วันนี้เราจะแนะนำการออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับบ้านที่มีกำลังต่ำกว่า 10kW ซึ่งติดตั้งบนหลังคาบ้านและเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าแรงดัน 220V หรือ 380V กำลังติดตั้งสูงสุดไม่เกิน 25% ของกำลังไฟฟ้าของหม้อแปลงระดับบน
เลือกสถานที่ติดตั้งที่เหมาะสม
หลังคาบ้านทั่วไปมักใช้โครงสร้างกระเบื้องและโครงสร้างปูนซีเมนต์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องไปตรวจสอบสถานที่ก่อนติดตั้ง เพราะไม่ใช่ทุกหลังคาจะเหมาะสมกับการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์
อันดับแรก ต้องตรวจสอบว่าสามารถรับน้ำหนักหลังคาได้ตามข้อกำหนดหรือไม่ โดยข้อกำหนดการรับน้ำหนักของอุปกรณ์ระบบพลังงานแสงอาทิตย์บนหลังคาคือมากกว่า 30 กก./ตร.ม. โดยทั่วไปบ้านที่สร้างด้วยโครงสร้างปูนซีเมนต์ในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา สามารถรองรับได้ตามข้อกำหนด ส่วนบ้านที่สร้างด้วยโครงสร้างอิฐเมื่อ 10 ปีที่แล้วควรตรวจสอบอย่างละเอียด
อันดับที่สอง ต้องตรวจสอบว่ามีเงาบังในบริเวณใกล้เคียงหรือไม่ เพราะแม้เงาบังเล็กน้อยก็ส่งผลต่อกำลังผลิตไฟฟ้า เช่น เครื่องทำน้ำอุ่น เสาไฟฟ้า ต้นไม้สูง เป็นต้น นอกจากนี้ หากมีฝุ่นละอองจากถนนหรือบ้านใกล้เคียง แผงโซลาร์เซลล์อาจสกปรกและส่งผลต่อกำลังผลิตไฟฟ้า
สุดท้าย ต้องตรวจสอบทิศทางและมุมเอียงของหลังคา เมื่อแผงโซลาร์เซลล์หันไปทางทิศใต้และมีมุมเอียงที่เหมาะสมที่สุด จะให้กำลังผลิตไฟฟ้าสูงสุด หากหันไปทางทิศเหนือ จะสูญเสียกำลังผลิตไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก
เลือกแผงโซลาร์เซลล์ที่เหมาะสม
แผงโซลาร์เซลล์มี 3 ประเภท ได้แก่ โพลีซิลิคอน โมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอน และฟิล์มบาง แต่ละประเภทมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ประสิทธิภาพของระบบโซลาร์เซลล์ขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าระบุของแผงโซลาร์เซลล์เท่านั้น และไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงกับประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์ แผงโซลาร์เซลล์มีเซลล์ 2 แบบ คือ 60 เซลล์และ 72 เซลล์ ระบบโซลาร์เซลล์แบบเชื่อมต่อกริดสำหรับบ้านมักมีขนาดเล็กและติดตั้งยาก จึงแนะนำให้ใช้แผงโซลาร์เซลล์แบบ 60 เซลล์ ซึ่งมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และติดตั้งง่าย
เลือกขาตั้งแผงโซลาร์เซลล์ที่เหมาะสม
ตามสภาพหลังคา สามารถเลือกขาตั้งอลูมิเนียม ขาตั้งเหล็กรูปตัว C ขาตั้งสแตนเลส และขาตั้งอื่น ๆ นอกจากนี้ หลังจากพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความแข็งแรงของขาตั้งแผงโซลาร์เซลล์ ต้นทุนระบบพลังงานแสงอาทิตย์ และการใช้พื้นที่หลังคา ควรลดมุมเอียงของแผงโซลาร์เซลล์ให้น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อลดพื้นที่รับลม เพิ่มความแข็งแรงของขาตั้ง และลดต้นทุนขาตั้ง โดยไม่ลดกำลังผลิตไฟฟ้าของระบบอย่างมีนัยสำคัญ (ลดไม่เกิน 1%)
การรั่วซึมเป็นปัญหาที่ต้องให้ความสำคัญในระหว่างการติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ระบบโซลาร์เซลล์จะปลอดภัยหากมีประสิทธิภาพกันน้ำที่ดี ขาตั้งโซลาร์เซลล์ติดตั้งบนหลังคาเพื่อรองรับแผงและเชื่อมต่อกับหลังคา การออกแบบใช้วิธีติดตั้งแบบ top-top ซึ่งไม่เจาะหรือทำลายชั้นกันน้ำเดิมของหลังคา แผ่นกดใช้โครงสร้างสำเร็จรูป ไม่ต้องเทปูนในที่ติดตั้ง และหลีกเลี่ยงการทำลายชั้นกันน้ำของหลังคาโดยการติดตั้งขาตั้งแผงโซลาร์เซลล์
การออกแบบการเชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์แบบอนุกรม-ขนาน
ในระบบโซลาร์เซลล์แบบเชื่อมต่อกริดนี้ เซลล์แสงอาทิตย์จะเชื่อมต่อแบบอนุกรมเพื่อสร้างสายสตริง การเชื่อมต่อแบบอนุกรมใช้เพื่อเพิ่มช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจากแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงไปยังอินเวอร์เตอร์ ต้องมั่นใจว่าเซลล์แสงอาทิตย์ไม่เกินช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของอินเวอร์เตอร์ภายใต้สภาวะแสงอาทิตย์และอุณหภูมิแวดล้อมต่าง ๆ
แรงดันไฟฟ้าทำงานจะอยู่รอบ ๆ แรงดันไฟฟ้าทำงานที่ระบุของอินเวอร์เตอร์ ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงสุด อินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว 220V มีแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ระบุ 360V อินเวอร์เตอร์แบบสามเฟส 380V มีแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ระบุ 650V สำหรับอินเวอร์เตอร์ 3000W หากติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ 260W ที่มีแรงดันไฟฟ้าทำงาน 30.5V จำนวน 12 แผง แรงดันไฟฟ้าทำงานรวมจะเป็น 366V และกำลังไฟฟ้ารวม 3.12kW ซึ่งเป็นค่าที่ดีที่สุด อินเวอร์เตอร์ 10kW ติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ 260W จำนวน 40 แผง แบ่งเป็น 20 สายสตริงต่อสาย แรงดันไฟฟ้าจะเป็น 610V และกำลังไฟฟ้ารวม 10.4kW ซึ่งเป็นค่าที่ดีที่สุด
การเลือกสายไฟ
ในระบบพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับบ้าน แนะนำให้ใช้สายไฟทองแดง เนื่องจากข้อต่อ MC4 ของแผงโซลาร์เซลล์ ขั้วต่อสายไฟขาออกของอินเวอร์เตอร์ และขั้วต่อสายไฟของสวิตช์เชื่อมต่อกริดทำจากแกนทองแดง หากใช้สายอลูมิเนียมและเชื่อมต่อกับสายทองแดงโดยตรง จะเกิดแบตเตอรี่เคมีชนิดหนึ่ง คือการกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมี ซึ่งจะทำให้การเชื่อมต่อระหว่างทองแดงและอลูมิเนียมไม่ดี เพิ่มความต้านทานการเชื่อมต่อ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ส่วนที่เชื่อมต่อจะร้อนขึ้น เร่งการกัดกร่อนและเพิ่มความต้านทานการเชื่อมต่อจนเกิดวงจรอุบาทว์และอาจไหม้ได้ ขั้วต่อขาออกของ อินเวอร์เตอร์โซลาร์เซลล์ ก็ทำจากทองแดงเช่นกัน หากใช้สายอลูมิเนียม ควรมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น เช่น สำหรับอินเวอร์เตอร์ 30kW ออกแบบให้ใช้สายทองแดงขนาด 10 มม.2 หรือสายอลูมิเนียมขนาด 16 มม.2 หากขนาดสายไฟเพิ่มขึ้น และขั้วต่อสายกันน้ำมีพื้นที่จำกัด อาจไม่สามารถรองรับได้ นอกจากนี้ยังควรเลือกสายทองแดงแบบ BVR ที่มีหลายเส้นยืดหยุ่น แทนสายทองแดงแข็งแบบ BV เพราะสายแข็งมักมีการเชื่อมต่อไม่ดี และบริเวณที่มีการดัดสายจะมีแรงกดดัน ทำให้สกรูคลายและการเชื่อมต่อไม่ดีได้ง่าย
แผนการออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วไปสำหรับบ้าน
สำหรับระบบโซลาร์เซลล์ในบ้านทั่วไป ระบบแบบเฟสเดียวมักมีขนาด 3kW ถึง 8kW และแบบสามเฟสมักมีขนาด 4kW ถึง 10kW หากเป็นไปได้ แนะนำให้ใช้ระบบโซลาร์เซลล์แบบเชื่อมต่อกริดสามเฟส เพราะภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ระบบโซลาร์เซลล์แบบสามเฟสมีการลงทุนต่ำกว่าและกำลังผลิตสูงกว่าระบบแบบเฟสเดียว เช่น สำหรับระบบโซลาร์เซลล์เชื่อมต่อกริด 10kW หากเชื่อมต่อกับกริดแบบเฟสเดียว จะต้องใช้อินเวอร์เตอร์เชื่อมต่อกริด 2 ตัว แผงโซลาร์เซลล์ 4 สายสตริงสำหรับขาเข้ากระแสตรง สายไฟ DC 8 เส้น และสวิตช์ AC 2 ตัว แต่ถ้าเชื่อมต่อกับกริดไฟฟ้าแบบสามเฟส จะต้องใช้อินเวอร์เตอร์เชื่อมต่อกริด 1 ตัว แผงโซลาร์เซลล์ 2 สายสตริงสำหรับขาเข้ากระแสตรง สายไฟ DC 4 เส้น และสวิตช์ AC 1 ตัว ระบบโซลาร์เซลล์ที่เชื่อมต่อกริดแบบสามเฟสมีค่ากระแสไฟฟ้าต่ำกว่า การสูญเสียต่ำกว่า และประสิทธิภาพสูงกว่าระบบที่เชื่อมต่อกริดแบบเฟสเดียว ระบบโซลาร์เซลล์เชื่อมต่อกริดสามเฟสมีผลกระทบต่อระบบไฟฟ้าน้อยกว่า และจะไม่หยุดทำงานเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเชื่อมต่อกริดสูงขึ้น
ตัวอย่างนี้เป็นแผนการออกแบบระบบโซลาร์เซลล์เชื่อมต่อกริด 3000W สำหรับบ้านอย่างย่อ
การออกแบบต้องการพื้นที่หลังคาประมาณ 30 ม.2 ใช้แผงโซลาร์เซลล์ 265W จำนวน 12 แผง กำลังไฟฟ้ารวม 3.18KW ระบบโซลาร์เซลล์ใช้ชุดอินเวอร์เตอร์โซลาร์เซลล์ 3000W เชื่อมต่อกับกริดไฟฟ้า 220V เข้ากับตู้จ่ายไฟภายในบ้านเดิม จากนั้นเชื่อมต่อกับระบบจ่ายไฟแรงดันต่ำภายในบ้านผ่านวงจร 220V ก่อนส่งไปยังแหล่งจ่ายไฟหลัก
แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงสุดของอินเวอร์เตอร์ (แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดสูงสุดของแผง) คือ 550V ช่วงแรงดันไฟฟ้าติดตามจุดพลังงานสูงสุดคือ 70~550V และจำนวนช่อง MPPT คือ 1 ช่องต่อ 1 กริด แรงดันไฟฟ้าทำงานที่ระบุของแต่ละโมดูลแผงโซลาร์เซลล์คือ 30.8V และแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดคือ 38.3V ภายใต้สภาวะทำงานที่ระบุที่อุณหภูมิแวดล้อม 25±2℃ และรังสีแสงอาทิตย์ 1000W/m2 แรงดันไฟฟ้าทำงานของสายสตริง 12 แผงคือ 369.6V และแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดคือ 459.6V ซึ่งอยู่ในช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่อนุญาตของอินเวอร์เตอร์ ดังนั้นจึงสามารถทำงานได้ตามปกติ
ในสภาวะการทำงานที่เปลี่ยนแปลง โดยพิจารณาอุณหภูมิแวดล้อมเฉลี่ยต่ำสุดที่ -10℃ แรงดันไฟฟ้าทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ที่จุดพลังงานสูงสุดคือ 12 × 30.8 × (0.35% × 35 + 1) = 415V ซึ่งตรงตามข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของจุด MPPT ที่โหลดเต็มสูงสุด 550V เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเฉลี่ยสูงสุดที่ 42℃ แรงดันไฟฟ้าทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ที่จุดพลังงานสูงสุดคือ 12 × 31.2 × (-0.35% × 17 + 1) = 352.1V ซึ่งตรงตามข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของจุด MPPT ที่โหลดเต็มต่ำสุด 70V
ดูตารางด้านล่างสำหรับการกำหนดค่าพื้นฐานของระบบพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับบ้านนี้
