سیستم برق خورشیدی- طراحی، عملیات و نصب

بخش سوم: مونتاژ و طراحی سیستم

رسالت مجموعه هوپیران کمک به ایجاد اقتصاد پویا و تعامل در رشد سطوح علمی در کلیه سیستم های مرتبط به فعالیت این گروه میباشد. این مقاله بر اساس رسالت مجموعه در جهت رضایت بهره برداران پروژه ها تدوین و منتشر شده است و هر گونه کپی برداری از آن بدون ذکر منابع غیر مجاز میباشد.

گروه پروژه

رضایت‌بخش‌ترین تجهیزات نصب شده حاصل تلاش گروهی هستند که هر عضو گروه، تخصص خاص خود را به اشتراک گذارده و کارش را با سایرین هماهنگ می‌کند. شخصی که بیشترین آشنایی را با دستورالعمل‌های برقی دارد، پیمانکار برق یا تکنسین مربوطه، ممکن است با موارد ویژه نصب سیستم‌های PV ناآشنا باشد. از سوی دیگر، طراح یا فروشنده سیستم PV، متخصص در زمینه الزامات سیستم PV بوده ولی ممکن است با پیچیدگی‌های دستورالعمل‌های ملی برق آشنایی نداشته باشد.

همچنین، می‌بایست بین تمامی پیمانکاران فرعی هماهنگی وجود داشته باشد تا به‌عنوان مثال تضمین شود که آرایه خورشیدی سهواً توسط کانال‌های تهویه، فن شیروانی، یا پنجره‌های سقفی در سایه قرار نگیرد. پیمانکار سقف می‌بایست با افرادی که سیستم PV را نصب می‌کنند در نصب آرایه مشارکت و هماهنگی داشته باشد. پیش از خرید هرگونه تجهیزاتی، می‌بایست با شرکت برق تماس گرفته شود تا الزامات آن‌ها برای اتصال داخلی به شبکه مشخص شود.

پیمانکار فرعی خورشیدی یا برقی؟ یک پیمانکار عمومی ممکن است با انتخاب بین استفاده از یک پیمانکار فرعی برقی یا خورشیدی به‌منظور نصب سیستم PV مواجه شود. یک پیمانکار خورشیدی خوب از تخصص لازم در سیستم‌های PV بعلاوه تکنسین‌های باصلاحیت به‌عنوان کارمند برخوردار است. از سوی دیگر، پیمانکار عمومی ممکن است پیمانکار برقی را که رابطه طولانی مدتی با وی دارد ترجیح دهد. یک پیمانکار برق باتجربه که اقدام به تحقیق درباره نیازهای ویژه PV کرده است، معمولاً صلاحیت لازم برای نصب یک سیستم PV را دارد. دقت داشته باشید که سازنده ممکن است پیمانکار برقی را تحت تأثیر قرار دهد که سیستم‌های PV الزامات منحصربه‌فردی نیاز دارد و دستورات سازنده می‌بایست به‌خوبی بررسی شده و شدیداً به آن‌ها عمل شود.

ملاقات پیش از ساخت در محل- کاملاً مرسوم است که نصب سیستم PV و کارهای عمومی برقی توسط پیمانکاران متفاوتی انجام شود. پیشنهاد می‌شود که ملاقات پیش از ساخت در محل با حضور تکنسین برق و نصاب خورشیدی صورت گیرد تا مشخص شود که هر کاری چه زمانی خاتمه یافته و کار دیگری آغاز می‌شود.

ساخت یک ساختمان «آماده برای انرژی خورشیدی»- حتی در صورتی که سیستم PV در حین ساخت ساختمان نصب نشود، سازنده می‌تواند کانال‌های سیم مربوطه که انجام آن‌ها پس از تکمیل ساخت به‌عنوان تعمیر دشوار است را نصب کرده و بدین ترتیب ساختمان را «آماده برای انرژی خورشیدی» نماید.

بررسی سوابق فروشنده- ضروری است که سابقه تمامی فروشندگان از جمله ضمانت‌نامه‌هایی که برای تجهیزات ارائه می‌کنند، بررسی شود. به‌عنوان مثال، هنگامی‌که AstroPower به ورشکستگی رسید و در سال 2004 توسط جنرال الکتریک خریداری شد، ضمانت‌نامه‌های مربوط به ماژول‌های تولیدی توسط شرکت قبلی AstroPower مورد ضمانت جنرال الکتریک قرار نگرفتند. ماژول‌های AstroPower هنوز هم قابل خریداری بودند ولی همراه با ضمانت‌نامه سازنده عرضه نمی‌شدند.

سیستم‌های PV و دستورالعمل ملی برق «NEC»

سیستم‌های PV خورشیدی می‌بایست مطابق با ماده قانون 690 دستورالعمل ملّی برق نصب شوند که به‌طور خاص به سیستم‌های PV می‌پردازد و همچنین چندین ماده‌قانون دیگر از NEC که به سیستم‌های برقی به‌طور کلی اشاره دارند. در صورتی که بین NEC 690 و هر ماده قانون دیگری تضاد وجود داشته باشد، NEC 690 به دلیل ماهیت منحصربه‌فرد سیستم‌های PV از اولویت برخوردار است. ماده قانون‌های NEC که در مورد سیستم‌های PV قابل اعمال است عبارتند از:

• NEC 690 – سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی

• NEC 230 – ابزارهای قطع‌کننده

• NEC 240 – محافظت در برابر اضافه جریان

• NEC 250 – اتصال به زمین

• NEC 300 تا NEC 384 – روش‌های سیم‌کشی

خلاصه خوبی از NEC 690 (2002) در دستورالعمل طراحی و نصب سیستم فتوولتائیک (مؤسسه بین‌المللی انرژی خورشیدی 2007) در فصلی تحت عنوان «سیم‌کشی سیستم» آورده شده است. NEC 690 شامل الزامات مربوط به سایزبندی، گزینش و نصب سیم‌کشی، مجاری سیم، حفاظت در برابر اضافه جریان، قطع‌کننده‌ها و اتصال به زمین می‌شود. NEC 690 به بررسی موارد زیاد دیگری نظیر اتصال داخلی به شبکه برق، فهرست بندی تجهیزات و بازرسی نیز می‌پردازد.

ایمنی در حین نصب

سیستم‌های PV نصب شده بر سقف مستلزم آن هستند که پیمانکاران فرعی نظیر برق‌کاران بر روی سقف کار کنند. این مسئولیت قانونی سازنده است که تضمین نماید که نصاب، تکنیک‌های ایمنی در حین نصب را رعایت می‌کند. فقدان تجهیزات ایمنی مناسب می‌تواند منجر به جریمه‌های قابل ملاحظه برای سازنده شود.  یک خطر مخصوص سیستم‌های PV آن است که ماژول‌های خورشیدی در هنگام مواجهه با نور، برق DC تولید می‌کنند. همچنین، سیستم‌های PV ممکن است چندین منبع برق، ماژول‌ها، شبکه برق و احتمالاً باتری‌ها، داشته باشند. سازندگان ماژول‌ها و سایر اجزاء برقی، اقدامات احتیاطی ایمنی فراهم خواهند کرد که می‌بایست به‌دقت دنبال شوند. علاوه بر خطرات برقی، بلند کردن ماژول‌ها بر روی یک سقف شیب‌دار، خطر آفرین است. هنگام نصب ماژول‌ها بر روی سقف، حداقل یک چشم ایمنی می‌بایست به‌منظور اتصال کمربندها نصب شود. این کار از طریق نصب دو چشم ایمنی و وجود خطی بین آن‌ها برای اتصال طناب و فراهم آوردن امکان جابجایی راحت نصاب به عقب و جلو، سهولت می‌یابد.

ملاحظات خاص در سیم‌کشی سیستم‌های PV

در سیم‌کشی سیستم‌های PV، حداقل دو نکته می‌بایست بررسی شود که پیمانکار یا تکنسین برق ممکن است نسبت به آن تجربه‌ای نداشته باشد. اولاً سیستم در طرف آرایه مبدل می‌بایست برای برق DC طراحی شده باشد که نیازمند سیم‌های با اندازه ضخیم‌تر برای برق AC با ولتاژ یکسان است. دوم آنکه اندازه‌های سیم‌کشی آرایه می‌بایست به‌گونه‌ای تعیین شده و نوع آن‌ها انتخاب شود که در برابر افزایش دما مقاوم باشد. ظرفیت جریان که توانایی حمل جریان توسط یک سیم است، می‌بایست به‌گونه‌ای تنظیم شود که شرایط دمایی که در سیستم‌های PV رخ می‌دهد را مد نظر قرار دهد. سایزبندی سیم‌کشی در NEC 690 به‌طور دقیق تشریح شده است. برگه‌های کاری در خصوص تعیین اندازه سیم‌کشی در «دستورالعمل طراحی و نصب سیستم فتوولتائیک» (مؤسسه بین‌المللی انرژی خورشیدی 2007) ضمیمه شده‌اند.

سیم‌کشی خارجی- به‌طور کلی در مورد سیستم های PV، سیم‌کشی در مکان‌های خارجی می‌بایست مناسب با محیط خارجی و مرطوب و قرارگیری در معرض نور خورشید باشد؛ و همچنین قادر به فعالیت در محدوده دمایی °C80-65 (°F176-149) باشد. سیم‌کشی در معرض دماهای زیاد در تقاطع جعبه‌های ماژول‌های خورشیدی قرار خواهد داشت؛ این رساناها می‌بایست مجهز به عایق مجاز برای °C90 (°F194) باشند.

رشته سیم‌های ماژول- برخلاف دیگر ماده قانون‌های NEC، ماده قانون NEC 690 امکان استفاده از کابل‌های تک رسانای لخت برای اتصال داخلی ماژول‌های PV را مجاز می‌داند. این امر اجازه می‌دهد تا ماژول‌های PV با رساناهای رشته‌ای دارای اتصال دائمی به اتصال‌دهنده‌های MC ساخته شوند. این قبیل رشته سیم‌های ماژولی تبدیل به استاندارد شده و به‌طور چشمگیری نیروی کار مورد نیاز برای نصب آرایه را کاهش می‌دهند.

نفوذ و نشتی سقف برای مجرای سیم- توجه ویژه‌ای می‌بایست به مهروموم کردن اطراف درزهای سقفی برای مجرای سیم اختصاص یابد. همچون درزبندی اطراف محل نصب قلاب‌های نصب آرایه، این کار در بهترین حالت توسط پیمانکار سقف انجام می‌شود تا تضمین شود که ضمانت‌نامه سقف از بین نمی‌رود.

ملاحظات طراحی سیستم

ملاحظات سیستم

در طراحی یک سیستم PV، ضروری است سیستم به‌طور کلی در نظر گرفته شود: اجزاء سیستم چگونه در کنار هم کار می‌کنند و سیستم PV چگونه در کل ساختمان قرار گرفته است.

سیستم‌های PV از پیش مهندسی شده- ضروری است که هر جزء به‌درستی سایزبندی و مطابقت داده شود، به‌طوری که سیستم کلی در حالت بهینه کار کند. به‌منظور مدنظر قرار دادن این مطلب، توزیع‌کنندگان زیادی اقدام به ارائه سیستم‌های از پیش مهندسی شده‌ای نموده‌اند که در آن‌ها اجزاء خاصی به‌منظور کار کردن در کنار هم انتخاب شده‌اند. از پیش‌ ساخته و مهندسی شدن ممکن است یک سیستم بی‌عیب و نقص را تضمین نکند ولی نگرانی‌های مربوط به سازگاری محصول و مشخصات اجزاء آن را برطرف می‌کند.

ماژول‌های PV و طراحی ساختمان- سازنده یا طراح PV می‌بایست سیستم PV و ساختمان را نیز به‌عنوان یک سیستم در نظر بگیرد. آرایه PV می‌بایست با در نظر گرفتن مسائل زیبایی‌شناختی ساختمان مکان‌یابی شود. همچنین، ماژول‌ها باید به‌گونه‌ای تعیین موقعیت شوند که ویژگی‌های ساختمان نظیر پایه‌ها و طاق‌نماها، منجر به سایه‌اندازی بر روی ماژول‌ها نشوند. این امر معمولاً بدان معنا است که آرایه را در سقف در نزدیک‌ترین فاصله ممکن نسبت به لبه‌ها در نظر بگیرید. سازنده می‌بایست برای تولید بهینه برق، طراحی یک سقف رو به جنوب را برای آرایه‌ها مدنظر قرار دهد. همان‌طور که قبلاً مطرح شد، جهت‌گیری آرایه قابل چشم‌پوشی است و در صورتی که بنابر قیدهای دیگر طراحی مقدور نباشد، نیازی نیست که سقف مستقیماً رو به جنوب باشد.

منابع طراحی

مراجع چاپی- مراجع و منابع خوب زیادی وجود دارند که به بررسی جزئی و دقیق جنبه‌های فنی طراحی سیستم می‌پردازند. دو مرجع طراحی عبارتند از:

• دستورالعمل طراحی و نصب سیستم‌های فتوولتائیک، مؤسسه بین‌المللی انرژی خورشیدی «SEI»، 2007: این دستورالعمل دارای برگه‌های کاری، مقررات و ملاحظاتی برای سایزبندی و سیم‌کشی آرایه‌های خورشیدی، سیستم‌های باتری، مبدل‌ها و دیگر اجزاء سیستم است. به‌عنوان یک نکته احتیاطی مدنظر داشته باشید که تمرکز این دستورالعمل بر سیستم‌های نامتصل به شبکه بوده و در فصل جداگانه‌ای نیز ملاحظات خاصی در مورد سیستم‌های متصل به شبکه دارد.

• مهندسی سیستم‌های فتوولتائیک، راجر اِی. مسنجر و جری ونچر، ویرایش دوم، انتشارات CRC، نیویورک، NY، 2004: این کتاب مهندسی شامل اطلاعات عملی درباره سیستم‌های PV و اجزاء آن، نصب، اتصال شبکه و دیگر مسائل مربوطه می‌شود. موضوعات مربوط به‌طور جزئی‌تر در مقایسه با مرجع SEI فوق‌الذکر بررسی می‌شوند هرچند که گاهی اوقات مطالب تئوری و جزئیات بیش از حد نیاز برای سازنده و نصاب است.

توزیع‌کنندگان- توزیع‌کنندگان، منابع بسیار خوبی برای توسعه یک طراحی هستند. آن‌ها قادر خواهند بود اجزاء اصلی سیستم‌ شما را با داشتن توصیفی کلی و پایه از محل موردنظرتان سایزبندی و انتخاب کنند ولی سایزبندی سیم را به عهده نصاب خواهند گذاشت.

ابزارهای نرم‌افزاری- ابزارهای نرم‌افزاری زیادی برای طراحی سیستم‌های PV به‌صورت آنلاین قابل‌دسترس است. ابزارهای آنلاین مفید در طراحی یک سیستم PV عبارتند از:

• PVWatts (http://www.pvwatts.org ) یک مدل اینترنتی رایگان است که انرژی الکتریکی تولیدی توسط یک سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه را محاسبه می‌کند.

• RETScreen® (retscreen.net/ang/g_photo.php) یک مدل صفحه گسترده رایگان برای سیستم‌های متصل و نامتصل به شبکه است که به کمک اداره منابع طبیعی کانادا ایجاد شده است.

ملاحظات هزینه‌ای

سازنده برای گنجاندن یک سیستم PV در خرید یک مشتری، می‌بایست از هزینه‌های مرسوم سیستم‌های PV و نیروی کار مورد نیاز برای نصب آن آگاهی داشته باشد.

هزینه‌های عادی نصب- در سال 2008، هزینه نصب یک سیستم PV مسکونی در ایالات‌متحده به‌طور معمول بین 8 تا 10 دلار به ازای هر وات برای دولت یا شبکه برق بود. عواملی که هزینه‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهند شامل اندازه و نوع سیستم، استفاده از باتری پشتیبان و الزامات نصب است. صد البته که سیستم‌های بزرگ‌تر، هزینه بیشتری در مقایسه با سیستم‌های کوچک‌تر دربرداشته ولی هزینه به ازای هر وات نصب شده تا حدودی کمتر است. برنامه‌های تشویقی می‌تواند تا حد زیادی هزینه‌های نصب را کاهش دهد.

هزینه‌های اجزاء- ماژول‌های خورشیدی گران قیمت‌ترین جزء سیستم هستند. اطلاعات درباره قیمت‌های معمول اجزاء سیستم را می‌توانید در وب‌سایت solarbuzz به آدرس http://www.solarbuzz.com/Moduleprices.htm بیابید. در سال 2009، هزینه ماژول‌ها در ایالات‌متحده به‌طور معمول در حدود 4 تا 6 دلار به ازای هر وات بود. در یک سیستم بدون باتری، مبدل‌ها دومین جزء از نظر گران قیمتی هستند. در سال 2009، هزینه مبدل‌ها به‌طور میانگین کمتر از 1 دلار به ازای هر وات بود. باتری‌ها بر پیچیدگی سیستم افزوده و بدین ترتیب هم هزینه مواد و هم هزینه نیروی کار را افزایش می‌دهند. در سال 2009، هزینه متوسط باتری‌ها 2 دلار به ازای وات- ساعت بود.

توازن هزینه‌ها- در هنگام برنامه‌ریزی یک سیستم PV توازن هزینه‌ها را مدنظر قرار دهید. به‌عنوان مثال، در حالی که ماژول‌های دارای راندمان کمتر، هزینه کمتری به ازای هر وات نصب در مقایسه با ماژول‌های با راندمان زیاد دارند، همچنین فضای بیشتری را نیز اشغال خواهند کرد و نیازمند سیستم رک‌بندی بزرگ‌تری هستند. هزینه‌های نصب به‌مراتب بیشتر خواهد بود و می‌بایست در برابر صرفه‌جویی هزینه در ماژول‌ها در نظر گرفته شوند.

هزینه‌های نیروی انسانی- نیروی کار مورد نیاز برای نصب یک سیستم PV بسته به طرح‌های ساختمان و نوع سقف فرق می‌کند. گروه کارکنان باتجربه می‌تواند یک سیستم PV بدون باتری kW2 را طی دو تا چهار فرد-روز نصب کند. سیستم‌هایی با آرایه‌های خورشیدی بزرگ‌تر نیازمند تلاش نسبتاً کمتری به ازای هر وات توان نسبت به سیستم‌های کوچک‌تر هستند. در صورتی که در سیستم PV، باتری وجود داشته باشد، هزینه مواد و هزینه نصب بیشتر خواهد بود. باتری‌ها می‌توانند 50% تا 100% به زمان مورد نیاز برای نصب بیفزایند.

کلمات و حروف اختصاری

ماده حفاظ شیشه‌ای جاذب «AGM»

جریان متناوب «AC»

مقامات دارای حوزه اختیار «AHJ»

سیستم فتوولتائیک ادغام شده در ساختمان «BIPV»

کادمیوم تلورید «CdTe»

کمیسیون انرژی کالیفرنیا «CEC»

مس ایندیوم دی سلنید «CIS»

جریان مستقیم «DC»

انجمن بین‌المللی بازرسان برق «IAEI»

کیلووات ساعت «kWh»

نقطه بیشترین توان «V_mpp»

ردگیری نقطه ماکزیمم توان «MPPT»

چند اتصالی «MC»

دستورالعمل ملّی برق «NEC»

مدیریت سلامت و ایمنی شغلی «OSHA»

دپارتمان انرژی Orgeon «ODOE»

فتوولتائیک «PV»

کسر منبع خورشیدی کل «TSRF»

دپارتمان انرژی ایالات‌متحده، اداره راندمان انرژی و انرژی تجدیدپذیر «EERE»