باتری ها نقش بسیار مهمی را در کنار پنل خورشیدی و در سیستم های برق خورشیدی بازی می کنند و به همین دلیل بخش اصلی هزینه ها را می توان به آن ها نسبت داد. در هر پکیج برق خورشیدی، پنل خورشیدی وظیفه تولید انرژی الکتریکی را بر عهده دارد. از طرفی درصد بیشتری از طول روز به دلیل نبود نور خورشید، پنل ها توان تولید انرژی الکتریکی را نداشته و در نتیجه باتری پنل خورشیدی، انرژی را برای مصارف در این ساعات ذخیره سازی می کند.
همچنین در روزهای ابری، راندمان پنل ها به شدت کاهش می یابد و در اصل باتری انرژی مصرفی را به سیستم اعمال می کند. برای طراحی چنین سیستم هایی نیاز است تا از باتری های اضافی نیز در ساختار پکیج برق خورشیدی استفاده نمود.
طراحی باتری پکیج برق خورشیدی
همانطور که در بالا ذکر شد، هر سیستم انرژی خورشیدی دارای مجموعه‌ای از باتری‌ها است که می‌تواند در مواقعی که پنل قادر به تولید انرژی از نور خورشید نیست، برق مورد نیاز سیستم را تامین کند. هر باتری دارای ظرفیت و ولتاژ خاصی است و این دو پارامتر را می توان به عنوان مهم ترین پارامترهای یک باتری در فرآیند طراحی در نظر گرفت.
ظرفیت هر باتری با واحد آمپر ساعت (Ah) مشخص می شود و بیانگر میزان جریانی است که باتری می تواند در طول یک ساعت به بار اعمال نماید تا ظرفیت آن تمام شود. مثلا در صورتی که از یک باتری 100Ah، جریان 100A را دریافت کنیم، انرژی ذخیره شده در باتری پس از یک ساعت تمام شده و نیاز به شارژ مجدد دارد.
اگر جریان مصرفی باتری کاهش یابد، انرژی ذخیره شده دیرتر تمام می شود. مثلاً اگر از همان باتری 100 آمپر ساعتی جریان 50 آمپری گرفته شود، باتری حدود دو ساعت جریان دهی می کند. ناگفته نماند که این رابطه خطی نیست و ارقام تقریبی هستند.
به عنوان مثال، اگر از یک باتری 100 آمپر ساعت جریان 100 آمپر دریافت کنیم، انرژی ذخیره شده در باتری پس از یک ساعت تمام شده و نیاز به شارژ مجدد دارد.
اگر مصرف برق باتری کاهش یابد، انرژی ذخیره شده بعداً مصرف می گردد. مثلاً اگر از همان باتری 100 آمپر ساعتی جریان 50 آمپری گرفته شود، باتری حدود دو ساعت روشن می شود.
در هر سیستم برق خورشیدی چالش هایی در روند اندازه گیری ظرفیت باتری مورد نیاز وجود دارد که از مهم ترین آن ها می توان به نکات زیر اشاره نمود:
- عمر باتری های مورد استفاده
- قابلیت جریان دهی در روز های ابری
- شارژ مجدد باتری ها
عمر باتری های پکیج برق خورشیدی
عمر باتری ها در یک سیستم برق خورشیدی از اهمیت بالایی برخوردار است و به نوعی راندمان سیستم را مشخص می نماید. از مهم ترین پارامتر های عمر باتری می توان به نوع باتری و نیز روش استفاده از آن اشاره کرد. منظور از نوع باتری، ساختار داخلی و برند تولید کننده آن می باشد. منظور از روش استفاده از آن نیز رعایت پارامتر مهمی به نام عمق دشارژ می باشد.
باتری های پکیج برق خورشیدی از لحاظ ساختار داخلی مدل های متنوعی دارند که هر کدام از آنها در کاربردی مشخصی استفاده می شود. مثلا در سیستم برق خورشیدی، به طور معمول از سه نوع باتری خشک (Sealed Lead Acid)، لیتیوم (Li-Ion) و Gel (باتری خورشیدی) استفاده می شود. نوع اول عمر کمتری نسبت به نوع دیگر دارد اما قیمت آن بسیار پایین تر می باشد. برای افزایش طول عمر باتری های پنل خورشیدی، به طور معمول از باتری های Gel استفاده می شود که این باتری ها از عمق دشارژ خوبی برخوردارند.
عمق دشارژ نیز پارامتر مهمی است که معمولاً برای باتری های خشک 60 درصد تنظیم می شود، به طوری که باتری حدود 2 تا 3 سال عمر مفید داشته باشد. به عنوان مثال، اگر به باتری با ظرفیت 100 آمپر ساعت نیاز داشته باشیم، با رعایت عمق دشارژ 60 درصد، باتری با ظرفیت حدود 170 آمپر ساعت مورد نیاز است.
قابلیت جریان دهی در روز های ابری
برخی از روز های سال، هوا ابری بوده و پنل خورشیدی راندمان مناسبی در فرایند شارژ باتری ها از خود نشان نمی دهد. برای انجام این کار معمولاً تعداد روزهای متوالی که ممکن است هوا ابری باشد محاسبه می شود و در ظرفیت باتری ها ضرب می شود. به عنوان مثال، اگر در پکیج انرژی خورشیدی حداکثر به باتری 1000 آمپر ساعتی نیاز داشته باشیم و هوا سه روز متوالی ابری باشد، ظرفیت باتری در بهترین حالت 3 برابر یعنی 3000 آمپر ساعت است. اما این کار موجب افزایش هزینه ها می شود و بسیاری از طراحان این عدد را 2 یا 1.5 در نظر می گیرند.
شارژ باتری پنل خورشیدی
بسته به نوع باتری و شرکت سازنده، ضریب جریان شارژ باتری تعیین می شود که برای باتری های خشک حدود 0.1 است. برای محاسبه جریان شارژ باتری کافی است این ضریب را در ظرفیت باتری ضرب نماییم. برای مثال در یک باتری 100 آمپر ساعت، به جریان شارژی معادل 10 آمپر نیاز است تا باتری در مدت زمان 10 ساعت شارژ گردد.
10 ساعت زمان زیادی بوده و پنل های خورشیدی که حداکثر توانایی جریان دهی 6 ساعت را در روز دارند، نمی توانند باتری ها را شارژ نمایند. اما از طرفی این مورد را هم در نظر داریم که باتری ها در زمان دشارژ، تا حد مشخصی که همان عمق دشارژ می باشد تخلیه می شوند. بنابراین می توان شارژ سریع تر را از باتری ها انتظار داشت.
برای مثال در صورت استفاده از یک پکیج باتری 500 آمپر ساعت و رعایت عمق دشارژ 60 درصد، انرژی معادل 300 آمپر ساعت از باتری تخلیه می شود و با ضرب عدد 0.1 در 500 آمپر ساعت، جریانی معادل 50 آمپر بدست می آید. از تقسیم عدد 300 بر 50، زمان مورد نیاز برای شارژ باتری 6 ساعت بدست می آید. برای کاهش این زمان می توانیم ظرفیت کل باتری ها را مجدد افزایش دهیم.
با توجه به این مطالب، در ادامه قصد داریم به یک مثال از طراحی پکیج باتری یک سیستم برق خورشیدی بپردازیم. فرض کنید یک ویلا شامل تجهیزاتی الکتریکی زیر باشد:
- یخچال LG با مصرف انرژی 500kWh / Year
- در مجموع 100 وات مصرف روشنایی لامپ های LED
- تلوزیون LCD با توان مصرفی 145 وات
- تجهیزات جانبی تلویزیون در حدود 150 وات
- سایر تجهیزات الکتریکی 300 وات
همچنین برای انجام محاسبات لازم است تا بدانیم هر کدام از وسایل مورد نظر در طول روز چقدر انرژی مصرف می کند که برای این کار لازم است تا میزان ساعت استفاده از آنها را مشخص نماییم. برای این کار میزان ساعات مصرف تمامی آنها حدود 8 ساعت در نظر گرفته می شود.
برای محاسبه انرژی مصرفی یخچال در روز، کافی است تا میزان انرژی مصرفی آن در طول یک سال را بر عدد 365 تقسیم نمود. بنابراین مصرف انرژی هر کدام از وسایل فوق به صورت زیر است:
- یخچال LG با مصرف انرژی 1400 وات ساعت در روز
- روشنایی در حدود 800 وات ساعت در روز
- تلوزیون LCD در حدود 1160 وات ساعت در روز
- تجهیزات جانبی تلوزیون 1200 وات ساعت در روز
- سایر تجهیزات الکتریکی 2400 وات ساعت در روز
بنابراین مجموع انرژی الکتریکی مصرفی در طول روز برابر 7000 وات ساعت یا همان 7kWh است که بخشی از آن را می توان از پنل و بخش دیگری را از باتری ها دریافت نمود. اما برای اینکار نیاز به بررسی دقیق عملکرد تجهیزات داریم. بنابراین در این مثال تمام انرژی مصرفی را بر روی باتری در نظر می گیریم. حال با تقسیم کل انرژی مصرفی بر ولتاژ باتری میزان ظرفیت باتری نیز مشخص می گردد که در این مثال ولتاژ باتری را 12 ولت در نظر می گیریم. ظرفیت محاسبه شده تقریبا برابر با 600 آمپر ساعت بوده که برای دستیابی به مقدار نهایی کافی است تا این عدد را بر 0.6 که همان عمق دشارژ مناسب برای باتری است تقسیم نماییم. حاصل این محاسبه چیزی در حدود 1000 آمپر ساعت است.
برای تهیه این ظرفیت می توان از 10 باتری 100 آمپر ساعت استفاده نمود و آن ها را به صورت موازی با یکدیگر قرار داد. همانطور که در قسمت قبل گفته شد، ضرب عدد 0.1 در ظرفیت، جریان مورد نیاز برای شارژ باتری را نیز تعیین می کند که عدد 0.1 با توجه به این ظرفیت باتری در 1000 آمپر ساعت ضرب می شود. زیرا این میزان از ظرفیت باتری مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین در این مثال نیاز به جریانی معادل 100 آمپر است که در این صورت 6 ساعت طول می کشد تا باتری ها شارژ شوند. با توجه به جریان 100 آمپر، می بایست از کنترل شارژ 100 آمپر نیز استفاده گردد.
البته در هیچ نقطه از کشور متوسط ساعات جریان دهی پنل خورشیدی، برابر 6 ساعت نبوده و در نتیجه باتری ها کامل شارژ نمی شوند.
برای کاهش این ساعت و نیز افزایش قدرت جریان دهی در روزهای ابری مکرر، ظرفیت کل 1.5 برابر می شود که علاوه بر کاهش زمان شارژ، عمر باتری ها را نیز افزایش می دهد.
در این صورت نیاز به 1500 آمپر ساعت ظرفیت باتری، شارژ کنترلر 150A با شارژ 4 ساعت است که می توان از 10 باتری 150Ah خشک استفاده نمود.