این مقاله، به بررسی طراحی و اجرای یک سیستم انرژی خورشیدی می‌پردازد که جریان مستقیم (DC) را تولید می‌کند و بارهای متصل به آن نیز از نوع DC هستند. انرژی خورشیدی یک منبع انرژی پایدار است که به دلیل مزایای زیست‌محیطی و کاهش هزینه فناوری فتوولتائیک (PV) محبوبیت پیدا کرده است. در این مقاله، جزئیات فرآیند طراحی یک سیستم انرژی خورشیدی برای مصارف مسکونی، شامل اجزای کلیدی مانند پنل‌های خورشیدی، شارژ کنترلر و باتری‌ها شرح داده می‌شود. تمرکز روی خروجی DC سیستم است که برای کاربردهایی مانند روشنایی LED، پمپ آب و شارژ باتری مناسب است. این مقاله همچنین راهنمایی‌هایی برای طراحی یک سیستم انرژی خورشیدی کاربردی و کارآمد ارائه می‌دهد و ملاحظات کلیدی برای بهره‌برداری و نگهداری، و همچنین ایمنی، نیز مورد بحث قرار می‌گیرد.
مقدمه
تغییر به سمت منابع انرژی تجدیدپذیر به دلیل تاثیرات زیست-محیطی سوخت‌های فسیلی اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است. انرژی خورشیدی، به ویژه، به دلیل پایداری آن و توانایی مهار انرژی از خورشید، یک گزینه جذاب است. در یک سیستم انرژی خورشیدی، پنل‌های خورشیدی برق را به شکل DC تولید می‌کنند که می‌تواند مستقیماً در دستگاه‌های DC مورد استفاده قرار گیرد یا از طریق یک اینورتر به AC برای مصرف خانگی تبدیل شود. در حالت اول، بازدهی بیش‌تری داریم چون فرآیند تبدیل DC به AC دیگر وجود ندارد. در ادامه، سیستم‌های انرژی خورشیدی طراحی شده برای خروجی DC که گزینه ایده‌آلی برای کاربردهای خاص مانند برق منفصل از شبکه و برق‌‌رسانی روستایی هستند را بررسی خواهیم کرد.
اجزای یک سیستم انرژی خورشیدی با خروجی DC
یک سیستم خورشیدی از قسمت‌های مختلفی تشکیل می‌شود. طراحی و نصب یک سیستم برق خورشیدی مستلزم آشنایی با همه اجزای آن است. در ادامه، اجزای سیستم سولار را معرفی می‌کنیم.
پنل‌های فتوولتائیک (PV)
پنل‌های فتوولتائیک اجزای اولیه‌ای هستند که مسئول تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی هستند. مقدار انرژی تولید شده به کارایی، اندازه و شدت نور خورشید بستگی دارد. پنل‌های خورشیدی مدرن معمولاً دارای راندمان بین ۱۵٪ تا ۲۲٪ هستند. انتخاب اندازه و تعداد پانل با توان خروجی مورد نیاز تعیین می‌شود که می‌تواند بر اساس نیاز بار تخمین زده شود.
کنترل‌کننده شارژ
کنترل‌کننده شارژ در سیستم‌های خورشیدی، به ویژه آن‌هایی که دارای باتری هستند، ضروری است. این تجهیز ولتاژ و جریان از پنل‌های خورشیدی به باتری را تنظیم می‌کند، از شارژ بیش از حد جلوگیری می‌کند و اطمینان می‌دهد باتری در محدوده ایمن کار می‌کند. برای سیستم‌های با خروجی DC، کنترل‌کننده ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) به شدت توصیه می‌شود، زیرا با ردیابی کارآمدترین نقطه عملیاتی آرایه خورشیدی، برداشت انرژی بهینه می‌شود.
باتری ذخیره‌ساز
در سیستم‌های خورشیدی خارج از شبکه، ذخیره انرژی برای اطمینان از منبع تغذیه ثابت در طول شب یا روزهای ابری مورد نیاز است. باتری‌ها انرژی اضافی تولید‌شده در ساعات اوج نور خورشید را ذخیره می‌کنند. ظرفیت باتری توسط الگوهای مصرف انرژی و میزان استقلال مورد نیاز برای سیستم تعیین می‌شود. انواع متداول باتری‌های مورد استفاده در سیستم‌های خورشیدی شامل باتری‌های سرب-اسید، لیتیوم-یون و باتری‌های ژل هستند.
در مقاله زیر با انواع باتری‌های صنعتی آشنا شوید.
بار DC
بار به دستگاه‌هایی اطلاق می‌شود که توسط سیستم خورشیدی تغذیه می‌شوند. در یک سیستم خروجی DC، این شامل وسایل برقی DC مانند چراغ‌های LED، پمپ‌های آب DC، یخچال‌های DC کوچک و شارژرهای تلفن همراه می‌شود. طراحی سیستم اندازه صحیح اجزا را برای مطابقت با نیازهای بار تضمین می‌کند.
سیم‌کشی و قطعات حفاظتی
سیم‌کشی مناسب برای عملکرد ایمن سیستم خورشیدی بسیار مهم است. سیم‌ها باید برای ولتاژ و جریان سیستم سایز شوند و وسایل حفاظتی مانند فیوزها و قطع کننده‌های مدار برای جلوگیری از اضافه بار یا اتصال کوتاه ضروری هستند.
مثال طراحی: سیستم برق خورشیدی خارج از شبکه برای یک خانه کوچک
برای نشان دادن روند طراحی، یک خانه کوچک منفصل از شبکه در نظر گرفته می‌شود که به برق DC برای روشنایی LED، یخچال DC و پمپاژ آب نیاز دارد. برق مورد نیاز سیستم به شرح زیر است:
- چراغ‌های ۱۲ ولت، ۲۰ وات، ۱۰ ساعت در روز
- یخچال ۱۲ ولت، ۸۰ وات، ۲۴ ساعت در روز
- پمپ آب ۱۲ ولت، ۵۰ وات، ۲ ساعت در روز
محاسبه انرژی مورد نیاز
انرژی مورد نیاز با ضرب توان مصرفی در ساعت استفاده برای هر بار محاسبه می‌شود.
وات‌ساعت در روز ۲۰۰=۱۰ ساعت ×۲۰ وات :چراغ‌ها
وات‌ساعت در روز ۱۹۲۰= ۲۴ ساعت ×۸۰ وات :یخچال
وات‌ساعت در روز ۱۰۰=۲ ساعت ×۵۰ وات :پمپ آب
۲۲۲۰ = وات‌ساعت در روز ۲۰۰ + وات‌ساعت در روز ۱۹۲۰ + وات‌ساعت در روز ۱۰۰ :کل انرژی
انتخاب پنل خورشیدی
با فرض متوسط نور خورشید ۵ ساعت در روز، کل انرژی تولیدی مورد نیاز در روز ۲۲۲۰ وات‌ساعت است. برای محاسبه اندازه مورد نیاز آرایه پنل خورشیدی به صورت زیر عمل می‌شود:
ساعات نور خورشید / نیاز کل انرژی = خروجی پنل خورشیدی مورد نیاز
وات ۴۴۴ = ۲۲۲۰/۵ = خروجی پنل خورشیدی مورد نیاز
با توجه به اینکه یک پنل خورشیدی معمولی ۱۲ ولت دارای توانی در حدود ۱۵۰ وات است، سه پنل (۴۵۰ وات) برای پاسخگویی به نیاز انرژی کافی است.
اندازه باتری
ظرفیت باتری مورد نیاز با در نظر گرفتن تقاضای انرژی و تعداد روزهای مستقل (روزهایی که به دلایلی مانند تعمیرات یا ابری بودن، فرآیند تولید برق خورشیدی مختل شده است) محاسبه می‌شود. با فرض ۳ روز مستقل محاسبات به شکل زیر است:
تعداد روزهای مستقل × تقاضای انرژی در روز = ظرفیت باتری مورد نیاز
۶۶۶۰ = ۳ × ۲۲۲۰ = ظرفیت باتری مورد نیاز
برای یک سیستم ۱۲ ولت، ظرفیت باتری مورد نیاز بر حسب آمپر ساعت (Ah) برابر است با:
۵۵۵ = ۶۶۶۰/۱۲ = ظرفیت باتری (Ah)
انتخاب کنترل‌کننده شارژ
کنترل‌کننده شارژ باید بر اساس وات پنل خورشیدی و ولتاژ باتری انتخاب شود. برای یک آرایه خورشیدی ۴۵۰ وات و یک سیستم ۱۲ ولت، یک کنترلر شارژ MPPT ۳۰ آمپر مناسب است.
سایزینگ سیم‌کشی و حفاظت
اندازه سطح مقطع سیم‌ها باید به گونه‌ای باشد که جریانی را که از آرایه خورشیدی به کنترل کننده شارژ و از کنترل‌کننده شارژ به باتری بازمی‌گردد، تحمل کند. وسایل حفاظتی مانند فیوز و قطع‌کننده مدار باید در نقاط مناسبی از سیستم نصب شوند.
ملاحظات مربوط به کارایی سیستم
بهینه سازی کارایی شامل کاهش تلفات ناشی از سایه، مقاومت سیم‌کشی و تلفات تبدیل انرژی است. برای افزایش کارایی سیستم رعایت نکات زیر الزامی است:
- استفاده از پنل‌های خورشیدی باکیفیت و کارآمد
- انتخاب یک کنترل‌کننده شارژ MPPT برای تبدیل بهینه انرژی
- به حداقل رساندن طول سیم‌کشی برای کاهش افت ولتاژ
- عاری نگه‌داشتن پنل‌های خورشیدی از گرد و غبار و زباله
بهره‌برداری و نگهداری
یک سیستم برق خورشیدی که به خوبی طراحی شده باشد به حداقل تعمیر و نگهداری نیاز دارد. با این حال، بررسی منظم پنل‌های خورشیدی، باتری‌ها و کنترل‌کننده شارژ توصیه می‌شود. تعمیر و نگهداری باتری‌های شامل بررسی فرسودگی و اطمینان از شارژ صحیح آن‌ها می‌شود. تمیز کردن پنل‌های خورشیدی حداقل دو بار در سال به حفظ کارایی باتری‌ها کمک می‌کند.
ملاحظات ایمنی
سیستم‌های انرژی خورشیدی، مانند همه سیستم‌های الکتریکی، دارای خطرات ایمنی هستند. برای کاهش این خطرات توجه به نکات زیر لازم است:
- از اتصال زمین مناسب اجزای سیستم اطمینان حاصل شود.
- برای محافظت در برابر جریان اضافه از فیوزها و قطع‌کننده‌های مدار مناسب استفاده شود.
- دستورالعمل‌های سازنده برای نصب و نگهداری رعایت شود.
جمع‌بندی
طراحی یک سیستم برق خورشیدی با خروجی DC شامل انتخاب اجزای مناسب، محاسبه انرژی مورد نیاز و اطمینان از اندازه مناسب سیستم است. مثال ارائه شده یک سیستم انرژی خورشیدی ساده و در عین حال، مؤثر را نشان می‌دهد که برای تأمین انرژی وسایل ضروری مانند چراغ‌ها، یخچال و پمپ آب مناسب است. با نگهداری و بهینه‌سازی مناسب، چنین سیستم‌هایی راه‌حلی قابل اعتماد و پایدار برای استقلال انرژی ارائه می‌دهند.
سوالات متداول
سیستم‌های خورشیدی DC جریان مستقیم را از پنل‌های خورشیدی تامین می‌کنند که می‌تواند برای وسایلی که برای برق DC طراحی شده‌اند استفاده شود. سیستم‌های خورشیدی AC با استفاده از یک اینورتر، برق DC را به جریان متناوب AC تبدیل می‌کنند، که معمولاً برای اکثر لوازم خانگی مورد نیاز است.
سیستم‌های DC اغلب برای کاربردهای خارج از شبکه انتخاب می‌شوند که در آن وسایلی مانند چراغ‌های LED، پمپ‌های آب و شارژرهای باتری می‌توانند به طور موثر با برق DC کار کنند و نیاز به تلفات تبدیل مرتبط با اینورترها را به حداقل برسانند.
سیستم‌های DC را می‌توان با کمک یک اینورتر به شبکه متصل کرد که برق DC را به AC تبدیل می‌کند و اجازه می‌دهد انرژی اضافی به شبکه بازگردانده شود.
