จะคำนวณการกำหนดค่าที่เหมาะสมสำหรับระบบนอกกริดขนาดเล็กของคุณได้อย่างไร

คุณเคยคิดที่จะใช้ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ของคุณเองในกระท่อมบนภูเขา เรือตกปลา หรือรถบ้าน เพื่อหลุดพ้นจากการพึ่งพาโครงข่ายไฟฟ้าสาธารณะหรือไม่

อันที่จริงแล้ว นี่ไม่ใช่สิ่งที่วิศวกรเท่านั้นที่ทำได้ ตราบใดที่คุณเชี่ยวชาญขั้นตอนและสูตรสำคัญๆ เพียงไม่กี่ข้อ คุณก็สามารถคำนวณการกำหนดค่าที่เหมาะสมสำหรับระบบโฟโตวอลตาอิกขนาดเล็กนอกระบบของคุณได้

ระบบโซลาร์เซลล์แบบออฟกริด หมายถึงระบบอิสระที่ไม่ต้องพึ่งพาโครงข่ายไฟฟ้าสาธารณะ แต่อาศัยการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์และการกักเก็บพลังงานจากแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียวเพื่อตอบสนองความต้องการไฟฟ้า เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในพื้นที่ภูเขาห่างไกล เกาะ พื้นที่เกษตรกรรม รถบ้าน เรือประมง และสถานที่อื่นๆ ที่ระบบไฟฟ้าไม่เสถียร

ด้านล่างนี้ เราจะแนะนำคุณผ่านสี่ขั้นตอนในการคำนวณการกำหนดค่าที่จำเป็น

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดกำลังไฟฟ้าของโมดูลโฟโตโวลตาอิค

พลังงานของแผงโซลาร์เซลล์ (แผงโซลาร์เซลล์) กำหนดว่าระบบของคุณจะสร้างไฟฟ้าได้มากเพียงใด

แนวทางการคำนวณหลักคือ: ขั้นแรกให้กำหนดความต้องการไฟฟ้ารายวัน จากนั้นรวมเข้ากับสภาพภูมิอากาศในพื้นที่ (โดยเฉพาะระยะเวลาของแสงแดด) เพื่อกำหนดพลังงานทั้งหมดของแผงโซลาร์เซลล์

สูตร:

พลังงานโมดูล = (ความต้องการไฟฟ้ารายวัน × ปัจจัยส่วนเกินของวันที่มีเมฆมากต่อเนื่อง) ÷ (ชั่วโมงแสงแดดเฉลี่ยในพื้นที่ × ประสิทธิภาพระบบ)

* ปริมาณการใช้ไฟฟ้ารายวัน: สามารถคำนวณได้โดยการนำกำลังไฟที่กำหนดของอุปกรณ์ทั้งหมดคูณด้วยระยะเวลาการใช้งาน

ตัวอย่างเช่น ไฟ LED 10W × 5 ชั่วโมง = 50 วัตต์ชั่วโมง ตู้เย็น 60W × 24 ชั่วโมง = 1440 วัตต์ชั่วโมง

* ปัจจัยส่วนเกินของวันที่มีเมฆมากต่อเนื่อง: เพื่อให้คำนึงถึงการผลิตพลังงานที่ไม่เพียงพอในช่วงวันที่มีเมฆมากต่อเนื่องกัน ปัจจัยนี้มักจะถูกกำหนดไว้ระหว่าง 1.1 ถึง 1.3

* จำนวนชั่วโมงแสงแดดเฉลี่ยต่อวันในท้องถิ่น: ข้อมูลนี้สามารถหาได้จากข้อมูลอุตุนิยมวิทยาในท้องถิ่น ตัวอย่างเช่น ปักกิ่งมีแสงแดดเฉลี่ยประมาณ 4 ชั่วโมงต่อวัน ในขณะที่ไหหลำอาจมีมากกว่า 5 ชั่วโมง

* ประสิทธิภาพของระบบ: คำนึงถึงการสูญเสียสายเคเบิล ประสิทธิภาพของตัวควบคุม การสูญเสียอินเวอร์เตอร์ ฯลฯ และโดยทั่วไปจะตั้งไว้ระหว่าง 0.75 ถึง 0.8

ตัวอย่างเช่น:

โดยถือว่าการใช้ไฟฟ้าต่อวันของคุณคือ 3,000 วัตต์ชั่วโมง ค่าเฉลี่ยชั่วโมงแสงแดดต่อวันในพื้นที่คือ 4.5 ชั่วโมง ประสิทธิภาพของระบบคือ 0.78 และค่าสัมประสิทธิ์ของวันฝนตกต่อเนื่องคือ 1.2:

พลังงานโมดูล = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 วัตต์

ซึ่งหมายความว่าคุณจำเป็นต้องติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ที่มีกำลังไฟฟ้ารวมประมาณ 1 กิโลวัตต์ เช่น โมดูล 250 วัตต์ จำนวน XNUMX โมดูล

ขั้นตอนที่ 2: กำหนดพลังงานอินเวอร์เตอร์นอกระบบ

อินเวอร์เตอร์แปลงไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จากแผงโซลาร์เซลล์หรือแบตเตอรี่เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เพื่อใช้กับเครื่องใช้ในครัวเรือนทั่วไป

พลังงานจะต้องเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการพลังงานทันทีสูงสุดของคุณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงกระแสไฟฟ้ากระชากของโหลดเหนี่ยวนำ (อุปกรณ์ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์)

สูตร:

กำลังไฟฟ้าอินเวอร์เตอร์ = (กำลังไฟฟ้าโหลดต้านทานรวม + กำลังไฟฟ้าโหลดเหนี่ยวนำรวม × 5) × ปัจจัยมาร์จิ้น ÷ ปัจจัยกำลังไฟฟ้า

* โหลดต้านทาน: อุปกรณ์ต้านทาน เช่น หลอดไฟ กาต้มน้ำไฟฟ้า และเตาอบ

* โหลดเหนี่ยวนำ: อุปกรณ์ที่มีมอเตอร์หรือคอมเพรสเซอร์ เช่น ตู้เย็น ปั๊มน้ำ เครื่องปรับอากาศ เป็นต้น พลังงานในขณะเริ่มต้นอาจสูงกว่าพลังงานที่กำหนด 5–7 เท่า

* ปัจจัยด้านความปลอดภัย: โดยทั่วไปจะตั้งไว้ที่ 1.2–1.5 เพื่อให้แน่ใจว่ามีระยะขอบ

* ค่าปัจจัยกำลัง: โดยทั่วไปตั้งไว้ที่ 0.8–0.9

ตัวอย่าง:

โดยถือว่าคุณมีโคมไฟ 200 วัตต์ (โหลดต้านทาน) ตู้เย็น 100 วัตต์ (โหลดเหนี่ยวนำ) ปัจจัยมาร์จิ้น 1.3 และปัจจัยกำลัง 0.85:

กำลังไฟฟ้าอินเวอร์เตอร์ = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 วัตต์

คุณจะต้องใช้อินเวอร์เตอร์ที่มีความจุขั้นต่ำ 1.1 กิโลวัตต์ และแนะนำให้เลือกรุ่น 1.5 กิโลวัตต์เพื่อความเสถียรยิ่งขึ้น

ขั้นตอนที่ 3: กำหนดความจุของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่คือ “แหล่งกักเก็บพลังงาน” ของระบบนอกโครงข่ายไฟฟ้า และไฟฟ้าที่ใช้ในเวลากลางคืนหรือในวันที่อากาศครึ้มส่วนใหญ่มาจากแบตเตอรี่ ความจุขึ้นอยู่กับจำนวนวันที่คุณต้องการพลังงานไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องและปริมาณการใช้ไฟฟ้าในแต่ละวัน

สูตร:

ความจุของแบตเตอรี่ (Ah) = (ปริมาณการใช้ไฟฟ้าต่อวัน × จำนวนวันของแหล่งจ่ายไฟในวันที่อากาศครึ้ม) ÷ (ความลึกของการคายประจุ × ประสิทธิภาพการชาร์จ/คายประจุ × แรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่)

* ความลึกของการคายประจุ (DOD): สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด แนะนำให้ใช้ DOD ที่ 0.5–0.6 สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม DOD ที่ 0.8–0.9 เป็นที่ยอมรับได้

* ประสิทธิภาพการชาร์จ/การคายประจุ: โดยทั่วไปจะตั้งไว้ที่ 0.85–0.9

* แรงดันไฟแบตเตอรี่: แรงดันไฟทั่วไปได้แก่ 12V, 24V และ 48V แนะนำให้ใช้แรงดันไฟที่สูงกว่าสำหรับความต้องการพลังงานที่สูงขึ้น

ตัวอย่าง:

สมมติว่าคุณใช้ 3000 วัตต์ชั่วโมงทุกวัน และต้องการมีไฟฟ้าใช้ 2 วันในวันที่อากาศครึ้ม โดยใช้แบตเตอรี่ลิเธียม 48 โวลต์ (DOD=0.9, ประสิทธิภาพ=0.9):

ความจุแบตเตอรี่ = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

อยู่ที่ 154 อา

คุณจะต้องใช้แบตเตอรี่ขนาด 48V 154Ah (ประมาณ 7.4kWh)

ขั้นตอนที่ 4: กำหนดข้อมูลจำเพาะของตัวควบคุม

ตัวควบคุมโฟโตโวลตาอิคทำหน้าที่ควบคุมกระบวนการชาร์จจากโมดูลโฟโตโวลตาอิคไปยังแบตเตอรี่

ข้อมูลจำเพาะจะขึ้นอยู่กับกระแสอินพุตสูงสุดเป็นหลัก ซึ่งคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

สูตร:

กระแสอินพุตของตัวควบคุม = กำลังสูงสุดของโมดูลโฟโตโวลตาอิค ÷ แรงดันไฟแบตเตอรี่

ตัวอย่างเช่น หากแผงโซลาร์เซลล์ของคุณมีกำลังไฟฟ้ารวม 1000 วัตต์ และแรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่คือ 48 โวลต์:

กระแสอินพุตของตัวควบคุม = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8A

ดังนั้น คุณต้องเลือกตัวควบคุมที่มีกระแสไฟอินพุตมากกว่า 21A ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นประเภท MPPT (ประสิทธิภาพสูงกว่า มีประโยชน์มากกว่าในวันที่อากาศมืดครึ้ม)

เคล็ดลับการปฏิบัติ

1. เผื่อระยะขอบ: อายุการใช้งานและความเสถียรในการทำงานของอุปกรณ์ขึ้นอยู่กับการออกแบบความซ้ำซ้อนที่เหมาะสม อย่ากำหนดพารามิเตอร์อย่างเข้มงวดเกินไป
2. MPPT เหนือกว่า PWM: แม้ว่าตัวควบคุม MPPT จะมีราคาแพงกว่าเล็กน้อย แต่ก็มีประสิทธิภาพการผลิตพลังงานที่สูงกว่า โดยเฉพาะภายใต้สภาวะแสงที่ไม่เสถียร
3. ให้ความสำคัญกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นหลัก เนื่องจากมีขนาดกะทัดรัด น้ำหนักเบา และสามารถปล่อยประจุได้ลึก จึงช่วยประหยัดต้นทุนได้ในระยะยาว
4. วางแผนสำหรับการขยายตัวในอนาคต: หากคุณวางแผนที่จะเพิ่มเครื่องใช้ไฟฟ้าเพิ่มเติมในอนาคต โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีความจุอินเทอร์เฟซเพียงพอสำหรับทั้งระบบโฟโตโวลตาอิคส์และแบตเตอรี่

หัวใจสำคัญของการออกแบบระบบโฟโตวอลตาอิคนอกระบบขนาดเล็กอยู่ที่การคำนวณการกำหนดค่าอย่างแม่นยำตามความต้องการจริง แทนที่จะแค่ "ซื้อแผงโซลาร์เซลล์และแบตเตอรี่สองสามก้อน" แล้วก็เลิกใช้งานไป

เชี่ยวชาญสูตรทั้ง 4 นี้:

1. สูตรพลังงานของโมดูลโฟโตโวลตาอิก
2. สูตรกำลังไฟฟ้าอินเวอร์เตอร์
3. สูตรความจุแบตเตอรี่
4. สูตรกระแสอินพุตของตัวควบคุม

จากนั้นคุณสามารถคำนวณการกำหนดค่าสำหรับระบบนอกกริดขนาดเล็กที่เพียงพอและมีเสถียรภาพได้

เมื่อออกแบบครั้งแรก คุณสามารถเพิ่มระยะขอบพิเศษได้ 10%–20% ตามผลลัพธ์ของสูตร ช่วยให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการรับมือกับการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศและการขยายอุปกรณ์