توان الکتریکی در نیروگاه خورشیدی

وان الکتریکی به زبان ساده بیانگر آهنگ مصرف یا تولید انرژی الکتریکی نسبت به زمان است. به عنوان مثال یک مصرف کننده الکتریکی توان بالا، انرژی بیشتری نسبت به مصرف کننده توان پایین، در یک زمان مشخص مصرف می کند. واحد توان الکتریکی وات است و با حرف W نشان داده می شود. در برق خورشیدی، توان الکتریکی در دو سمت مصرف کننده و تولید کننده از اهمیت بالایی برخوردار است. پنل خورشیدی، انرژی الکتریکی را با توان مشخص تولید و مصرف کننده ها نیز این انرژی تولید شده را با توان مشخص در واحد زمان مصرف می کنند.

همچنین تجهیزات مبدل مانند اینورتر نیز دارای محدودیت در تبدیل برق ورودی با توان مشخص هستند. مقدار توان الکتریکی در بسیاری از موارد به دلیل بالا بودن با واحد کیلووات KW نیز بیان می شود که هر 1000 وات برابر با یک کیلووات می شود.

مقدار توان الکتریکی از فرمول های بسیاری محاسبه می شوذ که معروف ترین آن حاصل ضرب ولتاژ در جریان است. در جریان مستقیم DC که مقدار ولتاژ و جریان نسبت به زمان تغییری نمی کند، توان به راحتی از حاصل ضرب این دو مقدار با یکدیگر به دست می آید اما در جریان متناوب AC، رابطه توان مقداری دشوار تر می شود.

توان الکتریکی در جریان مستقیم

در مدارات جریان مستقیم مانند پنل خورشیدی و باتری، به دلیل ثابت بودن منحنی ولتاژ و جریان نسبت به زمان، از حاصل ضرب ولتاژ در جریان، توان الکتریکی به دست می آید. برای مثال یک پنل خورشیدی را در نظر بگیرید که در لحظه در حال تولید 6 آمپر جریان با ولتاژ 29 ولت است. از حاصل ضرب این دو مقدار 174 وات بدست می آید. این عدد نشان می دهد پنل خورشیدی در ساعت 174 وات ساعت انرژی تولید می نماید.

پنل خورشیدی تولید کننده توان است و در صورتی که یک مصرف کننده الکتریکی مانند پمپ به پنل خورشیدی به صورت مستقیم یا توسط مبدل متصل شود، در صورتی می تواند بهترین عملکرد خود را داشته باشد که توان مصرفی آن از توان تولیدی پنل خورشیدی کمتر باشد. به طور مثال یک پنل خورشیدی 500 وات نمی تواند یک پمپ آب 600 واتی را روشن نماید. همچنین نمی تواند یک پمپ آب 400 تا 500 وات را نیز روشن نماید.

علت این مشکل کمتر بودن توان تولیدی پنل خورشیدی نسبت به توان نامی و درج شده در پشت پنل خورشیدی است. به طور معمول توان درج شده در پشت پنل خورشیدی بر مبنای تست STC بوده و این مقادیر در آزمایشگاه و تحت دقیق ترین و بهترین شرایط محیطی اندازه گیری می شود. در عمل پنل خورشیدی به دلیل نداشتن شرایط ایده آل مانند زاویه تابش خورشید، توان پایین تری تولید می نماید. برای مثال بیشتر پنل های خورشیذی در تابش مستقیم آفتاب حداقل 15 تا 20 درصد انرژی را با توان کمتر از توان نامی تولید می نمایند.

در دیتاشیت تمام پنل های خورشیدی، مقادیر توان و ولتاژ و جریان در جدولی جدا به نام NOTC یا NTC درج شده اند که به واقعیت بیشتر نزدیک است. همچنین ممکن است یک پنل در شرایط آب و هوای ابری، چیزی بیش از 50 درصد افت داشته باشد که در طراحی نیروگاه خورشیدی باید به تمام این موارد توجه نمود.

توان الکتریکی در اینورتر خورشیدی

همانطور که در بخش قبلی اشاره شد، پنل خورشیدی می تواند به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به مصرف کننده های متنوع الکتریکی متصل شود. به عنوان مثال یک پمپ آب جریان مستقیم را در نظر بگیرید که ولتاژ کار آن در بازه 24 تا 36 ولت و توان آن نیم اسب بخار است. هر اسب بخار 750 وات و نیم اسب بخار برابر با 375 وات تا 400 وات است. برای راه اندازی چنین پمپی نیازمند پنل خورشیدی در بازه 500 تا 700 وات هستیم که در این حالت در صورت ابری بودن هوا و یا تلفات داخلی و نصب پنل خورشیدی، پمپ همچنان به فعالیت خود ادامه می دهد. اما اگر این پمپ به یک پمپ تکفاز 220 ولت تبدیل شود، دیگر پنل خورشیدی قادر به راه اندازی آن نمی شود.

دلیل این امر بحث توان نبوده و برای راه اندازی پمپ مشکل ولتاژ وجود دارد. پنل خورشیدی در بازه 500 تا 700 وات حداکثر دارای ولتاژ 50 تا 60 ولت است و پمپ آب با 220 ولت روشن می شود. همچنین شکل موج ولتاژ پنل خورشیدی ثابت و خروجی پنل چریان مستقیم است و مقدار جریان نسبت به زمان در مدت زمان مشخص تغییری نخواهد کرد اما پمپ AC به جریان متناب با شکل موج سینوسی نیاز دارد که در هر ثانیه 100 بار (فرکانس 50 هرتز) مقدار آن از 0 ولت به حداکثر مقدار خود یعنی 310 ولت برسد که مقدار موثر این ولتاژ 220 ولت می شود.

اینورتر می توانید شکل موج ولتاژ را تغییر و ولتاژ پنل خورشیدی را با پمپ AC تطبیق دهد. به صورت تئوری اینورتر تغییری روی توان ایجاد نمی کند و توان ورودی با خروجی برابر است. اما در عمل مقداری تلفات توان وجود دارد و ممکن است چیزی در حدود 5 تا 10 درصد توان در اینورتر تلف شود.

توان ورودی انورتر از حاصل ضرب ولتاژ در جریان بدست می آید و می تواند ورودی به صورت مستقیم به پنل خورشیدی یا باتری ها متصل شود. ورودی اینورتر به دلیل پایین بودن ولتاژ، دارای جریان بالا است و خروجی که ولتاژ افزایش می یابد، جریان به شدت کاهش پیدا می کند.

برای مثال یک اینورتر 3 کیلووات را در نظر بگیرید. در صورت حداکثر توان اگر ولتاژ ورودی 12 ولت باشد، جریان ورودی چیزی در حدود 250 آمپر است. در خروجی ولتاژ برابر با 220 ولت و حداکثر جریان به 13 آمپر می رسد. به همین دلیل سیم های ورودی اینورتر با ضخامت بیشتر انتخاب می شود. همچنین توصیه می شود برای کاهش تلفات و همچنین قطر سیم، در اینورتر های توان بالا از ورودی با ولتاژ بیشتر استفاده شود.

توان الکتریکی در جریان متناوب AC

در جریان متناوب AC، مقدار ولتاژ و جریان به صورت متناب در حال تغییر است. هر دو شکل موج نیز از نوع سینوسی بوده و متوسط شکل موج سینوسی برابر صفر است. اما متوسط حاصل ضرب ولتاژ در جریان که توان می شود، صفر نبوده و برابر با حاصل ضرب ولتاژ موثر در جریان موثر است. برای مثال در برق شهر که یک موج سینوسی با ماکزیموم 310 ولت است، مقدار ولتاژ موثر برابر با 220 ولت بوده و توان نیز بر مبنای ولتاژ موثر محاسبه می شود.