چگونه می‌توان یک سیستم خورشیدی فتوولتایی مستقل را طراحی و نصب کرد؟

طراحی و نصب سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی

جامعه مدرن به انرژی برای نیازهای روزانه مانند صنعت، گرمایش، حمل و نقل و کشاورزی متکی است که بیشتر توسط منابع غیرقابل تجدید (فحم، نفت، گاز) تأمین می‌شود. با این حال، این منابع آسیب محیطی ایجاد می‌کنند، به طور نامساوی توزیع شده‌اند و به دلیل ذخایر محدود، قیمت آنها نوسان می‌کند- که تقاضا برای انرژی‌های تجدیدپذیر را افزایش می‌دهد.

انرژی خورشیدی که فراوان و قادر به تأمین نیازهای جهانی است، برجسته می‌شود. سیستم‌های PV مستقل (شکل ۱) از انرژی مستقل از خدمات عمومی فراهم می‌کنند. در ادامه مروری بر برنامه‌ریزی، طراحی و نصب آنها برای تولید برق آورده شده است.

برنامه‌ریزی یک سیستم PV مستقل
ارزیابی و نقشه‌برداری محل:

• کاهش سایه: اطمینان حاصل کنید که محل نصب (سطح پشتیبان یا زمین) از سازه‌های سایه‌زا خالی است و هیچ ساخت و ساز آینده‌ای نور خورشیدی را مسدود نمی‌کند.

• مساحت سطح: مساحت محل را تعیین کنید تا تعداد/اندازه پانل‌های PV را تخمین بزنید و جایگذاری مبدل‌ها، تبدیل‌کننده‌ها و بانک‌های باتری را برنامه‌ریزی کنید.

• اعتبارات سقف: برای سقف‌های مایل، زاویه مایل را ثبت کنید و از نصب مناسب برای بیشینه کردن تابش خورشیدی (بهترین حالت عمود بر پانل‌ها) استفاده کنید.

• روش‌های خط کشی: مسیرهای کابل (که مبدل، بانک باتری، کنترل‌کننده شارژ و آرایه PV را به هم متصل می‌کنند) را طوری برنامه‌ریزی کنید که استفاده از کابل کاهش یابد و کاهش ولتاژ حداقل شود، که به تعادل کارایی و هزینه می‌انجامد.

ارزیابی منبع انرژی خورشیدی:

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

• معیار کلیدی: از PSH برای محاسبات ساده‌شده استفاده کنید (که از "ساعات میانگین روشنایی" که مدت زمان را نشان می‌دهد نه انرژی). کمترین میانگین تابش ماهانه را برای اطمینان از قابلیت اطمینان سیستم در دوره‌های کم‌تابش انتخاب کنید.

اعتبارات برای سیستم‌های PV مستقل
۱. محاسبه تقاضای انرژی

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

• تقاضای انرژی روزانه (Wh) = مجموع (توان اسمی دستگاه‌ها به وات × ساعات عملکرد روزانه).

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

۲. اندازه‌گیری مبدل و کنترل‌کننده شارژ

• مبدل: ۲۵٪ بالاتر از مجموع بار (برای جبران ضریب‌های اتلاف).
  مثال: برای بار ۲۴۰۰W، نیاز به مبدل ۳۰۰۰W (۲۴۰۰W × ۱.۲۵) است.

• کنترل‌کننده شارژ: توان جریان = ۱۲۵٪ جریان کوتاه‌مدار پانل PV (ضریب ایمنی).
  مثال: ۴ پانل با جریان کوتاه‌مدار ۱۰A نیاز به کنترل‌کننده ۵۰A (۴×۱۰A ×۱.۲۵) دارد.
  نکته: کنترل‌کننده‌های MPPT به مشخصات سازنده پیروی می‌کنند.

۳. انرژی روزانه به مبدل

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

• انرژی توسط باتری به مبدل = انرژی کل بار / کارایی.
  مثال: بار ۲۷۰۰Wh → ۳۰۰۰Wh (۲۷۰۰ / ۰.۹) از باتری.

۴. ولتاژ سیستم

با ولتاژ باتری (معمولاً ۱۲V، ۲۴V و غیره) تعیین می‌شود، با ولتاژهای بالاتر کاهش اتلاف کابل را می‌دهد. مثال: سیستم ۲۴V.

۵. اندازه‌گیری باتری

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

• ظرفیت قابل استفاده = باتری Ah × DOD.

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

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

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

• دو باتری را به صورت سری برای رسیدن به ولتاژ سیستم ۲۴V متصل کنید.

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 پیدا شود.

اندازه‌گیری آرایه PV

• ظرفیت کل آرایه PV (W): با استفاده از کمترین ساعات پیک خورشیدی روزانه (یا عامل تولید پانل، PFG) و تقاضای انرژی روزانه محاسبه می‌شود:
  W_peak = (تقاضای انرژی روزانه (Wh) / PFG) × ۱.۲۵ (عامل مقیاس‌بندی برای اتلاف).

• تعداد ماژول‌ها: W_peak را بر توان اسمی یک پانل واحد (مثلاً ۱۶۰W) تقسیم کنید.

  مثال: برای تقاضای روزانه ۳۰۰۰Wh و PFG = ۳.۲، W_peak = ۳۰۰۰ / ۳.۲ ≈ ۹۳۱W. با پانل‌های ۱۶۰W، ۶ ماژول نیاز است (۹۳۱ / ۱۶۰ ≈ ۵.۸، گرد شده).

• عوامل اتلاف (برای تعدیل PFG): شامل زاویه نور خورشید (۵٪)، عدم نقاط حداکثر توان (۱۰٪، برای MPPT استثناء شده)، آلودگی (۵٪)، پیری (۱۰٪) و دما بالاتر از ۲۵°C (۱۵٪).

اندازه‌گیری کابل‌ها

• اعتبارات کلیدی: ظرفیت جریان، کاهش ولتاژ حداقل (کمتر از ۲٪)، اتلاف مقاومتی، مقاومت در برابر هوا (آب‌بند/مقاومت UV).

• فرمول مساحت مقطع:
  A = (ρ × I_m × L / VD) × ۲
  (ρ = مقاومت نوعی، I_m = جریان حداکثر، L = طول کابل، VD = کاهش ولتاژ مجاز).

• تعادل: از کم‌اندازه‌گیری (اتلاف انرژی/حوادث) یا بیش‌اندازه‌گیری (ناکارایی هزینه) پرهیز کنید. از مداربرهای مناسب و اتصال‌گرهای مناسب استفاده کنید.