هزینه برق خورشیدی چقدر است؟

>>>هزینه برق خورشیدی چقدر است؟

هزینه برق خورشیدی چقدر است؟

هزینه برق خورشیدی : برای تأمین برق خانه، ویلا یا کارخانه خود از انرژی خورشیدی چقدر باید هزینه کنم؟

این پرسش بسیار متداولی است که اگر دیگر نخواهیم هزینه سنگین قبوض برق را بپردازیم و از انرژی رایگان، پاک و همیشه در دسترس خورشیدی برای برق مصرفی خانه، ویلا، باغ یا کارخانه خود استفاده کنیم، هزینه برق خورشیدی به چه میزان خواهد بود؟ این هزینه ظرف چه مدت باز خواهد گشت یا دوره بازگشت سرمایه چه مدت است؟ اینها پرسش‌های اساسی هستند که پاسخ آنها نیاز به شناخت کافی از نیاز‌مندی‌های کاربر و شرایط جغرافیایی منطقه اجرای پروژه سولار دارد. با انجام محاسبات « هزینه برق خورشیدی » فهرست تجهیزات لازم و مشخصات فنی آنها بدست می‌آید. سپس از روی این فهرست و قیمت روز تجهیزات سولار، برآورد هزینه برق خورشیدی انجام می‌گردد.

تشبیه سیستم سولار با سیستم ذخیره آب :

در آغاز تشریح محاسبات هزینه برق خورشیدی جهت ساده‌ نمودن توضیح کاربرد هر یک از اجزای سیستم تولید برق سولار، به مثال ساده تشبیهی زیر توجه نمایید:

مخزن آبی را بر بالای پشت بام یک خانه در نظر بگیرید که آب باران را برای استفاده روزانه ذخیره می‌کند. برای مواقع عدم بارش و به طور کلی مواقعی که مصرف از موجودی آب بیشتر است، یک مخزن بزرگ نیز در زیرزمین وظیفه ذخیره بلندمدت آب را بر عهده دارد. بین خروجی مخزن کوچک و ورودی مخزن بزرگ، یک شیر کنترل و بین خروجی مخزن بزرگ و مصرف‌کننده نیز یک پمپ نصب شده است.

شکل ۱ دو سیستم مخزن آب و سولار را در کنار هم نشان می‌دهد:

مقایسه سیستم سولار با سیستم ذخیره آب

شکل ۱ : مقایسه سیستم سولار با سیستم ذخیره آب

جدول ۱ شباهت جزء به جزء این سیستم ذخیره آب را با یک سیستم سولار نشان می‌دهد:

سیستم سولار

سیستم مخزن آب

هدف:

دریافت و ذخیره انرژی خورشید به منظور حذف هزینه قبض برق یا دسترسی به انرژی الکتریکی در مناطقی است که شبکه سراسری برق وجود ندارد.

هدف:

جمع‌آوری آب باران به منظور حذف هزینه قبض آب یا دسترسی به آب در مناطقی است که دسترسی به لوله‌کشی آب وجود ندارد.

پنل‌ سولار :

انرژی تابشی خورشید را جمع‌آوری می‌نماید.

مخزن پشت بام :

آب باران را جمع‌آوری می‌نماید.

باتری :

انرژی الکتریکی را برای شب و روزهای ابری  و سایر مواقع که مصرف بیشتر از تولید است، ذخیره می‌کند.

مخزن آب زیرزمین :

آب را برای مواقع عدم بارندگی و سایر مواقع که مصرف بیشتر از ورودی سیستم است، ذخیره می‌کند.

شارژ کنترلر :

جریان شارژ باتری را جهت داشتن شارژ بهینه کنترل می‌نماید. همچنین در صورت پر شدن باتری‌، شارژ را قطع می‌کند.

 شیر بین مخزن پشت بام و مخزن زیرزمین :

دبی آب را برای بهینه نمودن سرعت پرشدن مخزن زیرزمین کنترل می‌نماید. همچنین در صورت پرشدن این مخزن، جریان آب را قطع می‌کند.

اینورتر :

ولتاژ را تا حد استاندارد برق شهری افزایش می‌دهد.

 پمپ بین مخزن زیرزمین و مصرف‌کننده :

فشار آب را در حد نیاز مصرف‌کننده افزایش می‌دهد.

 

با مقایسه ساده فوق، می‌توان درک ساده‌ای از نقش هر چهار جزء اصلی یک سیستم سولار برای آغاز فرآیند محاسبات هزینه برق خورشیدی بدست آورد.

شکل ۲ مقایسه پارامترهای یک سیستم الکتریکی را با یک سیستم هیدرولیکی نشان می‌دهد. همانطور که در سیستم‌های هیدرولیکی، اختلاف فشار سیال تقسیم بر مقاومت لوله شامل سطح مقطع لوله و طول آن برابر دبی خواهد بود، در یک سیستم الکتریکی نیز اختلاف ولتاژ تقسیم بر مقاومت کابل شامل سطح مقطع و طول آن، برابر جریان خواهد شد.

به عبارت ساده‌تر، فشار آب معادل ولتاژ برق و دبی آب معادل جریان برق است:

 

فشار آب معادل ولتاژ و دبی آب معادل جریان برق می‌باشد.

شکل ۲ : فشار آب معادل ولتاژ و دبی آب معادل جریان برق می‌باشد.

فهرست تجهیزات  در محاسبات هزینه برق خورشیدی :

هر سیستم تأمین انرژی الکتریکی از انرژی خورشید یا به اختصار « سیستم سولار » از چهار بخش اصلی زیر تشکیل شده است :

۱) پنل‌های سولار :

وظیفه گردآوری انرژی تابشی خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی یا به اصطلاح برق را بر عهده دارند. هرچه سطح پنل‌ها بیشتر باشد، انرژی تابشی بیشتری را در واحد زمان به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نمایند.

از نظر تئوری در اقلیم ایران، مقدار متوسط سالیانه شدت تابش خورشید در شرایط تابش عمودی و بدون مانع، ۸۰۰ وات بر مترمربع در تمام طول سال درنظر گرفته می‌شود که با احتساب بازده حدود ۱۹ درصدی پنل سولار مونوکریستال ، از هر مترمربع می‌توان حداکثر ۱۵۰ وات انرژی بدست آورد. البته با پیشرفت تکنولوژی، بازده پنل‌های سولار مرتب در حال افزایش است و مسلماً مقدار توان بدست آمده با آخرین تکنولوژی روز بیش از این مقدار خواهد بود.

جهت مطالعه عمیق‌تر در مورد چگونگی و اصول تبدیل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی در سلول‌های خورشیدی به عنوان عنصر تشکیل‌دهنده پنل‌های سولار و انواع آنها، لطفاً این مطلب را مطالعه بفرمایید.

پنل‌های سولار به صورت سری، موازی یا ماتریس (آرایه‌) شامل شاخه‌های سری/موازی به یکدیگر متصل می‌شوند. تعداد پنل‌های سری در یک شاخه و تعداد شاخه‌های موازی پیرو موارد زیر است:

سری کردن پنل‌های سولار در یک شاخه از ماتریس :

برای افزایش ولتاژ کلی سیستم از سری کردن پنل‌های سولار استفاده می‌شود که در توان مساوی، نیاز به عبور جریان کمتر از کابل‌ها و در نتیجه کاهش تلفات اهمی را در پی دارد. در هر شاخه سری، جریان عبوری از پنل‌های سولار مساویست. اما ولتاژ کل شاخه برابر جمع ولتاژ خروجی پنل‌ها خواهد بود.

موازی کردن شاخه‌های سری :

برای افزایش جریان و در نتیجه توان کل سیستم، از موازی کردن شاخه‌های سری استفاده می‌شود. ولتاژ شاخه‌های موازی با یکدیگر برابر شده و جریان خروجی کل ماتریس پنل‌ها برابر جمع جریان خروجی شاخه‌های موازی خواهد بود.

۲) بانک باتری :

به مجموعه چند باتری که به صورت سری یا موازی یا هر دو با آرایش ماتریسی سری/موازی نصب شده‌اند، بانک باتری گفته می‌شود. یک ماتریس از تعدادی باتری در شاخه‌های سری تشکیل شده است که این شاخه‌های سری، خود با یکدیگر موازی شده اند.

در محاسبه تعداد باتری‌های مورد نیاز و چگونگی تقسیم‌بندی باتری‌ها به شاخه‌های سری و موازی، می‌بایست نکات زیر را درنظر داشت:

سری کردن باتری‌ها در یک شاخه از بانک باتری :

ظرفیت معادل باتری‌های سری در یک شاخه که ظرفیت یکسان دارند، مساوی ظرفیت یک باتری و ولتاژ کلی شاخه برابر ولتاژ یک باتری ضربدر تعداد باتری‌هاست.

موازی کردن شاخه‌های سری در بانک باتری :

ظرفیت معادل باتری‌های شاخه‌های سری که با یکدیگر موازی شده‌اند، به شرط یکسان بودن مشخصات تمام باتری‌ها مساوی ظرفیت یک باتری ضربدر تعداد شاخه‌های موازی و ولتاژ معادل کل شاخه‌های موازی، برابر ولتاژ یک باتری ضربدر تعداد باتری‌ها در شاخه‌های سری است.

انرژی بانک باتری :

انرژی ذخیره شده در کل بانک باتری برابر انرژی یک باتری ضربدر تعداد کل باتری‌هاست. انرژی یک باتری نیز برابر حاصل‌ضرب ولتاژ نامی آن بر حسب ولت در ظرفیت آن بر حسب آمپرساعت است.

جهت مطالعه بیشتر در مورد پارامترهای باتری، لطفاً این مطلب را مطالعه بفرمایید.

۳) شارژ کنترلر :

شارژ کنترلر سه وظیفه زیر را بر عهده دارد:

۱) تنظیم ولتاژ و جریان پنل‌های سولار به نحوی که ولتاژ و جریان در هر لحظه روی نقطه ماکزیمم منحنی توان بوده و به این ترتیب، حداکثر توان از پنل‌های سولار بدست آید.

۲) تنظیم ولتاژ و جریان شارژ بانک باتری، به نحوی که این دو پارامتر از منحنی شارژ باتری پیروی نموده و بانک باتری همیشه در وضعیت بهینه شارژ شود.

۳) تغذیه بارهای DC متصل به سیستم سولار

شکل ۳ منحنی جریان-ولتاژ (I-V) یک سلول سولار سیلیکونی را نشان می‌دهد:

منحنی جریان-ولتاژ یک سلول سولار سیلیکونی

شکل ۳ : منحنی جریان-ولتاژ یک سلول سولار سیلیکونی

از منحنی فوق نکات مهم زیر برداشت می‌گردد:

۱) تا پیش از نقطه زانوی منحنی قرمز، رفتار سلول خورشیدی مشابه یک منبع جریان است که به ازای تغییر ولتاژ، تغییر جریان خروجی آن بسیار ناچیز است.

۲) اگر منحنی توان لحظه‌ای که حاصلضرب ولتاژ در جریان لحظه‌ای است را به صورت تابع ولتاژ رسم کنیم، منحنی سبزرنگ بدست می‌آید که نقطه ماکزیمم توان با PMPP مشخص شده است.

۳) یک پنل سولار ماتریسی از سلول‌های سولار است که به صورت سری/موازی روی یک قاب مستحکم به یکدیگر متصل شده‌اند. ولتاژ پنل سولار برابر ولتاژ یک سلول ضربدر تعداد سلول‌های سری شده در یک شاخه و جریان خروجی آن برابر جریان یک شاخه سری ضربدر تعداد شاخه‌های موازی شده با یکدیگر است.

به عنوان مثال اگر یک پنل سولار از ۶۰ سلول به صورت ۱۰ سلول سری در ۶ شاخه موازی تشکیل شده باشد و منحنی جریان-ولتاژ سلول سولار به صورت شکل ۳ باشد، خواهیم داشت:

VMPP = ۱۰ × ۰.۴۸V = 4.8V

IMPP = ۶ × ۳.۱۵A = 18.9A

PMPP = ۴.۸V × ۱۸.۹A = 90.72W

۴) جهت دریافت حداکثر توان الکتریکی به ازای توان تابشی دریافتی، شارژ کنترلر نوع MPPT  همواره نقطه کار پنل سولار را در اطراف نقطه MPP نگه می‌دارد.

جهت مطالعه بیشتر در مورد شارژ کنترلر و انواع آن، لطفاً این مطلب را مطالعه بفرمایید.

۴) اینورتر :

وظیفه تبدیل برق DC خروجی بانک باتری یا پنل‌های سولار را به برق AC با  استاندارد شبکه ایران (ولتاژ ۲۳۰ ولت و فرکانس ۵۰ هرتز) بر عهده دارد.

جهت مطالعه بیشتر در مورد ساختمان اینورتر و انواع آن، لطفاً این مطلب را مطالعه بفرمایید.

۵) لوازم جانبی :

برای نصب و راه‌اندازی یک سیستم سولار به لوازم جانبی شامل موارد زیر نیاز است:

۱) براکت (پایه نگهدارنده) پنل سولار

۲) کابل‌های اتصال بین پنل‌های سولار، بانک باتری و اینورتر

۳) انواع کانکتور مانند MC4

۴) کلیدهای قطع و وصل و فیوزهای محافظ

۵) تابلو برق حاوی المان‌های کنترل و قدرت

پارامترهای اساسی یک سیستم سولار :

یک مجموعه مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی یا به اختصار « سیستم سولار »، همیشه با سه پارامتر زیر معرفی می‌شود:

۱) توان :

توان بر حسب وات بیانگر جمع توان خروجی AC اینورتر و توان خروجی DC شارژ کنترلر است.

۲) ولتاژ :

چون در سیستم‌های سولار معمولاً از باتری‌های سرب-اسید استفاده می‌شود و ولتاژ نامی یک باتری سرب اسید شامل ۶ سلول ۱۲ ولت است، بنابراین ولتاژ کلی بانک باتری و پیرو آن ولتاژ خروجی شارژ کنترلر و ورودی اینورتر مضربی از ۱۲ ولت خواهند بود که این عدد، ولتاژ کل سیستم قلمداد می‌گردد. سیستم‌های رایج در بازار ۱۲، ۲۴، ۴۸ یا ۹۶ ولت هستند.

البته ولتاژ خروجی ماتریس پنل‌های سولار به دلیل تغییر شدت تابش در طول روز متغیر است و معمولاً به صورت یک محدوده یا منحنی بیان می‌شود که محدوده ولتاژ ورودی شارژ کنترلر می‌بایست مساوی یا بزرگتر از آن باشد.

۳) تعداد روزهای ابری مستقل از شبکه :

این پارامتر بیانگر این است که سیستم سولار بدون دریافت تابش خورشید در طول شب یا شرایط ابری و مه، تا چند روز بدون پشتیبانی شبکه برق سراسری یا ژنراتور اضطراری ذخیره انرژی دارد. جهت افزایش تعداد روزهای مستقل از شبکه، می‌بایست ظرفیت بانک باتری را افزایش داد که به معنی افزایش تعداد باتری‌ها یا افزایش ظرفیت آنها یا هر دو است که هزینه برق خورشیدی را به شدت افزایش خواهد داد.

انواع سیستم‌های سولار از نظر داشتن پشتیبان :

بر حسب دارا بودن سیستم سولار از یک منبع ذخیره انرژی به عنوان پشتیبان (Back-Up) برای شب یا روزهای ابری، این سیستم‌ها به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:

۱) سیستم سولار متصل به شبکه :

در یک سیستم سولار متصل به شبکه (On-Grid)، بارهای مصرف‌کننده در طول روز انرژی لازم خود را از سیستم سولار می‌گیرند و در صورت وجود شرایط تابشی خوب یا بار کم، مازاد تولید از طریق کنتور دوطرفه نصب شده توسط شرکت برق منطقه‌ای به شبکه برق سراسری فروخته می‌شود.

به عبارت دیگر، مشترک شرکت توزیع در طول روز فروشنده برق و در طول شب یا روزهای ابری، خریدار برق از شبکه خواهد بود.

این نوع سیستم دارای بانک باتری جهت ذخیره انرژی نیست. بنابراین دوره بازگشت سرمایه اولیه هزینه برق خورشیدی کوتاهتر خواهد بود.

در حال حاضر وزارت نیرو تعرفه‌های بسیار مناسبی برای خرید برق از مشترکین دارای مولد انرژی‌های تجدیدپذیر (شامل انرژی خورشیدی، بادی و زمین-گرمایی) درنظر گرفته است که نصب این سیستم‌ها را در یک چشم‌انداز بلندمدت مقرون به صرفه می‌نماید.

البته هر چه حمایت‌های گمرکی و سوبسیدی از تجهیزات سولار بیشتر باشد، قیمت تمام شده اولیه نصب و راه‌اندازی این نوع نیروگاه‌‌های خورشیدی پایین‌تر آمده و زمان سررسید «نقطه بازگشت سرمایه» (نقطه BEP یا همان Break-Even Point) کوتاه‌تر خواهد شد.

۲) سیستم سولار جدا از شبکه :

معمولاً برای مناطقی که از شبکه برق سراسری فاصله زیادی داشته یا به دلایل قانونی امکان استفاده از آن را ندارند، از سیستم سولار جدا از شبکه (Off-Grid) نصب می‌شود. در این نوع سیستم، مجموعه‌ای از باتری‌ها به صورت یک ماتریس با اتصالات سری برای افزایش ولتاژ و موازی برای افزایش جریان تحت عنوان «بانک باتری»، وظیفه ذخیره انرژی الکتریکی را بر عهده دارند.

کاربرد این انرژی ذخیره شده برای تغذیه بارها در طول شب، روزهای ابری و به طور کلی مواقعی است که توان تولیدی مجموعه پنل‌های سولار از توان مصرفی بارهای الکتریکی فعال، بیشتر است.

در سیستم‌های سولار به دلیل نیاز به تعداد زیاد باتری، معمولاً از «باتری‌های سرب-اسید» استفاده می‌شود که نسبت به سایر انواع باتری از قیمت پایین‌تری برخوردار است. اما در مواردی مانند «چراغ‌های خیابانی سولار» که وزن و فضای اشغالی توسط باتری‌ها با محدودیت مواجه است، باتری‌های «لیتیوم-یون» نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند که قیمت بسیار بیشتری نسبت به باتری‌های سرب-اسید دارند. اما از چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به باتری‌های سرب-اسید برخوردار بوده و در نتیجه به ازای انرژی ذخیره شده مساوی، وزن و حجم بسیار کمتری دارند.

باید توجه داشت که حتی در صورت استفاده از باتری سرب-اسید، هزینه بانک باتری بخش قابل ملاحظه‌ای از هزینه کلی یک سیستم سولار را تشکیل می‌دهد. به عبارت بهتر، دوره بازگشت سرمایه هزینه برق خورشیدی طولانی‌تر خواهد بود.

طراح سیستم تعداد باتری‌های بانک باتری را با لحاظ نمودن پارامترهای زیر محاسبه نماید:

۱) مجموع توان و زمان کارکرد بارهای الکتریکی :

انرژی الکتریکی لازم برای تغذیه بارها از حاصلضرب مجموع توان بارهای الکتریکی در متوسط زمان کارکرد آنها در طول شبانه‌روز بدست می‌آید. هرچه این مقدار بیشتر باشد، مجموع ظرفیت بیشتری بر حسب آمپر-ساعت نیاز خواهد بود.

۲) منطقه جغرافیایی :

با افزایش عرض جغرافیایی منطقه نصب، طول ساعات آفتابی مؤثر در طول روز کاهش می‌یابد. همچنین در سواحل (مانند استان‌های شمالی گیلان و مازندران) تعداد روزهای ابری متوسط در طول سال بیشتر از سایر مناطق است. در چنین مواردی نیاز به نصب تعداد بیشتری باتری هست.

۳) عوارض طبیعی و مصنوعی :

اگر منطقه نصب در سایه عوارض طبیعی یا مصنوعی قرار گرفته باشد (مانند قرارگیری داخل دره یا کوهپایه یا مجاور ساختمان‌های بلند) مانند مورد قبل، مدت زمان مفید بهره‌مندی از تابش خورشید کاهش یافته و نیاز به تعداد بیشتری باتری خواهد بود.

۴) ضرایب توسعه سیستم و فرسودگی :

به مرور زمان در اثر استفاده و استهلاک، بازده باتری‌ها و همچنین پنل‌های سولار کاهش می‌یابد. همچنین طراح می‌بایست درصدی ظرفیت اضافه برای توسعه آتی سیستم درنظر بگیرد تا با اضافه شدن بار تا میزانی معین، نیاز به بازنگری کل سیستم نباشد. همین دلایل، نیاز به درنظرگرفتن ضرایب افزایشی را در فاز طراحی پروژه توجیه می‌نماید.

۵) سفارش کاربر :

ممکن است با توجه به شرایط اقلیمی و جغرافیایی منظقه، طراح ظرفیت بانک باتری را به عنوان مثال برای ۲ روز ابری متوالی محاسبه نماید. اما کاربر با توجه به حساسیت بارهای الکتریکی یا سایر دلایل (مانند عدم دسترسی به تعویض سریع باتری و غیره) ، سفارش افزایش ظرفیت تا ۱ هفته را بدهد که در این موارد نیز باید ظرفیت محاسبه شده  با لحاظ افزایش هزینه برق خورشیدی افزایش یابد.

برآورد هزینه برق خورشیدی :

قدم نخست برآورد هزینه برق خورشیدی ، تهیه فهرست بارهای مصرف‌کننده و زمان تقریبی روشن بودن آنها در یک شبانه روز کامل (۲۴ ساعت) است که مشخص‌کننده مشخصات اینورتر (یا اینورترها) خواهد بود.

در قدم بعدی بر حسب اقلیم و منطقه جغرافیایی و انرژی مصرفی بار و تعداد روزهای مستقل از شبکه، توان و تعداد پنل‌های سولار و همچنین سایز و تعداد باتری‌های مورد نظر و نوع اتصال آنها از لحاظ سری یا موازی بودن تعیین می‌گردد. سایز و تعداد شارژ کنترلر به عنوان واسط بین پنل‌های سولار و باتری نیز بر پایه محدوده ولتاژ و جریان شارژ بانک باتری و همچنین محدوده ولتاژ و جریان خروجی ماتریس پنل‌های سولار قابل تعیین است.

قدم نهایی، اعمال ضرایب تصحیح است که اثرات استهلاک و کاهش بازده تجهیزات، عوارض طبیعی و مصنوعی محل نصب و همچنین نیازمندی‌های سفارشی کاربر را لحاظ می‌دارند.

مثال عملی برای محاسبات هزینه برق خورشیدی :

فرض می‌کنیم کاربری که دسترسی به شبکه برق سراسری ندارد، دارای منزل مسکونی با بارهای مصرف‌کننده زیر است:

ردیف نام

توان

(وات)

توان راه‌اندازی

(وات)

زمان روشن بودن در یک شبانه‌روز

(ساعت)

انرژی مصرفی در یک شبانه‌روز

(کیلووات ساعت)

توضیحات

۱  کولر گازی ۳۰۰۰ ۱۰۰۰۰ ۱۲ ۳۶ بالاترین مصرف در فصل تابستان
۲  ماشین لباس‌شویی ۲۰۰۰ ۴۰۰۰ ۰/۴۳ ۱/۳ هفته‌ای ۳ بار و هر بار ۱/۵ ساعت
۳ ماشین ظرفشویی ۲۰۰۰ ۴۰۰۰ ۱ ۲ هر ۲ روز ۱ بار و هر بار ۲ ساعت
۴ پمپ آب ۱۰۰۰ ۳۰۰۰ ۳ ۳
۵ مایکروفر ۱۵۰۰ ۱۵۰۰ ۰/۴ ۰/۶
۶ یخچال ۵۰۰ ۵۰۰ ۱۲ ۶
۷ روشنایی فضای داخل ۵۰۰ ۵۰۰  ۷ ۳/۵ بالاترین مصرف در فصل زمستان
۸ روشنایی فضای بیرون ۱۵۰ ۱۵۰  ۱۴ ۲/۱ بالاترین مصرف در فصل زمستان
۹ تلویزیون ۳۰۰ ۳۰۰ ۱۲ ۳/۶
۱۰ لپ‌تاپ ۵۰ ۵۰ ۴ ۰/۲
۱۱ سایر ۱۰۰۰ ۱۰۰۰ ۱ ۱ سایر بارها با استفاده موردی مانند جاروبرقی، ریش‌تراش، سشوار، چرخ‌گوشت، آبمیوه‌گیری، غذاساز، قهوه ساز، وسایل تفریحی و غیره
جمع ۱۲۰۰۰ ۲۵۰۰۰ ۵۹/۳

 

طراحی را با رویکردی بسیار محتاطانه و با در نظر گرفتن احتمال روشن شدن تمام بارها با حداکثر مصرف خود آغاز می‌نماییم:

محاسبه سایز و انتخاب نوع اینورتر :

در ابتدای طراحی با مدنظر قراردادن ضریب هم‌زمانی بارها، ابتدا سایز اینورتر یا اینورترهایی که باید پارالل گردند محاسبه می‌شود. ترجیح طراحی بر این است که توان مورد نیاز روی تعداد مناسبی اینورتر تقسیم گردد تا قابلیت اطمینان (Reliability) سیستم افزایش یابد. زیرا در صورت خرابی یکی از اینورترها، سایر اینورترها به تغذیه بارهای مربوطه ادامه داده و کل بارها بی‌برق نخواهند شد.

توجه داشته باشید که با توجه به ماهیت موتوری بارهای ۱ تا ۴، جریان راه‌اندازی و در نتیجه توان مصرفی شروع کار برای مدتی کوتاه (معمولاً کمتر از ۱ ثانیه) چند برابر توان نامی حالت کار دایمی آنها خواهد بود که اینورتر می‌بایست قابلیت تحمل این جریان گذرا را داشته باشد.

همچنین هنگام انتخاب نوع اینورتر در صورت برگزیدن نوع ارزان‌تر شبه سینوسی (MSW یا Modified Sine Wave) باید به سازگاری بارها، به ویژه بارهای موتوری با این نوع اینورتر توجه ویژه داشت.اینورتر هایبرید 8 کیلووات

شکل ۴ : اینورتر ۸ کیلووات هایبرید سینوسی کامل (PSW) واگان

زیرا دمای سیم پیچ برخی موتورهای القایی در اثر اعمال موج ولتاژ دارای هارمونیک اینورترهای شبه سینوسی بالا رفته و در بلند مدت آسیب خواهند دید. همچنین وجود هارمونیک در گشتاور برخی موتورها سبب شنیده شدن صدای غیرعادی از موتور هنگام کارکرد خواهد گشت. برخی لوازم خانگی دارای دیمر (مانند چراغ خواب) یا درایو کنترل سرعت (مانند درایو موتور آسانسور از نوع ۳VF یا همان Variable-Voltage/Variable-Frequency) نیز ممکن است به اینورتر سینوسی خالص (PSW یا همان Pure Sine Wave) نیاز داشته باشند.

در مقابل، تقریباً تمامی بارهایی که خود دارای آداپتور یا همان منبع تغذیه AC به DC هستند (مثل لپ‌تاپ و غیره) با این نوع اینورتر سازگار هستند.

به دلیل تفاوت بسیار زیاد قیمت اینورترهای سینوسی خالص با شبه سینوسی، راه عملی برای کاهش هزینه اینورتر سیستم سولار جداسازی فیدر بارهای حساس فوق از بارهای عادی و تغذیه آنها توسط اینورتر سینوسی خالص است. در این صورت بارهای غیرحساس از فیدرهای دیگر توسط اینورتر شبه سینوسی تغذیه خواهند شد.

در محاسبه سایز و تعداد اینورتر می‌بایست حتماً ضریب توسعه آتی سیستم درنظر گرفته شود تا در صورت افزایش تعداد یا توان بارها تا میزان معین، نیاز به تعویض اینورترها با نوع بزرگتر یا افزایش تعداد آنها نباشد.

محاسبه تعداد باتری‌ها و انتخاب آرایش بانک باتری :

انرژی مصرفی هر بار از حاصلضرب توان نامی (نه توان لحظه راه‌اندازی) آن در مدت روشن بودن در یک شبانه‌روز بدست می‌آید و انرژی کلی مصرفی، برابر جمع مصرف تمام بارها خواهد بود.

ظرفیت بانک باتری بر حسب آمپرساعت از انرژی لازم برای تغذیه بارها در یک شبانه روز کامل با لحاظ نمودن بازده اینورتر بدست می‌آید. باید توجه داشت که تعداد روزهای ابری متوالی به ظرفیت بانک باتری و در نتیجه تعداد باتری‌های مورد نیاز خواهد افزود.

در تعیین آرایش ماتریس باتری‌ها، ولتاژ ورودی اینورتر تعیین‌کننده تعداد باتری‌های سری در هر شاخه است. به عنوان مثال اگر ولتاژ ورودی اینورتر ۴۸ ولت باشد، در هر شاخه می‌بایست ۴ باتری سرب-اسید با ولتاژ نامی ۱۲ ولت سری گردند. سپس تعداد شاخه‌های موازی از تقسیم تعداد کل باتری‌ها بر تعداد باتری‌های یک شاخه بدست می‌آید. در همین مثال اگر با لحاظ ۲ روز ابری به ۱۰۰ باتری نیاز باشد، می‌بایست ۲۵ شاخه حاوی ۴ باتری سری با یکدیگر موازی شوند.

جهت تخصیص فضای مناسب به بانک باتری می‌بایست در نقشه‌های معماری فضای کافی با تهویه مناسب درنظر گرفته شود. زیرا باتری سرب-اسید هنگام شارژ و دشارژ گاز هیدروژن  متصاعد می‌نماید که به شدت انفجارپذیر است. همچنین وزن مجموعه بانک باتری به همراه ساپورت‌های نگهدارنده بسیار بالا خواهد بود  که می‌بایست در نقشه‌های طراحی سازه به عنوان یک بار استاتیک بالا پیش‌بینی شده باشد.

باتری 250 آمپرساعت

شکل ۵ : باتری ۲۵۰ آمپرساعت نوع Deep Cycle خشک (Sealed) واگان

اگر فضای لازم برای جداسازی باتری‌ها از اینورترها و سایر منابع تولید جرقه (هنگام قطع بارهای سنگین سلفی مانند پمپ‌های بزرگ، احتمال بروز جرقه در اینورتر وجود دارد) موجود نبوده یا تهویه فضا به خوبی امکان‌پذیر نباشد، می‌توان به جای باتری‌های تر (Wet یا Flooded) از باتری‌های گران‌تر خشک (Sealed) معروف به SLA یا همان Sealed Lead-Acid استفاده نمود.

چون در یک سیکل شارژ/دشارژ کامل وقتی بارهای الکتریکی در حداکثر مقدار ممکن هستند احتمال دشارژ باتری‌ها تا نزدیکی تخلیه کامل هست، نوع باتری‌های سرب-اسید می‌بایست Deep Cycle باشد که عموماً از تحمل دشارژ عمیق تا حدود %۹۰ ظرفیت نامی برخوردارند.

باید توجه داشت که باتری‌های معممولی سرب-اسید مانند آنچه در اتومبیل‌ها استفاده می‌شود، تحمل این مقدار دشارژ را برای مدت طولانی نداشته و عمر مفید آنها به شدت کاهش خواهد یافت.

آخرین نکته در طراحی بانک باتری، درنظر گرفتن ضرایب توسعه آتی سیستم در صورت نیاز به افزایش بار و همچنین ضریب فرسودگی باتر‌ی‌ها به مرور زمان است. زیرا ظرفیت مفید یک باتری به مرور زمان در اثر سیکل‌های متعدد شارژ/دشارژ کاهش می‌یابد.

محاسبه سایز و تعداد شارژ کنترلر :

جریان خروجی شارژ کنترلر می‌بایست جوابگوی حداکثر جریان تغدیه بارهای متصل به اینورتر با لحاظ نمودن ضریب همزمانی به علاوه حداکثر جریان شارژ باتری‌ها باشد.

اگر یک شارژ کنترلر به تنهایی پاسخگوی جریان بار به علاوه جریان شارژ باتری‌ها نباشد، می‌بایست تعداد مناسبی از شارژ کنترلرها را با هم موازی نمود.

 

شارژ کنترلر 80 آمپر 12-24-48 ولت

شکل ۶ : شارژ کنترلر ۸۰ آمپر MPPT واگان

البته در اینجا نیز مانند موارد قبل، لحاظ نمودن ضریب توسعه آتی بار در محاسبه سایز و تعداد شارژ کنترلر ضروریست.

دو نوع رایج شارژ کنترلر عبارتند از MPPT و PWM که نوع اول برای دنبال نمودن همیشگی نقطه ماکزیمم توان پنل‌های سولار، از راندمان بالاتری نسبت به نوع PWM برخوردار است. اما به دلیل پیچیدگی سخت‌افزاری و نرم‌افزاری بیشتر، قیمت آن از نوع PWM بیشتر است.

محاسبه تعداد پنل‌های سولار و انتخاب آرایش ماتریس پنل‌ها :

پنل‌های سولار نقطه شروع تبدیل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی برای تغذیه کل سیستم هستند. اگر از دید پنل‌های سولار به سیستم نگاه کنیم، باتری‌ها نیز در کنار لوازم الکتریکی خانه به عنوان بار مصرف‌کننده محسوب می‌شوند. زیرا در طول یک روز آفتابی می‌بایست هم بارهای الکتریکی را تغذیه و هم باتری‌ها را شارژ نمایند تا برای شب و روزهای ابری آتی، ذخیره انرژی به حد کافی موجود باشد.

 

پنل سولار ثابت مونوکریستال

شکل ۷ : پنل سولار مونوکریستال ۲۷۵ وات واگان

 

در محاسبات سایز و تعداد پنل‌های سولار باید این موارد را در نظر داشت:

۱) عرض جغرافیایی محل نصب

۲) عوارض طبیعی و مصنوعی اطراف مانند کوه، درخت یا ساختمان‌های بلند

۳) مساحت زمین یا پشت‌بام در دسترس

۴) حداکثر دمای منطقه در فصل تابستان

۵) ضریب آلودگی سطح پنل‌ها با توجه به میزان آلاینده‌های منطقه

۶) ضریب توسعه آتی

دو نوع متداول پنل‌های سولار ثابت عبارتند از مونوکریستال (Mono-Crystalline) و پلی‌کریستال (Poly-Crystalline). برای پروژه‌هایی که محدودیت مساحت زمین یا پشت بام در دسترس وجود دارد، می‌توان از نوع دارای بازده بالاتر و گران‌تر مونوکریستال استفاده نمود. زیرا به ازای سطح مساوی از توان خروجی بالاتری برخوردار است.

آیا نصب سیستم سولار برای من به صرفه است؟

این پرسش یا پرسش « هزینه برق خورشیدی چقدر است؟ » بسیار رایج و روزمره هستند که پاسخ آنها نیازمند روشن شدن موارد زیر است:

۱) در دسترس بودن شبکه برق سراسری:

برای مناطق دورافتاده یا صعب‌العبور، هزینه احداث هر کیلومتر خط انتقال و نصب ترانس و تابلوهای حفاظتی و اختصاص زمین به این تجهیزات بر عهده متقاضی می‌باشد. همچنین پس از راه‌اندازی انشعاب نیز متقاضی هزینه انرژی مصرفی را به صورت قبوض برق می‌پردازد.

در مقابل، هزینه برق خورشیدی به جز خرید و نصب اولیه تجهیزات و هزینه نگهداری (مانند تعویض باتری‌ها پس از پایان عمر مفید) شامل موارد دیگر نخواهد بود.

با محاسبه و رسم نمودارهای دو هزینه فوق، دوره بازگشت سرمایه (BEP) برق سولار و سود سالیانه پس از نقطه بازگشت سرمایه مشخص می‌گردد.

۲) موانع قانونی دریافت انشعاب از شبکه برق سراسری:

در مواردی مانند املاک بدون سند یا دارای تغییر کاربری، دریافت انشعاب برق قانونی حتی در مجاورت خط انتقال و ترانس شبکه سراسری نیز به لحاظ موانع قانونی مقدور نیست. در چنین مواردی انتخاب‌های موجود جهت تأمین برق عبارتند از ژنراتورهای برق دیزلی، گازی یا بنزینی و سیستم سولار.

در مقایسه جهت انتخاب بین این دو نوع کاملاً متفاوت مولد انرژی الکتریکی، باید نکات زیر را مدنظر قرار داد:

سیستم سولار ژنراتور سوخت فسیلی

(دیزل، بنزینی، گازی)

هزینه سوخت ندارد دارد
هزینه نگهداری • تعویض باتری در فواصل زمانی بلند

• تمیزکردن سطح پنل‌ها بسته به آلودگی منطقه

• خرید و حمل سوخت در فواصل زمانی کوتاه

• نگهداری دوره‌ای شامل تعویض روغن و قطعاتی مانند فیلتر هوا و روغن در فواصل زمانی متوسط

• تعویض قطعات فرسوده مانند رینگ و پیستون و … در فواصل زمانی بلند

آلودگی دود و نشت روغن ندارد دارد
آلودگی صوتی (سر و صدای کارکرد) ندارد دارد
قابلیت توسعه به صورت ماژولار دارد ندارد
زمان سوییچینگ بین دو منبع نیرو آنی بدون وقفه نیاز به چند ثانیه جهت راه‌اندازی و زیر بار رفتن ژنراتور
صرفه اقتصادی فروش تولید مازاد مصرف به شبکه برق سراسری دارد ندارد
هزینه اولیه زیاد کم

پس در چنین مواردی، هزینه برق خورشیدی دربلندمدت توجیه‌پذیر خواهد بود.

۳) فراهم بودن زیر ساخت‌های لازم جهت فروش تولید برق مازاد مصرف به شبکه برق سراسری :

در بسیاری از مناطق کشور شرکت‌های برق منطقه‌ای با نصب کنتور دوطرفه، مازاد برق تولیدی توسط سیستم سولار مصرف‌کننده را با تعرفه بسیار بالاتری نسبت به تعرفه مصرف از مشترک خریداری می‌کنند. در چنین مواردی، مشترک در طول روز در صورت داشتن مازاد تولید نسبت به مصرف، فروشنده برق به شبکه سراسری و در طول شب خریدار برق خواهد بود.

تفاوت قابل ملاحظه تعرفه تولید نسبت به مصرف، از دوره بازگشت سرمایه خرید و نصب تجهیزات سولار در مقایسه با مصرف‌کنندگان عادی دارای کنتور یک‌طرفه خواهد کاست و بر توجیه اقتصادی هزینه برق خورشیدی خواهد افزود.

در شکل ۷ می‌توان دید که مصرف‌کننده در یک روز آفتابی با تابش خوب، ۳ کیلووات ساعت تولید و ۱ کیلووات ساعت مصرف دارد.  پس مازاد تولید خود به میزان ۲ کیلووات ساعت را به شرکت برق منطقه‌ای می‌فروشد:فروش برق سولار مازاد تولید به شرکت برق منطقه‌ای

شکل ۸ : فروش برق سولار مازاد مصرف به شرکت برق منطقه‌ای

شکل ۸ نشان می‌دهد که در یک روز ابری، تولید و مصرف برابر بوده و بنابراین تبادل انرژی به صورت خرید یا فروش با شبکه برق سراسری انجام نمی‌شود:برابری تولید برق سولار با مصرف و عدم تبادل انرژی با شبکه

شکل ۹ : برابری تولید برق سولار با مصرف و عدم تبادل انرژی با شبکه

اما در شکل ۹ مصرف‌کننده در طول شب ۱ کیلووات ساعت کمبود انرژی نسبت به تولید روزانه خود دارد که آن را از شرکت برق منطقه‌ای خریداری می‌کند:خرید کمبود برق در طول شب نسبت به برق سولار تولیدی از شرکت برق منطقه

شکل ۱۰ : خرید کمبود برق مصرفی در طول شب نسبت به برق سولار تولید شده در طول روز 
از شرکت برق منطقه

در شکل‌های ۷ تا ۹ نکات زیر قابل توجه است:

۱) تعرفه فروش برق خورشیدی تولیدی به شرکت برق منطقه‌ای چندین برابر (در این مثال حدود ۳/۳ برابر) تعرفه خرید برق است. دلیل این امر، تشویق مصرف‌کنندگان به صرف هزینه برق خورشیدی جهت استفاده از انرژی پاک، رایگان و همیشه در دسترس خورشیدی و جایگزینی تدریجی نیروگاه‎های آلاینده سوخت فسیلی با انرژی خورشیذی به عنوان یک منبع انرژی تجدید‌پذیر است.

۲) در بحث بهینه‌سازی تولید برق برای توزیع در شبکه برق سراسری، مبحثی به نام « تولید توزیع شده » (DG یا همان Distributed Generation) وجود دارد. در این مبحث به طور خلاصه به مزایای تقسیم نیروگاه‌های متمرکز بزرگ به نیروگاه‌های محلی کوچک پرداخته می‌شود. به عنوان مثال:

اگر هر منزل یا مجتمع مسکونی، کارخانه، کارگاه، بیمارستان و به طور کلی هر مصرف‌کننده برق مصرفی خود را به جای دریافت از شبکه برق سراسری توسط سیستم سولار خود تولید نماید، شبکه برق سراسری فقط نقش پشتیبان برای این مصرف‌کنندگان و نقش تأمین‌کننده برای مصرف‌کنندگانی که امکان استفاده از سیستم سولار ندارند را خواهد داشت. در این صورت، هزینه‌های کلان احداث و نگهداری خطوط انتقال برق شامل (دکل، کابل، ترانس، رله، بانک خازنی و …) و سیستم توزیع برق شهری با صرف هزینه برق خورشیدی که به نسبت بسیار ناچیز است، به شدت کاهش خواهند یافت.

همچنین، آلودگی هوا ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی شامل (مازوت، گاز طبیعی و گازوییل) در نیروگاه‌ها نیز کاهش بسیار قابل ملاحظه‌ای خواهد داشت.

درضمن، بهبود بسیار قابل ملاحظه‌ای در پارامترهای پایداری و پروفایل ولتاژ و فرکانس شبکه برق سراسری ایجاد خواهد گردید.

۳) هر ۳ شکل فوق مربوط به یک سیستم سولار « متصل به شبکه » (On-Grid) هستند که از پشتیبانی بانک باتری برای مصرف شب یا روزهای ابری برخودار نیست. در حقیقت در این نوع سیستم سولار، شبکه برق سراسری پشتیبان (Backup) سیستم سولار است.

۴) ویژگی‌های اقلیمی و جغرافیایی :

هر چه تعداد روزهای آفتابی در یک منطقه بیشتر باشد، دوره بازگشت سرمایه‌گذاری اولیه برای خرید و نصب تجهیزات سولار کوتاهتر خواهد بود. مثال بارز این موضوع، مناطق کویری مرکز و جنوب کشور است که تقریباً در تمام طول سال از شدت تابش بسیار مناسب برخوردارند.

۵) مجاورت با عوارض طبیعی و مصنوعی :

وجود عوارض طبیعی مانند قرارگیری در میان جنگل یا دره یا مجاورت کوه و همچنین عوارض مصنوعی مانند مجاورت ساختمان‌های بلند، ساعات مؤثر دریافت تابش آفتاب را کاهش و نیاز به نصب تعداد بیشتری پنل و باتری را به دنبال خواهد داشت که در نهایت منجر به افزایش مدت دوره بازگشت سرمایه خواهد شد.

شکل ۱۰ نشان می‌دهد که ارتفاع موانع اطراف طوریست که تابش دریافتی از ساعت ۹صبح تا ۳ بعدازظهر مطلوب می‌باشد:

دریافت میزان تابش مناسب برای نصب سیستم سولار با وجود موانع اطراف از ساعت 9 صبح تا 3 بعدازظهر

شکل ۱۱ : دریافت میزان تابش مناسب برای نصب سیستم سولار با وجود موانع اطراف از ساعت ۹ صبح تا ۳ بعدازظهر

اما شکل ۱۱ نشان می‌دهد که موقعیت قرارگیری درخت و ارتفاع آن طوریست که جهت دریافت انرژی مساوی نسبت به حالت بدون مانع، نصب تعداد بیشتری پنل سولار لازم است :

 

ارتفاع و موقعیت درخت طوریست که هزینه سیستم سولار را افزایش خواهد داد.

شکل ۱۲ : ارتفاع و موقعیت درخت طوریست که هزینه سیستم سولار را افزایش خواهد داد.

نتیجه‌گیری :

پرسش‌ «آیا نصب سیستم سولار برای من به صرفه است؟» یک پاسخ مشخص و معین سریع به صورت بله یا خیر ندارد یا پرسش « هزینه برق خورشیدی چقدر تمام می‌شود؟ » نیاز به انجام محاسبات دقیق دارد و یک پاسخ آنی به این پرسش‌ها با تخمین بالا و طبیعتاً خطای بالا تؤام خواهد بود. زیرا برا پایه داده‌های دریافتی از متقاضی و نتیجه محاسبات هزینه برق خورشیدی ، ابتدا می‌بایست هزینه خرید و نصب تجهیزات برآورد گردد. سپس با مقایسه این هزینه با هزینه دریافت انشعاب و قبوض برق، دوره بازگشت سرمایه بدست آید.

حال تصمیم‌گیری برای نصب سیستم سولار بر عهده متقاضی است. زیرا با لحاظ جمیع مزایا و معایب، ممکن است یک متقاضی حتی یک دوره بازگشت سرمایه به عنوان مثال ۱۵ ساله را نیز مناسب دانسته و تصمیم به سفارش خرید و نصب سیستم سولار بگیرد. اما در مقابل یک متقاضی دیگر حتی یک دوره بازگشت سرمایه ۵ ساله را نیز بسیار طولانی تلقی نماید و هزینه برق خورشیدی را توجیه‌ناپذیر تلقی نماید.

شرکت « راهبرد انرژی پاک » مشاور و تأمین‌کننده تجهیزات سیستم سولار :

در مرحله مشاوره، شرکت «راهبرد انرژی پاک» پس از دریافت اطلاعات مصرف بارها، ویژگی‌های اقلیمی و جغرافیایی منطقه و نیازمندی‌های متقاضی، محاسبات هزینه برق خورشیدی را انجام داده و برآورد هزینه و دوره بازگشت سرمایه را به متقاضی اعلام خواهد کرد.

طی فاز تأمین تجهیزات نیز با توجه به اینکه شرکت «راهبرد انرژی پاک» نماینده رسمی و انحصاری محصولات کمپانی واگان (Wagan) در ایران است، تجهیزات بهینه و مناسب را برای متقاضی نصب و راه‌اندازی خواهد نمود.

توسط |۱۳۹۷/۲/۱۱ ۱۷:۰۰:۲۹فروردین ۲۱ام, ۱۳۹۷|انرژی خورشیدی, مطالب علمی و فنی|بدون دیدگاه

دیدگاه خود را بنویسید