد).

۲. اندازه‌گیری وارتنر و کنترل‌کننده شارژ

• وارتنر: ۲۵٪ بیشتر از مجموع بار (برای جبران زیان‌ها).
  مثال: برای بار ۲۴۰۰ وات، نیاز به وارتنر ۳۰۰۰ وات (۲۴۰۰ وات × ۱.۲۵) است.

• کنترل‌کننده شارژ: ظرفیت جریان = ۱۲۵٪ جریان کوتاه‌مدار پنل‌های فتوولتائیک (ضریب ایمنی).
  مثال: ۴ پنل با جریان کوتاه‌مدار ۱۰ آمپر نیاز به کنترل‌کننده ۵۰ آمپر (۴×۱۰ آمپر ×۱.۲۵) دارد.
  نکته: کنترل‌کننده‌های MPPT بر اساس مشخصات سازنده عمل می‌کنند.

۳. انرژی روزانه به وارتنر

کارایی وارتنر (مثلاً ۹۰٪) را در نظر بگیرید:

• انرژی توسط باتری به وارتنر = مجموع انرژی بار / کارایی.
  مثال: بار ۲۷۰۰ وات‌ساعت → ۳۰۰۰ وات‌ساعت (۲۷۰۰ / ۰.۹) از باتری.

۴. ولتاژ سیستم

با ولتاژ باتری (معمولاً ۱۲ V، ۲۴ V و غیره) تعیین می‌شود، با ولتاژ بالاتر کاهش زیان کابل کاهش می‌یابد. مثال: سیستم ۲۴ V.

۵. اندازه‌گیری باتری

پارامترهای کلیدی: عمق تخلیه (DOD)، روزهای خودکاری و ولتاژ سیستم.

• ظرفیت قابل استفاده = باتری Ah × DOD.

• ظرفیت شارژ مورد نیاز = انرژی از باتری / ولتاژ سیستم.
  مثال: ۳۰۰۰ وات‌ساعت از باتری در سیستم ۲۴ V → نیاز به ۱۲۵ Ah.

• برای باتری‌های ۱۲ V، ۱۰۰ Ah (DOD ۷۰٪):

• تعداد باتری‌ها = ۱۲۵ Ah / (۱۰۰ Ah × ۰.۷) ≈ ۲ (گرد شده).

• اتصال ۲ باتری به صورت سری برای رسیدن به ولتاژ سیستم ۲۴ V.

بنابراین، در مجموع چهار باتری ۱۲ V، ۱۰۰ Ah خواهد بود. دو تا به صورت سری و دو تا به صورت موازی متصل می‌شوند. همچنین، ظرفیت مورد نیاز باتری‌ها می‌تواند با فرمول زیر محاسبه شود.

اندازه‌گیری آرایه فتوولتائیک

• ظرفیت کل آرایه فتوولتائیک (واط): با استفاده از کمترین ساعات پیک خورشیدی روزانه (یا عامل تولید پنل، PFG) و تقاضای انرژی روزانه محاسبه می‌شود:
  W_peak کل = (تقاضای انرژی روزانه (واط‌ساعت) / PFG) × ۱.۲۵ (عامل مقیاس برای زیان‌ها).

• تعداد ماژول‌ها: W_peak کل را بر توان اسمی یک پنل واحد (مثلاً ۱۶۰ وات) تقسیم کنید.

  مثال: برای تقاضای روزانه ۳۰۰۰ وات‌ساعت و PFG = ۳.۲، W_peak کل = ۳۰۰۰ / ۳.۲ ≈ ۹۳۱ وات. با پنل‌های ۱۶۰ وات، ۶ ماژول لازم است (۹۳۱ / ۱۶۰ ≈ ۵.۸، گرد شده).

• فاکتورهای زیان (برای تعدیل PFG): شامل زاویه نور خورشید (۵٪)، عدم وجود نقطه توان حداکثر (۱۰٪، برای MPPT استثناء شده)، آلودگی (۵٪)، پیری (۱۰٪) و دما بالا (>۲۵°C, ۱۵٪).

اندازه‌گیری کابل‌ها

• اعتبارات کلیدی: ظرفیت جریان، کاهش ولتاژ حداقل (کمتر از ۲٪)، زیان‌های مقاومتی، مقاومت در برابر آب و UV.

• فرمول مساحت مقطعی:
  A = (ρ × I_m × L / VD) × 2
  (ρ = مقاومت الکتریکی، I_m = جریان حداکثر، L = طول کابل، VD = کاهش ولتاژ مجاز).

• تعادل: از کوچک بودن (زیان انرژی/حوادث) یا بزرگ بودن (بی‌کارآمدی هزینه) پرهیز کنید. از مداربُرها و کنکتورهای مناسب استفاده کنید.