نقش باتری و اینورتر در سیستم های تولید انرژی خورشیدی

پنل های خورشیدی انرژی خورشید را به الکتریسیته مفید تبدیل می کنند.

شواهدی وجود دارد که نشان می دهد ما احتمالاً آخرین نسلی هستیم که از سوخت های فسیلی استفاده می کنیم. سرمایه گذاری های اخیر انجام شده در منابع انرژی تجدید پذیر مانند باد، پنل خورشیدی و زیست توده، سرعت جایگزینی سوخت فسیلی را افزایش داده است. طبق بسیاری از آمارهای مصرف انرژی، منابع تجدیدپذیر دارای سریع ترین رشد منبع انرژی برای تولید برق هستند.

دو دلیل اصلی برای سرمایه گذاری در انرژی های تجدید پذیر (موسوم به سبز) وجود دارد. اول اینکه سوخت های فسیلی بصورت محدود هستند و در نهایت از بین می روند. دوم و مهم تر از آن اینکه انتشار سوخت های فسیلی مانند دی اکسید کربن باعث افزایش دمای کره زمین شده و به اکوسیستم ما آسیب می رساند.

انرژی سبز انرژی آینده است، بنابراین مهم است که با اصول کار سیستم های انرژی تجدید پذیر آشنا شوید. ویژگی اصلی این سیستم ها باتری است. در این مقاله، در مورد مشخصات باتری ها و اینورتر های مورد استفاده در سیستم های انرژی تجدیدپذیر، به ویژه آن هایی که برای انرژی خورشیدی استفاده می شوند، بحث خواهیم کرد.

انرژی خورشیدی و چگونگی تبدیل آن به برق

خورشید تقریباً منبع تمام انرژی موجود در زمین است. انرژی خورشیدی از همجوشی هسته ای در هسته خورشید تولید می شود، جایی که هیدروژن در هلیوم گداخت می شود. این فرآیند مقدار زیادی از انرژی را به صورت نور و گرما آزاد می کند و مقدار کمی از این انرژی به سطح زمین برخورد می کند حداکثر تا 1 کیلو وات در مترمربع، هرچند مقدار واقعی این انرژی به محل، فصل، شرایط آب و هوایی و سایر عوامل بستگی دارد.

اگر بتوانیم انرژی خورشیدی را که تقریباً نامحدود است جمع آوری کرده و آنرا به شکل مناسب تبدیل کنیم می توان به سه طریق زیر از آن بهره برد:

• کلکتور حرارتی خورشیدی: نور خورشید را برای جمع آوری گرما جذب می کند.
• سلول فتوولتائیک (PV) : نور خورشید را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.
• انرژی خورشیدی متمرکز شده: از آینه ها برای تمرکز بخش بزرگی از نور خورشید بر روی ناحیه ای کوچک استفاده می کند.

سه بخش اصلی در سیستم انرژی خورشیدی وجود دارد: پنل های خورشیدی، کنترل کننده های شارژ خورشیدی و سیستم ذخیره سازی اینورتر و باتری.

مهندسان سیستم های انرژی خورشیدی باید پارامترهای زیر را در نظر بگیرند: حداکثر توان سلول PV ، شدت نور خورشید، زاویه تابش نور خورشید (زاویه شیب پنل PV) و مقدار ساعات آفتابی (به طور کلی توسط مقدار ساعتی که خورشید در روز در آسمان دیده می شود محاسبه می گردد).

 
 
 
همچنین بخوانید: دانلود کتاب روش های مختلف تولید انرژی
 
 
 

باتری چگونه کار می کند؟

باتری یک منبع انرژی قابل حمل است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. به عبارت ساده ، باتری ها شامل سه بخش اساسی هستند: الکترود، الکترولیت و یک تفکیک کننده. همیشه یک الکترود در یک باتری وجود دارد: کاتد به انتهای مثبت وصل می شود، در حالی که آند به انتهای منفی وصل می شود. هنگامی که باتری یک بار الکتریکی را شارژ می کند، تخلیه می شود و جریان از کاتد به آند می رود. هنگامی که باتری شارژ می شود، جریان از آند به کاتد جاری می شود.

الکترودها در یک الکترولیت غوطه ور می شوند. الکترولیت یک ماده مایع یا ژل مانند است که حاوی یونهای دارای بار الکتریکی است که با الکترودها واکنش نشان می دهند. این فرایند شیمیایی باعث می شود که باتری تولید برق نماید. تفکیک کننده از نظر فیزیکی الکترودها را جدا می کند. بدون آن، الکترودها با هم تماس پیدا کرده و اتصال کوتاه می شوند و باتری را از بین می برند.

قسمت های اصلی باتری: کاتد، آند، الکترولیت و تفکیک کننده.

باتری ها به صورت جریان مستقیم (DC) برق را تأمین می کنند، اما برای دستیابی به جریان متناوب (AC) می توان از اینورتر استفاده کرد. مهم ترین پارامترهای هر باتری عبارتند از:

• ولتاژ سلول اسمی
• ظرفیت اسمی
• نوع باتری
• تعداد سلول ها در رشته باتری

یک رشته باتری در یک پست فرعی

ظرفیت باتری نشان می دهد که چه مقدار انرژی می تواند در باتری ذخیره گردد، که می تواند بصورت آمپر ساعت (Ah) اندازه گیری شود. این اندازه گیری می تواند تقریبی از میزان جریانی که یک باتری در یک ساعت تامین کند، ارائه دهد.

در صورت نیاز به تعریف دقیق تر، باید ولتاژ باتری در نظر گرفته شود ، زیرا ولتاژ در هنگام تخلیه کاهش می یابد. کل انرژی یک باتری می توان بصورت وات ساعت (Wh)، که به شرح زیر محاسبه می شود، به دست آورد:

که در آن E انرژی بصورت Wh است، V_avg ولتاژ متوسط در طول چرخه تخلیه و C ظرفیت باتری به صورت Ah است. شگفت آور است که در حال حاضر باتری هایی با ظرفیت های حداکثر Ah  3000در بازار موجود هستند.

انواع باتری مختلف

باتری ها بطور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: معمولی (غیر قابل شارژ) و قابل شارژ. در این مقاله تمرکز بر باتری های قابل شارژ مورد استفاده در سیستم های انرژی تجدیدپذیر است. در این نوع باتری، واکنش شیمیایی قابل برگشت است و امکان تخلیه و شارژ مجدد را فراهم می آورد. سه نوع اصلی باتری قابل شارژ وجود دارد: اسید سرب، نیکل-کادمیوم (NiCd) و یون – لیتیوم.

انواع باتری های قابل شارژ.

باتری های اسید سرب طراحی شده به صورت غوطه ور در اسید (تر) یا تنظیم شده با شیر(VRLA) ،  با ولتاژ سلول اسمی 2 یا 12 ولت تولید می شوند.  سلول های باتری نیکل – کادمیوم ولتاژ اسمی 1.2 ولت دارند. سرانجام، ولتاژ اسمی باتری های لیتیوم یونی بسته به شیمی سلول می تواند از 3/3 تا 7/3 ولت متغیر باشد.

طول عمر یک باتری

تخمین اینکه یک باتری معین چه مدت دوام داشته باشد، تقریباً غیرممکن است، زیرا بسیاری از عوامل بر چرخه عمر باتری مؤثر هستند. این موارد شامل نوع باتری، تعداد چرخه شارژ / شارژ مجدد ، شرایط کار مانند دما، چگونگی تخلیه کامل باتری از جمله سایر موارد است.

اگر همه سیستم های باتری به درستی مدیریت شوند ، باتری پس از مصرف تمام مواد فعال یا از بین رفتن شبکه های مثبت به دلیل خوردگی، که در طول عمر باتری رخ می دهد، از بین می رود. عدم پیروی از دستورالعمل های مدیریت سیستم و طراحی مناسب تقریباً همیشه نارسایی زود هنگام سیستم باتری را تضمین می کند. هشت روش جهت از بین بردن باتری وجود دارد:

• شارژ بیش از حد
• تخلیه بیش از حد
• میزان شارژ بیش از حد
• میزان تخلیه بیش از حد
• تعدیل نامناسب
• محیط کاربری خیلی گرم یا سرد
• مدت انبار کردن طولانی
• باتری نامناسب برای یک کاربرد خاص

استفاده از انرژی خورشیدی در شب

انرژی خورشیدی در طول روز در دسترس است، اما انرژی در طول شب نیز لازم است. این امر باعث می شود باتری ها به بخش مهمی از سیستم انرژی خورشیدی تبدیل شوند، زیرا آنها می توانند انرژی الکتریکی ثابت را در صورت وجود یا عدم وجود منبع انرژی تولید نمایند. دارندگان سیستم انرژی خورشیدی به یک باتری قابل اعتماد و با طول عمر طولانی احتیاج دارند.

پیدا کردن یک باتری که تمام این نیازها را برآورده کند کار دشواری است. باتری های موجود در سیستم های انرژی خورشیدی به دلیل چرخه شارژ / تخلیه زیاد که در طول روز و شب اتفاق می افتد نیاز به طول عمر بالایی دارند. از آنجایی که باتری باید در طی ساعات شبانه روز برق وسایل را تأمین کند، باید از ظرفیت بالایی برخوردار باشد و هنگام تخلیه عمیق قادر به کار بدون آسیب باشد (این به عنوان قابلیت ذخیره چرخه عمیق شناخته می شود).

یک باتری خوب برای سیستم های انرژی خورشیدی چه خصوصیاتی دارد؟

قابلیت ذخیره چرخه عمیق یک ویژگی اجباری برای باتری ها در یک سیستم انرژی خورشیدی است. باتری های اسید سرب این ویژگی را دارند، زیرا می توانند بدون هیچ گونه پیامدی تا 80 درصد از کل ظرفیت خود را تخلیه کنند. باتری های اسید سرب غوطه ور شایع ترین باتری های مورد استفاده در سیستم های خورشیدی هستند، زیرا گذشته از این طول عمر بالایی نیز دارند و مقرون به صرفه هستند.

اشکال باتری های اسید سرب غوطه ور نگهداری دشوار آن ها است، این یک اشکال مسلم است زیرا نیروگاه های  خورشیدی به طور معمول در نواحی نصب می شوند که دسترسی به آنها دشوار است. الکترولیت باتریهای اسید سرب غوطه ور تبخیر می شود، لذا نیاز هست تا این باتری ها باید دوباره پر شوند.

همچنین آنها باید سیستم خروج گاز داشته باشند تا از تجمع گاز هیدروژن به میزان خطرناک جلوگیری شود ، بنابراین ایستگاه باتری نیاز به تهویه دارد. مشکل دیگر باطری های اسید سرب غوطه ور انهدام آنها به دلیل سمی بودن است. خوشبختانه به دلیل توسعه باتری در صنعت خودرو ، اکنون امکان بازیافت این باتری ها وجود دارد.

باتری VRLA

باتری های VRLA  الکترولیت ژله ای به جای الکترولیت مایع از ژل سیلیکا استفاده می کنند. این باتری ها هزینه نگهداری بسیار کمی دارند. با این حال، از آنجا که بسیار گران هستند و از ظرفیت کمتری نسبت به سایر انواع باتری برخوردارند ، VRLA های الکترولیت ژله ای در کاربردهای خورشیدی متداول نیستند.

باتری های VRLA با حصیر شیشه ای جذب شده (AGM) ضمن اینکه معایب بقیه باتری های VRLA را ندارد، مزایای باتری های VRLA  الکترولیت ژله ای را نیز دارا می باشد. به عنوان الکترولیت، آنها به جای ژل از حصیر شیشه ای بورون سیلیکات فیبر نازک استفاده می کنند، بنابراین حتی در صورت شکسته شدن نمی توان آنها را ریخت.

میزان خود تخلیه در آنها حتی بهتر از باتری های اسید سرب است و همچنین در مقابل تغییرات دما مقاومت بهتری دارند. با این حال، یک نقطه ضعف آشکار آنها این است که باتری های AGM دو تا سه برابر گران تر از باتری های اسید سرب هستند.

سایر انواع باتری ها

باتری های نیکل – کادمیوم برای استفاده در سیستم های انرژی خورشیدی متداول نیستند. در سال های اخیر، صنعت اتومبیل برقی روی باتری های لیتیوم یونی تمرکز کرده و سرمایه گذاری زیادی در توسعه آنها داشته است. بنابراین، باتری های لیتیوم یونی به طور فزاینده ای در کاربردهای انرژی های تجدید پذیر محبوبیت پیدا کرده است. این باتری ها کیفیت خوبی داشته و طول عمر بالایی دارند (تقریباً پنج سال).

باتری های لیتیوم یون رایج ترین فناوری ذخیره انرژی هستند که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد. اما این باتری ها برای استفاده در سیستم های انرژی تجدیدپذیر اشکالاتی دارند. از آن جمله راندمان های پایین تر، میزان خود تخلیه بالاتر و تحمل دمای بدتر نسبت به باتری های اسید سرب هستند. علاوه بر این، آنها هم گران هستند.

در حال حاضر، باتری های اسید سرب غوطه ور متداولترین باتریهایی هستند که برای کاربردهای انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرند و احتمالاً تا چند سال آینده در این فضا غالب خواهند بود.

همچنین بخوانید: سیستم مدیریت باتری و تکامل آن

طراحی اینورتر

اکثر دستگاه های برقی از ولتاژ AC استفاده می کنند، بنابراین اینورترها برای تبدیل برق DC به AC قابل استفاده به کار می روند.

اجزای اصلی اینورترها عناصر سوئیچینگ هستند که دو مسیر متناوب را برای گردش جریان بار فراهم می کنند. عناصر سوئیچینگ پیوسته سوئیچ می شوند و جهت جریان را در هر ترتیب سویچینگ بطور متناوب تعویص می کنند. سوئیچ های نیمه هادی (در درجه اول ترانزیستور) معمولاً به عنوان عنصر سوئیچینگ استفاده می شوند. در عمل، ترانزیستورهای MOSFET با توان خروجی حداکثر 5 کیلو وات به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. در صورت نیاز به توان بیشتر، از ترانزیستورهای IGBT استفاده می شود.

نمودار اساسی یک اینورتر تک فاز (سمت چپ) و اینورتر سه فاز (راست).

یک اینورتر ساده سیگنال های موج مربعی تولید می کند. شکل زیر عملکرد اصلی این اینورتر (ایجاد سیگنال موج مربعی AC) را نشان می دهد.

ترتیب عملکرد اینورتر برای ایجاد یک سیگنال موج مربعی.

این اینورتر ساده می تواند در کاربردهای پایه مانند چراغ ها، بخاری ها و غیره استفاده شود، اما برای بیشتر دستگاه های برقی کاربردی ندارد، زیرا باعث ایجاد اعوجاج هارمونیک قابل توجهی می شود.

انواع مختلفی از اینورترها در بازار وجود دارد – از امواج مربعی ساده گرفته تا امواج سینوسی خالص. اینورترهای پیشرفته از مراحل بسیاری برای تولید موج سینوسی استفاده می کنند و از فیلترها نیز برای تولید موج سینوسی هر چه خالصتر استفاده می شود.

پارامترهای اصلی اینورتر

اینورترهای تک فاز معمولاً در سیستم های کم مصرف مانند خانه ها نصب می شوند، در حالی که اینورترهای سه فاز معمولاً در نیروگاه های خورشیدی با قدرت بالا مورد استفاده قرار می گیرند. نیروگاه های خورشیدی با قدرت بالا معمولاً دارای ترانسفورماتور برای افزایش مقدار ولتاژ شبکه هستند.

قدرت اینورتر با توان تولیدی خورشیدی فتوولتائیک (PV) تعیین می شود. ولتاژ و مقدار فرکانس آن باید همیشه پایدار باشد و همچنین باید تحمل اضافه بار زمان محدود و جریان هجومی بالا (جریان پیک) را دارا باشد. پلاک اسم اینورتر باید اطلاعاتی در مورد توان اضافه بار در زمان محدود را داشته باشد. ورودی و خروجی اینورتر باید از جنس گالوانیک باشد.

یک پارامتر مهم اینورترها، کارآیی آنها است. بازده اینورتر نشانگر تلفات اینورتر در هنگام تبدیل DC به AC است و به صورت نسبت بین توان خروجی مفید و ورودی تعریف می شود. اینورتر حتی در صورت عدم تغذیه بار AC ، از باتری انرژی می کشد، به همین دلیل در کاربردهای بزرگتر از اینورترهای ” sleep mode” استفاده می کنند که در آن سنسور نیاز به منبع تغذیه را تشخیص می دهد و بر این اساس اینورتر را فعال می کند.

فناوری اینورتر پیشرفت چشمگیری داشته است. امروزه اینورترها با میزان بازده 95 درصد در دسترس هستند و حتی بهترین اینورترها موجود در بازار می تواند بازده 98 درصد را فراهم کند.

مشخصات اینورتر خورشیدی

سیستم های خورشیدی فتوولتائیک ولتاژ DC تولید می کنند ، و یک اینورتر توان را به ولتاژ AC تبدیل می کند. اینورترهای خورشیدی موج سینوسی تولید می کنند و برای توان بالا و تا صدها کیلووات طراحی شده اند. بر خلاف اینورترهای الکترونیکی ساده، اینورترهای خورشیدی علاوه بر تبدیل DC به AC ، عملکردهای بی شماری نیز ارائه می دهند. آنها مسئول اندازه گیری انرژی، نظارت، تنظیم و محافظت از سیستم انرژی خورشیدی هستند.

سیستم های انرژی خورشیدی می توانند به صورت سیستم های درون شبکه یا خارج از شبکه طراحی شوند. سیستم های خارج از شبکه به گونه ای طراحی شده اند که مستقل از شبکه الکتریکی کار کنند، در حالی که سیستم های درون شبکه می توانند انرژی لازم را برای شبکه تامین نمایند. سیستم های شبکه می توانند با یا بدون سیستم ذخیره باتری تنظیم شوند، که می تواند برای توان پشتیبانی از آن استفاده شود. اینورترها اجزای اجباری در هر دو نوع سیستم هستند.

انرژی در یک سیستم انرژی خورشیدی می تواند در جهات مختلف گردش نماید. در مورد یک سیستم ساده در یک کاربرد خانگی، کاربران می توانند فقط از پنل های PV انرژی بدست آورند. در صورت عدم وجود نور آفتاب کافی، کاربران می توانند از طریق پنل های PV و باتری ها یا فقط از باتری ها (به عنوان مثال در طول شب) برق تأمین نمایند.

سیستم انرژی خورشیدی درون شبکه.

وظایف اینورتر در یک پنل خورشیدی

عملکرد بسیار مهم اینورترهای خورشیدی نقش آنها به عنوان کنترل کننده شارژ خورشیدی است. بسته به وضعیت انرژی پنل های PV ، اینورتر خورشیدی انرژی را به کاربران ، شارژ باتری یا شبکه هدایت می کند. کنترلر شارژ پنل های PV ، باتری ها و کاربران را به هم متصل می کند، در عین حال از باتری در برابر ولتاژ و تخلیه عمیق محافظت می کند. ولتاژ باتری بسته به نوع، شرایط و دما باتری به طور خودکار تنظیم می شود، در حالی که ولتاژ کاربر باید ثابت باشد.

وظیفه مهم دیگر اینورتر خورشیدی، محافظت و ایمنی است. این امر به ویژه در سیستم های شبکه ای بسیار مهم است، زیرا هنگام اتصال یک سیستم خورشیدی به شبکه، مقررات سختی وجود دارد. در این حالت، اینورتر باید ولتاژ و فرکانس نیروگاه خورشیدی را به شبکه همگام کند. همچنین باید هرگونه قطع اتصال از شبکه را در خلال قطع برق همگام سازی کند، زیرا اگر سیستم خورشیدی همچنان به تامین انرژی ادامه دهد با آنکه شبکه برق دیگر وجود نداشته باشد می تواند مشکل ساز باشد.

به این حالت جزیره سازی می گویند و برای کارگرانی که ممکن است با مدارهای نیروگاهی در تماس باشند خطرناک است. اینورترهای خورشیدی باید بتوانند جزیره سازی را شناسایی کرده و سیستم خورشیدی را از مدار جدا کنند – ویژگی ای که ضد جزیره سازی نامیده می شود.

ردیابی نقطه توان حداکثر

ردیابی نقطه توان حداکثر  (MPPT) یک پارامتر اینورتر بسیار خاص در سیستم های خورشیدی است. سیستم های انرژی خورشیدی بسته به شدت نور، مقدار متغیر انرژی تولید می کنند و MPPT روشی برای یافتن نقطه ای است که پنل های PV حداکثر توان تامین می کنند. هدف تطبیق ویژگی بار بر اساس وضعیت انرژی پنل خورشیدی است تا کارآمدترین انتقال توان از پنل های خورشیدی ایجاد گردد.

نقطه توان حداکثر

انرژی آینده

اگر واقعاً آخرین نسل باشیم که از سوخت های فسیلی استفاده می کنیم، مهندسان باید درک کاملی از فناوری های مورد استفاده در سیستم های انرژی تجدیدپذیر داشته باشند. ما در مورد مشخصات باتری ها و اینورترهای مورد استفاده در سیستم های خورشیدی بحث کردیم، اما بسیاری از اشکال دیگر انرژی تجدید پذیر نیز برای خاتمه دادن به اتکاء ما به سوخت های فسیلی بسیار مهم هستند.