نمایشگاه فرصت ها
2016-04-30
ساختمان­ های سبز
2016-05-03

گردآورنده:مریم مصطفی نظری

سیستم‌های فتوولتاییک

در سال‌های اخیر به دلیل محدودیت و افزایش قیمت سوخت‌های فسیلی و همچنین مسائل زیست محیطی استفاده از انرژی‌های نو رشد بسیار چشمگیری داشته است. انرژی خورشید بزرگترین منبع انرژی تجدیدپذیر روی کره زمین است که به صورت مستقیم و غیرمستقیم در دسترس است. برای بهره‌مندی از انرژی خورشیدی دو راه وجود دارد:

  • استفاده از نور خورشید و تبدیل آن به الکتریسته از طریق سلول‌های فتوولتاییک
  • استفاده از انرژی حرارتی خورشید و تبدیل آن به انواع انرژی‌های دیگر و یا استفاده مستقیم از آن

در این مقاله به بررسی انواع سیستم‌های فتوولتاییک و اجزای آن پرداخته شده است. همچنین به اصول اولیه و ملاحظات طراحی این سیستم‌ها اشاره شده است.

فتوولتاییک 

سیستم‌های فتوولتاییک

سیستم‌های فتوولتاییک متشکل از سه بخش کلی پنل خورشیدی، مبدل و باتری، انرژی خورشیدی را بدون هیچ گونه آلودگی به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته توسط پنل یا همان سلول‌های فتوولتاییک انجام شده و به منظور استفاده از آن در مصارف خانگی مبدل الکتریسیته تولید شده را به جریان متناوب تبدیل می‌کند. در نهایت به کمک باتری می‌توان انرژی الکتریسته اضافی تولید شده در سیستم را ذخیره نمود. از دیگر اجزای جانبی سیستم می‌توان به سیم‌ها، سوئیچ‌های قطع جریان و سازه‌های پشتیبانی اشاره کرد.

۲

شکل۱- آرایه های خورشیدی

طبقه‌بندی سیستم‌های فتوولتاییک از لحاظ کاربری

به‌طور کلی سیستم‌های فتوولتاییک با توجه به کاربردشان به دو گروه واحدهای متصل به شبکه و واحدهای مجزا از شبکه دسته‌بندی می‌شوند. در سیستم متصل به شبکه، برق تولید شده از انرژی خورشید به شبکه برق سراسری تزریق خواهد شد. به عبارتی در این سیستم کاربر برق تولیدی خود را به سازمان انرژی‌های نو (وزارت نیرو) عرضه می‌کند. سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه سراسری برق به صورت متمرکز و یا غیر متمرکز به منظور تقویت شبکه سراسری و جلوگیری از فشار الکتریکی وارد بر نیروگاه‌ها در طی روز کاربرد دارند. از مزایای این سیستم می‌توان به نصب و راه اندازی آسان، بازده بالا و عدم نیاز به تجهیزات جانبی پیچیده اشاره نمود. شکل ۲ نمایشی از سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه است.

۳

شکل۲ – سیستم فتوولتاییک متصل به شبکه سراسری برق

به طور معمول در این نوع شبکه بندی برای ذخیره انرژی الکتریکی نیازی به باتری نیست ولی در برخی موارد برای افزایش قابلیت اعتماد شبکه از سیستم‌های ذخیره کننده انرژی که عمدتاً باتری هستند استفاده می‌شود. بنابراین سیستم‌های متصل به شبکه سراسری برق را می‌توان به دو گروه دارای سیستم ذخیره و بدون سیستم ذخیره طبقه بندی نمود.

طراحی سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه به گونه‌ای است که همزمان و به طور موازی با شبکه برق سراسری تولید توان می‌کنند. در این روش، ارتباطی دو جانبه میان سیستم‌های فتوولتاییک و شبکه برق وجود دارد به نحوی که اگر برق DC تولیدی توسط سیستم‌های فتوولتاییک بیش از نیاز بار مصرفی محلی باشد مازاد آن به شبکه برق سراسری تزریق می‌شود.

لذا در ساعات شبانه و مواقعی که به دلایل شرایط اقلیمی امکان استفاده از نور خورشید وجود ندارد بار الکتریکی مورد نیاز سایت توسط شبکه برق سراسری تامین می‌گردد. به‌طور کلی برق تولید شده پس از تبدیل شدن بوسیله اینورتر مخصوص سیستم‌های متصل به شبکه و با استفاده از کنتورهای مخصوص دوطرفه، به شبکه برق سراسری تزریق می‌شود.

اگر به هر دلیلی شبکه سراسری برق قطع شود ضروری است که واحد خورشیدی نیز تولید را متوقف سازد و بارهای مصرفی قطع شوند. شکل ۳ بلوک دیاگرام نمونه سیستم فتوولتاییک بدون سیستم ذخیره‌سازی است.

۴

شکل۳ – بلوک دیاگرام سیستم فتوولتاییک بدون باتری

در سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه برق دارای باتری ذخیره، مبدل الکترونیک قدرت توسط آرایه خورشید تغذیه می‌شود که خروجی آن به باتری به عنوان ذخیره‌ساز انرژی بار محلی و بار حساس متصل است. سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه برق مجهز به سیستم ذخیره مناسب برای خانه‌های مسکونی و محل‌های تجاری کوچکند زیرا در این سیستم‌ها از انرژی ذخیره شده برای بارهای حساس مانند یخچال، روشنایی، آسانسور و موارد مشابه استفاده می شود. شکل۴ بلوک دیاگرام این دسته از سیستم‌های فتوولتاییک است.

۵

شکل۴- بلوک دیاگرام سیستم فتوولتاییک با سیستم ذخیره‌ساز باتری

سیستم فتوولتاییک مستقل از شبکه به دلیل ماهیت مستقل‌اش به سیستم جزیره نیز معروف است. در این نوع سیستم‌های خورشیدی برق تولیدی صرفاً وظیفه شارژ باتری‌ها را بر عهده دارد. لذا برای طراحی و محاسبه تعداد آرایه‌های فتوولتاییک در اینگونه واحدها لازم است مدل بار مصرفی و کل توان مورد نیاز بار در یک دوره شبانه‌روز محاسبه شود. از سوی دیگر، ضروری است در شرایط نامساعد جوی سیستم ذخیره ساز انرژی، قابلیت تغذیه کل بار سیستم را بدون استفاده از انرژی سیستم فتولتاییک برای چند روز داشته باشد.

کاربرد اصلی اینگونه واحدها در مکان‌هایی است که شبکه اصلی قدرت در دسترس نبوده و یا برای اتصال به شبکه قدرت هزینه زیادی لازم است. برای مثال در سایت‌های مخابراتی کوهستانی، مناطق عشایری، کلبه‌های روستایی  و به طور کلی رفع نیاز الکتریکی مناطقی که دارای شبکه سراسری برق نمی‌باشند می توان از سیستم فتوولتاییک مستقل از شبکه استفاده کرد. شکل ۵ نمایشی از سیستم‌های فتوولتاییک مستقل از شبکه است.

اجزای اصلی این نوع سیستم های خورشیدی عبارتند از: آرایه های نصب شده بر بام و یا مستقر بر روی زمین، کنترل کننده شارژ باتری و مبدل برای تامین برق مصرفی.

۶

شکل۵- سیستم فتوولتاییک مستقل از شبکه

اصول طراحی سیستم های فتوولتاییک

پیش از شروع طراحی سیستم فتوولتاییک بررسی و مطالعه در خصوص محل بکارگیری سیستم انجام می‌شود. توسط طراحان خبره  محل مورد نظر بازدید و بررسی‌های لازم بر اساس موارد ذیل صورت می‌گیرد.

  • ارزیابی ایمنی حرفه‌ای و سلامتی کار در حین عملیات
  • ارزیابی میزان دسترسی به نور خورشید
  • تعیین زاویه تابش و جهت‌گیری آن در مکانی که آرایه‌های فتوولتاییک بر روی آن نصب می‌شوند
  • بررسی فضای نصب آرایه‌ها به‌منظور اطمینان از امکان نصب تجهیزات
  • تعیین محل نصب مبدل
  • تعیین نحوه سیم کشی
  • بررسی لزوم نمایش‌گرهای کنترل‌کننده پانل و محل نصب آن

در طراحی سیستم فتوولتاییک مانند دیگر طراحی‌ها اصول کلی طراحی ثابت و فارغ از محل تاسیس نیروگاه، اقلیم، ارتفاع از سطح دریا، شرایط آب و هوایی و … است. همانند دیگر سیستم‌ها برخی از شرایط بر روی خروجی واحد تاثیر گذارند که این شرایط جدید به صورت ضریب‌هایی تعریف شده و میزان خروجی را کم و یا زیاد می‌کنند.

به‌طور کلی در طراحی سیستم‌های فتوولتاییک اصول اولیه ذیل در نظر گرفته می‌شود:

  • سیستم فتوولتاییک باید برآورده کننده انتظارات مصرف‌کنندگان از قبیل: کاهش هزینه‌های ماهیانه برق، فواید زیست محیطی، ذخیره انرژی و … باشد.
  • طراحی باید به گونه ای باشد که نیاز اتصالات بین شبکه محلی را برآورده نماید.
  • ابعاد و جهت‌گیری آرایه‌های فتوولتاییک باید به گونه‌ای انتخاب و تنظیم شوند که تامین‌کننده حداکثر انرژی مورد نیاز در طولانی‌ترین بازه زمانی باشند.
  • پانل‌ها باید در مکانی نصب شوند که میزان سایه ایجاد شده به وسیله تجهیزات مجاور، شاخ و برگ درختان، لوله ها و … به کمترین میزان خود برسد.
  • محل نصب پانل‌ها باید توانایی تحمل وزن تجهیزات را داشته باشند.
  • برای تمام تجهیزات مورد استفاده در فضای باز لازم است از مواد مقوام در برابر نور خورشید و هوا استفاده شود.
  • طراحی سیستم باید با مقررات ساختمان و تاسیسات الکتریکی آن مطابقت داشته باشد.
  • سیستم باید به گونه ای طراحی شود که تلفات انرژی در سیم‌ها، فیوزها، سوئیچ‌ها و … به کمترین مقدار برسد.
  • در سیستم‌های مجهز به باتری باید بر اساس نیاز سیستم، باتری مناسب با ظرفیت و طول عمر بهینه انتخاب شود.

در مقاله ی آتی در وبسایت ارکان ارزش به بررسی نکات مربوط به نصب، جزییات طراحی و پارامترهای مهم در خصوص انتخاب اجزای سیستم پرداخته خواهد شد.


 

منبع:

A GUIDE TO PHOTOVOLTAIC (PV); SYSTEM DESIGN AND INSTALLATION

Gray Davis, Governor; JUNE 2001

PROCEDURES FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEM DESIGN REVIEW AND APPROVAL

Kevin Lynn, Senior Research Engineer; Florida Solar Energy Center, Cocoa, FL 32922

یک دیدگاه