نیروگاه‌های برق خورشیدی فتوولتاییک در حالت کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند: سیستم برق خورشیدی متصل به شبکه و سیستم برق خورشیدی منفصل از شبکه. سیستم برق خورشیدی فتوولتاییک متصل به شبکه در ایران به قصد سرمایه‌گذاری و فروش برق به شبکه احداث شده و همانطور که از اسم آن نیز پیداست در این نوع سیستم‌ها حتما باید به شبکه برق سراسری وصل شد. سیستم‌ها برق خورشیدی جدا از شبکه نیز معمولا برای تامین برق روستاهای دوردست، مناطق صعب‌العبور، باغ ویلاها و … استفاده می‌شود.
اجزای اصلی سیستم منفصل از شبکه
همانطور که عنوان شد سیستم‌های منفصل از شبکه، در جایی معنا می‌یابند که به هر دلیلی امکان تامین برق از شبکه سراسری وجود نداشته باشد. مهم‌ترین اجزای این سیستم‌ها عبارتند از:
- پنل خورشیدی
- شارژکنترلر
- باتری
- اینورتر
انتخاب تجهیزات فوق‌الذکر و به عبارتی محاسبات و سایزینگ آن‌ها کاملا به هم وابسته بوده و اگر انتخاب و سایزینگ هر کدام به درستی انجام نشده باشد؛ کل سیستم دچار مشکل شده و مشابه همان زنجیری خواهد بود که یک تا تعدادی از حلقه‌ها استحکام لازم را ندارند. از میان تجهیرات یادشده، باتری‌ها از حساسیت بالاتری برخوردار بوده و بر خلاف سایر اجزا که دارای طول عمر بالایی هستند به طور معمول هر 3-4 سال یکبار باید تعویض شوند و پرواضح است که اگر انتخاب صحیحی انجام نشده و یا سایزینگ و آرایش باتری‌ها به نحو دقیقی انجام نشده باشد؛ بازه زمانی تعویض باتری‌ها کوتاهتر شده و هزینه بالایی را به مشتری تحمیل خواهد نمود. در این مقاله به بررسی آرایش باتری‌ها خواهیم پرداخت.
منظور از آرایش باتری چیست؟
باتری‌ها در انواع مختلفی در بازار یافت می‌شوند نظیر سرب اسیدی، لیتومی، نیکلی و … و هر کدام از این‌ها نیز معمولا دارای دسته‌بندی‌های متنوعی هستند. با وجود تنوع باتری، در سیستم‌های منفصل از شبکه به دلیل ارزان بودن باتری‌های سرب- اسیدی، عمدتا از این نوع باتری‌ها استفاده می‌شود.
باتری‌های سرب- اسیدی نیز خود در دو دسته کلی تر (Wet) و سیلدشده (Sealed) جای می‌گیرد. باتری‌های سیلدشده که با VRLA (Valve Regulated Lead Acid Battery) شناخته می‌شوند در دو نوه Gel و AGM موجود هستند که بیان جزییات هر یک خارج از حوصله این مقاله است.
باتری‌های اسیدی از سلول‌های 2 ولتی ساخته شده و با کنار هم قرار گرفتن 6 عدد از این سلول‌ها باتری‌های 12 ولتی با آمپرساعت‌های مختلف ساخته می‌شوند. اما سوال مهم در سیستم‌های منفصل از شبکه پس از محاسبه ظرفیت و تعداد باتری‌ها، نحوه قرارگیری و آرایش این باتری‌ها است. به عنوان مثال اگر 4 عدد باتری 100 آمپرساعت در سیستمی لازم باشد این 4 باتری به چه صورت باید کنار هم قرار گیرند که نحوه آرایش‌های این 4 باتری به صورت ذیل می‌تواند باشد:
- هر 4 باتری سری شوند
- هر 4 باتری موازی شوند
- 2 به 2 سری و سپس موازی (2 به 2 موازی سپس سری) شوند
شایان ذکر است بانک باتری تعبیری است که برای قرارگیری باتری‌ها کنار هم استفاده می‌گردد به عنوان نمونه در مثال فوق بانک باتری متشکل از 4 باتری 100 آمپرساعت است. در ادامه به بررسی انواع آرایش باتری‌ها خواهیم پرداخت.
جریان مناسب شارژ باتری چقدر است؟
شارژ باتری‌ها در سیستم‌های برق خورشیدی منفصل از شبکه توسط شارژکنترلرها صورت می‌گیرد. شارژ باتری‌ها نیز بر اساس منحنی شارژ که توسط سازنده و بر روی دیتاشیت آورده می‌شود باید صورت گیرد در غیر اینصورت سیستم با مشکل مواجه خواهد شد. شکل زیر نمونه‌ای از منحنی شارژ باتری را نشان می‌دهد.
همانطور که از شکل فوق پیداست شارژ باتری در 3 مرحله کلی انجام می‌شود. در مرحله اول بايد با جريان ثابت بالايي باتري شارژ شده تا ولتاژ آن افزايش يابد ميزان اين جريان نيز بر اساس ديتاشيت‌هاي بررسي‌شده گروه آموزشي مولوي سولار و سازنده‌هاي مختلف 10 درصد C10 است كه در شكل زير نيز اين موضوع نشان داده شده است.
شايان ذكر است حداكثر جريان شارژ نيز معمولا 0.25C10 مي‌باشد.
چه آرایشی برای باتری‌ها مناسب‌تر است؟
در سیستم‌هایی که بیش از یک باتری دارد ما باید آرایش صحیحی از باتری‌ها داشته باشیم تا سیستم بتواند به درستی نقش خود را انجام دهد. آرایش بانک باتری در حالت کلی به صورت ذیل است:
- همگی باتری‌ها سری بسته می‌شوند
- همگی باتری‌ها موازی بسته می‌شوند
- باتری‌ها به صورت ترکیب سری- موازی بسته می‌شوند
برای تشریح بهتر موضوع از همان مثال فوق یعنی 4 باتری 100 آمپرساعت استفاده کرده و تک‌تک حالت‌ها را بررسی می‌کنیم.
1- هر 4 باتری سری بسته شوند: پیش از هر موضوعی باید گفت که نحوه سری کردن به این صورت است که قطب مثبت یک باتری به قطب منفی باتری دیگر وصل می‌گردد؛ در این حالت دو باتری با هم سری شده و در نهایت یک سر مثبت و یک سر منفی خواهیم داشت. در این مثال چنانچه بخواهیم هر 4 باتری را با هم سری کنیم با شکل زیر مواجه خواهیم بود.
همانطور که از شکل فوق ملاحظه می‌شود با یک باتری 48 ولت 100 آمپرساعت سروکار خواهیم داشت. توجه داشته باشید که کل ظرفیت در دسترس 400 آمپرساعت است ولیکن اگر قرار است به صورت یک باتری بیان کنیم ما یک بانک باتری 48 ولت- 100 آمپرساعت داریم. ولیکن سوال اینجاست که آیا بستن 4 باتری به صورت سری راه حلی بهینه است یا نه؟ پاسخ به این سوال در گرو داشتن اطلاعات کامل از کل سیستم است و بدون داشتن اطلاعات دقیق نمی‌توان از بهینه بودن یا نبودن این نوع آرایش صحبت کرد. با این وجود به عنوان یک اصل کلی باید اذعان داشت که در سیستم‌های کوچک از ولتاژ‌های 12 ولت و یا 24 ولت استفاده می‌شود. شما زمانی که هر 4 باتری را باهم سری می‌کنید باید شارژکنترلر و اینورتر انتخابی نیز حتما 48 ولت باشد که قطع به یقین هزینه‌های اولیه را افزایش خواهد داد. علاوه بر اين طبق بند قبلي باید جریان مناسب شارژ نیز تامین گردد.
2- هر 4 باتری موازی شوند: برای موازی کردن نیز کافیست قطب‌های همنام به هم وصل شوند که شکل زیر نحوه موازی شدن این 4 باتری را نشان می‌دهد.
همانطور که از شکل فوق ملاحظه می‌شود با یک باتری 12 ولت سروکار خواهیم داشت. در اين حالت با وجود ولتاژ پايين، جريان بين 4 باتري تقسيم مي‌گردد و دوباره بايد به ميزان جريان مورد نياز براي شارژ باتري دقت نمود.
3- 2 به 2 سری و سپس موازی (2 به 2 موازی و سپس سری) شوند: در اين حالت بانك باتري به صورت ذيل خواهد بود.
همانطور كه در شكل فوق نيز ديده مي‌شود؛ با بانك باتري 24 ولت سروكار داشته و در اين حالت نيز بايد جريان لازم براي شارژ باتري‌ها تامين گردد.
در پايان ذكر اين نكته ضروري است كه انتخاب و آرايش اجزاي سيستم منفصل از بسيار به هم وابسته بوده و نمي‌توان هر يك را مستقل از ديگري بررسي نمود وليكن در اين مقاله صرفا نحوه آرايش باتري‌ها مورد بررسي قرار گرفت. انتخاب، سايزينگ، آرايش و … اجزاي سيستم به صورت كامل در بسته آموزشي سيستم منفصل از شبكه مولوي سولار تشريح گرديده و براي مشاهده جزييات كافي است بر روي لينك زير كليك نماييد.
بسته آموزشي سيستم منفصل از شبكه مولوي سولار