چگونه پیکربندی مناسب برای سیستم کوچک مستقل از شبکه خود را محاسبه کنیم؟

آیا تا به حال به استفاده از سیستم انرژی خورشیدی خود در یک کلبه کوهستانی، قایق ماهیگیری یا RV فکر کرده‌اید تا از وابستگی به شبکه برق عمومی خلاص شوید؟

در واقع، این کاری نیست که فقط مهندسان بتوانند انجام دهند. تا زمانی که چند مرحله و فرمول کلیدی را یاد بگیرید، می‌توانید پیکربندی مناسب برای سیستم فتوولتائیک کوچک مستقل از شبکه خود را محاسبه کنید.

سیستم خورشیدی مستقل از شبکه به سیستمی مستقل اشاره دارد که به شبکه عمومی برق متکی نیست و در عوض کاملاً به تولید برق فتوولتائیک و ذخیره باتری برای تأمین نیازهای برق متکی است. این سیستم برای استفاده در مناطق کوهستانی دورافتاده، جزایر، مناطق روستایی، خودروهای تفریحی، قایق‌های ماهیگیری و سایر مکان‌هایی که برق شبکه ناپایدار است، ایده‌آل است.

در زیر، شما را در چهار مرحله برای محاسبه پیکربندی مورد نیاز راهنمایی خواهیم کرد.

مرحله ۱: تعیین توان ماژول فتوولتائیک

توان پنل‌های فتوولتائیک (پنل‌های خورشیدی) تعیین می‌کند که سیستم شما چه مقدار برق می‌تواند تولید کند.

رویکرد اصلی محاسبه این است: ابتدا تقاضای روزانه برق را تعیین کنید، سپس آن را با شرایط آب و هوایی محلی (به ویژه مدت زمان تابش آفتاب) ترکیب کنید تا کل توان پنل‌های فتوولتائیک تعیین شود.

فرمول:

توان ماژول = (میزان تقاضای برق روزانه × ضریب مازاد روزهای ابری مداوم) ÷ (میانگین ساعات آفتابی محلی × راندمان سیستم)

* مصرف روزانه برق: این مقدار را می‌توان با جمع کردن توان نامی همه دستگاه‌ها ضربدر زمان استفاده از آنها محاسبه کرد.

برای مثال، چراغ‌های LED 10 وات × 5 ساعت = 50 وات ساعت، یخچال 60 وات × 24 ساعت = 1440 وات ساعت.

* ضریب مازاد روزهای ابری مداوم: برای در نظر گرفتن تولید برق ناکافی در روزهای ابری متوالی، این ضریب معمولاً بین ۱.۱ تا ۱.۳ تنظیم می‌شود.

* میانگین ساعات آفتابی روزانه محلی: این را می‌توان از داده‌های هواشناسی محلی به دست آورد. به عنوان مثال، پکن به طور متوسط تقریباً ۴ ساعت آفتابی در روز دارد، در حالی که هاینان ممکن است بیش از ۵ ساعت آفتابی داشته باشد.

* راندمان سیستم: این مورد شامل تلفات کابل، راندمان کنترلر، تلفات اینورتر و غیره می‌شود و عموماً بین ۰.۷۵ تا ۰.۸ تنظیم می‌شود.

مثلا:

با فرض اینکه مصرف برق روزانه شما ۳۰۰۰ وات ساعت باشد، میانگین ساعات آفتابی روزانه محلی ۴.۵ ساعت، راندمان سیستم ۰.۷۸ و ضریب روزهای بارانی مداوم ۱.۲ باشد:

توان ماژول = (۳۰۰۰ × ۱.۲) ÷ (۴.۵ × ۰.۷۸) ≈ ۱۰۲۶ وات

این یعنی شما باید پنل‌های فتوولتائیک با توان کلی تقریباً ۱ کیلووات، مانند چهار ماژول ۲۵۰ واتی، نصب کنید.

مرحله 2: توان اینورتر خارج از شبکه را تعیین کنید

اینورتر جریان مستقیم (DC) را از پنل‌های فتوولتائیک یا باتری‌ها به جریان متناوب (AC) برای استفاده توسط لوازم خانگی معمولی تبدیل می‌کند.

توان آن باید برای تأمین حداکثر تقاضای توان لحظه‌ای شما کافی باشد، به‌ویژه با توجه به جریان هجومی بارهای القایی (تجهیزات موتوری).

فرمول:

توان اینورتر = (توان کل بار مقاومتی + توان کل بار القایی × ۵) × ضریب حاشیه ÷ ضریب توان

* بارهای مقاومتی: دستگاه‌های مقاومتی مانند لامپ‌ها، کتری‌های برقی و فرها.

* بارهای القایی: تجهیزاتی که دارای موتور یا کمپرسور هستند، مانند یخچال، پمپ آب، کولر گازی و غیره. توان لحظه‌ای در هنگام راه‌اندازی ممکن است ۵ تا ۷ برابر توان نامی باشد.

* ضریب ایمنی: معمولاً برای اطمینان از حاشیه امن، روی ۱.۲ تا ۱.۵ تنظیم می‌شود.

* ضریب توان: معمولاً روی ۰.۸ تا ۰.۹ تنظیم می‌شود.

مثال:

با فرض اینکه شما یک لامپ ۲۰۰ واتی (بار مقاومتی)، یک یخچال ۱۰۰ واتی (بار القایی)، ضریب حاشیه ۱.۳ و ضریب توان ۰.۸۵ دارید:

توان اینورتر = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

۷۰۰ × ۱.۳ ÷ ۰.۸۵

≈ 1070 وات

شما به یک اینورتر با حداقل ظرفیت ۱.۱ کیلووات نیاز خواهید داشت و برای پایداری بیشتر توصیه می‌شود مدل ۱.۵ کیلوواتی را انتخاب کنید.

مرحله 3: ظرفیت باتری را تعیین کنید

باتری «ذخیره‌ساز برق» سیستم مستقل از شبکه است و برق مورد استفاده در شب یا روزهای ابری عمدتاً از آن تأمین می‌شود. ظرفیت آن به تعداد روزهایی که به برق مداوم نیاز دارید و میزان مصرف برق روزانه بستگی دارد.

فرمول:

ظرفیت باتری (آه) = (مصرف روزانه برق × تعداد روزهای تأمین برق در روزهای ابری) ÷ (عمق دشارژ × راندمان شارژ/دشارژ × ولتاژ باتری)

عمق تخلیه (DOD): برای باتری‌های سرب-اسیدی، DOD بین ۰.۵ تا ۰.۶ توصیه می‌شود؛ برای باتری‌های لیتیومی، DOD بین ۰.۸ تا ۰.۹ قابل قبول است.

* راندمان شارژ/دشارژ: معمولاً بین ۰.۸۵ تا ۰.۹ تنظیم می‌شود.

* ولتاژ بانک باتری: ولتاژهای رایج شامل ۱۲ ولت، ۲۴ ولت و ۴۸ ولت هستند؛ ولتاژهای بالاتر برای نیازهای توان بالاتر توصیه می‌شوند.

مثال:

با فرض اینکه شما روزانه 3000 وات ساعت برق مصرف می‌کنید و می‌خواهید با استفاده از یک باتری لیتیومی 2 ولتی (DOD=48، راندمان=0.9) به مدت 0.9 روز در هوای ابری برق داشته باشید:

ظرفیت باتری = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

۶۰۰۰ ≈ ÷ ۳۸.۸۸

۱۵۴ ≈ آه

شما به یک باتری ۴۸ ولت ۱۵۴ آمپر ساعت (تقریباً ۷.۴ کیلووات ساعت) نیاز دارید.

مرحله ۴: مشخصات کنترلر را تعیین کنید

کنترل‌کننده فتوولتائیک فرآیند شارژ از ماژول‌های فتوولتائیک به باتری را تنظیم می‌کند.

مشخصات آن در درجه اول به حداکثر جریان ورودی بستگی دارد که با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

فرمول:

جریان ورودی کنترلر = حداکثر توان ماژول‌های فتوولتائیک ÷ ولتاژ باتری

برای مثال، اگر پنل‌های فتوولتائیک شما مجموعاً ۱۰۰۰ وات توان داشته باشند و ولتاژ باتری ۴۸ ولت باشد:

جریان ورودی کنترلر = ۱۰۰۰ ÷ ۴۸ ≈ ۲۰.۸ آمپر

بنابراین، شما باید یک کنترلر با جریان ورودی بیشتر از ۲۱ آمپر، معمولاً از نوع MPPT (راندمان بالاتر، مزیت بیشتر در روزهای ابری) انتخاب کنید.

نکات عملی

1. یک حاشیه امن در نظر بگیرید: طول عمر و پایداری عملیاتی تجهیزات به طراحی افزونگی مناسب بستگی دارد؛ پارامترها را خیلی سفت و سخت تنظیم نکنید.
2. MPPT نسبت به PWM برتر است: اگرچه کنترل‌کننده‌های MPPT کمی گران‌تر هستند، اما راندمان تولید برق بالاتری را ارائه می‌دهند، به خصوص در شرایط نوری ناپایدار.
3. باتری‌های لیتیوم-یونی را در اولویت قرار دهید: آنها جمع و جور، سبک و با قابلیت دشارژ عمیق هستند و در درازمدت باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها می‌شوند.
4. برنامه‌ریزی برای توسعه آینده: اگر پیش‌بینی می‌کنید که در آینده لوازم خانگی بیشتری اضافه کنید، از ظرفیت رابط کافی برای سیستم فتوولتائیک و باتری‌ها اطمینان حاصل کنید.

هسته اصلی طراحی یک سیستم فتوولتائیک کوچک مستقل از شبکه، محاسبه دقیق پیکربندی بر اساس نیازهای واقعی است، نه صرفاً «خرید چند پنل و باتری» و تمام کردن کار.

این ۴ فرمول را به خوبی یاد بگیرید:

1. فرمول توان ماژول فتوولتائیک
2. فرمول توان اینورتر
3. فرمول ظرفیت باتری
4. فرمول جریان ورودی کنترلر

سپس می‌توانید پیکربندی یک سیستم کوچک مستقل از شبکه را که هم کافی و هم پایدار باشد، محاسبه کنید.

هنگام طراحی برای اولین بار، می‌توانید بر اساس نتایج فرمول، 10 تا 20 درصد حاشیه اضافی اضافه کنید که امکان انعطاف‌پذیری بیشتری در مدیریت تغییرات آب و هوایی و گسترش تجهیزات را فراهم می‌کند.