آشنایی با سیستم های فتوولتاییک و طراحی این سیستم ها

• سمانه مطهری
• تاسیسات
• سپتامبر 3, 2019
• 2 می 2022

هدف از این مقاله آشـنایی بـا آشنایی با سیستم های فتوولتاییک ، انـواع سیسـتم های فتوولتاییک وآشـنایی بـا اجـزای سیستم های فتوولتاییک، همچنین نحـوۀ طراحی، نصـب و راهانـدازی سیسـتمهای فتوولتاییک اسـت. از دیگـر اهـداف ایـن مقاله چگونگـی طراحـی این سیسـتمها بـا محاسـبات ریاضی یـا با اسـتفاده از نرم افزار است.

استاندارد عملکرد

پـس از اتمـام واحـد طراحـی و نصـب سیسـتم هـای فتوولتاییک ، هنرجویـان قادر به ظرفیتسـنجی و اسـتخراج اطلاعـات مـورد نیـاز بـرای طراحـی سیسـتم  فتوولتائیـك، طراحی یك سیسـتم بـه وسـیله نرمافزار یا محاسـبات ریاضـی، انتخـاب تجهیـزات مـورد نیـاز و همچنین نصـب و راه انـدازی یك سیستم های فتوولتاییک خواهند بود.

توسـعة شـگرف علـم و فنـاوري در جهـان امـروز ظاهـراً آسـایش و رفـاه زندگي بشـر را موجب شـده، لیکن اینتوسـعه یافتگـي ، بـرای انسـان هـا مایة بروز مشـکلات تـازهاي نیز گردیده اسـت. به هرحـال مي دانیـم که نفت و مشـتقات آن از سـرمایه هـاي ارزشـمند ملـي و حیاتـي کشـورند و مصـرف غیر بهینـة از آنها گاهـي زیانهاي جبـران ناپذیـري را ایجـاد مينمایـد. از ایـن رو صاحب نظـران و کارشناسـان بـه دنبـال منابعـي هسـتند کـه به تدریـج جایگزین سـوختهاي فسـیلي نمایند. سـوختهاي فسـیلي موجـب آلودگيهـاي زیسـت محیطـي فراوانـی میشـوند.

بـه عبـارت دیگـر از یـك طرف در نتیجة سـوختن مواد فسـیلي گازهاي سـمي وارد محیط زیسـت میشـوند و تنفس انسـان را دچار مشـکل ميسـازند و محیـط زیسـت را نیـز آلـوده میکننـد و از طـرف دیگـر، تراکم این گازهـا در جو زمیـن مانع خروج گرمـــا از اطـراف زمیـن مي شـود و به افزایش دمـاي هوا و تغییرات گسـترده آب و هوایي در زمیـن ميانجامد. متخصصـان بـر ایـن باورنـد کـه بـا اسـتفاده از انرژيهـاي پـاك، نظیـر انـرژي خورشـیدي بـه جـاي انرژيهاي حاصـل از سـوختهاي فسـیلي میتـوان از آلودگيهـاي زیسـت محیطـي و خطـرات مترتـب بـر آن جلوگیـري کرد.

ایـران کشـوری اسـت کـه بـه گفتـة متخصصان این فـن با وجـود داشـتن 300روز آفتابـی در بیش از دو سـوم آن و متوسـط تابـش 4/5 – 5/5کیلـووات سـاعت بـر متـر مربـع در روز، یکـی از کشـورهای بـا ظرفیـت بالا درزمینـهء انـرژی خورشـیدی معرفی شـده اسـت. برخـی از کارشناسـان انـرژی خورشـیدی گام را فراتـر نهاده و در حالتـی آرمانـی ادعـا میکننـد کـه ایـران در صـورت تجهیـز مسـاحت بیابانی خود بـه سـامانه های دریافت انـرژی تابشـی، میتوانـد انـرژی مـورد نیـاز بخشهـای گسـتردهای از منطقـه را نیـز تأمیـن کنـد و در زمینـه صـادرات انـرژی برق فعال شـود.  کاربـرد انـرژی خورشـیدی بـه قـرن هفتـم قبـل از میـلاد مسـیح بـاز مـی گـردد. از انـرژی خورشـیدی بـرای گرمایـش، پخـت و پـز، روشـنائی و روشـن نمودن آتش اسـتفاده می کردنـد. یونانیان و رومیان باسـتان معماری هایـی را بـرای اسـتفاده از نـور و گرمایـش انـرژی خورشـیدی در داخـل سـاختمان خود داشـته اند.

اسـتفاده از انـرژی خورشـیدی در بسـیاری از مناطق باعث حل مشـکلات شده اسـت. بـرای مثال از طـرح بـرق رسـانی روسـتایی مـی توان نـام برد. این طـرح از اسـتان قزوین آغاز و در اسـتانهای گیلان، زنجـان، بوشـهر، یـزد و کردسـتان اجـرا گردیـد. در ایـن پـروژه، نصـب سیسـتم های فتوولتاییـک جهت بـرق رسـانی به روسـتاهای فاقد برق و بـه صورت پایلوت بـا موفقیت انجـام شـده اسـت.امـکان اسـتفاده ازتسـهیلات انـرژی و یارانـه هـای دولتـی بـرای تمامی اقشـار جامعه و تأمیـن انـرژی الکتریکـی خانوارهـای روسـتایی توسـط سیسـتم های فتوولتاییک از مزایـای بسـیار مهـم این طرح اسـت.
از نمونه هـای دیگـر، اسـتفاده از پمپ آب خورشـیدی اسـت. با توجه بـه وسـعت بسـیار زیـاد زمینهـای کشـاورزی در سـطح کشـور و ضـرورت آبرسـانی از طریـق چاه هـای عمیـق، اسـتفاده از پمپهای خورشـیدی در راسـتای اسـتفاده از انـرژی بـرق رایـگان، توسـعه کشـاورزی در مناطـق محـروم و کاهـش هزینه های بخش کشـاورزی را امکان پذیر می سازد.

سیستم های فتوولتاییک

سیسـتم های فتوولتاییـک بـه دلیـل داشـتن مزایـای متعـدد، کاربـرد فـراوان دارنـد. عمـر طولاني (حـدود 20 سـال،) قابلیـت نصـب و راه اندازي در شـرایط جغرافیایـي ویژه مانند مناطـق صعب العبور و کوهسـتاني، قابلیت اسـتفاده در سیسـتمهاي متحرك، نگهداري آسـان، نداشـتن وابسـتگي به شـبکه در نقاط دوردسـت و داشـتن قابلیـت اسـتفاده بـه صـورت متصـل بـه شـبکه، همه مزایایي هسـتند کـه آینـده درخشـاني را براي اسـتفاده از سیسـتم های فتوولتاییک ترسـیم میکننـد. تبدیل مسـتقیم انرژي خورشـید به الکتریسـیته، معمولاً به وسـیلة سلولهاي فتوولتاییك صورت ميگیرد.

طبقه بندي تیپ سیستم های فتوولتاییک از لحاظ کاربري

*واحدهاي فتوولتاییک متصل به شبکه

*واحدهاي فتوولتاییک مجزا از شبکه

اصول طراحی سیستم های فتوولتاییک

طراحـي سیستم های فتوولتاییک شـامل انتخاب مـاژول فتوولتاییک ، تعییـن تعداد ماژول موردنیـاز، تعیین نحوەه چیدمـان مـاژول هـا بـه منظور تشـکیل آرایـة فتوولتاییک ، انتخاب ظرفیت مبدل، تعیین مشـخصات سیسـتم ذخیـره (در صـورت نیـاز) و تعییـن مشـخصات سـایر اجـزاي جانبي سیسـتم های فتوولتاییک اسـت. کلیـة مراحل مذکـور بـه منظـور دسـتیابي بـه هـدف تعیین شـده طراحي می شـود. بنابرایـن براي شـروع طراحي بایـد ابتدا هـدف و منظـور از طراحـي سیستم های فتوولتاییک تعییـن گـردد. عواملـي مانند کاربـري هاي مختلف سیسـتم هـای فتوولتاییک ، شـرایط محیطـي و اقلیمـي، محدودیتهـاي مکانـي و مالـي مي تواننـد تعیین کننـده معیار طراحي باشـند. مشـخصات سیسـتم های فتوولتاییک اقتضـا ميکنـد کـه در مراحـل طراحـي، تأثیـر عوامـل مختلـف لحـاظ گـردد. ایـن عوامـل مختلـف عبارتانـد از: شـرایط آب وهوایـي، آلودگيهاي محیطـي، وضعیت تابش خورشـید، مشـخصات مصـرف کننـده هـاي انـرژي الکتریکـي، میـزان بهـره وري اجـزاي سیسـتم های فتوولتاییک و سـایر مشخصات

روند کلي طراحی سیستم های فتوولتاییک

سیسـتم هـای فتوولتاییک به دو صـورت متصـل به شـبکه و مسـتقل از شـبکه مورد اسـتفاده قـرار ميگیرند. اصـول طراحي هـر دو نوع با هم یکسـان اسـت؛ بـا ایـن تفـاوت که سیسـتم هـاي فتوولتائیـك متصـل به شـبکه در محـل هایي بـه کار گرفته مـي شـوند که دسترسـي به شـبکة اصلـي برق موجود اسـت و بارهـاي متصل به این سیسـتم ها، امـکان تغذیه از طریـق شـبکة بـرق را نیـز دارا هسـتند و امـکان ارسـال تـوان به شـبکة بـرق از طریـق این سیسـتم ها وجود دارد. امـا سیسـتم هـاي فتوولتائیـك مجـزا از شـبکه باید بـه تنهایي تمام بـار مصرفي محلـي را تأمین نمایند.

بـار مصرفـي باشـد مـي توانـد مـازاد تولیـد را بـه شـبکه تزریـق کنـد. اگر هـدف تأمیـن بخشـي از بـار مصرفي باشـد آنـگاه بایـد ظرفیـت سیسـتم فتوولتاییـك بهگونـه اي باشـد که اگر شـبکة سراسـري قطع شـد، سیستم های فتوولتاییک بتوانـد بـه تنهایـي حداقـل بارهـاي مهـم و ضـروري غیـر قابل قطـع را تأمیـن نماید .اگـر هـدف، طراحـي سیستم های فتوولتاییک مسـتقل از شـبکه باشـد آنگاه ظرفیتـش بایـد بگونـهاي باشـد کـه تمامـي بـار مصرفـي را تأمیـن کنـد. همچنیـن در تمامـي حـالات، امـکان دارد کـه سیسـتم ذخیره سـاز باتري در کنـار آرایـه هـاي فتوولتائیـك وجـود داشـته باشـد که خـود میتواند راهبـرد طراحـي را تغییر دهـد. به این صـورت کـه درصـدي از بـار توسـط آرایه هـاي فتوولتائیـك و بقیة آن توسـط باتري تأمین شـود یـا اینکه آرایه هـاي فتوولتائیـك ظرفیـت تأمیـن تمـام بـار مصرفـي را داشـته باشـد و باتـري بـه عنـوان یـك منبـع ذخیره جهـت شـرایط اضطـراري مورد اسـتفاده قـرار بگیـرد.

بنابراین میتـوان نتیجه گرفـت که براي طراحي سیسـتم هـاي فتوولتاییـك راهبـرد، اهـداف و روندهـاي مختلفـي درنظـر گرفـت کـه اصول همة آن ها یکسـان اسـت و فقـط در جزئیاتـي متفـاوت اند. در ادامـه، اجـزای سیستم های فتوولتاییک، مراحـل کلـي لازم بـراي انتخـاب ظرفیـت و آرایـش اجـزا بـا ذکر یك مثـال، ارائـه میگردد.

طراحي سیستم های فتوولتاییک براي یک منزل مسکوني

در ایـن بخـش، مراحـل طراحي سیسـتم های فتوولتاییک با اجرا در یك سیسـتم نمونه، هر قسـمت بعد از شـناخت هـر جـزء، تشـریح مـی شـود. فـرض میشـود سیسـتم فتوولتاییک بـراي تغذیـة انـرژي الکتریکي مـورد نیاز در یـك سـاختمان مسـکوني طراحـي شـود. بـه منظور بـرآورد مصـرف انـرژي الکتریکي واحـد مسـکوني نمونه، از جـدول زیـر کـه تـوان متوسـط مصرفي لوازم خانگي در آن ارائه شـده، اسـتفاده شـده اسـت.

اطلاعـات منـدرج در ایـن جـدول بر اسـاس میـزان مصرف لـوازم خانگي معمـول، متعلق به یك واحد مسـکوني دو اتـاق خوابـه بـه مسـاحت تقریبي 120مترمربع در شـرق یا جنوب شـهر تهران اسـت.

اجزاي سیستم فتوولتاییک

تجهیزات مورد نیاز براي تولید برق از انرژي خورشیدي عبارتاند از:

مراحل انتخاب ظرفیت وآرایش آرایه فتوولتاییک

هـر مـاژول فتوولتائیـك داراي تعـدادي پارامتر مهم اسـت که مشـخصات فنـي آنرا توصیف مي کننـد. با توجه بـه تـوان نامـي هر مـاژول و تکنولوژي سـاخت آن، پارامترهاي مشـخصة آن در گسـترۀ وسـیعي تغییـر خواهند کرد. معمولاً مشـخصات فني به ازاي شـرایط اسـتاندارد ارائه مي شـود. این شـرایط در آزمایشـگاه اعمال شـده و پارامترهاي مشـخصه به دسـت آمده اسـت. معمـولاً بـراي سیسـتم هـاي فتوولتائیـك شـرایط اسـتاندارد بـه صـورت قـدرت تابـش برابـر 1000  وات بر متر مربع و دمـای محیـط برابـر 25درجـه سـانتي گراد تعریف میشـود. در زمـان طراحي، بـا توجه به مشـخصات محیطي محـل نصـب، بایـد پارامترهـاي مشـخصه بـراي محـل مـورد نظـر مطابقت داده شـوند. جـدول مشـخصات فني مـاژول فتوولتائیـك بـه همـراه واحـد محاسـبه هر یـك از پارامترهـا در کتاب همراه ارائه شـده اسـت. در ادامه انواع آرایه های فتوولتائیـك معرفی می شود.

آرایه فتوولتاییک

نسل اول- فن آوریهای فتوولتاییک: سلولهای کریستالی
سـیلیکون یکـی از فـراوان تریـن عناصـر در حـال حاضـر کـره زمین اسـت. ایـن عنصر یـك نیمه هادی بسـیار مناسـب برای اسـتفاده در سیسـتم های فتوولتاییک اسـت. سـلول های کریسـتالی سـیلیکون، بسـته به این که ویفرهای سـیلیکونی به چه روش سـاخته می شـوند، به دو دسـتة کلی تقسـیم بندی میشـوند: مونو کریسـتال
سـیلیکونی و پلی کریسـتال سـیلیکونی. دسـتة دیگر از سـلول های کریسـتالی شـامل گالیم آرسـناید است.
نسل دوم- فنآوری های فتوولتاییک: سلولهای خورشیدی تین فیلم
پـس از بیـش از 20سـال تحقیـق و توسـعه، سـلول های خورشـیدی تین فیلم گسـترش یافت. تیـن فیلم ها به طـور قابـل ملاحظه ای هزینهء تولید الکتریسـیته را نسـبت بـه ویفرهای سـیلیکونی، کاهش دادند. سه نوع اصلی سلول های خورشیدی تین فیلم که در حال حاضر تجاری شده اند شامل:
سیلیکونهای آمورف و  a-Siو a-Si/μc-Si؛
کادمیوم تلورید Cd-Te؛
مس- ایندیم- سلنید  CISو مس – ایندیم – گالیم- دیسلنید  CIGS؛
نسل سوم – فناوریهای فتوولتاییک
فنـاوری هـای ایـن نسـل در مرحلـة پیـش از تجـاری سـازی بـه سـر مـی برنـد و بـه دسـته هـای زیـر تقسـیم می شـوند:
CPV ؛
سلول های خورشیدی ارگانیك؛
خورشیدی حساس به رنگ؛
سلول های خورشیدی پلیمری؛
خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع

 برای انتخاب ظرفیت وآرایش آرایه فتوولتاییک 4 گام در پیش رو داریم:

در ابتداي امر لازم است به موارد زیر توجه شود:
– بازده مبدل؛
– تلفات سیستم( براي مثال: میزان تلفات در کابل ها ) ؛
– میزان تابش خورشید در زاویه تابشي و جهت گیري مورد نظر؛
– خطاهای شرکت سازندۀ ماژول ها؛
– اثرات دما؛
– اثر آلودگي بر ماژول ها.
نکتـة قابـل ذکـر ایـن اسـت که در زمینة شـدت تابش، معیاري موسـوم بـه PSHتعریف شـده، که برابـر بـا تعداد سـاعاتي اسـت کـه در آن میـزان انـرژي تابش خورشـید برابـر یك کیلووات ساعت بر متر مربع اسـت.

گام اول

تعییـن میـزان مصـرف سـالانه انـرژی که بر اسـاس آخریـن فیشهاي بـرق مصرفي توسـط مشـتري تعیین مي شـود.حداقل لازم اسـت کـه میـزان مصـرف در 12مـاه گذشـته مـورد بررسـي قـرار گیـرد و در صـورت امکان، میـزان مصـرف انـرژي در چند سـال اخیر نیز بررسـي شـود. در صورتي که خود مشـتري فیش هـاي مربوطه را نـدارد لازم اسـت کـه از ادارۀ بـرق مربوطـه اطلاعـات مورد نیاز حاصل شـود. از ایـن داده ها براي بـرآورد میزان مصرف انرژي سـالانه اسـتفاده مي شـود.

گام دوم

تغییـرات مصـرف لحـاظ شـود؛ اگر بـراي اعمال تغییراتـی در جهت بهبود بهـره وري مصرف انـرژي براي مصرف کننـده پیشـنهادهایي وجـود دارد، ایـن تغییـرات صـورت گیـرد و میـزان تأثیـر آنهـا بـر کاهـش مصـرف انرژي سـالانه در نظـر گرفتـه شـود. همچنیـن لازم اسـت کـه بارهـاي اضافـي کـه در آینده به سیسـتم اضافـه خواهد شـد، لحـاظ گردد.

گام سوم

بـرآورد میانگیـن مصـرف سـالانه انـرژي کـه بـر اسـاس داده هـاي حاصـل در گام 1و 2صـورت مـي گیـرد، بـا اسـتفاده از میانگیـن مصـرف سـالانة انـرژي، طراحـي مـي شـود.

گام چهارم

تعییـن انـدازۀ آرایـه هـای ایـن مرحله، اساسـي تریـن بخش طراحـي را تشـکیل مي دهـد. براي تحقـق اجرای ایـن مرحلـه بایـد جزئیاتـي کـه در ادامه تشـریح مـي گردد، بـه دقت رعایـت گردد.

یـادآوری مـی شـود باتوجـه به بازده مبدل و تلفات، لازم اسـت میزان انـرژي روزانة دریافتـي از آرایة فتوولتاییک بیـش از میانگیـن بـار روزانه باشـد. بـازده مبدل را مـي تـوان از کارخانة سـازنده دریافت کرد، معمـولاً مبدل ها بـازده بیـن 90تـا 96درصد دارند. پیشـنهاد مي شـود بـازده مبدل %92در نظر گرفته شـود. طبـق جـدول، میـزان مصـرف انـرژي روزانـه براي یـك سـاختمان مسـکوني برابـر 23/52 KWhاسـت. با در نظرگرفتـن تأثیـر تلفـات، که بیشـترین مقدار آن %5فـرض مي شـود و لحاظ کـردن بازده مبـدل %92 فـرض مـي شـود، بـراي مثـال مذکـور، میـزان انـرژي روزانة مـورد نیاز بر حسب KWh بـه صورت زیر اسـت:
23/52÷0/92÷0/95=26/91

تهـران به طـور متوسـط داراي میـزان متوسـط تابـش سـالانه خورشـید برابر 5سـاعت باشـد، بنابراین بیشـترین انـرژي مـورد نیـاز از آرایـة فتوولتائیـك به شـرح زیر اسـت
26/91 kWh ÷ 5 PSH = 5/382 kW
در ادامـه، بایـد عواملـي را کـه بـر خروجي سیسـتم فتوولتاییک تأثیـر مي گذارند مورد بررسـي قـرار داد و تأثیر آنهـا را لحـاظ نمود. ایـن عوامل عبـارت اند از:

*خطاي خروجي سازنده fman
تـوان خروجـي مـاژول هـاي فتوولتاییک برحسـب وات با خطایـي تقریباً برابر5%بیان میشـود که بر اسـاس دمـاي 25درجـة سـانتيگراد بـراي سـلول هاسـت. بنابراین، بـراي مـاژول فتوولتائیـك 265واتي، بیشـترین میـزان کاهـش در تـوان خروجي، حدود 13/25وات اسـت

*اثر آلودگي ها و گرد و خاکfdirt
میـزان تـوان خروجـي یـك مـاژول فتوولتائیـك ممکـن اسـت بـه علـت آلودگي هـاي موجود بر سـطح مـاژول، کاهـش یابـد و ایـن کاهـش بـا فاکتـور کاهـش در اثـر آلودگـي هوا محاسـبه مي شـود. میـزان کاهـش در توان مـاژول هـا در اثـر آلودگـي، بسـتگي به اقلیم محـل نصب آرایه هـا دارد. در بعضـي از مکان ها، بـه علت آلودگي هـوا( ماننـد کلان شـهرها،) زیـاد اسـت. بـرای مثال، با فـرض این که میـزان کاهش بـه علت آلودگـي در حدود %5اسـت، بـا توجـه به اینکـه میزان عملکرد ماژول 265واتي ذکرشـده در بند 1به سـبب تلرانـس به 251/75 وات کاهـش یافتـه بـود. اکنـون مقـدار آن در اثـر آلودگي حـدوداً به 239/2وات مي رسـد.

*اثر دما
بـر اسـاس اسـتاندارد ،AS 4059/2میانگیـن دمـاي سـلول داخـل مـاژول فتوولتائیـك را مـي توان بر اسـاس فرمـول زیـر تخمین زد:
Tcell.eff = Ta.day + 25
که در آن:
Tcell.effمیانگین دماي روزانة مؤثر سلول به درجة سانتيگراد.
Ta.effمیانگین دما در طول روز( در ماه مورد نظر) به درجة سانتيگراد.
ضریـب دمـاي انرژي کم ّیتي اسـت که نشـان مي دهد به ازاي هر یـك درجه افزایش دما بالاي 25درجة سـانتیگراد، تـوان تولیـدي مـاژول فتوولتائیـك چقـدر افزایـش مـي یابـد. هم اکنون، سـه نـوع متفـاوت ماژول فتوولتائیـك در بـازار موجـود اسـت کـه داراي ضرایـب دمایـي مختلف اند:

مـاژول هـاي تک کریسـتال، کـه اغلـب داراي ضریـب دمایـي – 0/45 % ºCهسـتند (یعني بـه ازاي هر یـك درجـه افزایـش دمـای بـالاي 25درجة سـانتیگراد، تـوان خروجـي% 0/45کاهش مـي یابد).
ماژول هاي پلي کریستال که اغلب داراي ضریب دمایي – 0/5 % ºCهستند.
مـاژول هـاي آمـورف کـه داراي مشـخصة دمایـي متفاوتـي هسـتند و موجـب کاهـش ضریـب دمایي مي گـردد و ضریـب دمایـي آنهـا – 0/2 % ºCاسـت.

البتـه، بعضـي از مـاژول هـاي آمـورف داراي ضریـب دمایي صفرنـد کـه لازم اسـت ایـن مـورد بـا مراجعـه به شـرکت سـازنده تأیید شـود. بنابرایـن کاهـش میـزان خروجـي آرایـة فتوولتائی ِ ـك در اثـر دما به جنـس ماژول بـه کار رفته در آرایـه و مقدار متوسـط بیشـترین دماي محیـط در محل نصب سیسـتم فتوولتاییک بسـتگي دارد.
میزان کاهش توان بر اثر دما را مي توان به صورت زیر محاسبه کرد:

که در آن:
ftemp :ضریب کاهش توان بر اثر دما؛
γ :مقدار مطلق ضریب دماي انرژي به ازاي هر درجه افزایش از 25درجة سانتيگراد؛
Tstc :به درجة سانتيگراد دماي سلول در شرایط استاندارد آزمون.
بـراي نمونـه مـورد طراحـي، درجـة حرارت متوسـط محیـط برابـر 25درجه سـانتي گـراد و جنس مـاژول پلي کریسـتال در نظـر گرفتـه مي شـود. بـه این ترتیب میانگیـن درجة حرارت روزانه سـلول فتوولتائیـك به صورت زیر محاسـبه مي شـود:
Tcell.eff = Ta.day + 25 = 25 + 25 = 50
بنابراین ضریب کاهش توان بر اثر دما به صورت زیر محاسبه مي شود:

در نتیجـه تـوان مـاژول فتوولتائیـك نمونـة مورد اسـتفاده، که تـوان خروجي آن بـا اعمال عوامـل 1و 2از 265 وات بـه 239/2وات رسـیده بـود، بـا اعمـال ضریـب کاهـش تـوان بر اثر دمـا به صورت زیر محاسـبه مي شـود:
239/2 × %87/5 W = 212/3 W

مراحل انتخاب ظرفیت و ابعاد آرایة فتوولتاییک در حالت حضور ذخیره ساز

فـرض مـي شـود میـزان انـرژي موردنیـاز روزانه، طبـق مثال مطـرح شـده برابر 26/91 kWhباشـد و سیستم های فتوولتاییک بـا شـبکه تبـادل انرژي نداشـته باشـد. بنابرایـن تمام بـار مصرفي باید توسـط سیسـتم های فتوولتاییک و باتـري تأمین شـود.

ذخیـره سـاز سیستم های فتوولتاییک معمـولاً از نـوع باتري اسـت. سیسـتم باتـري ممکن اسـت همه یـا بعضي از مـوارد زیر را نیزشـامل شـود:
*محفظة باتري.
*کنترل کنندۀ شارژ باتري.
باتـري هـم در سیسـتم هـاي مجزا از شـبکه، هـم متصل بـه شـبکه کاربـرد، دارد و در زماني که تولید سیستم های فتوولتاییک بیشـتر از بـار اسـت، مـازاد انـرژي را ذخیره مي سـازد. زماني که نور خورشـید در دسـترس نباشـد یـا مقـدار تولیـد انـرژي سیسـتم خورشـیدي کمتـر از نیـاز مصـرف کننـده باشـد، باتـري وارد مدار مي شـود و
کمبـود انـرژي را جبـران مـي سـازد. بنابرایـن باتري باید قابلیت شـارژ و دشـارژ شـدن مکرر را داشـته باشـد. دسـتگاه کنتـرل شـارژ باتـري در سیسـتم هـاي فتوولتائیـك مسـتقل از شـبکه، به منظـور جلوگیـري از تخلیة کامـل باتـري هـا یا شـارژ بیـش از حدآن به کار مـي رود. کنترل کنندۀ شـارژ، شـارش توان از پانل خورشـیدي بـه باتـري و بـار را مدیریـت مـي کنـد و ولتـاژ باتـری را در یـك محـدودۀ مجـاز قابـل قبـول حفـظ ميکنـد.

الف: تعیین ظرفیت باتري
تعییـن ظرفیـت باتـري بایـد بـه گونه اي انجام شـود کـه علاوه بر پاسـخگویي معمول، در سـاعاتي از شـبانه روز کـه تابـش خورشـید موجـود نیسـت یـا کم اسـت، در صـورت وجود شـرایط بـد آب و هوایي نیـز باتـري بتواند انـرژي لازم را تأمیـن کند. آمپرسـاعت کل بـراي بانـك باتـري از حاصل ضرب آمپرسـاعت مـورد نیاز در شـبانه روز در تعـداد روزهاي ابري بـه دسـت ميآیـد. ابتـدا با اسـتفاده از انرژي مـورد نیاز محاسـبه میگردد و در نظـر گرفتن ولتـاژ 48ولت براي آرایـه هـاي فتوولتائیـك (معمـولاً ولتـاژ آرایـه هـاي فتوولتائیـك، به نـوع سیسـتم، 24 ، 12یا 48ولت بسـتگی دارد،) آمپرسـاعت بـه صورت زیر محاسـبه مي شـود:
26/91 kWh÷ 48 V=560/62 Ah
بـا فـرض اینکـه تعـداد روزهاي ابـري برابر 3باشـد و در این روزهـا فقط باتري تأمیـن کنندۀ بار مصرفي باشـد، خواهیم داشت:
560/62×3=1681/875
معمـولاً محـدودۀ ولتـاژي کـه باتـري هـا دشـارژ شـدهاند ولي هنـوز قادر بهکار باشـند بیـن 0/2تا 0/8اسـت )در ایـن طراحـي 0/8در نظر گرفته شـده اسـت(
 با فرض اینکه ولتاژ دشارژ آن 0/8باشد، میزان آمپرساعت ذخیره به صورت زیر محاسبه مي شود:
1681/75÷0/8=2102/34Ah
خروجـي باتـري، تابـع دمـاي باتـري و محیـط آن اسـت. لـذا تغییـرات دمـا (ماننـد پانـل خورشـیدي) خروجي بانـك باتـري را تغییـر ميدهـد. بـراي تأثیـر دادن تغییرات دما بـر روي خروجي باتري، لازم اسـت آمپر سـاعت بـه دسـت آمـده در ضریبـي کـه اسـتخراج مي شـود، ضرب شـود. در سیسـتم نمونـه، ایـن عـدد برابر 1/19انتخاب شـده اسـت:
2102/34×1/19=2501/78 Ah
بعـد از محاسـبة کل آمپـر سـاعت، بـراي واحد خورشـیدي، لازم اسـت تعداد باتري بـراي ایجاد چنیـن ظرفیتي محاسـبه شـود. بـراي بـه دسـت آوردن تعـداد باتري هـاي موازي، لازم اسـت آمپرسـاعت کل بر آمپرسـاعت هر باتـري تقسـیم گـردد. در طراحـي نمونه، فرض مي شـود باتري هاي در نظر گرفته شـده داراي مشـخصة 1000آمپرسـاعت و 24ولت باشند.
در این صورت خواهیم داشت:
تعداد باطری موازی 2501/78÷1000 ≈ 3

ب: تعیین تعداد ماژول هاي فتوولتاییک
تعـداد مـاژول هـاي فتوولتائیـك بایـد بگونـه اي طراحي و محاسـبه شـوند کـه هم بتواننـد تـوان مصرفي واحد مسـکوني را تأمیـن نماینـد و هـم باتـري هاي تعیین شـده را شـارژ کنند. با توجـه به ظرفیـت باتريهاي تعیین شـده، بایـد جریـان مـورد نیاز براي شـارژ باتري با فرض دشـارژ کامـل باتري محاسـبه و انرژي متناظـر با آن به مقـدار انـرژي بـار مصرفي افزوده شـود تا مقـدار انرژي که باید توسـط سیسـتم های فتوولتاییک تأمین شـود، تعیین گـردد. ضریـب 0/1بـه منظـور رعایـت قیـد نـرخ شـارژ شـدن باتري اسـت. ایـن ضریب بـا توجه به مشـخصات باتري اسـتفاده شـده تغییـر می کند

Icharging=0/1×3×1000=300 Ah
EB = 300 Ah × 24 V=7/2 kWh
ET =26/91+EB= 26/91+7/2=34/11 kWh

در روابـط فـوق Ichآمپرسـاعت مـورد نیـاز براي شـارژ باتري، EBانرژي مورد نیاز براي شـارژ باتـري و ETانرژي کل اسـت. بنابرایـن میـزان کل انـرژي کـه باید توسـط سیسـتم های فتوولتاییک تولید شـود، برابـر 34/11کیلو وات سـاعت اسـت. تعـداد مـاژول هـاي 265وات بـه صـورت زیـر محاسـبه مي شـود. توجه شـود همان طـور که در قسـمت هـای قبلـی محاسـبه گردیـد، تـوان خروجـي یـك مـاژول 265واتـي پـس از اعمـال تأثیر دمـا، گرد و خـاك و غیـره آنها بـه 212/3 Wمي رسـد.

در رابطـة فـوق nتعـداد مـاژول هـاي مورد نیاز اسـت. مسـاحت مـورد نیاز جهت نصـب این ماژول هـا با ضرب تعـداد مـاژول ها در مسـاحت هر مـاژول به دسـت ميآید.
ج – انتخاب کنترل کنندۀ شارژ
در انتخـاب کنتـرل کننـدۀ شـارژ باید تعـداد روزهـاي آفتابي بیـن دو روز ابري( )nrcیـا به عبارت دیگـر، تعداد روزهایـي کـه پـس از تخلیـة باتري هـا در روزهاي ابري لازم اسـت تا در آن روزها باتري ها شـارژ شـوند، درنظرگرفتـه شـود. ایـن زمـان بـا نحـوهء طراحـي کام ً ـلا مرتبط اسـت؛ مث ً ـلا اگـر لازم باشـد در حداقل زمـان ممکن باتـري هـا شـارژ شـوند، در ایـن صـورت جریان کنترل کننده شـارژ بایـد زیاد باشـد. در حالت کلي، مـي توان با اسـتفاده از اطلاعـات چند سـال گذشـته (موجـود در نزدیك ترین ایسـتگاه هواشناسـي) حداقل تعـداد روزهاي آفتابـي را، کـه بعـد از دو روز هـواي ابـري در آن منطقـه رخ داده اسـت، اسـتخراج نمود. در طراحـي مذکور این زمـان چهـار روز در نظر گرفته شـده اسـت. میـزان آمپرسـاعت مـورد نیـاز بـراي شـارژ باتـري ها برابر اسـت بـا مقدار آمپرسـاعت باتـري در روز هـاي ابري تقسـیم بـر تعـداد روزهـاي در نظـر گرفتـه شـده. بـراي شـارژ باتـري ها بـه علاوۀ نیـاز معمـول مصـرف روزانه (بـدون در نظـر گرفتن شـارژ باتـري ها.) در طراحي نمونة مورد مطالعه، با فرض اینکه nrcبرابر 4باشد، به صورت زیر عمل مي شود:
2501 /78÷4(+2501/78=3127/23Ah
از تقسـیم عـدد بـه دسـت آمـده بر مـدت زمـان تابـش خورشـید در روز جریـان کنترل کنندۀ شـارژ به دسـت مـي آیـد کـه نتیجـة حاصلـه باید بـه عـدد بالاتر گـرد گردد.

طراحي مبدل

انتخاب مبدل به موارد زیر بستگي دارد:
میزان انرژي خروجي از آرایه؛
ظرفیت افزایش ابعاد آرایه در آینده؛
تطابق محدوده مجاز کاري مبدل با آرایه ؛
استفاده از یك مبدل مرکزي یا چند مبدل؛

طراحي سیم کشي

الزامات مورد نیاز براي طراحي کابل و سیم کشي سیستم های فتوولتاییک به شرح زیر است:

1. کابـل هـا بایـد بـه گونـه اي انتخاب شـوند کـه افت کلي ولتاژ در شـرایط اسـتاندارد بیـن آرایـه و مبدل،کمتر از %3باشد.
2. لازم اسـت کابـل هـا بـه گونه ای انتخاب شـوند کـه در برابر شـرایط محیطي، ولتـاژ و جریان اعمالـي، گرماي ناشـي از جریان عبوري و تابش خورشـید مقاومت داشـته باشـند.
3. لازم اسـت کـه سـیم هـا و کابـل ها تا حـد ممکن کوتـاه انتخاب شـوند تا اشـتباهات کاهش یابـد. در مواردي کـه لازم اسـت از کابـل هاي بلند اسـتفاده شـود، بایـد آنها را نام گـذاري کرد.
4. کابـل هـاي ACکـه مبـدل را بـه مصـرف کننـده وصـل مي کننـد، باید بـزرگ تـر انتخاب شـوند تا افـت ولتاژ کاهـش یابـد، افـت ولتـاژي در حـدود %1پیشـنهاد مـي شـود. در تأسیسـات بزرگ بـه کابل هـاي خیلي بزرگ احتیـاج اسـت کـه تهیـه و بـه کارگیری آنهـا غیرممکن یـا غیراقتصادي اسـت.

تیپ نصب سیستم های فتوولتاییک

اصـول ایمنـي ماننـد حفاظت جـان افراد، اصـول مکانیکي مانند سـازۀ نگه دارنـده و اصول الکتریکـي مانند افت ولتـاژ و غیـره آنهـا همگـي مواردي هسـتند که در نصب سیستم های فتوولتاییک بایـد مورد توجه قـرار گیرد. در ایـن قسـمت نـکات مربوط به نصب سیستم های فتوولتاییک معرفي و بررسـي مي شـود.

نصب آرایه هاي خورشیدي

آرایـه هـاي خورشـیدي بـرروي پایـه هایـي نصب مي شـوند کـه در راسـتاي زاویة مشـخصي تنظیم مي شـوند. در برخـي مـوارد بـراي کسـب تـوان بیشـتر از ردیاب هاي خورشـیدي نیز اسـتفاده مي شـود که تـك محوره یا دو محـوره هسـتند. امـا عمومـاً آرایـه هاي خورشـیدي به صـورت ثابت نصب مي شـوند. بـراي نصـب آرایـه هـاي خورشـیدي در منـازل و در محل هاي تجـاري مي توان بـه چندین صـورت عمل نمود.  برخـي از سـاختمان هـا بنـا بـر شـرایط محیطي (مانند شـمال کشـور) و از نظر طراحي سـاختمان داراي سـقف هـاي شـیب دار (شـیرواني) هسـتند. در ایـن گونه از سـاختمان هـا آرایه ها مسـتقیماً برروي سـقف و به موازات آن نصـب مـي شـوند. نکتـه اي کـه بایـد در ایـن حالت مـد نظر داشـت این اسـت که فاصلـه آرایه خورشـیدي تـا سـقف، حداقـل 10سـانتي متـر باشـد. این فاصله بـراي گردش هوا و خنك شـدن آرایة خورشـیدي اسـت. همـان گونـه کـه در شـکل مشـخص اسـت، آرایه ها بـرروي بـام و به مـوازات آن نصب شـده اند و تنهـا چندین سـانتي متـراز آن فاصلـه دارنـد. ایـن فاصله براي تهویـة هوا حتماً لازم اسـت.

در صورتـي کـه بـام بـه صـورت ساده(سـقف سـاده) باشـد، مي تـوان همان طور که در شـکل نشـان داده شـده اسـت، بـا اسـتفاده از سـازۀ نگـه دارنـده، آرایـه هـاي خورشـیدي را بر روي بـام و در زاویة مناسـب نصـب نمود. نکتـة مهمـي کـه در ایـن حالـت باید بـه آن توجه نمود این اسـت کـه ضلع پایینـي آرایه خورشـیدي که برروي سـاختمان قـرار مـي گیـرد مسـتقیم روي بـام قـرار نگیـرد. دلیل ایـن امر هم در این اسـت کـه بایـد فاصله اي بیـن آرایـه خورشـیدي و زمیـن درنظـر گرفتـه شـود تـا محل عبـور آب باشـد و آب در پشـت پانل خورشـیدي جمع نشـود.

ملاحظات سیم کشي سیستم های فتوولتاییک

در مـورد هـادي هـا و یـا سـیم هـاي رابـط اسـتفاده شـده در واحدهـاي خورشـیدي نکتة بسـیار مهـم، قابلیت اسـتقامت هـادي یـا سـیم در برابر شـرایط محیط و تابش مسـتقیم نور آفتاب اسـت.

بنابراین بـراي انتخاب نوع سـیم و روکـش سـیم، ایـن نکته باید مـد نظر قرار گیـرد. براي انتخـاب ظرفیت هـادي دو پارامتر کلیـدي تأثیر گذارنـد: -1ظرفیـت انتقـال جریـان و -2افـت ولتـاژ در سـیم. ظرفیت هـادي هاي اسـتفاده شـده در واحدهاي فتوولتائیـك بـا حداکثـر جریـان اتصال کوتـاه واحد رابطة مسـتقیم دارد.
در سیسـتم هـای فتوولتاییک بایـد تـا حـد امکان از سـیم هاي رشـته اي و نرم اسـتفاده شـود و سـیم خشـك مـورد اسـتفاده قـرار نگیـرد،

زیـرا در صـورت اسـتفاده از سـیم خشـك ممکن اسـت بـر اثر جابـه جایـي پانل یا سـایر قسـمت هـا، سـیم دچار شکسـتگي و قطعي شـود. تا حـد امکان بایـد کلیة سـیم هاي واحد خورشـیدي، اعـم از ACو DCاز داخـل کانـال و یـا از کنـار گوشـه هـاي دیـوار عبور داده شـود. امـا باید توجه داشـت کلیه سـیم هـا واحـد خورشـیدي از سـیم هایي کـه مربوط به واحد خورشـیدي نیسـت مجزا نگه داشـته شـود. کلیة سـیم هـاي واحـد هـاي خورشـیدي بایـد بـا رنگ مشـخص، برچسـب مجـزا یا هـر گونه علامـت نشـان دهنده دیگـر از یکدیگـر مجـزا شـوند و هر دسـته سـیم بـا علامت خاص نشـانه گذاري شـود.