طراحی سیستم برق خورشیدی

 

طراحی سیستم برق خورشیدی

 

پیاده کردن طرح های برق خورشیدی هم مثل سایر پروژه ها بوده و قبل از آغاز به کار باید مشخص کرد که هدف نهایی از انجام آن دستیابی به چه منظور و مقصودی است و از قضا، معین نمودن هدف، قسمت عمده ای از این مرحله را در بر می گیرد. در صورتی که این موضوع را دست کم گرفته و به دلیل بی دقتی، مرتکب اشتباه شوید، در نهایت با سیستمی مواجه می گردید که آنچه را که از آن انتظار دارید، برآورده نمی سازد.

همیشه بهتر است در ابتدای کار، هدف موردنظر را تا حد امکان ساده در نظر گرفت.

ذیلاً به برخی از اهداف معمول و متداول اشاره شده است:

  • تأمین برق لازم برای ایجاد روشنایی و سیستم حفاظتی (دزدگیر) یک انباری یا اتاقک مجزا از ساختمان اصلی.
  • تأمین برق مورد نیاز برای روشنایی و همچنین استفاده از یک قوری برقی، رادیو و تعدادی ابزارهای برقی از جمله درل، فرز و غیره در یک کارگاه کوچک فاقد برق شبکه.
  • ایجاد برق کافی برای تأمین روشنایی و استفاده از یک یخچال و یک تلویزیون در یک کاروان مسافرتی.
  • فراهم سازی برق مورد نیاز برای تأمین روشنایی و راه اندازی چهار لپ تاپ و سیستم تلفن یک شرکت، در هنگام قطع برق شبکه.
  • تأمین برق مورد نیاز برای شارژ کردن باتری یک دوچرخه یا موتور سیکلت برقی.
  • تأمین کل برق مورد نیاز و در حد متعارف یک خانه ی ییلاقی فاقد برق شبکه.

 با مشخص شدن هدف می توان با یک تقریب قابل قبول و حساب سرانگشتی، به میزان توان موردنیاز دست پیدا کرد.

هرچند که برای بهره گیری از آن، باز هم نیاز به جمع آوری یک سری اطلاعات پایه ای خواهید داشت. این دستورالعمل، توانایی های یک پروژه کامل شده را به نمایش گذاشته و کاربر را در راه مشخص ساختن هزینه های تقریبی آن، یاری می بخشد.

پیاده سازی یک سیستم برق خورشیدی برای یک مکان فاقد برق شهر ایدۀ بلند پروازانه ای محسوب شده و از دیدگاه آموزش طراحی سیستم های برق خورشیدی، یک مثال کامل و جامع قلمداد می گردد. در طراحی این پروژه با موارد و جزئیات خاصی مواجه می شوید که تقریبا تمامی جنبه های ذیربط را در بر می گیرد.

 

 

  • طراحی سیستم های متصل به شبکه یا متصل و متکی به شبکه

 

هرچند که در پاره ای از نقاط دنیا و به ویژه در برخی از نواحی مثل ایالت های جنوبی آمریکا و بعضی از کشورهای اروپایی مثل اسپانیا، آلمان و انگلیس، با یارانه و تعرفه های خاصی که از طرف دولت برای کاربران در نظر گرفته شده، آن ها را به سمت پیاده سازی طرح های خورشیدی متصل به شبکه تشویق می نمایند.

از لحاظ هدف گذاری پروژه، مراحل انجام کار تقریباً یکسان بوده و خیلی تفاوت نمی کند که یک سیستم متصل به شبکه را برگزینید یا یک نمونه ی متصل و متکی به شبکه را انتخاب کنید. تنها تفاوت بارز در این است که در صورت انتخاب سیستم های متصل به شبکه، نیازی به در نظر گرفتن بازده یا راندمان باتری ها نخواهد بود.

تفاوت عمده ی سیستم های متصل به شبکه یا متصل و متکی به شبکه با سایر روش ها در این است که در صورت داشتن آنها، در تأمین نیازهای الکتریکی همه ی وسایل و دستگاه های موجود و در حال کار، کاملاً به سیستم خورشیدی خود متکی نبوده و در صورتی که بیش از انرژی تولیدی، مصرف کنید، هیچگاه در تاریکی و بی برقی گرفتار نخواهید شد.

به عبارت دیگر به نظر می رسد که بهتر است در شروع کار، یکی از سیستم های کوچک متصل به شبکه یا متصل و متکی به شبکه را برگزیده و در صورتی که در آینده شرایط مساعدی فراهم شد، به تدریج آن را گسترش دهید.

با تمام این تفاصیل بهتر است به مسئلۀ تجزیه و تحلیل توان مورد نیاز، به چشم قسمتی از طرح نگاه کرد. حتی اگر تصمیم ندارید که همه ی توان مورد نیاز را از انرژی خورشیدی تأمین کنید، تجزیه و تحلیل توان، معیار مناسبی بوده و در صورتی که می خواهید با عرضه ی برق مازاد به شبکه ، در حفظ محیط زیست هم سهیم باشید، این کار در تعیین اندازه های یک سیستم متصل به شبکه به شما کمک می کند.

 


بیشتر بخوانید:

برق خورشیدی و محیط زیست

برق خورشیدی و محیط زیست


اکثر سیستم های متصل به شبکه به گونه ای طراحی می شوند که برق تولیدی آنها در خلال تابستان بیش از حد موردنیاز بوده و میزان توان تولیدی در زمستان، کمتر از مقدار مصرف می باشد.

هدف اصلی این است که توان متوسط و مورد نیاز یک دورهی مشخص، مثلاً یکسال کامل تأمین گردد که در این صورت، توان تولیدی و مصرفی همه ی ماه ها با هم یکسان نبوده و با یکدیگر اختلاف خواهند داشت.

بسیاری از سازندگان و عرضه کنندگان سیستم های خورشیدی مدعی اند که با این اوصاف، سیستم نصب شدۀ شما یک نمونه ی حافظ و دوستدار محیط زیست خواهد بود چون در زمان هایی که با مازاد تولید روبرو می شوید، آن را به شرکت های برق فروخته و در ساعاتی که با کمبود برق مواجه می گردید، نقصان مزبور را با خرید مجدد از آن ها جبران می نمایید.

اگر با نصب یک سیستم متصل به شبکه، به دنبال چنین مقاصدی هستید، هدف گذاری بسیار ساده میگردد. در این صورت کافی است قبض های برق یکساله ی گذشته را بررسی کرده و میزان برق مصرفی را به دست آورید.

در مرحلۀ بعد، برای محاسبۀ مصرف انرژی روزانه و اطمینان از این که سیستم مورد نظر شما قادر به تولید این مقدار متوسط سالیانه هست یا نه، کل میزان برق مصرفی سال گذشته را به تعداد روزهای سال تقسیم کنید.

از آن جایی که سیستم های متصل به شبکۀ دوستدار محیط زیست، در فصل زمستان، قادر به تولید برق کافی نیستند، بدیهی است که در مقایسه با سیستم های مستقل از شبکه، به پنل های خورشیدی بیشتری نیاز پیدا خواهید کرد.

 

 

 

  • دقیق شدن در جزئیات طرح

با مشخص شدن کلیات هدف باید به این مسئله پرداخت که برای حصول آن باید دقیقا چه مراحلی را طی کرده و ضمنا حدود انرژی مصرفی موردنیاز را هم تعیین نمود.

با مشخص شدن دستگاه ها و مصرف کننده های مختلف و مقاصد موردنظر، لازم است از میزان انرژی مصرفی هر یک آگاهی پیدا کرده و مصرف روزانۀ هر کدام را مشخص نماییم.

برای بالا نگهداشتن بازده سیستم و کاهش هزینه ها تصمیم داریم تا حد امکان از وسایلی که با ولتاژهای پایین کار می کنند، استفاده کنیم. مهم ترین مزایای استفاده از دستگاه هایی که بجای ولتاژ بالای برق شهر ، با ولتاژهای خیلی پایین تر DC عمل می کنند، در دو عامل نهفته است:

  • چون تبدیل برق DC با ولتاژ پایین تولیدی پنل ها به برق AC  با ولتاژ بالاي همسان با برق شبکه از طریق اینورتر، با قدری تلفات همراه است، در این حالت هیچگونه کاهش یا افت بازدهی نخواهیم داشت.

 

  • با توجه به آنکه بسیاری از وسایلی که از برق AC شهر تغذیه می شوند، آداپتور مجزایی دارند، که مجددا برق AC موجود در پریزها را به برق DC با ولتاژ پایین مبدل می سازند، با یک کاهش مجدد بازده، روبرو نخواهیم شد.

بسیاری از وسایل خانگی از قبیل تلویزیون های کوچک و کم اینچ، سیستم های صوتی پرتابل و بازی های کامپیوتری و لپ تاپ ها، آداپتورهای جداگانه ای دارند که برق AC شهر را به برق DC با ولتاژ بسیار پایین تری مبدل می سازند. در این صورت اگر نتوانیم برق DC تولیدی پنل ها را مستقیماً به این گونه وسایل تغذیه کنیم، می توانیم آداپتورهای DC به DC مناسبی را تهیه کرده و آن ها را به صورت وسایل واسطی بین پریزها و دستگاه های موردنظر قرار دهیم.

با همۀ این ها، انتخاب ولتاژهای پایین هم با مشکلات خاصی همراه بوده و به این لحاظ آن ها را نمی توان ندیده و نسنجیده، مورد گزینش قرار داد.

برای مثال می توان به دو مورد زیر اشاره کرد که:

  • اگر قرار باشد راه اندازی و تغذیۀ همه ی وسایل با برق DC ۱۲ یا ۲۴ ولت، منوط به انجام سیم کشی های اضافی قابل ملاحظه ای گردد، ممکن است هزینۀ سیم کشی اشاره شده به مراتب بیشتر از در نظر گرفتن یک اینورتر و احياناً تدارک یک آرایه ی خورشیدی بزرگتر باشد.

 

  • اگر کابل پیش بینی شده در حد فاصل باتری ها و لوازم مصرف کننده خیلی طولانی باشد، در نظر داشته باشید که افت توان در ولتاژهای پایین به مراتب بیش از ولتاژهای بالا است.

لذا در صورتی که سیم کشی موجود برای برق شبکه پیش بینی شده، به صرفه تر این است که بجای راه اندازی سیستم در ولتاژهای پایین، با استفاده از یک اینورتر، ولتاژ مورد استفاده، در حد برق شهر در نظر گرفته شود.

 

 

 

  •  استخراج لیست تجزیه و تحلیل توان

گام بعدی این است که با سنجش انرژی مصرفی بر حسب وات ساعت و تجزیه و تحلیل آن، به توان واقعی مورد نیاز طرح خود پی ببرید.

برای انجام این کار چهار راه وجود دارد که عبارتند از:

  • وارسی پشت یا زیر وسایل برقی یا قسمت منبع تغذیه ی آن ها.
  • کنترل کردن کتابچۀ راهنمای هر وسیله ی خاص.
  • سنجش وات هر وسیله ی برقی با استفاده از یک واتمتر.
  • در نظر گرفتن یک توان تقریبی برای هر وسیله ی خاص در قیاس با دستگاه های مشابه.

در اکثر موارد، در قسمتی از بدنه ی آداپتور هر دستگاه، بجای اینکه به وات مصرفی وسیلۀ موردنظر اشاره شود، شدت جریان مصرفی آن بر حسب آمپر ارائه می گردد.

به این ترتیب و با توجه به مشخص بودن ولتاژ خروجی منبع تغذیه، با ضرب کردن این دو پارامتر در یکدیگر، به سادگی می توانید به اندازه ی توان دست پیدا کنید:

شدت جریان به ولتاژ = توان (وات)

P= VxI

 

برای مثال اگر در پشت بدنه ی شارژر تلفن همراهتان به ارقام ۵ ولت و ۱٫۲ آمپر اشاره شده باشد، با ضرب این دو عدد در یکدیگر به سادگی در می یابید که توان مصرفی شارژر یاد شده، ۶ وات است.

در صورتی که برای شارژ باتری تلفن همراه، این وسیله به مدت یک ساعت به پریز وصل باشد، ۶ وات ساعت انرژی به مصرف می رسد. وسیلۀ بسیار مفیدی که قادر به سنجش انرژی موردنیاز هر دستگاه متصل به برق شهر می باشد، واتمتر نام دارد. در این صورت برای سنجش توان مورد نیاز هر دستگاه، ابتدا واتمتر به پریز دیواری برق شهر متصل گردیده و سپس دو شاخه ی دستگاهی که هدف، تعیین وات آن می باشد، وارد حفره های تعبیه شده در بدنه ی واتمتر می گردد.

واتمترهای قدیمی تر، عقربه ای و نمونه های جدیدتر، دیجیتالی و مجهز به یک صفحه نمایش LCD هستند و به مجرد روشن کردن دستگاه موردنظر، وات مصرفی را می توان از روی صفحه ی نمایش دهنده ی واتمتر قرائت نمود. انجام این کار دقیق ترین روشی است که به کمک آن می توان به وات واقعی دستگاه های مختلف پی برد.

فراموش نکنید که پیدا کردن یک رقم تقریبی برای توان مصرفی از قیاس یک دستگاه با وسایل مشابه، کمترین دقت ممکن را داشته و تا حد امکان باید به عنوان آخرین راهکار مورد استفاده قرار گیرد و تا جایی که مقدور است باید از انجام آن پرهیز نمود. 

وقتی فهرست توان مورد نیاز دستگاه های مختلف مشخص گردید، ارقام به دست آمده را وارد یک جدول کرده و با در نظر گرفتن اینکه هر وسیله ی خاص با برق ۱۲ ولت DC عمل میکند یا با برق AC شهر راه اندازی می شود، توان مصرفی را هم معین نمایید.

در مرحلۀ بعد و با یک برآورد تقریبی مشخص کنید که در خلال هر روز، هر کدام از وسایل موجود، حدودا چند ساعت مورد استفاده واقع می شوند و با ضرب کردن ارقام مربوط به توان در ساعات مصرف، وات ساعت موردنیاز یا به عبارت دیگر، انرژی لازم برای فعال سازی هر وسیله در روز را مشخص نمایید.

در موقع تهیۀ این برآوردها یک نکتۀ ظریف و حائز اهمیت را هم فراموش نکنید و آن اینکه بارهای ناشی از حالت خاموشی دستگاه های مختلف متصل به پریزهای برق را هم مدنظر داشته باشید و یادتان باشد که هر وسیله ی برقی متصل به پریز، حتی در حالت خاموشی، اگر در وضعیت «آماده به کار» قرار داشته باشد، مقدار اندکی از انرژی برق را به مصرف می رساند.

برای به حداقل رسانیدن این گونه مصارف، بهترین راه این است که یا کلاً دو شاخه آنها را در مواقع غیر ضروری از پریز در آورده و یا لااقل دکمۀ ورودی برق دستگاه را در حالت خاموش یا قطع قرار داد. یکی از بارزترین موارد، تلویزیونی است که دوشاخه ی آن به پریز برق متصل بوده و با وجودی که دستگاه ظاهراً خاموش است، ولی عملاً در وضعیت آماده به کار قرار دارد و کاربر با اشارهی انگشت به دکمه ی موردنظر در روی کنترل از راه دور دستگاه، آن را روشن می نماید.

در غیر این صورت اگر حال و حوصله ی خاموش کردن کامل و یا خارج ساختن دو شاخه ها از پریزها را ندارید، در موقع تهیۀ فهرست انرژی مصرفی، حتما درصدی را هم برای این گونه تلفات منظور نمایید.

 

اگر گرمایش مکان موردنظر به وسیلۀ یک سیستم حرارت مرکزی صورت می پذیرد، فراموش نکنید که حتی اگر موتورخانه ی موردنظر با گاز ش هری یا گازوئیل هم تغذیه شود، تابلوی کنترل ورله ها و پمپ سیرکولاسیون آب و غیره، همگی برق مصرف می کنند. در ایده آل ترین حالت و در بهترین شرایط، پمپ به گردش در آوردن آب این گونه موتورخانه ها، حداقل به ۶ وات توان الکتریکی نیاز داشته و رله ها و کنترل های دیگر هم به رقمی در حدود ۲ تا ۲۴ وات توان احتیاج دارند.

 

نکته:

توجه داشته باشید که باتری ها، اینورتر و مقاومت های الکتریکی موجود در مدارات مختلف، همه و همه، باعث کاهش بازده سیستم برق خورشیدی می گردند لذا ضرورت ایجاب می کند که این تلفات را نیز به نوعی وارد محاسبات مان نماییم.

 

 

  • در نظر گرفتن تلفات

باتری ها جزو آن دسته از وسایلی هستند که در موقع تخلیه و بازگرداندن انرژی ذخیره شده در خود، كل انرژی دریافتی در هنگام شارژ شدن را پس نداده و درصدی از آن را به عنوان حق الزحمه، برای خود منظور می کنند. یکی از پارامترهای ذیربط با باتری ها، «بازده چرخه ی شارژ» نامیده شده و معرف انرژی قابل حصول از یک باتری در قیاس با انرژی داده شده به باتری در موقع شارژ آن بر حسب درصد می باشد.

چون بازده یک باتری متناسب با سرعت شارژ و دشارژ آن تغییر می کند، بازده چرخۀ شارژ هم میزان ثابتی نخواهد داشت. هرچند که در مقوله ی سیستم های برق خورشیدی می توان ادعا کرد که چون آنها قادر به شارژ سریع و شدید باتری ها نیستند، ارقام و اطلاعات استاندارد ارائه شده در برگه ی مشخصات باتری ها، قابل استناد می باشند.

همانطوری که اشاره شد، میزان بازده چرخۀ شارژ باتری ها در شناسنامه آن ها یا برگۀ مشخصات داده شده از طرف سازنده مشخص و ارائه می گردد. در صورتی که به این اطلاعات دسترسی نداشتید، میزان بازدهی چرخۀ شارژ برای باتری های صنعتی را باید چیزی در حدود ۹۵٪ و باتری های معمولی و ژله ای را در حدود ۹۰٪ در نظر گرفت.

در صورتی که سیستم موردنظر شامل اینورتر هم هست، برای آن هم باید تلفاتی را منظور کرد. در اینجا هم ملاک اصلی، کارخانۀ سازندۀ اینورتر است ولی اگر در برگۀ مشخصات یا بدنۀ دستگاه به این پارامتر اشاره ای نشده، رقمی در حدود ۹۰٪  را می توان ملاک قرار داد.

 

 

 

  • چه مواقعی نیاز به استفاده از سیستم برق خورشیدی داریم؟

یکی از مهم ترین نکات در طراحی سیستم های برق خورشیدی این است که دقیقاً مشخص گردد که، در چه زمان هایی از سال قرار است از سیستم مزبور استفاده شود؛ برای مثال، اگر قصد دارید در ماه های  فصل زمستان هم سیستم را به صورت بلاوقفه مورد بهره برداری قرار دهید، باید توجه داشته باشید که طراحی آن به صورتی انجام شود که در روزهای ابری ماه های مزبور هم سیستم قادر به تأمین برق مورد  نیاز باشد.

این به آن معنی است که لزومی ندارد که سیستم خورشیدی طراحی شده قادر به تأمین تمام انرژی محاسبه شده در سایر ایام سال هم باشد و همانقدر که باتری ها در حدی شارژ داشته باشند که جوابگوی اندک تعطیلات متوالی فصل زمستان باشند، نظر ما تأمین می گردد. در این صورت و به محض به پایان رسیدن تعطیلات مزبور، آرایۀ خورشیدی، شارژ مجدد و ملایم باتری ها را از سر خواهد گرفت.

البته اتخاذ این تصمیم به سلیقۀ کاربر بستگی داشته و در صورتی که نیاز به تأمین برق اضافی در فصل زمستان محرز شد، به عنوان یک عامل کمکی می توان در کنار سیستم خورشیدی، ژنراتور کوچکی را هم مورد بهره برداری قرار داده و هر از گاهی، باتری با باتری ها را نیز سریعاً شارژ نمود.

 

مقالات مرتبط