سیستم‌های برق خورشیدی منفصل از شبکه (Off-Grid Solar Systems) امروزه راه‌حلی برای تولید برق، مستقل از شبکه‌های عمومی هستند. این سیستم‌ها با استفاده از پنل‌های خورشیدی، انرژی خورشید را به برق تبدیل کرده و آن را در باتری‌ها ذخیره می‌کنند. این تکنولوژی به‌ویژه برای مناطق دورافتاده که به شبکه برق دسترسی ندارند یا برای کسانی که به دنبال انرژی پاک و مستقل هستند، ایده‌آل است.
در این مقاله، یک مثال عملی از طراحی سیستم خورشیدی منفصل از شبکه ارائه می‌دهیم و طی آن خواهید آموخت که چگونه با درک نیازهای انرژی، انتخاب تجهیزات مناسب و طراحی درست، یک سیستم پایدار و کارآمد ایجاد کنید. این مقاله گام‌به‌گام شما را با فرآیند طراحی این سیستم آشنا کرده و نکات کلیدی را برای دستیابی به یک طراحی بهینه ارائه می‌دهد. آماده باشید تا با دنیای هیجان‌انگیز انرژی خورشیدی آشنا شوید!
سیستم‌های خورشیدی و انواع آن‌ها
سیستم‌های خورشیدی یا سیستم‌های فتوولتائیک (PV)، فناوری‌هایی هستند که نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این سیستم‌ها از پنل‌های خورشیدی برای جذب انرژی خورشید و تبدیل آن به جریان برق استفاده می‌کنند. بسته به نحوه عملکرد و اتصال به شبکه برق، سیستم‌های خورشیدی به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:
- سیستم متصل به شبکه (On-Grid):
این سیستم‌ها به شبکه برق عمومی متصل هستند و از آن برای تامین یا تبادل انرژی استفاده می‌کنند. انرژی مازاد تولیدی به شبکه بازگردانده شده و در مواقع نیاز، برق مورد نیاز از شبکه تامین می‌شود. این نوع سیستم معمولاً برای کاهش هزینه‌های انرژی و بهره‌برداری از سیاست‌های تشویقی دولتی استفاده می‌شود. - سیستم منفصل از شبکه (Off-Grid):
این نوع سیستم کاملاً مستقل از شبکه برق عمل می‌کند و تمام انرژی تولیدی در باتری‌ها ذخیره می‌شود تا در زمان نیاز مصرف شود. این سیستم برای مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند یا کاربرانی که به دنبال استقلال کامل از شبکه برق هستند، مناسب است.
هر دو نوع سیستم خورشیدی نقش مهمی در گسترش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر دارند، اما سیستم‌های منفصل از شبکه به دلیل قابلیت خودکفایی و استقلال، توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده‌اند.
از دیگر انواع انرژی‌های تجدیدپذیر انرژی بادی است برای آشنایی با مزرعه انرژی بادی مقاله زیر را بخوانید
اجزای اصلی سیستم‌های خورشیدی منفصل از شبکه
- پنل‌های خورشیدی (Solar Panels):
وظیفه تبدیل انرژی خورشیدی به برق DC را بر عهده دارند. نوع و تعداد پنل‌ها بر اساس نیاز انرژی و شرایط منطقه تعیین می‌شود. - شارژ کنترلر (Charge Controller):
این دستگاه جریان برق تولیدی پنل‌ها را بهینه‌سازی کرده و از شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد باتری‌ها جلوگیری می‌کند. - باتری‌ها (Batteries):
برق تولید شده توسط پنل‌ها را برای استفاده در زمان‌های بدون نور خورشید (شب‌ها یا روزهای ابری) ذخیره می‌کنند. نوع باتری (لیتیومی یا سرب-اسیدی) تاثیر زیادی بر عملکرد سیستم دارد. - اینورتر (Inverter):
جریان مستقیم (DC) ذخیره‌شده در باتری‌ها را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند که برای وسایل خانگی و صنعتی استاندارد مورد استفاده قرار می‌گیرد. - ساختار نصب (Mounting Structure):
این ساختار برای نصب و نگهداری پنل‌های خورشیدی طراحی شده و باید مقاوم در برابر شرایط محیطی باشد. - کابل‌ها و اتصالات (Cables and Connectors):
برای انتقال جریان برق بین پنل‌ها، شارژ کنترلر، باتری‌ها و اینورتر استفاده می‌شوند. کیفیت این اتصالات نقش مهمی در بهره‌وری و ایمنی سیستم دارد. - سیستم مانیتورینگ (Monitoring System):
برای نظارت بر عملکرد سیستم، میزان تولید برق، وضعیت شارژ باتری‌ها و مصرف انرژی به‌کار می‌رود.
این اجزا با هماهنگی یکدیگر، برق مورد نیاز را به طور مستقل از شبکه تأمین می‌کنند و کارایی و پایداری سیستم را تضمین می‌نمایند.
تعیین اندازه سیستم خورشیدی منفصل از شبکه (Off-Grid Solar PV System Sizing)
طراحی یک سیستم خورشیدی منفصل از شبکه نیازمند محاسبه دقیق است تا اطمینان حاصل شود که انرژی تولیدی توسط سیستم قادر به تامین نیازهای مصرفی است. در این بخش، به مراحل کامل طراحی چنین سیستمی می‌پردازیم:
1. تعیین مقدار انرژی مصرفی (Determine Power Consumption Demands)
این مرحله شامل محاسبه انرژی مصرفی تمامی وسایل الکتریکی است:
- فهرست کردن وسایل الکتریکی:
تمامی وسایل با توان مصرفی (وات) و مدت زمان استفاده روزانه (ساعت) مشخص شوند. - محاسبه مصرف هر وسیله:
E=P×t
- P: توان مصرفی (W)
- t: زمان استفاده روزانه (ساعت)
- جمع کل مصرف انرژی: مجموع انرژی مصرفی تمامی وسایل الکتریکی.
2. تعیین سایز پنل‌های خورشیدی (Size the PV Modules)
محاسبه تعداد و توان پنل‌ها برای تأمین نیاز انرژی:
- محاسبه انرژی مورد نیاز روزانه با بازده سیستم:
فرمول:
: انرژی مورد نیاز برآورد‌شده (Wh)
: راندمان سیستم (معمولاً ۷۰٪)
محاسبه توان پنل‌ها:
فرمول:
: ساعات تابش خورشید در روز
تعداد پنل‌ها:
فرمول:
: توان هر پنل خورشیدی
3. انتخاب اینورتر (Inverter Sizing)
اینورترها وظیفه تبدیل برق DC ذخیره‌شده در باتری‌ها به برق AC برای وسایل خانگی را دارند.
تعیین توان اینورتر:
توان اینورتر باید حداقل برابر یا بیشتر از کل توان مصرفی هم‌زمان دستگاه‌های متصل باشد.
فرمول:
: توان اینورتر
: مجموع توان مصرفی وسایل الکتریکی
- انتخاب نوع اینورتر: اینورتر باید با ولتاژ سیستم و توان پیک مصرفی هماهنگ باشد.
4. انتخاب باتری‌ها (Battery Sizing)
باتری‌ها انرژی تولیدشده توسط پنل‌های خورشیدی را ذخیره می‌کنند تا در زمان‌های عدم تابش خورشید، برق مورد نیاز تامین شود. محاسبه ظرفیت باتری بسیار حیاتی است و بر اساس نیاز انرژی روزانه، تعداد روزهای پشتیبانی و راندمان باتری انجام می‌شود.
- محاسبه ظرفیت باتری‌ها:
فرمول:
: ظرفیت باتری (Wh)
- N: تعداد روزهای پشتیبانی (روزهایی که نور در دسترس نیست یا تعمیرات انجام می‌شود و پنل‌ها تولید ندارند اما مصرف انجام می‌شود)
- DOD: عمق تخلیه باتری (معمولاً 50٪)
η: راندمان باتری (معمولاً 85٪)
تبدیل به آمپر‌ساعت:
فرمول:
- V: ولتاژ سیستم (12V، 24V یا 48V)
5. انتخاب شارژ کنترلر (Solar Charge Controller Sizing)
شارژ کنترلر از شارژ بیش از حد باتری‌ها جلوگیری کرده و جریان تولیدی پنل‌ها را تنظیم می‌کند. انتخاب شارژ کنترلر شامل موارد زیر است:
محاسبه جریان تولیدی پنل‌ها:
فرمول:
:جریان شارژ کنترلر (A)
: توان پنل‌های خورشیدی (W)
: ولتاژ سیستم (V)
محاسبه ظرفیت نهایی شارژ کنترلر:
برای انتخاب کنترل‌کننده مناسب، جریان کنترل‌کننده باید با یک ضریب ایمنی ضرب شود:
: ظرفیت شارژ کنترلر (A)
:مجموع جریان اتصال کوتاه پنل‌های خورشیدی (A)
ضریب ایمنی 1.3 برای اطمینان از عملکرد بهینه و جلوگیری از آسیب.
طراحی سیستم برق خورشیدی منفصل از شبکه
مثال ۱: طراحی یک برق خورشیدی منفصل از شبکه برای یک کلبه روستایی
فرض کنید یک کلبه روستایی در منطقه‌ای دورافتاده قرار دارد که به شبکه برق سراسری دسترسی ندارد. مالک کلبه قصد دارد با استفاده از یک سیستم خورشیدی، برق مورد نیاز خود را تأمین کند. اطلاعات زیر در دسترس است:
- موقعیت جغرافیایی: عرض جغرافیایی ۳۵ درجه شمالی (مثلاً تهران)
- میانگین ساعات تابش خورشید: ۵ ساعت در روز
- تعداد روزهای پشتیبانی (Autonomy Days): دو روز
- ولتاژ نامی سیستم: ۲۴ ولت
مصرف‌کنندگان الکتریکی:
|
وسیله |
تعداد |
توان مصرفی (وات) |
ساعات استفاده در روز |
مصرف روزانه (وات‌ساعت) |
|---|---|---|---|---|
|
لامپ LED |
۴ |
۱۰ |
۵ |
۲۰۰ |
|
تلویزیون |
۱ |
۶۰ |
۴ |
۲۴۰ |
|
یخچال کوچک |
۱ |
۸۰ |
۲۴ |
۱۹۲۰ |
|
شارژر موبایل |
۲ |
۵ |
۳ |
۳۰ |
مراحل طراحی
- محاسبه کل مصرف انرژی روزانه:
مجموع مصرف روزانه تمامی وسایل:
- تعیین ظرفیت باتری:
- محاسبه ظرفیت باتری بر حسب وات‌ساعت:
با فرض عمق تخلیه ۵۰٪ و راندمان باتری ۸۵٪:
- تبدیل به آمپر‌ساعت:
با ولتاژ سیستم ۲۴ ولت:
بنابراین، نیاز به باتری‌هایی با مجموع ظرفیت حدود ۴۶۸ آمپر‌ساعت در ۲۴ ولت داریم.
- تعیین توان پنل‌های خورشیدی:
- تعدیل انرژی روزانه با بازده سیستم:
با فرض راندمان سیستم ۷۰٪:
- محاسبه توان مورد نیاز پنل‌ها:
با میانگین ۵ ساعت تابش خورشید در روز:
بنابراین، نیاز به پنل‌هایی با مجموع توان حدود ۶۸۳ وات داریم.
- انتخاب اینورتر:
- تعیین توان اینورتر:
مجموع توان مصرفی هم‌زمان وسایل الکتریکی را در نظر می‌گیریم. فرض می‌کنیم یخچال و تلویزیون به‌طور هم‌زمان کار می‌کنند:
با در نظر گرفتن ضریب اطمینان، اینورتر با توان حداقل ۲۰۰ وات مناسب است.
- انتخاب شارژ کنترلر:
- محاسبه جریان تولیدی پنل‌ها:
با ولتاژ سیستم ۲۴ ولت و توان پنل‌ها ۶۸۳ وات:
- تعیین ظرفیت شارژ کنترلر با ضریب اطمینان:
با فرض مجموع جریان اتصال کوتاه پنل‌ها (Isc) برابر با ۳۰ آمپر:
بنابراین، شارژ کنترلری با ظرفیت حداقل ۴۰ آمپر مناسب است.
جمع‌بندی تجهیزات مورد نیاز:
- پنل‌های خورشیدی: مجموعاً ۶۸۳ وات (مثلاً ۳ پنل ۲۳۰ واتی)
- باتری‌ها: مجموع ظرفیت ۴۶۸ آمپر‌ساعت در ۲۴ ولت (مثلاً ۴ باتری ۱۲ ولت ۱۲۰ آمپر‌ساعت به‌صورت سری-موازی)
- اینورتر: با توان حداقل ۲۰۰ وات
- شارژ کنترلر: با ظرفیت حداقل ۴۰ آمپر
ملاحظات طراحی:
- زاویه نصب پنل‌ها: برای عرض جغرافیایی ۳۵ درجه، زاویه بهینه نصب پنل‌ها حدود ۳۰ تا ۴۰ درجه است.
- تهویه مناسب برای باتری‌ها: باتری‌ها باید در محیطی با تهویه مناسب و دمای کنترل‌شده قرار گیرند تا عمر مفید آن‌ها افزایش یابد.
- سیم‌کشی مناسب: استفاده از کابل‌های با سطح مقطع مناسب برای جلوگیری از افت ولتاژ و افزایش راندمان سیستم ضروری است.
مثال ۲ : طراحی برق خورشیدی برای یک اتاق نگهبانی
- یک لامپ فلورسنت ۱۸ واتی با بالاست الکترونیکی که روزانه ۴ ساعت استفاده می‌شود.
- یک پنکه ۶۰ واتی که روزانه ۲ ساعت استفاده می‌شود.
- یک یخچال ۷۵ واتی که به‌صورت ۲۴ ساعته کار می‌کند (۱۲ ساعت کمپرسور روشن و ۱۲ ساعت خاموش است).
- سیستم توسط ماژول خورشیدی ۱۲ ولت DC و ۱۱۰ وات پیک (Wp) تغذیه خواهد شد.
1. تعیین نیازهای مصرف انرژی:
کل مصرف وسایل برقی:
کل انرژی مورد نیاز پنل‌های خورشیدی (با ضریب اطمینان ۱.۳):
2. انتخاب پنل خورشیدی:
ظرفیت کل پنل‌های خورشیدی (Wp):
- با فرض میانگین تابش خورشید ۳.۴ ساعت در روز.
تعداد ماژول‌های خورشیدی مورد نیاز:
- تعداد واقعی مورد نیاز: ۴ ماژول.
بنابراین، این سیستم باید حداقل با ۴ ماژول خورشیدی ۱۱۰ وات پیک تغذیه شود.
3. انتخاب اینورتر:
مجموع توان وسایل الکتریکی:
برای ایمنی، اینورتر باید ۲۵-۳۰٪ بزرگ‌تر در نظر گرفته شود:
بنابراین، اینورتر باید حداقل ۱۹۰ وات یا بیشتر باشد.
4. انتخاب باتری:
محاسبه کل مصرف انرژی:
محاسبه ظرفیت باتری:
با ولتاژ نامی باتری ۱۲ ولت و ۳ روز پشتیبانی:
بنابراین، باتری باید با ظرفیت ۱۲ ولت و ۶۰۰ آمپر‌ساعت برای ۳ روز پشتیبانی طراحی شود.
5. انتخاب شارژ کنترلر:
مشخصات پنل خورشیدی:
- توان نامی : ۱۱۰ وات پیک
- ولتاژ در توان حداکثر : ۱۶.۷ ولت DC
- جریان در توان حداکثر : ۶.۶ آمپر
- ولتاژ مدار باز : ۲۰.۷ ولت
- جریان اتصال کوتاه : ۷.۵ آمپر
محاسبه ظرفیت شارژ کنترلر:
بنابراین، شارژ کنترلر باید حداقل با ظرفیت ۴۰ آمپر در ۱۲ ولت طراحی شود.
اگر به مباحث مربوط به سیستم‌های خورشیدی علاقمند هستید، مقاله زیر را نیز در وبسایت ماهر مطالعه کنید.
جمع‌بندی
سیستم‌های برق خورشیدی منفصل از شبکه به‌عنوان یک راهکار پایدار و مستقل برای تأمین انرژی در مناطق دور افتاده یا بدون دسترسی به شبکه برق، کاربرد گسترده‌ای دارند. در این مقاله، با بیان دو مثال واقعی، گام‌به‌گام فرآیند طراحی سیستم‌های خورشیدی را بررسی کردیم. این مراحل شامل محاسبه نیازهای انرژی، انتخاب ظرفیت پنل‌های خورشیدی، انتخاب اینورتر، تعیین ظرفیت باتری‌ها، و انتخاب شارژ کنترلر بود.
سوالات متداول
سیستم‌های خورشیدی منفصل از شبکه برای مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند یا دسترسی به آن هزینه‌بر است، ایده‌آل هستند. با این حال، باید شرایط تابش خورشید در منطقه و نیازهای انرژی کاربر به‌دقت بررسی شود تا سیستم کارآمدی طراحی شود.
هزینه نصب بسته به اندازه سیستم، نوع تجهیزات (پنل‌ها، باتری‌ها، اینورتر، و شارژ کنترلر) و نیازهای مصرف انرژی متفاوت است. محاسبه دقیق مصرف انرژی و انتخاب تجهیزات با کیفیت می‌تواند هزینه‌ها را بهینه کند.
عمر مفید تجهیزات اصلی:
- پنل‌های خورشیدی: حدود ۲۵ سال یا بیشتر.
- باتری‌ها: ۵ تا ۱۰ سال (بسته به نوع و نحوه نگهداری).
اینورتر و شارژ کنترلر: ۱۰ تا ۱۵ سال با نگهداری مناسب.
نگهداری منظم و شرایط محیطی مناسب می‌تواند عمر سیستم را افزایش دهد.
