نحوه محاسبه برق خورشیدی کامل و آنلاین

↓↓↓ آموزش محاسبه تعداد اجزای سامانه خورشیدی  و نحوه اتصال اجزاء سامانه خورشیدی ↓↓↓

مهمترین نکته در بکارگیری سامانه های خورشیدی براورد هزینه برای مشتریان و نحوه صحیح محاسبات برای بار مصرفی مورد نیاز است. در این فصل ضمن بیان کلیات اجزای سامانه های خورشیدی متصل و جدا از  شبکه ، روش محاسبه تعداد اجزای سامانه خورشیدی  و نحوه اتصالات بر اساس مقادیر بار مصرفی  (وات ساعت) ، محاسبه تعداد پنل مورد نیاز و تعیین تعداد باتری برای ذخیره انرژی و همچنین محاسبه اینورتر و محاسبه شارژ کنترلر ارائه شده است. 

در سیستم های جدا از شبکه بخش قابل توجهی از هزینه ها معطوف به قیمت باتری ها میشود که در این فصل رابطه بین عمر باتری و سطح دشارژ ان توضیح داده شده است. در ادامه طریقه طراحی بهینه در نحوه اتصالات اجزای سامانه خورشیدی  مورد بحث قرار گرفته است.

چناچه تمایل به دریافت این مطالب بصورت PDF دارید بر روی لینک دانلود کلید کنید.

مباحث محاسبه تعداد اجزای سامانه خورشیدی  و نحوه اتصال :

• تعیین مقادیر بار مصرفی برای سیستم خورشیدی
• محاسبه تعداد پنل
• تعیین تعداد باتری برای ذخیره انرژی
• تعیین مقدار شارژ کنترلر
• محاسبه اینورتر
• نحوه اتصالات اجزاء سامانه خورشیدی
• افت ولتاژ سیم
• سیستم متصل به شبکه ( On gride)

تعیین مقادیر بار مصرفی برای سیستم خورشیدی

در یک سامانه خورشیدی بسته به نحوه راه اندازی سیستم متصل به شبکه یا منفصل از شبکه نیاز به تعیین مقادیر المان های سامانه که شامل ماژول فتوولتایک، شارژ کنترلر، باتری و اینورتر است که بر اساس نیاز بار مصرف کننده مشخص میشود.

در مرحله اول مقدار توان مورد نیاز مصرف کننده بر اساس وات بر ساعت باید مشخص شود برای اینکار میزان مصرف هر وسیله و تعداد ساعات مطلوب استفاده از هر دستگاه را در طول روز باید مشخص کنیم و مقادیر بدست امده برای هر دستگاه را یا هم جمع میبندیم.  بدلیل وجود تلفات عدد بدست امده را در ۱٫۳ ضرب کنید تا میزان توان وات ساعتی که پنل در طی روز باید برق تولید کند ، مشخص شود.

مثال ۱_ میزان مصرف وسایل الکتریکی یک ویلا بصورت زیر است.

۱۰ لامپ فلورسنت ۱۵ وات بمدت ۴ ساعت                      p = 10 ×۱۵w × ۴h=600wh

یک تلویزیون و رسیور ۱۰۰ وات بمدت ۴ ساعت               p=1 × ۱۱۰w × ۴h=400wh

یک موتور اب ۳۰۰ وات به مدت ۴ ساعت                    p= 1 × ۳۰۰w × ۴h=1200wh

در نتیجه میزان مصرف در طی یک روز ۲۲۰۰ وات ساعت میباشد که با در نظر گرفتن ضریب تلفات                           ۲۲۰۰ × ۱٫۳= ۲۸۶۰ وات ساعت میرسد.

محاسبه تعداد پنل :

بدست اوردن تعداد پنل بسته به جنس و راندمان تولید پنل و شرایط اب و هوای منطقه است. به همین منظور مقدار توان ساعت مورد نیاز مصرف را بر ضریب تابش خورشبد در همان منطقه و ضریب اتلاف ۰٫۹ تقسیم می­کنیم تا وات پیک کلی که توسط پنل ها باید تولید شود را مشخص ­کنیم سپس جواب بدست امده را به عدد صحیح برزگتر گرد می­کنیم. عدد بدست امده حداقل تعداد پنلی است که باید مورد استفاده وافع گردد بدیهی است که تعداد پنل خورشیدی بیشتر برای بالا  بردن عمر مفید باتری و عملکرد سیستم مفید خواهد بود.

همانطور که در مورد پنل ها در فصل اول صحبت کردیم مقدار تابش خورشید در سطح زمین ۱۰۰۰ وات بر متر مربع است که از این میزان با توجه به راندمان خود پنل تقریبا ۲۰۰ وات بر متر مربع توان بدست می­اید در نتیجه برای لحاظ کردن اثر غبار و الودگی هوا در شهرها باید میزان خورشید دهی را ۳٫۵ تا ۵ ساعت در شهر محاسبه کرد.

نرم افزار  NASA RETscreen  برای اعلام مشخصات منطقه ای:

https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/

مثال_ برای بدست اوردن تعداد پنل در مثال ۱ از پنل JSPV با مشخصات زیر استفاده می­کنیم

P_m (nominal peak power) =270w

V_mp (maximum power voltage) = 31.23 v

I_mp (maximum power current) = 8.65 A

V_oc = 38.27 v

I_sh = 9.16 A

با فرض اینکه متوسط تابش در منطقه مشهد ۴ ساعت در طول روز است وات پیک کلی توان مشخص می­شود.

۲۸۶۰(wh)/(0.9×۴(h))=795 wp

با تقسیم عدد بدست امده بر توان نامی پنل تعداد پنل بدست می­اید.

۷۹۵swp/270wp = 2.8

یعنی به ۳ عدد پنل ۲۷۰ وات نیاز داریم.

تعیین تعداد باتری برای ذخیره انرژی

برای اینکه انرژی تولید شده توسط پنل را برای مصرف در روز ذخیره کنیم احتیاج به باتری در سییستم های off grid داریم. باتریهای مورد استفاده در سیستم off grid باید توانایی دشارژ شدن تا پایین ترین سطح ممکن و بسرعت شارژ شدن بالا را داشته یاشند. عموما از باتریهای سیلد لید اسید استفاده می­شود برای محاسبه تعداد باتری باید توان مورد نیاز مصرف کننده در یک روز را تقسیم بر ظرفیت باتری باتری (VAH) بکنیم. سپس عدد بدست امده را برای جبرانسازی تلفات و همچنین عمق دشارژ باتری (depth of de charge –DOD) ، به ترتیب ضرایب ۰٫۸ و ۰٫۶ تقسیم کنیم.

مفهوم عمق دشارژ که در اینجا ۰٫۶ است یعنی اینکه تنها ۶۰ درصد از میزان باتری تخلیه کامل شود و ۴۰ درصد ان همیشه باقی بماند. تعیین این ضرایب مستقیما مربوط به تعیین چرخه عمر باتری  (cycle life)است.

همینطور که در شکل مشخص است با درصد دشارژ کمتر میزان عمر باتری افزایش می­یابد طبیعی است که با در نظر گرفتن میزان دشارژ کمتر تعداد باتری ها افزایش می­یابد و بالعکس.

در نهایت عدد بدست امده را بر توان نامی باتری تقسیم کرده تا تعداد باتری مورد نیاز حساب شود  نکته اختیاری دیگر که در طراحی سیستم و بسته به حساسیت نیاز مصرف کننده باید در نظر گرفت تعداد روزهایی است که میزانن تایش خورشید در سطح زمین ضعیف است و در نتیجه بار مصرفی تمام انرژی مورد نیاز خود را از باتری تامین می­کند در نتیجه بهتر است عدد بدست امده را  در تعداد روزهایی که امکان تابش خورشید وجود ندارد را ضرب کنیم (بین ۲ تا ۳ روز).

مثال_ برای بدست اوردن حداقل تعداد باتری مثال ۱ فرض کنیم ولتاژ باتری ۱۲ ولت و ۱۰۰ امپر ساعت باشد. همچنین تعداد روزهای ابری را ۲ روز در هفته احتساب خواهیم کرد.

۲۸۶۰w /( 0.8× ۰٫۶× ۱۲v ×۱۰۰Ah)=4.69

معادل ۵ باتری برای سیستم نیاز است و با احتساب ۲ روز خاموشی در هفته ۱۰ عدد باتری نیاز است.

چرخه عمر باتری و سطح دشارژ

تعیین مقدار شارژ کنترلر

از انجا که ولتاژ مستقیم خروجی پنل برای شارژ باتری مناسب نیست از کنترل شارژر استفاده می شود. نام گذاری شارژ کنترلرها بر اساس جریان ورودی انها صورت میگیرد .برای تعیین اندازه جریان شارژ کنترل ها باید به نحوه اتصال پنلها توجه داشت و همچنین در نظر گرفتن این نکته که خروجی جریان پنل نباید بیشتر از ورودی جریان شارژ کنترلر شود بدین منظور با ضرب ضریب ۱٫۲۵ در حداکثر جریان خروجی پنل جریان شارژ کنترلر را محاسبه می­کتیم.

I_cc = 1.25 × I_mp

در مثال ۱ جریان لازم شارژ کنتزلر عبارتست از

I_CC = 1.25 × ۸٫۶۵ =۱۰,۸ A

همچنین در این مثال تعداد پنل را ۳ عدد بدست اوردیم. اگر پنل ها را بصورت سری بهم متصل کنیم از شارژ کنترلری در رنج ۱۰٫۸ امپر با ولتاژ ۳v_mp استفاده می­کنیم. و اگر پنل ها را بصورت موازی ببندیم باید از شارژ کنترلی با ظرفیت v_mp و ۳I_cc استفاده می­شود.

محاسبه اینورتر

برای بدست اوردن نوع اینورتر خورشیدی مورد نیاز باید به موارد زیر توجه داشت. از انجا که حداکثر بار مصرفی با برق متناوب کار می­کند لازم است که برق DC تولید شده پنل یا باتری توسط اینورتر به برق متناوب تبدیل شود .  برخی دستگاهها ( از قبیل یخچالها، کمپرسورها، موتورهای القایی ، موتورهای سیم پیچی شده و کویل دار، بالا بر ها، همزن ها و دستگاههای جوش و …) بشدت به موج سینوسی حساس هستند در نتیجه لازم است که از اینورترهای سینوسی خالص استفاده شود در غیر اینصورت می توان از اینورترهای شبه سینوسی برای روشنایی و بارهای غیر حساس به شکل موج  استفاده نمود.

در تعیین اندازه توان اینورترها باید به توان راه اندازی یا جریان Serge در موتورهای القایی در هنگام راه اندازی توجه داشت در این حالت موتور برای مدت زمان کوتاهی جریانی تا چند برابر مقدار نامی ان استفاده می­کند که موجب افت ولتاژ در سیستم می­شود در نتیجه توان اینورتر باید تا میزان ۳۰ تا ۴۰ درصد بیشتر از مجموع توان مصرفی مورد نیاز محاسبه شده باشد. در واقع بیشتر باید به توان پیوسته خروجی اینورتر توجه داشت

البته این موضوع به کیفیت اینورتر نیز بستگی دارد. در اینورترهای DARDA برای لحظه راه اندازی تا دو برابر توان نامی در مدت زمان مناسب طراحی شده است در نتیجه تنها کافیست توان نامی اینورتر ۱۵ درصد بیشتر از مجموع تولن بار مصرفی باشد.

با توجه به مثال ۱ که مجموع توان مصرفی ۲۸۶۰ وات بدست امد باید از اینورتر ۴ کیلوواتی یا ۳۰۰۰ وات DARDA استفاده کنید.

برای سیستم های متصل یه شبکه ورودی اینورتر باید با ارایه PV (پنل) برابر یاشد تا عملمرد سیستم ایمن و موثر باشد. نکته دیگر در محاسبه اندازه اینورتر در نظر گرفتن افت راندمان توان پیوسته دستگاه در صورت افزایش دما است که با توجه به دیتا شیت دستگاه تا ۲۰ درصد در دمای بالای ۵۰ درجه سانتیکراد افت پیدا خواهد کرد بنابراین متناسب یا شرایط کار چک می­کنیم تا توان پیوسته  را تامیین کند.

نحوه اتصال اجزاء سامانه خورشیدی

بعد از انجام محاسبات و بدست اوردن تعداد المان های مورد نیاز مصرف نوبت به اتصال اجزاء سامانه خورشیدی بشکل سری یا موازی به یکدیگر بر اساس ولتاژ طراحی سیستم می رسد که معمولا بصورت ۱۲/۲۴/۴۸v  در نظر گرفته میشود.

چناچه بخواهیم پنل ها  بصورت سری بسته شود تعداد رشته های سری بصورت زیر محاسبه می­شود فرض کنید درمثال_۱ مایل به انجام چنین کاری هستیم و سیستم را بصورت ۲۴ ولت طراحی می­کنیم

تعداد پنل سری = v_sys/v_mp

۲۴/۳۱٫۲۳ =~ ۱

تعداد پنل های مورد نیاز محاسبه شده در مثال بالا ۳ عدد می­باشد که اگر انها را بصورت یک ارایه ۱×۳ بسته می­شود یعنی ۳ رشته موازی داریم که در هر رشته یک پنل اتصال می­دهیم.

همچنین در صورت موازی بستن این پنل ها باید از شارژ کنترلری با این مشخصات استفاده کنیم

I_CC = 1.25*تعداد پنل* I_mp

۱٫۲۵*۳*۸٫۶۵=۳۲٫۵ A

در نتیجه باید از شارژ کنترلر ۴۰ امپری استفاده کنیم و اگر مایل به پایین اوردن مقدار جریان شارژ کنترلر باشیم می­توانیم سیستم را ۴۸ ولتی طراحی کنیم و یا از شارژ کنترلر PWM استفاده می­کنیم.

در صورت استفاده از شارژ کنترلر MPPT دیگر چیدملن پنل اهمیت ندارد تنها ورودی شارژ کنترلر نباید از بیشینه ولتاژ مجاز تعیین شده بیشتر شود ، معمولا در سیستم های جدا از شبکه ورودی شارژ کنترلر نباید از ۱۵۰/۲۰۰ ولت بیشتر باشد.

اولین مرحله در اتصال قسمت های مختلف سیستم به هم نحوه چیدمان مناسب باتری در اتصال به شارژ کنترلر است

شارژ کنترلر ها بصورت ۱۲/۲۴/۴۸ ولتی موجود هستند . برای مثال اگر از شارژ کنترل ۱۲ ولت و ۳۰ امپری استفاده کنیم بدلیل اینکه ولتاژ پنل ۳۱٫۲۳ ولت است از حداکثر توان ان استفاده نکرده ایم پس بهتر است از شارژ کنترلر ۴۸ ولتی استفاده کنیم. شارژ کنترل سیستم را بصورت باتریهایی که به ان وصل کرده ایم می­بیند.در صورت استفاده از شارژ کنترلر MPPT تنها ولتاژ باتریهای متصل شده به ان را در نظر می­گیریم.

قبل از وصل کردن فیوز پنل به شارژ کنترلر باید طوری انرا تنظیم کنیم که ولتاژ ورودی شارژ کنترلر مطابق با ولتاژ پنل ها باشد.

مثال_۲ تجهیزات داخل یک سایت و ساعات مصرف انها بصورت زیر است

• ۲ kw در طول شب و برق AC
• ۷۵۰ w بصورت دائم با برق ۴۸v DC
• ۲۰۰w برای BTS با برق ۲۴v DC

همچنین مشخصات پنل و باتری بصورت زیر است

• ۳۰۰w و I_mp = 8,69 و v_mp =34,5
• باتری ۱۲v / 200 A.H
• شارژ کنترلر از نوع MPPT 4500w / 150v DC

P₁= 12 * 1200w = 14400w.h

P₂= 24 *750w =18000 w.h

P₃= 24 *200w = 4800 w.h

P₁+p₂+p₃=37200 w.h

با توجه به اینکه در مصرف کننده ۴۸ v dc  داریم سیست را بصورت ۴۸ ولت مطلوب می­بندیم

N_TB = 37200 w.h /(0.8* 12v* 200A.H *0.7)= 25.8 تعداد باتری کل

یعنی ۲۶ عدد باتری پس باید در هر رشته ۴ باتری ۱۲ ولت را بهم سری کنیم. برای بدست اوردن تعداد رشته های موازی بصورت زیر عمل می­کنیم.

 v_sys/v_Battery=تعداد باتری در شاخه های سری

تعداد باتریهای سری/          N_TB  = تعداد شاخه های موازی

در نتیجه

تعداد باتریها در شاخه های سری   = ۴۸v/12v=4

تعداد شاخه های موازی = ۲۶/۴ = ۶٫۵

در نتیجه ارایش باتریها بصورت ۴×۷ است که تعداد باتریها به ۲۸ عدد تغییر می یابد.

محاسبه پنل

تعداد کل پنلها  N_TP = 37200 w.h / (0.9* 8.68A*34.5v* 4) = 34.4 =~35

تعداد پنل سری = v_sys/v_mp = 48/34.5 =~ 2

تعداد شاخه های موازی = N_TP /تعداد پنل های سری

محاسبه شارژ کنترلر

برای اتصال پنلها به شارژ کنترلر MPPT باید توان و ولتاژ ان سنجیده شود تا تعداد دقیق شارژ کنترلر محاسبه شود. شارژ کنترلر حداکثر ۱۵۰ ولت است پس مجموع پنل های سری متصل به ان نباید بیش از این مقدار شود در نتیجه حداکثر پنل سری مجاز برابر ولتاژ شارژ کنترلر تقسیم بر V_mp پنل می­شود.

 V شارژ کنترلر / v_mp = 150/34.5 =4.3

یعنی ۴ v_mp <150v است

حالات ممکن زیر را تحلیل می­کنیم:

• اتصال ۴ پنل سری در یک شاخه ۴ v_mp = 138v
• اتصال ۳ پنل سری در یک شاخه ۳vmp = 103.5 v
• اتصال ۲ پنل سری در یک شاخه ۲vmp = 69 v

تحلیل حالت اول:

تعداد شاخه های موازی = ۳۵/۴ = ۸٫۷۵

 یعنی ارایش پنلها بصورت ۴×۹ چیده می­شود که برابر با ۳۶ عدد پنل می­شود و توان هر شاخه p = 4*300w = 1200w است. با توجه به اینکه توان شارژ کنترلر ۴۵۰۰ w  است برای بدست اوردن تعداد شارژ کنترلر باید توان شارژ کنترلر را بر توان هر شاخه (string  ) تقسیم کنیم.

 ۴۵۰۰w/1200w = 3.75

یعنی هر سه شاخه داخل یک شارژ کنترلر قرار می­گیرد در نتیجه با وجود ۹ شاخه موازی به ۳ عدد شارژکنترلر نیازمندیم.

تحلیل حالت دوم:

اگر ۳ پنل بصورت سری بهم اتصال دهیم ولتاژ بصورت ۳vmp است

تعداد شاخه های موازی = ۳۵/۳ = ۱۱٫۶

یعنی ارایش پنلها بصورت ۳×۱۲ چیده می­شود که برابر با ۳۶ عدد پنل می­شود و توان هر شاخه p = 3*300w = 900w است.

۴۵۰۰w/900w= 5

در نتیجه هر ۵ شاخه داخل یک شارژ کنترلر می­شود و با وجود داشتن ۱۲ شاخه به ۳ عدد شارژ کنترلر نیاز است

تحلیل حالت سوم:

اگر ۲ پنل بصورت سری بهم اتصال دهیم ولتاژ بصورت ۲v_mp است

تعداد شاخه های موازی = ۳۵/۲ =~۱۸

در نتیجه ارایش پنلها بصورت ۲×۱۸ می­باشد که تعداد پنل ها به ۳۶ عدد اصلاح می­شود و توان هر شاخه p = 2*300=600w محاسبه میشود

۴۵۰۰w/ 600w =7.5

پس در هر ۷ شاخه داخل یک شارژ کنترلر می­شود و با وجود داشتن ۱۸ شاخه به ۳ شارژ کنترلر نیاز است

افت ولتاژ سیم

برای یافتن سطح مقطع مناسب سیم باید به جریان مصرفی توجه داشت. برای مثال اگر مصرف کننده ای با ۱۰A جریان داشته باشیم باید در شرایط ایده ال سیمی با سطح مقطع ۲٫۵ mm² استفاده شود. برای اطمینلن اینکه این مقدار مساحت مناسب است باید اثر افت ولتاژ طول سیم را نیز در نظر گرفت. بطور کلی درجه افت ولتاژ در فرمول زیر باید کمتر از ۳ باشد.

S در فرمول بالا سطح مساحت سیم و L  طول سیم مورد نظر می­باشد.

همچنین در سایت http://ghojavand.blogfa.com/post-140.aspx جداول محاسبه شده مناسبی جهت انتخاب بهتر سیم بر اساس جریان مورد نظر و سطح مقطع سیم و همچنین افت ولتاژ و مشخصات دمایی پیدا خواهید کرد.

سیستم متصل به شبکه ( On gride)

در طراحی سامانه های متصل به شبکه باید با توجه به توان نامی اعلام شده برای نیروگاه خورشیدی و همچنین تحلیل پارامترهای جغرافیای اقدام به طراحی استراکچر مورد تایید وزارت برق نمود. بطور کلی اجزا یک نیروکاه متصل به شبکه عبارتست از ۱_ استراکچر خورشیدی ۲_ اینورتر  on grid( قابلیت سنکرون شدن با برق شبکه از طریق دنبال کردن فرکانس خط با چند سیکل تاخیر)  ۳- پنل خورشیدی .

خصوصیت اصلی این اینورتر ها اینست که ولتاژ ورودی انها در رنج وسیع­تری موجود است از ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ ولت. برای مثال اگر یک نیروگاه ۱۰۰kw بخواهیم احداث کنیم با پنل های ۲۵۰w احتیاج به ۱۰۰۰۰۰/۲۵۰=۴۰۰ عدد پنل  داریم. اگر پنل ها را با توجه به حداکثر ولتاژ ورودی اینورتر در نظر بگیریم می­توان پنل ها در دو مجوعه ۱۵۰ تایی و یک مجموعه ۱۰۰ تایی به اینورتر متصل نمود تنها در شکل زیر ولتاژهای پورت A باید با هم برابر باشند.