محاسبه انرژی در پنل های خورشیدی

 

محاسبۀ انرژی در پنل های خورشیدی

 

  • انرژی خورشیدی چیست؟

به واقع انرژی خورشیدی، تلفیقی از قدرت تابش خورشید و تعداد ساعات قابل دریافت آن در محل موردنظر می باشد. اندازۀ این پارامتر متغیر بوده و به موقعیت مکانی محل و زمان موردنظر (چه ماهی از سال) بستگی دارد.

این پارامتر مركب که ساعت های تابش نور خورشید و شدت آن را شامل می شود، آفتاب گیری یا شدت تابش خورشید نامیده شده و بر حسب وات بر متر مربع (W/m2) بیان می گردد. واحد معمول تر و عملی تری به صورت «کیلووات ساعت بر متر مربع در روز» (kWh/day/m2) نیز مورد استفاده واقع می شود.

 

 

  • شدت تابش خورشیدی چه مورد استفاده ای دارد؟

در قسمتی از بدنه یا جعبۀ پنل های خورشیدی به عددی اشاره می شود که معرف توانی است که انتظار می رود یک چنین پنلی قادر به تولید آن باشد (برحسب وات) البته مشروط بر آنکه تابش خورشید در هر متر مربع از محل مورد نظر، ۱۰۰۰ وات در نظر گرفته شود.

این شدت تابش یعنی ۱۰۰۰ وات بر متر مربع، رقمی است که در ساعات میانی و بخصوص ظهر هنگام اواسط تابستان می توان به آن دست یافت. بنابراین توقع نداشته باشید که با احتساب یک میانگین روزانه، به چنین رقمی برسید.

با دانستن شدت تابش خورشید در مکان مورد نظر و با در نظر گرفتن میانگین روزانۀ آن یعنی «تعداد کیلووات ساعت ها بر متر مربع در روز»، و با ضرب کردن این رقم در توان پنل های خورشیدی (بر حسب وات)، می توان حدود انرژی دریافتی روزانه توسط پنل ها را مشخص نمود.

 

 

  • محاسبۀ شدت تابش خورشید

شدت تابش خورشید از یک جا تا جای دیگر متغیر بوده و میزان آن در ایام مختلف سال نیز عوض می شود. اگر می خواهید یک برآورد تقریبی منطقی داشته باشید باید برای هر مکان خاص و هر موقعیت زمانی مشخص، شدت تابش ویژه ای را در نظر بگیرید.

با تسهیلاتی که سازمان فضایی و هوانوردی ملی آمریکا (ناسا) فراهم آورده، یافتن شدت تابش نور خورشید در نواحی مختلف، بسیار ساده شده است. ماهواره های هواشناسی ناسا، شدت تابش نور خورشید را در همۀ نقاط کره زمین، استخراج کرده و در اختیار کاربران قرار داده اند.

به عنوان مثال و با مراجعه به سایت پشتیبان، اطلاعات درج شده در مورد شدت تابش نور خورشید در شهر لندن واقع در کشور انگلیس را در نظر بگیرید. در جداول مزبور، شدت تابش ها به صورت مجزا و برای ماه های مختلف سال ارائه شده اند.

در جداول یاد شده، سطر اول به ارائۀ میانگین شدت تابش نور خورشید در ماه های مختلف سال و در صورت نصب افقی پنل بر روی زمین اختصاص داده شده است.

این ارقام نشان می دهند که به طور میانگین و در روزهای مختلف هر ماه خاص، حدودا به چند ساعت از تابش وسط روز خورشید دسترسی داریم. برای مثال و با مراجعه به ارقام بالا متوجه می شویم که میزان مزبور برای شهر لندن و در ماه آذر معادل ۰٫۶ ساعت یعنی ۳۶ دقیقه بوده و اندازه ی آن در ماه خرداد برابر ۴٫۸۶ یعنی ۴ ساعت و ۵۰ دقیقه از تابش نور خورشید در ساعات میانی روز است.

 

 

  • جذب میزان بیشتری از انرژی خورشید

شیب یا انحراف پنل خورشیدی از راستای عمودی، در میزان انرژی جذب شده مؤثر می باشد. با یک آزمایش عملی ساده می توان پی برد که میزان انرژی دریافتی پنل هایی که به صورت عمودی از یک دیوار آویخته شده اند و همچنین پنل هایی که مستقیماً و به صورت تخت و افقی بر روی زمین نصب گردیده اند، به مراتب کمتر از مقدار انرژی جذب شده به توسط نمونه هایی است که سطح آن ها به سمت خورشید نشانه رفته و در واقع پنل ها به صورت زاویه دار و اریب نصب گردیده اند.

در صورتی که پنل خورشیدی را به صورت زاویه دار نصب کرده و آن را به صورت متمایل به راستای تابش نور خورشید نشانه روید، قادر به جذب انرژی بیشتری بوده و طبیعتاً توان بیشتری را هم به دست خواهید آورد. اثر این کار در ماه های فصل زمستان که بنظر می رسد خورشید در ارتفاع پایین تری از آسمان واقع شده، محسوس تر می باشد.

علت خیلی ساده است؛ وقتی خورشید در نقطه ی اوج خود قرار دارد، شدت تابش اشعۀ آن زیاد بوده و مطابق شکل (۱)، وقتی با گذشت زمان و چرخش خورشید در آسمان، ارتفاع ظاهری آن نسبت به مکان موردنظر کم شده و اشعۀ نور آن به صورت مایل دریافت می شود، همان مقدار نور، به مساحت بیشتری تقسیم می گردد.

 

شدت تابش اشعۀ خورشید در زوایای مختلف

 

شکل (۱) شدت تابش اشعۀ خورشید در زوایای مختلف

 

 

 

  • تأثیر شیب پنل ها بر شدت تابش نور خورشید

با شیب دادن و متمایل ساختن پنل ها به سمت خورشید، انرژی بیشتری جذب شده و به تبع آن، برق بیشتری تولید خواهیم کرد. در بسیاری از موارد، اندازۀ این زاویه به شیب شیروانی ساختمان موردنظر بستگی دارد هرچند که در سال های اخیر و با تحقیقات صورت پذیرفته و ارائۀ جداول مختلف، برای هر مکان خاص می توان به زوایای بهینه ای دست یافت که با حداکثر انرژی دریافتی همراه و توأم باشد. بیشترین میزان تغییرات، در اواسط زمستان و میانه های تابستان رخ می دهند.

 

 

 

  • محاسبۀ شیب بهینۀ پنل های خورشیدی

 به دلیل زاویۀ  ۲۳٫۵ درجه ای که محور گردش زمین با صفحۀ گردش آن به دور خورشید می سازد، شیب بهینۀ پنل های خورشیدی در طول سال، بسته به فصول مختلف تغییر می کند. در پاره ای از موارد و با توجه به شرایط و موقعیت نصب پنل ها، این امکان وجود دارد که شیب آنها را به صورت ماهیانه تغییر داده و تنظیم کرد در حالی که در بسیاری از حالات، تغییر دادن زاویۀ پنل ها مقدور نبوده و آنها را به صورت ثابت نصب می نمایند. محاسبه ی شیب بهینه ی پنل ها دشوار نبوده و با استفاده از رابطۀ زیر به دست می آید:

 

 

عرض جغرافیایی – °۹۰ = بهترین زاویه ی ثابت پنل در طول سال

 

رابطۀ یاد شده مناسب ترین شیب پنل های خورشیدی نسبت به محور عمودی که اشعۀ خورشید در ظهر روزهای اعتدال بهاری (اوایل فروردین) و پاییزی (اوایل مهر) به زمین می تابد را مشخص می سازد.

با وجودی که این روزها کاملاً ثابت نبوده و اندکی پس و پیش دارند، در مجموع می توان فرض کرد که بر روزهای اول فروردین و اول مهر، منطبق می گردند. در این ایام، مسیر حرکت خورشید، استوای سماوی را قطع می کند؛ در اول فروردین از جنوب به شمال و در اول مهر، از شمال به جنوب.

این زاویه، مناسب ترین شیبی است که در کل طول سال می توان برای پنل های ثابت در نظر گرفت. طبیعی است که با در نظر گرفتن این شیب، انرژی تولید شدۀ پنل ها در همه ی ایام سال در بیشترین میزان خود قرار نداشته و مفهومش این است که با تنظیم کردن این زاویه می توان مطمئن بود که میانگین انرژی دریافتی، بالاترین مقدار ممکن را حائز می گردد.

هرچند که با تغییر دادن شیب پنل ها در ایام مختلف سال می توان به خروجی های بهتری دست پیدا کرد. زاویۀ تابش خورشید در هر یک از ماه های سال حدود ۷٫۸ درجه تغییر کرده و در فصل تابستان بالاتر رفته و در ماه های زمستان پایین تر می آید. به این ترتیب ملاحظه می شود که با تغییر دادن شيب پنل ها و جهت دهی صحیح آن ها به سمت خورشید و به عبارت دیگر با تعقیب و ردگیری آن در ماه های مختلف سال می توان بازده سیستم را بهبود بخشید.

بدترین شرایط جذب انرژی پنل ها در ماه های فصل زمستان رخ می دهد. هرچند که در همین ایام هم با تغییر دادن شیب پنل ها و فراهم آوری امکانات جذب انرژی بیشتر می توان بازدهی سیستم را بهبود بخشید.

بهترین شیب زمستانی پنل ها، زاویۀ مناسب ماه دی است که از رابطۀ زیر به دست می آید و با مراجعه به جدول مشخص می شود که زاویۀ مزبور با زاویۀ ماه آبان هم مطابقت دارد:

 

۱۵٫۶-عرض جغرافیایی – °۹۰ = مناسب ترین تنظیم زمستانی

 

با تنظیم شیب پنل ها در این زاویه، اندکی از توانایی تولید توان سیستم در ماه های تابستان را هدر خواهید داد. هرچند، از آن جایی که تولید و جذب انرژی در فصل تابستان خیلی بیشتر از میزان مشابه در فصل زمستان می باشد، شاید پیامد مزبور اهمیت چندانی نداشته باشد.

نکتۀ مهمی که در اینجا باید خاطرنشان کرد این است که وقتی بجای قرار دادن پنل ها در وضعیت تخت و افقی، آنها را شیبدار کرده و به صورت اریب به سمت خورشید نشانه می روید، حتی در سردترین ماه های سال هم تولید انرژی را حدودا دو برابر کرده اید. حسن این عمل آن است که با این کار، حداقل تعداد پنل های موردنیاز را کاهش می دهید.

 

 

  • بهره گیری از شدت تابش نور خورشید در محاسبهی توان تولیدی یک پنل خورشیدی

بر مبنای اعداد به دست آمده در مورد شدت تابش ماهیانه و با ضرب کردن آن ها در وات نامی هر پنل می توان به میزان انرژی الکتریکی تولیدی آن در روز دست یافت، یعنی:

شدت تابش نور خورشید به وات نامی پنل = وات ساعت در روز

رقم مربوط به شدت تابش، به ماه موردنظر و شیب پنل بستگی دارد.

 

 

 

  • یاری جستن از شدت تابش نور خورشید در نقش یک راهنمای تقریبی برای تعیین توان مورد نیاز آرایه

با استفاده از ارقام مربوط به شدت تابش خورشید می توان به ظرفیت تقریبی آرایۀ موردنیاز نیز دست یافت. دانستن ظرفیت واقعی مستلزم منظور کردن پارامترهای زیر می باشد:

  • ویژگی های خاص مکان نصب پنل ها
  • موقعیت و زوایه پنل ها
  • وجود موانعی که در روزهای مختلفی از سال، مسیر تابش مستقیم اشعه ی خورشید را مسدود کرده و سطح پنل ها را سایه کنند.

با این همه، همین حساب های تقریبی و سر انگشتی هم بسیار مفید فایده بوده و می توانند در برآورد هزینه های تقریبی یک سیستم برق خورشیدی، مؤثر واقع شوند. این محاسبه بسیار ساده بوده و کافی است رقم بدست آمده از تعداد وات ساعت ها در روز را به رقم مربوط به بدترین وضعیت شدت تابش خورشید ماهیانه تقسیم کرد.

به این ترتیب در صورتی که باتری های به کار رفته از چنان ظرفیت بالایی برخوردار باشند که در شرایط عادی، نیازهای معمولی چند روز را تأمین کنند، خیلی مهم نیست که سیستم خورشیدی نصب شده از عهدۀ تأمین نیازهای الکتریکی فصل زمستان بر نیاید.

 

 

 

  • راندمان با بازده آرایۀ خورشیدی

پنل های خورشیدی را با «حداکثر توان خروجی» شان می سنجند. حداکثر توان خروجی هر آرایۀ خورشیدی، در هوای صاف و آفتابی و در ولتاژی بین ۱۴ الى ۲۲ ولت ایجاد می گردد.

هرچند که اکثر اینورترها، باتری ها و کنترل کننده ها، قادر به استفاده از این ولتاژ نبوده و ولتاژ مزبور را باید به طریقی کاهش داد تا با ولتاژ ورودی آنها هم خوانی پیدا کند و همین کم کردن ولتاژ خود، باعث افت توان هم می گردد.

از نقطه نظر انرژی تابشی موجود در یک محل، در قیاس با مقدار انرژی جذب شده توسط آرایه، راندمان با بازدهی در حدود ۷۵٪ ملاحظه می گردد.

خوشبختانه برای بالا بردن بازده و جبران این گونه تلفات می توان اینورترها و کنترل کننده هایی را ابتیاع نمود که با بهره گیری از یک قابلیت ویژه بنام “ردیاب یا جستجوگر حداکثر توان ” (با حروف اختصاری MPPT)، باعث ایجاد بیشترین توان ممکن می گردند.

قابلیت مزبور ، ولتاژ دریافتی از آرایۀ خورشیدی را به گونه ای تنظیم می کند که با تأمین ولتاژ صحیح موردنیاز باتری ها یا اینورتر، این افت را حذف کرده یا لااقل میزان آن را کاهش می دهد.

راندمان با بازده این ردیاب ها بین ۹۰ تا ۹۵% می باشد هرچند که با توجه به گران بودن کنترل کننده های مجهز به این قابلیت نسبت به انواع فاقد آن ها و همچنین گرانی اینورترهای مشابه، در موقع خرید باید به این اختلاف هزینه های اولیه توجه کرده و پیامدهای مثبت و منفی آنها را مدنظر قرار داد.

به طور کلی، کنترل کننده های مجهز به قابلیت MPPT در توان های بیش از ۲۰۰ وات و اینورترهای مشابه، در توان های بالاتر از ۳۰۰ وات، مقرون به صرفه و اقتصادی می گردند.

ضمنا توجه داشته باشید که در سیستم های متصل به شبکه که اینورتر، مستقیماً از پنل های خورشیدی تغذیه می گردد، حتماً به یک نمونۀ مجهز به قابلیت ردیابی حداکثر توان نیاز خواهید داشت ولی اگر می خواهید اینورتر را از یک یا چند باتری تغذیه کنید، اجباری به خرید یک نمونۀ مجهز به قابلیت ردگیری حداکثر توان ندارید.

به طور کلی، اگر می خواهید مسئلۀ عدم بازدهی صد در صد یا افت توان را هم در محاسبات تان منظور نمایید، مراقب باشید که در صورت استفاده از اینورتر با کنترل کنندۀ مجهز به قابلیت MPPT، رقم نهایی محاسبه شده را به ۹/. تقسیم کرده و اگر از نمونه های فاقد MPPT بهره گرفته اید، عدد مزبور را به ۰٫۷۵ تقسیم نمایید. 

 

 

 

  • تأثیر دما بر پنل های خورشیدی

وقتی پنل های خورشیدی در دماهای پایین و نواحی سردسیری مورد استفاده واقع می شوند، در مقایسه با اقلیم ها و مناطق گرمسیری، عملکرد بهتری را ارائه داده و توان تولیدی در دماهای پایین به مراتب بیشتر از دماهای بالا خواهد بود. به این ترتیب مشاهده می شود که برق تولیدی یک سیستم فتوولتایی در یک روز غبار آلود و نه چندان صاف و آفتابی ولی همراه با وزش باد ملایم و خنک، بیشتر از یک روز صاف و آفتابی و فاقد وزش باد است.

وقتی پلاک مشخصات پنل های خورشیدی را کنترل می کنید توجه داشته باشید که توان یا وات نامی قید شده، مربوط به تابش دهی ۱۰۰۰ وات بر متر مربع و در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد می باشد. لذا باید انتظار داشت که برق تولیدی این پنل ها در دماهای پایین تر از ۲۵ درجه، بیشتر و در دماهای بالاتر از آن، کمتر از حد مورد نظر باشد .

وقتی پنل ها در مقابل تابش نور خورشید قرار می گیرند، گرم شده و قسمت عمدۀ این گرما، ناشی از جذب اشعۀ مادون قرمز نور خورشید می باشد و باز به دلیل مشکی یا تیره بودن رنگ آن ها، افزایش دمای شان هم قابل ملاحظه و محسوس خواهد بود.

تجربه نشان داده که در نواحی گرمسیری، دمای سطح این پنل ها به راحتی به حدود ۸۰ الی ۹۰ درجه ی سانتیگراد هم می رسد.

اکثر سازندگان پنل های خورشیدی اطلاعاتی را در اختیار کاربران می گذارند تا آثار این تغییرات دما بر روی عملکرد پنل ها را به آنها گوشزد نمایند. این اثر که به “ضریب دمایی توان نامي” موسوم است، با درصدی از کاهش توان به ازای هر درجه ی سانتیگراد افزایش دما، مشخص می گردد.

معمولاً اندازه ی این پارامتر چیزی در حدود ۰٫۵ % می باشد، یعنی با هر درجه ی سانتیگراد بالا رفتن دمای محیط، بازده آرایه ی خورشیدی به میزان کاهش  ۰٫۵ % می یابد و بالعکس، با هر درجه ی سانتیگراد پایین آمدن دما، بازده آرایه به اندازۀ ۰٫۵ % افزایش می یابد. 

در طراحی سیستم های خورشیدی برای اروپای شمالی و کانادا که آب و هوای خیلی گرمی ندارند، این پارامتر، فاکتور خیلی مهمی تلقی نمی شود؛ هرچند در طراحی نمونه های مشابه برای ایالت های جنوبی آمریکا، آفریقا، هند و خاورمیانه و (از جمله ایران)، که در بیشتر ایام سال با دماهای بالای ۲۵ درجۀ سانتیگراد مواجهند، در نظر گرفتن این عامل حائز اهمیت بوده و نقش عمده ای را ایفا می کند.

در صورتی که هدف تان طراحی یک سیستم خورشیدی برای تمام ایام سال است، باید پذیرفت که اندکی بالا یا پایین رفتن توان خروجی در گرم ترین روزهای فصل تابستان، موضوع خیلی مهمی نخواهد بود. در این صورت نیازی به اعمال تأثيرات دما بر روی سیستم خود ندارید. 

اگر در بیشتر اوقات سال، دمای محیط خیلی بالا است و نیاز مبرمی به بهره گیری از بالاترین کارآیی سیستم احساس می شود، راه گریزی وجود نداشته و در این صورت ناچارید آثار و پیامدهای تغییر دما را در طرح خود منظور نمایید.

با درک این مسئله که خنک نگهداشتن پنل ها چه تأثیر قابل ملاحظه ای در کارآیی آن ها دارد، بهتر است در موقع نصب و طراحی محل استقرار پنل ها، تا حد امکان تمهیداتی را پیش بینی کنید که جریان آزاد هوا از زیر و روی آنها عبور نماید. اگر هدفتان نصب پنل ها بر روی بام یا شیروانی است حتما یک باد خور ۷ الی ۱۰ سانتیمتری را بین سطح شیروانی یا بام و بدنه ی پنل ها در نظر داشته باشید.

البته به جای خوابانیدن مستقیم پنل ها بر روی شیروانی یا بام می توان آن ها را ابتدا بر روی یک قاب یا پایه سوار کرد که در این صورت هدف مزبور یعنی فاصله دهی و جریان پیدا کردن هوا، به صورت خودکار تأمین می گردد.

در مواردی که قرار است پنل ها بر روی شیروانی نصب گردند و در صورتی که میانگین سالیانه ی دمای هوای محل در حدود ۲۵ درجه ی سانتیگراد و بیشتر است، برای یافتن دمای واقعی پنل ها، عدد مزبور را در ۱/۴ ضرب کرده و اگر قرار است پنل ها، بر روی یک دیرک مستقر شوند، برای یافتن دمای واقعی، دمای محل را در عدد ۱/۲ ضرب نمایید.

معمولاً در دفترچۀ راهنما یا بروشور پنل ها به جدول یا نموداری اشاره می شود که تأثیر دما بر روی توان نامی آن ها را معین می سازد. در این صورت و با توجه به افتی که از این بابت در سیستم ایجاد می گردد، باید اندکی وات اضافه را برای آثار و تبعات ناشی از افزایش دما، پیش بینی نمود.

 

 

 

  • محاسبۀ تقریبی هزینه های پنل های خورشیدی

قبل از هر چیز باید اشاره کرد که هزینه های برآورد شده در این قسمت با واقعیت فاصله داشته و تقریبی هستند. به عنوان شروع و برای داشتن یک پیش زمینه در هزینه ها باید اشاره کرد که اگر کارهای فیزیکی و بدنی و حمل و نقل را خودتان انجام دهید، یک سیستم برق خورشیدی شامل: آرایه، کنترل کننده و باتری ها، به ازای هر وات، چیزی در حدود ۶/۲ دلار برای تان هزینه به همراه دارد که البته خود این عدد هم، ۱۵٪ نوسان و بالا و پایین خواهد داشت.

در هنگام طراحی سیستم های مختلف توجه داشته باشید که پیاده کردن یک سیستم متصل به شبکه به هزینۀ بیشتری نیاز دارد، چون باوجود، عدم نیاز به باتری، سیستم مزبور به اینورتر گران قیمت تری احتیاج خواهد داشت. ضمناً فراموش نکنید که پس از اتمام کار، ملزم به پرداخت اجرت بازدید به یک برقکار یا کارشناس مجرب و تأیید شدهی شرکت برق هم هستید که صحت و درستی مراحل انجام کار را تصدیق نماید.

در خیلی از کشورها، سخت گیری بیشتری معمول بوده و کلیدی قطعات به کار رفته در سیستم برق خورشیدی موردنظر باید از کیفیت های خوب و استانداردهای ویژه ای برخوردار باشند تا قابلیت و مجوز اتصال به شبکه ی برق شهر را اخذ نمایند. لذا اگر مقصود، طراحی یک سیستم برق خورشیدی متصل به شبکه است، روی چیزی در حدود ۹ الی ۱۲ دلار به ازای هر وات حساب کرده و ٪۱۵ نوسان هزینه ها را هم در نظر بگیرید.

 

 

 

  • برآورد ابعاد پنل های لازم

چون حمل و نقل پنل ها به محل نصب آن ها کار ساده و بی دردسری نیست، بهتر است قبل از آغاز بررسی های اولیۀ مکان موردنظر، این اطلاعات را کسب نماییم. در این صورت و با داشتن داده های یاد شده قادریم فضای کافی و مناسبی را برای پنل ها کنار بگذاریم تا ضمن ایمن بودن مکان مزبور، پنل ها، از تابش بلاوقفه ی نور خورشید هم بهره مند شوند.

اصولا در بازار با دو جور پنل های خورشیدی مواجه خواهید شد که یکی پنل های آمورف یا بی شکل و دیگری نمونه های کریستالی یا بلوری می باشند.  یک متر مربع از پنل های خورشیدی بی شکل در حدود ۶۰ وات و یک متر مربع از نمونه های بلوری چیزی در حدود ۱۶۰ وات برق تولید می کنند.

 

 

مقالات مرتبط