วันนี้เราจะแนะนำการออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบออฟกริดขนาด 5kW สำหรับเกษตรกรเลี้ยงปลาเล็ก ๆ รวมถึงการกำหนดค่าระบบและวิธีการคำนวณทีละขั้นตอน
มีข้อมูลพื้นฐานบางอย่างที่ต้องชัดเจนเพื่อเตรียมการออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์
- อันดับแรก ต้องระบุแรงดันไฟฟ้าและเฟสของผู้ใช้ ว่าเป็นไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว 110V, 120V, 220V, 230V หรือ 240V หรือไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส 380V, 440V, 480V เป็นต้น ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดสเปคเอาต์พุตของ อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์
- อันดับที่สอง ต้องยืนยันประเภทของโหลดว่าจะเป็นโหลดเหนี่ยวนำหรือโหลดความต้านทาน เพราะประเภทของโหลดจะกำหนดกำลังไฟฟ้าและรูปคลื่นเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์
- อันดับที่สาม ต้องกำหนดเวลาการทำงานเต็มโหลด หรือก็คือการใช้ไฟฟ้าเฉลี่ยรายวัน ในกรณีของสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่เชื่อมต่อกับกริด ไม่มีอุปกรณ์เก็บพลังงาน จึงต้องใช้กำลังไฟฟ้าที่เหมาะสมของโมดูลโฟโตโวลตาอิกเท่านั้น แต่ในกรณีของระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบออฟกริด ต้องคำนวณความจุแบตเตอรี่ รวมถึงพลังงานสำรองของระบบเมื่อไม่มีการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ในช่วงวันที่มีเมฆครึมหรือฝนตกติดต่อกัน
การออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริดขนาด 5000W
ตอนนี้เราจะนำเสนอการออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริดสำหรับเกษตรกรเลี้ยงปลาในพื้นที่ขนาดเล็กใกล้ทะเลสาบเป็นกรณีศึกษา เนื่องจากการก่อสร้างสายส่งไฟฟ้าระยะไกลไม่เพียงแต่มีค่าใช้จ่ายสูง แต่ยังมีการสูญเสียพลังงานและแรงดันไฟฟ้าสูง นอกจากนี้ความเสถียรของการใช้ไฟฟ้าไม่สามารถรับประกันได้เนื่องจากพายุไต้ฝุ่น และเกิดไฟฟ้าดับบ่อยครั้ง ซึ่งส่งผลกระทบต่อการใช้ไฟฟ้าในการผลิตและชีวิตประจำวัน ดังนั้นจึงเลือกใช้ อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์แบบออฟกริด แสงแดดในเวลากลางวันมีความเข้มสูง และพลังงานที่ผลิตได้จากระบบพลังงานแสงอาทิตย์จะถูกจ่ายตรงไปยังเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์เพื่อสนับสนุนการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้า พร้อมกันนั้นแบตเตอรี่จะถูกชาร์จและจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ผ่านอินเวอร์เตอร์ในเวลากลางคืน
1. สำรวจความต้องการใช้ไฟฟ้า
นี่คือข้อมูลพื้นฐานที่ควรรู้ก่อน แรงดันไฟฟ้าในชีวิตประจำวันคือ AC 220V 50Hz และอุปกรณ์ที่ใช้บ่อยได้แก่:
เครื่องสูบน้ำและเครื่องผลิตออกซิเจนสำหรับบ่อปลา 10 ชุด (300W)
เครื่องโทรทัศน์และเครื่องรับดาวเทียม 1 ชุด (200W)
หม้อหุงข้าวไฟฟ้า 1 เครื่อง (750W)
เตาแม่เหล็กไฟฟ้า 1 เครื่อง (2,000W)
ตู้เย็นขนาดเล็ก 1 เครื่อง (100W)
ไฟส่องสว่าง (100W)
อุปกรณ์เหล่านี้ไม่ได้ใช้งานพร้อมกัน เครื่องสูบน้ำและเครื่องผลิตออกซิเจนจะทำงานในเวลากลางวันที่มีแสงแดดและหยุดในเวลากลางคืน กำลังไฟของอุปกรณ์อื่น ๆ รวมประมาณ 3000W และการใช้ไฟฟ้าเฉลี่ยรายวันประมาณ 10 กิโลวัตต์ชั่วโมง เนื่องจากแสงสว่างบนผิวน้ำทะเลสาบเพียงพอ จึงไม่คำนึงถึงการสำรองไฟฟ้าในวันที่มีเมฆครึมหรือฝนตก
2. อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์
ตามข้อมูลที่ผู้ใช้ให้มา ในการออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริดนี้ ใช้อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์แบบ all-in-one ที่มีตัวควบคุมการชาร์จ MPPT อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 5000W นี้มีความจุไฟฟ้า 48V 7kV, ค่าปัจจัยกำลัง ≥0.8 และประสิทธิภาพการแปลง ≥85% กำลังไฟฟ้าจริงขณะโหลดสามารถถึง 5000W ซึ่งเพียงพอต่อความต้องการกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ผู้ใช้
3. ความจุแบตเตอรี่
ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริดนี้ใช้แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดที่ใช้กันทั่วไปเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงาน ซึ่งมีความจุสูงและคุ้มค่า ปริมาณไฟฟ้าสำรองของแบตเตอรี่เก็บข้อมูลคือ 10KWh เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้ากระแสตรงของอินเวอร์เตอร์คือ 48V DC ความจุทฤษฎีของแบตเตอรี่สามารถคำนวณได้ดังนี้:
10,000VAh/48V=208Ah
ตามมาตรฐานเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ การตั้งอัตราการคายประจุแบตเตอรี่ที่ 0.5C2 ถือว่าเหมาะสมและประหยัด ซึ่งจะช่วยให้แบตเตอรี่มีรอบการชาร์จและคายประจุที่เหมาะสม และยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากมีแสงสว่างเพียงพอบนทะเลสาบ โฟโตโวลตาอิกจึงจ่ายไฟตรงไปยังเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ในเวลากลางวัน โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการคายประจุซ้ำของแบตเตอรี่ การใช้ไฟฟ้าในเวลากลางคืนจึงน้อยและระยะเวลาคายประจุสั้น ดังนั้นการออกแบบนี้จึงเพิ่มความจุการคายประจุของแบตเตอรี่เป็น 0.6C2 ความจุแบตเตอรี่จริงจึงคำนวณได้ดังนี้:
208Ah/0.6 = 347Ah.
ที่นี่ตั้งความจุแบตเตอรี่เป็น 400Ah รวมความจุทั้งหมดเป็น 48V 400Ah แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดมีขนาด 12V 200Ah ต่อก้อน สี่ก้อนเชื่อมต่อแบบอนุกรม และสี่ก้อนเชื่อมต่อแบบขนาน รวมต้องใช้แบตเตอรี่ทั้งหมด 8 ก้อน
4. กำลังของโมดูลแผงโซลาร์เซลล์
หลังจากคำนวณความจุแบตเตอรี่แล้ว จะคำนวณกำลังของโมดูลแผงโซลาร์เซลล์ ทะเลสาบตั้งอยู่ในพื้นที่ที่มีความเข้มของรังสีแสงอาทิตย์สูง และมีระยะเวลารับแสงแดดยาวนานถึง 6 ชั่วโมง เลือกใช้โมดูลโฟโตโวลตาอิกซิลิคอนผลึกหลายผลึกที่มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นไฟฟ้าสูงถึง 16%
การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์สามารถคำนวณได้จากสมการดังนี้:
กำลังผลิตของระบบ = กำลังของโมดูลแผงโซลาร์เซลล์ × ระยะเวลารับแสงแดด × ค่าสัมประสิทธิ์การรวม
ค่าสัมประสิทธิ์การรวมหมายถึงค่าสูญเสียที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การสูญเสียในสายไฟ และประสิทธิภาพการแปลงของตัวควบคุมการชาร์จแสงอาทิตย์ (หรืออินเวอร์เตอร์) โดยทั่วไปจะตั้งค่าไว้ระหว่าง 0.5 ถึง 0.7 และในกรณีนี้ตั้งไว้ที่ 0.6 ดังนั้นกำลังของโมดูลโฟโตโวลตาอิกจึงคำนวณได้ดังนี้:
48V × 400Ah / (6h × 0.6) = 5333W
สเปคของโมดูลแผงโซลาร์เซลล์ตั้งไว้ที่ 36V 275W ขนาด 1900×980×45 มม. และพื้นที่ 2 ตารางเมตร ทุกสองแผง (72V) เชื่อมต่อแบบอนุกรมเป็นหนึ่งชุด จากนั้นมีสิบชุดเชื่อมต่อแบบขนาน รวมทั้งหมดต้องใช้แผงโซลาร์เซลล์ 20 แผง กำลังไฟรวม 72V 5500W พื้นที่แผงโซลาร์เซลล์ทั้งหมดประมาณ 40 ตารางเมตร
5. กล่องรวมสายป้องกันฟ้าผ่า
กล่องรวมสายโฟโตโวลตาอิกใช้เพื่อลดการเชื่อมต่อระหว่างแผงโซลาร์เซลล์และอินเวอร์เตอร์ ผู้ใช้สามารถเชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์จำนวนหนึ่งที่มีสเปคเดียวกันเข้าด้วยกันเพื่อสร้างแผงโซลาร์เซลล์ จากนั้นเชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์หลายแผงแบบอนุกรมและแบบขนานในกล่องรวมสายโฟโตโวลตาอิก หลังจากรวมสายในกล่องรวมสายแล้ว สามารถส่งออกไปยังอินเวอร์เตอร์ผ่านเบรกเกอร์ DC
ทะเลสาบนี้อยู่ในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่าบ่อย หลังคาแยกและป่าโดยรอบจึงเสี่ยงต่อการถูกฟ้าผ่า ดังนั้นสถานีพลังงานแสงอาทิตย์ต้องให้ความสำคัญกับการป้องกันฟ้าผ่าของอุปกรณ์ การติดตั้งโมดูลป้องกันฟ้าผ่าแรงดันสูง DC สามารถปกป้องความปลอดภัยในการใช้งานของอินเวอร์เตอร์ ตู้จ่ายไฟ AC และอุปกรณ์อื่น ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมกันนั้นไดโอดป้องกันกระแสย้อนกลับกำลังสูงภายในกล่องรวมสายยังช่วยป้องกันการคายประจุย้อนกลับของแบตเตอรี่ไปยังโมดูลและป้องกันไม่ให้โมดูลไหม้เมื่อไม่มีแสงอาทิตย์ในเวลากลางคืน
6. โครงยึดแผงโซลาร์เซลล์และสายไฟ
โครงยึดแผงโซลาร์เซลล์เป็นอุปกรณ์เสริมที่ขาดไม่ได้สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งช่วยยึดโมดูลโฟโตโวลตาอิก ผู้ใช้สามารถติดตั้งโครงยึดเองในสถานที่เพื่อลดค่าใช้จ่าย ยึดโมดูลให้แน่น และป้องกันการเป็นสนิม
สายไฟเป็นสายที่เชื่อมต่อระหว่างโมดูล อินเวอร์เตอร์ และตู้จ่ายไฟ DC ส่วนหนึ่งของสายไฟจะถูกใช้ในที่โล่ง โดยพิจารณาถึงการสัมผัสแสงแดดและฝนเป็นเวลานาน จึงควรเลือกสายไฟที่ทนความร้อนสูง ทนการเกิดออกซิเดชัน และทนรังสียูวี เพื่อรับประกันการทำงานปกติของระบบ สายไฟควรเป็นสายทองแดงเปลือยขนาดใหญ่ มีพื้นที่หน้าตัดใหญ่และความต้านทานต่ำเพื่อลดการลดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากระยะทางไกล ซึ่งถ้าไม่ป้องกันอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้า
สรุปแล้ว กรณีศึกษาข้างต้นเป็นการแนะนำอย่างครบถ้วนเกี่ยวกับการออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบออฟกริด หวังว่าข้อมูลนี้จะเป็นประโยชน์กับคุณ
