วิธีการออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริด

ปัจจุบันยังมีผู้คนจำนวนมากที่อาศัยอยู่ในพื้นที่ยากจนหรือพื้นที่ห่างไกล ซึ่งอยู่ไกลจากโรงไฟฟ้าและโครงข่ายไฟฟ้าสาธารณะ เนื่องจากขาดแคลนไฟฟ้าหรือแม้แต่ไม่มีไฟฟ้าเลย พวกเขาจึงไม่สามารถเพลิดเพลินกับข้อมูลข่าวสารและความสะดวกสบายที่อารยธรรมสมัยใหม่มอบให้ได้ ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริดเป็นระบบจ่ายพลังงานหมุนเวียนที่เป็นอิสระและพึ่งพาตนเอง ซึ่งสามารถแก้ไขความต้องการใช้ไฟฟ้าพื้นฐานของพวกเขาได้

ระบบโซลาร์เซลล์ออฟกริดทั่วไปประกอบด้วยหกส่วน ได้แก่ แผงโซลาร์เซลล์, ขาตั้ง, ตัวควบคุมการชาร์จโซลาร์เซลล์, อินเวอร์เตอร์ออฟกริด, แบตเตอรี่ และกล่องจ่ายไฟ เซลล์แสงอาทิตย์จะเชื่อมต่อกับตัวควบคุมการชาร์จโซลาร์เซลล์ ซึ่งจะผลิตพลังงานเพื่อใช้ในชีวิตประจำวันของผู้ใช้ก่อน จากนั้นพลังงานส่วนเกินจะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่เพื่อใช้งานในเวลากลางคืนและในวันที่มีเมฆมากหรือฝนตก เมื่อพลังงานในแบตเตอรี่หมด อินเวอร์เตอร์ส่วนใหญ่สามารถรองรับการป้อนพลังงานจากไฟฟ้าสาธารณะ (หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล) เป็นแหล่งพลังงานเสริมสำหรับโหลดได้

การออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริดแตกต่างจากระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบเชื่อมต่อโครงข่าย ระบบออฟกริดต้องพิจารณาปัจจัยหลายอย่าง เช่น โหลด ปริมาณการใช้ไฟฟ้ารายวัน และสภาพภูมิอากาศท้องถิ่น เป็นต้น เพื่อเลือกแผนการออกแบบที่แตกต่างกันตามความต้องการใช้งานจริงของลูกค้า ดังนั้นระบบโซลาร์เซลล์ออฟกริดจึงมีความซับซ้อนมากกว่า

ทำความเข้าใจว่าคุณต้องการพลังงานโหลดเท่าไร

เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือของระบบโซลาร์เซลล์ออฟกริด จำเป็นต้องสำรวจความต้องการใช้ไฟฟ้าของลูกค้าอย่างละเอียด นั่นคือ คุณควรทราบว่าคุณต้องการพลังงานเท่าไร รวมถึงกำลังไฟฟ้าของเครื่องใช้หรืออุปกรณ์ทั้งหมด เวลาการใช้งาน และการใช้ไฟฟ้ารายวัน (เช่น รวมทั้งหมดกี่กิโลวัตต์ชั่วโมง) หลังจากนั้น การออกแบบระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริดจะขึ้นอยู่กับข้อมูลเหล่านี้เป็นหลัก รวมถึงการเลือกอินเวอร์เตอร์โซลาร์ การคำนวณความจุแผงโซลาร์เซลล์ และการคำนวณความจุแบตเตอรี่

การเลือกอินเวอร์เตอร์โซลาร์

กำลังไฟฟ้าของ อินเวอร์เตอร์โซลาร์ ที่เลือกควรมีขนาดไม่ต่ำกว่ากำลังไฟฟ้ารวมของโหลด อย่างไรก็ตาม เพื่อพิจารณาอายุการใช้งานและการขยายกำลังในอนาคต ควรเผื่อความปลอดภัยสำหรับกำลังไฟของอินเวอร์เตอร์ไว้ประมาณ 1.2 ถึง 1.5 เท่าของกำลังไฟโหลด

นอกจากนี้ หากโหลดประกอบด้วยเครื่องใช้ที่ไวต่อไฟฟ้า เช่น ตู้เย็น เครื่องปรับอากาศ ปั๊มน้ำ และพัดลมดูดควันที่มีมอเตอร์ไฟฟ้า (กำลังไฟเริ่มต้นของมอเตอร์ไฟฟ้าจะสูงกว่ากำลังไฟที่ระบุไว้ 3 ถึง 5 เท่า) กำลังไฟเริ่มต้นของโหลดเหล่านี้ก็ต้องนำมาพิจารณาด้วย กล่าวคือ กำลังไฟเริ่มต้นของโหลดเหล่านี้ต้องน้อยกว่ากำลังไฟสูงสุดที่อินเวอร์เตอร์สามารถรองรับได้

ด้านล่างนี้เป็นสูตรสำหรับการเลือกกำลังไฟของอินเวอร์เตอร์โซลาร์ ซึ่งใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงในการออกแบบ

กำลังไฟของอินเวอร์เตอร์ = (กำลังไฟของโหลด * ตัวคูณเผื่อ) / ตัวคูณกำลังไฟของอินเวอร์เตอร์

การคำนวณความจุแผงโซลาร์เซลล์

พลังงานที่ผลิตโดยแผงโซลาร์เซลล์ในเวลากลางวันจะถูกใช้บางส่วนสำหรับโหลด และส่วนที่เหลือจะถูกใช้ชาร์จแบตเตอรี่ เมื่อถึงเวลากลางคืนหรือเมื่อแสงแดดไม่เพียงพอ ไฟฟ้าที่เก็บไว้ในแบตเตอรี่จะถูกจ่ายให้โหลด ดังนั้นไฟฟ้าทั้งหมดที่โหลดใช้จะมาจากพลังงานที่ผลิตโดยแผงโซลาร์เซลล์ในเวลากลางวัน เมื่อไม่มีไฟฟ้าจากโครงข่ายหรือเมื่อเครื่องยนต์ดีเซลทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานเสริม โดยพิจารณาความแตกต่างของความเข้มแสงในแต่ละฤดูกาลและแต่ละภูมิภาค การออกแบบความจุของแผงโซลาร์เซลล์ควรสามารถตอบสนองความต้องการได้แม้ในฤดูที่มีแสงแดดน้อยที่สุด เพื่อให้ระบบโซลาร์ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ ด้านล่างนี้เป็นสูตรสำหรับการคำนวณความจุแผงโซลาร์เซลล์:

กำลังไฟของแผงโซลาร์เซลล์ = (การใช้ไฟฟ้ารายวันของโหลด * ตัวคูณเผื่อ) / (ชั่วโมงแสงแดดสูงสุดของเดือนที่แย่ที่สุด * ประสิทธิภาพของระบบ)

การคำนวณความจุแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริดมีหน้าที่เก็บพลังงานและทำให้โหลดทำงานได้ตามปกติเมื่อแสงแดดไม่เพียงพอ สำหรับระบบโซลาร์เซลล์ออฟกริดที่ใช้กับอุปกรณ์สำคัญ การออกแบบความจุแบตเตอรี่ควรพิจารณาจำนวนวันที่มีเมฆมากและฝนตกติดต่อกันนานที่สุดในพื้นที่นั้น ๆ ระบบโซลาร์เซลล์ออฟกริดทั่วไปไม่มีความต้องการสูงขนาดนั้น และเพื่อคำนึงถึงต้นทุนของระบบ จำนวนวันที่มีเมฆและฝนตกอาจไม่ต้องนำมาพิจารณา และสามารถปรับการใช้โหลดตามความเข้มของแสงแดดจริงได้

นอกจากนี้ ระบบโซลาร์เซลล์ออฟกริดส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ตะกั่วกรด ซึ่งมีระดับการปล่อยประจุ (depth of discharge) อยู่ระหว่าง 0.5 ถึง 0.7 ความจุแบตเตอรี่ที่เลือกสามารถอ้างอิงจากสูตรดังนี้:

ความจุแบตเตอรี่ = (การใช้ไฟฟ้ารายวัน × จำนวนวันที่ฝนตกและเมฆมากติดต่อกัน) / ระดับการปล่อยประจุของแบตเตอรี่

การเลือกตัวควบคุมการชาร์จโซลาร์

ตัวควบคุมการชาร์จโซลาร์เป็นอุปกรณ์ที่จัดการการชาร์จและการปล่อยพลังงานจากแผงโซลาร์เซลล์ไปยังแบตเตอรี่ ปัจจัยสำคัญสองประการในการเลือกตัวควบคุมการชาร์จที่เหมาะสมคือ แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดและกระแสไฟฟ้าที่กำหนด แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของตัวควบคุมการชาร์จต้องสอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานของแบตเตอรี่ในระบบโซลาร์ ส่วนกระแสไฟฟ้าที่กำหนดสามารถคำนวณคร่าว ๆ ได้จากกำลังไฟของแผงโซลาร์เซลล์หารด้วยแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ และควรเผื่อความปลอดภัยเพิ่มอีก 25%

นอกจากนี้ ยังมีตัวควบคุมการชาร์จโซลาร์สองประเภทในตลาด คือ PWM และ MPPT โดยทั่วไป ตัวควบคุมการชาร์จแบบ PWM มีราคาต่ำกว่า MPPT และเหมาะกับระบบอินเวอร์เตอร์โซลาร์ขนาดเล็ก แต่ตัวควบคุมการชาร์จแบบ MPPT มีความคุ้มค่ามากกว่าเนื่องจากมีข้อได้เปรียบเฉพาะตัว สามารถเลือกใช้ตามแผนการออกแบบเฉพาะ

แผนการออกแบบตัวอย่างสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ออฟกริดขนาด 10kVA

พื้นหลังโครงการ: ออกแบบระบบโซลาร์เซลล์ออฟกริดสำหรับโรงเรียนเพื่อให้เพียงพอต่อการใช้ไฟฟ้ารายวัน

1. การสำรวจความต้องการใช้ไฟฟ้า

ควรทำการสำรวจความต้องการของลูกค้าในช่วงเริ่มต้นของแผนการออกแบบ ข้อมูลเกี่ยวกับการใช้พลังงานของโหลดต้องแม่นยำ รายละเอียดเพิ่มเติมดังนี้:

2. การเลือกอินเวอร์เตอร์โซลาร์

โหลดของลูกค้าหลัก ๆ ได้แก่ ไฟส่องสว่างในห้องเรียน พัดลมในห้องเรียน ไฟส่องสว่างในที่สาธารณะ ไฟติดผนัง ระบบกระจายเสียง เป็นต้น กำลังไฟรวมของโหลดคือ 6.84 กิโลวัตต์ และกำลังไฟของอินเวอร์เตอร์โซลาร์ควรไม่ต่ำกว่า 9.8kVA ตามความต้องการเหล่านี้ สามารถเลือกอินเวอร์เตอร์โซลาร์ขนาด 10kVA พร้อมตัวควบคุมการชาร์จ MPPT ซึ่งทำหน้าที่เป็นอินเวอร์เตอร์และตัวควบคุมการชาร์จในเครื่องเดียวกัน

3. การคำนวณความจุแผงโซลาร์เซลล์

จากการสำรวจความต้องการของลูกค้า พบว่าโรงเรียนมีการใช้ไฟฟ้าเฉลี่ยรายวันประมาณ 61.5kWh สภาพแสงแดดในพื้นที่เอื้ออำนวย สามารถคำนวณระยะเวลารับแสงแดดรายวันได้ 4.23 ชั่วโมง แผงโซลาร์เซลล์ถูกตั้งค่าเผื่อไว้ 1.1 เท่า ในการออกแบบนี้ใช้แผงโซลาร์เซลล์โพลีคริสตัลไลน์ขนาด 270W จำนวน 88 แผง รวมกำลังไฟ 23.76kW และผลิตไฟฟ้าเฉลี่ยรายวัน 100.5kWh ประสิทธิภาพของระบบโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 0.8 ดังนั้นการใช้ไฟฟ้ารายวันจึงอยู่ที่ 80kWh

4. การคำนวณความจุแบตเตอรี่

ไฟส่องสว่างของโรงเรียนมักใช้ในเวลากลางคืน โดยพิจารณาอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ความจุแบตเตอรี่ควรเพิ่มขึ้นเล็กน้อย และเวลาสำรองแบตเตอรี่ต้องเป็นสองวันตามที่ลูกค้าร้องขอ ระดับการปล่อยประจุของแบตเตอรี่ตั้งไว้ที่ 0.7 โครงการนี้ใช้แบตเตอรี่เจลขนาด 1000AH/2V จำนวน 110 เซลล์ต่ออนุกรม รวมความจุประมาณ 220,000VAH และปริมาณไฟฟ้าที่ใช้ได้ประมาณ 154kWh ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการไฟฟ้าสำรองเป็นเวลาสองวันได้