ساخت سیستم برق خورشیدی خانگی – راهنمای کاربردی

سیستم‌های فتوولتائیک جدا از شبکه، معمولاً برای مصارف کوچک و در نقاط دورافتاده (مانند دکل‌های مخابراتی، خانه‌ها و..) که احداث خطوط انتقال از نظر فنی یا اقتصادی عملی نیست به کار می‌روند و جایگزین مناسبی برای ژنراتورهای دیزلی هستند. در این آموزش، با طراحی یک سیستم برق خورشیدی خانگی ساده آشنا می‌شویم.

روز به روز، قیمت پنل‌های خورشیدی در حال کاهش است. اما هنوز نصب سیستم‌های خورشیدی جدا از شبکه هزینه‌بر است. این آموزش، راهنمایی برای طراحی و ساخت یک سیستم فتوولتائیک جدا از شبکه است. اگر تصمیم گرفته‌اید انرژی الکتریکی خانه، ویلا یا هر مکان دیگری را با پنل‌های خورشیدی تأمین کنید، پیشنهاد می‌کنیم این آموزش را مطالعه کنید. با مطالعه این آموزش، می‌توانید شخصاً به طراحی، خرید و نصب یک سیستم خورشیدی اقدام و از صرف هزینه‌های اضافه جلوگیری کنید.

برای یک سیستم خورشیدی جدا از شبکه به چهار تجهیز اصلی نیاز داریم:

1. پنل خورشیدی
2. کنترل کننده شارژ یا اصطلاحاً شارژ‌ کنترلر
3. اینورتر
4. باتری

شکل زیر، ارتباط بین تجهیزات مختلف را در یک سیستم خورشیدی جدا از شبکه نشان می‌دهد.

در کنار تجهیزات نمودار بالا، به تجهیزات دیگری از قبیل سیم مسی، کانکتور MC4، کلید، نمایشگر و فیوز نیز نیاز خواهیم داشت؛ در ادامه، مراحل طراحی سیستم را معرفی می‌کنیم.

بخش اول: طراحی سیستم برق خورشیدی خانگی

در این بخش، مراحل طراحی سیستم را معرفی می‌کنیم.

فیلم آموزش طراحی و شبیه سازی نیروگاه خورشیدی با نرم افزار PVSOL در فرادرس

کلیک کنید

مرحله ۱: محاسبات توان

قبل از انتخاب تجهیزات، باید توان بارها و مدت زمان استفاده از آن‌ها را محاسبه کنیم. بدین ترتیب، انرژی مصرفی به دست می‌آید. این کار به سادگی و با دانش ابتدایی ریاضی قابل انجام است:

1. وسایل الکتریکی مورد نظر (لامپ، تلویزیون و...) را فهرست کرده و زمان تخمینی روشن بودنشان در شبانه‌روز را بنویسید.
2. مشخصات پلاک یا نوشته روی وسایل را برای تعیین توان نامی‌شان بخوانید.
3. وات-ساعت یا همان انرژی برابر است با حاصل‌ضرب توان نامی وسیله الکتریکی در مدت زمان روشن بودن آن برحسب ساعت. برای مثال، فرض کنید می‌خواهیم یک لامپ فلورسنت ۱۱ واتی را به مدت ۵ ساعت روشن کنیم. در این صورت، وات-ساعت این وسیله برابر است با ۵۵ = ۵ × ۱۱.
4. وات-ساعت کل را محاسبه کنید. برای این کار، وات-ساعت همه وسایل را با هم جمع کنید. برای مثال، فرض کنید یک پنکه و یک تلویزیون نیز داریم که وات-ساعت آن‌ها، به ترتیب، ۱۵۰ و ۱۶۰ است. بنابراین، وات-ساعت کل برابر است با:

۳۶۵ = ۱۶۰ + ۱۵۰ + ۵۵ = وات-ساعت کل

اکنون محاسبات مربوط به بار را انجام داده‌ایم. در مرحله بعد، باید انتخاب تجهیزات را با توجه به نتیجه این محاسبات انجام دهیم.

مرحله ۲: انتخاب باتری

یک پنل خورشیدی توان DC تولید می‌کند. این توان فقط در طول روز و در صورت وجود نور تولید می‌شود. بنابراین، چنین به نظر می‌رسد که اگر بخواهیم یک بار DC را در طول روز با آن تغذیه کنیم، مشکلی نخواهیم داشت. اما این کار مناسب نیست، زیرا:

1. ولتاژ تغذیه اغلب وسایل الکتریکی باید ثابت باشد. همان‌طور که می‌دانیم، به دلیل وجود تغییرات جوّی و نور خورشد، ولتاژ‌ پنل خورشیدی ثابت نیست.
2. اگر بخواهیم در شب که نوری در کار نیست از وسایل استفاده کنیم، با مشکل مواجه خواهیم شد.

دو مورد بالا را می‌توان با استفاده از یک باتری برای ذخیره توان در طول روز حل کرد. علاوه بر این، باتری یک منبع ثابت، پایدار و قابل اطمینان است.

باتری‌ها انواع مختلفی دارند؛ باتری‌های خودرو و موتور برای ساعت‌های کاری کم و البته جریان‌های بالا طراحی شده‌اند و برای تخلیه عمیق مناسب نیستند. اما، باتری‌های خورشیدی، مانند باتری‌های سرب-اسید با تخلیه عمیق یا اصطلاحاً دیپ سایکل (Deep-Cycle) قابلیت تخلیه عمیق و طولانی مدت را دارند. باتری‌های لوله‌ای سرب-اسید گزینه‌های مناسبی برای یک سیستم خورشیدی هستند. باتری‌های نیکل-هیدرید فلز (Ni-MH) و لیتیم-یون (Li-Ion) نیز برای کاربردهای کوچک و فضای کم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نکته: توجه کنید که قبل از انتخاب تجهیزات ابتدا باید ولتاژ‌ سیستم را تعیین کنید. ولتاژهای ۱۲، ۲۴ و ۴۸ ولت، ولتاژهای نامی استاندارد و رایج در این سیستم‌ها است. هرچه ولتاژ انتخابی بالاتر باشد، جریان سیستم و در نتیجه، تلفات مسی آن کمتر خواهد بود و منجر به انتخاب سیمی با اندازه (سطح مقطع) کمتر می‌شود. ولتاژ نامی اغلب سیستم‌های خورشیدی خانگی ۱۲ یا ۲۴ ولت است. برای مثال، در اینجا یک ۱۲ ولت را در نظر می‌گیریم.

ظرفیت باتری‌ها براساس آمپر-ساعت بیان می‌شود.

همان‌طور که می‌دانیم:

جریان × ولتاژ = توان

زمان (ساعت) × جریان (آمپر) × ولتاژ (ولت) = آمپر-ساعت

(ولتاژ‌ سیستم را ۱۲ در نظر گرفته‌ایم) ۱۲ ولت = ولتاژ باتری

۳۰٫۴۲ آمپرساعت = ۱۲ ÷ ۳۶۵ = ولتاژ ÷ بار = ظرفیت باتری

اما همان‌طور که می‌دانیم، بازده باتری ۱۰۰ درصد نیست و به همین دلیل فرض می‌کنیم بازده آن، ۸۰ درصد باشد. بنابراین، ظرفیت به صورت زیر تصحیح می‌شود:

۳۸٫۰۲ آمپرساعت = ۰٫۸ ÷ ۳۰٫۴۲ = ظرفیت باتری

باتری استاندارد با ظرفیت نزدیک به مقدار بالا (و بزرگ‌تر از آن)، یک باتری ۴۰ آمپر-ساعت دیپ سایکل سرب-اسید است.

مرحله ۳: انتخاب پنل خورشیدی

پنل خورشیدی نور خورشید را به برق DC تبدیل می‌کند. پنل‌هایی که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند، پنل‌های مونوکریستالی و پلی‌کریستالی هستند. پنل‌های مونوکریستال گران‌تر از پنل‌های پلی‌کریستال هستند و البته بازده آن‌ها نیز بیشتر است.

مشخصات پنل‌های خورشیدی معمولاً در شرایط آزمون استاندارد (STC) بیان می‌شود. این شرایط استاندارد شامل تابش ۱۰۰۰ وات بر متر مربع، طیف خورشیدی با توده هوای ۱٫۵ و دمای ماژول ۲۵ درجه سانتی‌گراد است.

اندازه پنل خورشیدی باید به گونه‌ای انتخاب شود که باتری را در یک روز آفتابی به صورت کامل شارژ کند. در طول ۱۲ ساعت روشنایی روز، تابش نور خورشید یکنواخت نیست و علاوه بر آن، روشنایی در مکان‌های جغرافیایی مختلف با هم تفاوت دارد. البته می‌توانیم فرض کنیم که ۴ ساعت تابش مؤثر برای تولید توان نامی وجود دارد.

بنابراین، انرژی خروجی کل پنل‌ها برابر است با:

$$\large 12\,\text{V} \times 40 \, \text{Ah} = 480 \, \text{Wh}$$

توان تولیدی در هر ساعت نیز به صورت زیر به دست می‌آید:

$$\large 480/4=120\,\text{W}$$

با درنظر گرفتن اندکی حاشیه امنیت، یک پنل خورشیدی ۱۲۵ وات را برای کار در ولتاژ ۱۲ ولت را انتخاب می‌کنیم.

مرحله ۴: انتخاب شارژ کنترلر

یک شارژ کنترلر خورشیدی دستگاهی است که بین پنل خورشیدی و باتری قرار می‌گیرد و ولتاژ و جریانی را که از پنل می‌آید تنظیم می‌کند. وقتی ولتاژ پنل خورشیدی افزایش پیدا کند، شارژ کنترلر میزن شارژ باتری‌ها را تنظیم کرده و از اضافه شارژ آن‌ها جلوگیری می‌کند.

معمولاً سیستم‌های خورشیدی از باتری‌های ۱۲ ولتی بهره می‌برند، البته پنل‌های خورشیدی می‌توانند ولتاژ بیشتری برای شارژ باتری‌ها تأمین کنند. در واقع، با تبدیل ولتاژ‌ اضافه به آمپر، ولتاژ شارژ را می‌توان در یک سطح بهینه نگه داشت، در حالی که زمان مورد نیاز برای شارژ‌ کامل باتری‌ها کاهش می‌یابد. این امر سبب می‌شود سیستم خورشیدی در هر زمانی بهینه عمل کند.

شارژ کنترلرها انواع مختلفی دارند که عبارتند از:

1. ON/OFF
2. PWM
3. MPPT

شارژ کنترلرهای ON/OFF کمترین بازده را دارند و حتی الامکان از استفاده از آن‌ها خودداری می‌شود. از میان سه نوع شارژ کنترلر بالا نوع MPPT بالاترین بازدهی را دارد، اما از همه گران‌تر است. بنابراین، می‌توانیم از دو نوع PWM یا MPPT استفاده کنیم.

از آنجایی که ولتاژ‌ سیستم مورد نظر ۱۲ ولت است، ولتاژ‌ شارژ کنترلر نیز باید ۱۲ ولت باشد. جریان نامی شارژ کنترلر نیز از تقسیم توان خروجی پنل‌ها بر ولتاژ به دست می‌آید:‌

$$\large 125\, \text{W} / 12\,\text{V} = 10.4\, \text{A}$$

بنابراین، یک شارژ کنترلر ۱۲ ولتی با جریانی بیشتر از ۱۰٫۴ آمپر انتخاب می‌کنیم.

مرحله ۵: انتخاب اینورتر

همان‌طور که می‌دانیم، پنل‌ها نور خورشید را به برق DC تبدیل می‌کنند. اما، اغلب وسایل الکتریکی با برق AC کار می‌کنند. بنابراین، باید برق DC را به AC تبدیل کنیم. این کار با دستگاهی به نام اینورتر امکان‌پذیر است.

اینورترها را می‌توان در سه دسته زیر تقسیم‌بندی کرد:‌

1. موج مربعی
2. موج شبه‌سینوسی
3. سینوسی خالص

اینورترهای موج مربعی ارزان‌ترین نوع اینورترها هستند، اما برای همه کاربردها مناسب نیستند. شکل موج خروجی اینورتر شبه‌سینوسی نیز برای برخی موارد خاص، به ویژه آن‌هایی که دستگاه‌هایی خازنی و الکترومغناطیسی هستند، مانند اجاق مایکرویو، یخچال و اغلب موتورها توصیه نمی‌شوند. اینورترهای شبه‌سینوسی بازدهی پایین‌تری نسبت به اینورترهای سینوسی دارند. بنابراین، بهتر است که یک اینورتر سینوسی خالص را انتخاب کنیم. اینورترهای خورشیدی در دو نوع متصل به شبکه و جدا از شبکه موجود هستند. در طراحی مورد نظر ما باید از اینورتر جدا از شبکه استفاده کنیم.

توان اینورتر باید برابر یا بزرگ‌تر از توان لحظه‌ای بار در هر زمانی باشد. در مورد سیستم ما، حداکثر بار لحظه‌ای زمانی رخ می‌دهد که هر سه وسیله الکتریکی با هم روشن باشند:

$$\large = 50 + 80 + 11 = 141 \, \text{W}$$

با در نظر گرفتن یک محدوده اطمینان، یک اینورتر ۲۰۰ وات را انتخاب می‌کنیم. از آنجایی که ولتاژ سیستم ۱۲ ولت است، یک اینورتر ۱۲ ولت DC به ۲۳۰ ولت (۵۰ هرتز AC) انتخاب می‌کنیم.

نکته: توان راه‌اندازی وسایلی مانند یخچال، سشوار، جاروبرقی، ماشین لباس‌شویی و... چند برابر بزرگ‌تر از توان نامی کاری آن‌ها است. وقتی اندازه اینورتر را تعیین می‌کنیم، باید به این مورد دقت داشته باشیم.

بخش دوم: نصب سیستم برق خورشیدی خانگی

پس از طراحی سیستم خورشیدی با توجه به مراحل قبلی، باید سایر تجهیزات مورد نیاز سیستم را با توجه به طراحی‌های انجام شده تهیه و نصب را انجام دهیم.

فیلم آموزش طراحی نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک با پی وی سیست PVsyst در فرادرس

کلیک کنید

مرحله ۶: نصب پنل خورشیدی

اکنون باید پنل را نصب کنیم. ابتدا محل مناسبی را روی سقف یا روی زمین پیدا می‌کنیم که سایه روی آن نیفتد. سپس آن را با زاویه‌ای مناسب روی یک پایه قرار می‌دهیم. برای آنکه بیشترین توان را از پنل بگیریم، باید جهت آن را به گونه‌ای قرار دهیم که بیشترین توان را از نور خورشید استحصال کند. در ایران، معمولاً زاویه ۳۰ درجه نسبت به زمین و رو به جنوب گزینه مناسبی است.

می‌توانیم پایه پنل را خودمان نیز بسازیم. برای مثال، شکل زیر، یک پایه کوچک را نشان می‌دهد.

پنل به صورت زیر روی پایه نصب شده است.

برای نصب پایه، باید آن را روی سطح ثابت قرار داد. برای این کار می‌توانیم سیمان و ماسه را، به ترتیب، با نسبت ۱ به سه ترکیب کرده و پایه‌ها را به روی سطحی که قرار گرفته‌اند محکم کنیم. در ادامه، باید پنل را روی پایه قرار دهیم. برای این کار، در بخش پشت پنل سوراخ‌های از پیش تعبیه شده‌ای وجود دارد که می‌توان با پیچ آن‌ها را به پایه بست و محکم کرد.

در قسمت پشتی پنل یک جعبه اتصال یا اصطلاحاً جانکشن باکس کوچک وجود دارد که دارای دو خروجی با نشان‌های مثبت و منفی است. در یک پنل با اندازه بزرگ، سیم‌های خروجی جانکشن باکس داراری کانکتور MC4 هستند. سیم قرمز معمولاً ترمینال مثبت، و سیم مشکی ترمینال منفی را نشان می‌دهد. اگر سیم سبزی نیز وجود داشته باشد، مربوط به اتصال زمین است.

مرحله ۷: اتصال سری و موازی

بعد از محاسبه ظرفیت باتری و مشخصات پنل خورشیدی، باید آن‌ها را به یکدیگر متصل کنیم. در بسیاری از موارد، اندازه پنل یا باتریِ محاسبه شده‌ای که مورد نظرمان است، در دسترس نیست یا وجود ندارد. در این موارد می‌توانیم پنل‌ها یا باتری‌های کوچک‌تر را به یکدیگر متصل کرده و به اندازه مطلوب برسیم. برای رسیدن به ولتاژ و جریان مطلوب، می‌توانیم از اتصال سری و موازی استفاده کنیم.

فیلم آموزش سلول خورشیدی پروسکایتی – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

اتصال سری: برای سری کردن هر دو دستگاهی باید ترمینال مثبت یکی از آن‌ها را به ترمینال منفی دیگری متصل کنیم. حال این دستگاه می‌تواند باتری یا پنل باشد. در اتصال سری، ولتاژ‌ دو دستگاه با هم جمع شده و جریان یکسانی از آن‌ها عبور می‌کند.

برای مثال، فرض کنید ۲ باتری ۱۲ ولتی را به صورت سری به یکدیگر متصل کرده‌ایم. در نتیجه، ولتاژ مجموعه آن‌ها ۲۴ ولت خواهد بود. حال اگر ظرفیت هر باتری ۱۰۰ آمپر-ساعت باشد، از آنجایی که جریان گذرنده از آن‌ها یکسان است، ظرفیت کل مجموعه نیز همان ۱۰۰ آمپر-ساعت خواهد ماند.

اگر مثلاً دو پنل ۱۷ ولتی را با یکدیگر سری کنیم و جریان نامی هریک از آن‌ها ۵ آمپر باشد، مجموعه مدار دارای ولتاژ ۳۴ ولت و جریان ۵ آمپر خواهد بود.

اتصال موازی: برای اتصال موازی دو دستگاه به یکدیگر ترمینال‌ مثبت یک دستگاه را به ترمینال مثبت دستگاه دیگر و ترمینال منفی آن را به ترمینال منفی دستگاه دیگر متصل می‌کنیم. در اتصال موازی، ولتاژ مجموعه تغییری نمی‌کند، اما اندازه جریان برابر با مجموع جریان‌های دو دستگاه خواهد شد.

برای مثال، اگر دو باتری ۱۲ ولتی ۱۰۰ آمپر-ساعت را با یکدیگر موازی کنیم، ولتاژ مجموعه آن‌ها تغییری نمی‌کند، اما ظرفیت آن‌ها با هم جمع شده و ۲۰۰ آمپر-ساعت خواهد شد.

حال اگر دو پنل ۱۷ ولتی ۵ آمپری را با هم موازی کنیم، ولتاژ مجموعه آن‌ها ۱۷ ولت و جریان ۱۰ آمپر می‌شود.

مرحله ۸: نصب اینورتر و باتری

شکل زیر، نمونه‌ای از یک محفظه و پایه را برای اینورتر و باتری‌ها نشان می‌دهد. همان‌طور که می‌بینیم، روی بدنه محفظه سوراخ‌های کوچکی برای عبور سیم‌های پنل، شارژ کنترلر و اینورتر تعبیه شده است.

همچنین، چند سوراخ برای تهویه و گردش هوا روی محفظه ایجاد شده است. یک پنجره کوچک شیشه‌ای نیز روی در محفظه برای نشان دادن اطلاعات سیستم جانمایی شده است.

شارژ کنترلرها نمایشگری برای ارائه اطلاعات سیستم دارند. شارژ کنترلر را به گونه‌ای نصب می‌کنیم که با پنجره کوچک روی محفظه منطبق باشد و بتوانیم اطلاعات آن را بخوانیم.

مرحله ۹: سیم‌کشی

اولین بخشی از سیستم که باید سیم‌کشی آن را انجام دهیم، شارژ کنترلر است. در بخش پایین شارژ کنترلر مورد نظر، سه علامت وجود دارد. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنیم، اولین علامت در سمت چپ، پنل را نشان می‌دهد که اتصال ترمینال مثبت و منفی آن نیز مشخص شده است. علامت وسط نیز به همین ترتیب مربوط به باتری است. سومین علامت نیز مربوط اتصال مستقیم بارهای صرفاً‌ DC، مانند روشنایی DC است.

شمای کلی اتصالات شارژ کنترلر به صورت زیر است.

طبق دفترچه راهنمای شارژ کنترلر، همیشه باید آن را ابتدا به باتری وصل کرد تا با ولتاژ سیستم (۱۲ یا ۲۴ ولت) کالیبره شود.

توجه: ابتدا اتصال منفی (سیم مشکی) باتری را به شارژ کنترلر متصل کنید.

بعد از اتصال باتری باتری به شارژ کنترلر، می‌توان سطح شارژ‌ باتری را مشاهده کرد. در ادامه، باید اینورتر را به باتری وصل کنیم.

خروجی AC اینورتر در شکل زیر نشان داده شده است.

اکنون باید پنل خورشیدی را به شارژ کنترلر متصل کنیم. در پشت پنل یک جعبه اتصال کوچک با دو ترمینال (یکی مثبت و یکی منفی) وجود دارد. طول سیم ترمینال‌ها معمولاً کوتاه است و باید از سیم‌های دیگری نیز برای اتصال پنل به شارژ کنترلر استفاده کرد.

برای اتصال سیم به شارژ‌ کنترلر باید از نوع خاصی اتصال که با نام MC4 شناخته می‌شود استفاده کنیم. شکل زیر، اتصال پنل و شارژ کنترلر را با استفاده از MC4 نشان می‌دهد.

نکته: وقتی پنل را به شارژ کنترلر وصل می‌کنید، حتماً دقت کنید که پنل در معرض نور نباشد. برای این کار، بهتر است آن را با یک پارچه یا هر چیز تاریک دیگری به طور کامل بپوشانید. این کار برای جلوگیری از اعمال افزایش ولتاژ ناگهانی از پنل به شارژر است.

لازم به ذکر است که در این سیستم با جریان DC سر و کار داریم. بنابراین، حتماً باید سر مثبت پنل به ترمینال مثبت شارژر و سر منفی آن به ترمینال منفی وصل شود. در صورتی که این اتصالات وارونه انجام شود، ممکن است تجهیز دچار آسیب و حتی آتش‌سوزی شود. بنابراین، لازم است هنگام اتصال سیم‌ها بسیار دقت کنیم.

حفاظت‌های اضافه: اگرچه شارژ کنترلر و اینورتر، خود فیوزهایی برای حفاظت دارند، خودمان نیز می‌توانیم در مکان‌های زیر فیوزهایی برای حفاظت‌ و ایزولاسیون قرار دهیم:

1. بین پنل خورشیدی و شارژ کنترلر
2. بین شارژ کنترلر و باتری
3. بین باتری و اینورتر

بعد از همه این اتصالات، سیستم خورشیدی آماده بهره‌برداری است.

فیلم آموزش طراحی نیروگاه فتوولتائیک با نرم افزار PVsyst (پی وی سیست)

برای آشنایی بیشتر با طراحی سیستم‌های برق خورشیدی ، می‌توانید به دوره آموزش ویدئویی «آموزش طراحی نیروگاه فتوولتائیک با نرم افزار PVsyst (پی وی سیست)» مراجعه کنید. در درس اول این آموزش ۳ ساعتی، با سیستم‌های خورشیدی آشنا می‌شوید. آشنایی با قطعات و کاربردهای آن‌ها در سیستم برق خورشیدی نیز موضوع درس دوم است. درس سوم نیز به طراحی و بهره‌برداری از سیستم برق خورشیدی اختصاص دارد. در نهایت، در درس چهارم و آخر از این آموزش، با شبیه‌سازی با PVsyst آشنا خواهید شد.

• برای دیدن فیلم آموزش طراحی نیروگاه فتوولتائیک با نرم افزار PVsyst (پی وی سیست) + اینجا کلیک کنید.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده و علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه هستید، آموزش‌های زیر را نیز به شما پیشنهاد می‌کنیم:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی قدرت
• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش طراحی و شبیه سازی نیروگاه خورشیدی با نرم افزار PVSOL
• محاسبه قیمت برق از روی قبض — به زبان ساده
• انواع اینورترهای خورشیدی — به زبان ساده
• مدل‌سازی سلول خورشیدی — مفاهیم اصلی

^^