طراحی ایمن استرینگ‌های خورشیدی: مهندسی ولتاژ و دما برای سیستم‌های ذخیره‌سازی

سیستم‌های مدرن ذخیره‌سازی انرژی (ESS) و پاور استیشن‌های خورشیدی، برتری بلامنازعی نسبت به تجهیزات سنتی پشتیبان مانند یو‌پی‌اس و دیزل ژنراتورها دارند. در یک تاسیسات تجاری یا مسکونی، یک سیستم ESS علاوه بر اینکه زمان بک‌آپ بسیار طولانی‌تری فراهم می‌کند و چالش‌های لجستیک سوخت را به طور کامل حذف می‌نماید، قابلیت استفاده کاملاً مستقل از شبکه (Off-grid) را دارد و هم‌زمان با تامین توان پشتیبان، قبض برق روزانه را نیز کاهش می‌دهد. با این حال، دستیابی به این پایداری نیازمند یک مهندسی دقیق است. قلب تپنده این پایداری، تطبیق دقیق مرزهای ولتاژی اینورتر با رفتارهای حرارتی پنل‌ها، یعنی «طراحی استرینگ خورشیدی بر اساس دما» است.

۱. کالبدشکافی مرزهای ولتاژی اینورتر (سقف مجاز DC، کف و سقف بازه MPPT)

در انتخاب و طراحی اینورترها، مشخصات ولتاژی به عنوان خطوط قرمز مهندسی شناخته می‌شوند. هر اینورتر دارای یک سقف مطلق ولتاژ ورودی و یک بازه بهینه برای ردیابی نقطه توان ماکزیمم (MPPT) است. برای بررسی دقیق‌تر، به سراغ سایزینگ اینورتر دایه Deye می‌رویم. اینورتر مدل Deye SUN-6K-OG01LP1-EU-AM2 دارای حداکثر ولتاژ ورودی DC معادل ۵۰۰ ولت است. در عین حال، ولتاژ MPPT اینورتر خورشیدی در این مدل، در بازه ۱۵۰ تا ۴۲۵ ولت قرار دارد و بازه بار نامی آن بین ۳۰۰ تا ۴۲۵ ولت تعریف شده است. خروج از این محدوده‌ها، چه از سمت بالا و چه از سمت پایین، به معنای توقف تولید انرژی یا آسیب قطعی به سیستم است.

۲. فیزیک رفتار حرارتی پنل‌های فتوولتائیک و محاسبه دمای واقعی سلول (Tcell)

ماژول‌های فتوولتائیک در برابر تغییرات دمایی رفتار کاملاً دینامیکی دارند. ضریب دمایی پنل خورشیدی برای ولتاژ مدار باز (Voc) در سلول‌های سیلیکونی مقداری منفی است و نوعاً بین ۰.۲۴- تا ۰.۲۹- درصد بر درجه سلسیوس متغیر است. این یعنی با افزایش دما، ولتاژ پنل افت می‌کند و با کاهش دما، ولتاژ آن بالا می‌رود.

برای محاسبه دقیق این رفتار، ابتدا باید دمای واقعی سلول را بدانیم. طبق استاندارد IEC 61215، دمای واقعی سلول (Tcell) از رابطه دمای محیط به‌علاوه حاصل‌ضرب نسبت ((NMOT - 20)/800) در شدت تابش (G) به دست می‌آید. به عنوان مثال، در یک روز گرم تابستانی با دمای محیط ۴۸ درجه سلسیوس و تابش ۱۰۰۰ وات بر متر مربع، دمای سلول یک پنل با NMOT معادل ۴۵ درجه، به ۷۹.۲۵ درجه سلسیوس می‌رسد. این افزایش شدید دما باعث افت چشمگیر ولتاژ استرینگ می‌شود و اگر در طراحی لحاظ نشده باشد، ولتاژ تولیدی به زیر حداقل بازه MPPT اینورتر (۱۵۰ ولت) سقوط می‌کند.

۳. متدولوژی محاسبات ریاضی سقف و کف تعداد ماژول در استرینگ بر اساس استاندارد

طراحی ایمن مستلزم نگاه به سردترین و گرم‌ترین حالت‌های ممکن است. بر اساس استاندارد NEC 690.7 خورشیدی، محاسبه حداکثر ولتاژ مدار باز استرینگ برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات DC باید در کمترین دمای مورد انتظار محیط انجام شود. در روزهای سرد، ولتاژ پنل‌ها به بالاترین حد خود می‌رسد. محاسبه Voc در سرمای زمستان تضمین می‌کند که استرینگ شما هرگز از مرز ۵۰۰ ولت اینورتر عبور نمی‌کند.

برای محاسبه تعداد پنل در استرینگ (حداکثر تعداد مجاز یا Nmax)، مهندسان سقف ولتاژ DC اینورتر را بر ولتاژ Voc سردترین دما تقسیم کرده و با استفاده از تابع جزء صحیح رو به پایین (Floor) عدد نهایی را به دست می‌آورند. این فرمول ریاضی از اعمال اضافه ولتاژ مخرب به اینورتر در صبح‌های سرد و آفتابی زمستان جلوگیری می‌کند.

۴. مطالعه موردی در اقلیم ایران: سایزینگ ماژول‌های TOPCon با اینورتر Deye 6kW

اقلیم ایران با تابستان‌های بسیار گرم و زمستان‌های سرد، چالش بزرگی برای طراحی استرینگ‌هاست. استفاده از پنل‌های پیشرفته‌تر می‌تواند این چالش را تقلیل دهد. ماژول‌های N-Type TOPCon به دلیل داشتن ضریب دمایی توان ماکزیمم (Pmax) در حدود ۰.۲۹- تا ۰.۳۰- درصد بر درجه سلسیوس، پایداری بهتری نسبت به ماژول‌های قدیمی‌تر P-Type PERC دارند.

ترکیب ماژول‌های TOPCon با اینورتر ۶ کیلووات Deye نیازمند این است که طول استرینگ به گونه‌ای انتخاب شود که در دمای ۷۹.۲۵ درجه‌ای ظهر تابستان، ولتاژ مجموعه از ۱۵۰ ولت کمتر نشود و در صبح‌های سرد زمستانی نیز، ولتاژ مدار باز استرینگ از سقف مجاز ۵۰۰ ولتی اینورتر فراتر نرود. این تعادل نقطه شیرین طراحی سیستم‌های ESS است.

۵. خطاهای مهندسی متداول در سایزینگ ولتاژی استرینگ و پیامدهای خرابی آن

یکی از رایج‌ترین خطاهای طراحی، نادیده گرفتن اکستریم‌های دمایی است. طولانی کردن بیش از حد استرینگ باعث می‌شود در اولین سرمای زمستان، ولتاژ مدار باز از تحمل خازن‌ها و سوییچ‌های داخلی اینورتر عبور کرده و دستگاه را کاملاً از بین ببرد. از سوی دیگر، کوتاه کردن بیش از حد استرینگ موجب می‌شود در اوج گرمای تابستان (زمانی که بیشترین نیاز به توان پشتیبان برای سیستم‌های تهویه وجود دارد)، ولتاژ به زیر حداقل مقدار MPPT افت کرده و تولید متوقف شود.

در نهایت، یک سیستم ESS یا پاور استیشن که به درستی مهندسی شده باشد، با ارائه برق بدون قطعی، بدون نیاز به سوخت‌گیری فیزیکی و با بهره‌وری بالا، یک راه‌حل قطعی و برتر است. شرط اصلی بهره‌مندی از این مزایا، رعایت دقیق اصول محاسبات حرارتی و ولتاژی در طراحی استرینگ‌های خورشیدی است.