باتری سیستم برق خورشیدی

باتری‌ها جزء حیاتی سیستم‌های خورشیدی هستند، به ویژه در سیستم‌های مستقل از شبکه و هیبریدی. آن‌ها انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را ذخیره می‌کنند تا در زمان‌هایی که نور خورشید وجود ندارد (شب، روزهای ابری) یا زمانی که مصرف برق بیشتر از تولید است، مورد استفاده قرار گیرند.

در اینجا به توضیح انواع باتری‌های مورد استفاده در سیستم‌های خورشیدی، مشخصات فنی آن‌ها و استانداردهای ساخت و تست می‌پردازیم:

۱ ˗ ۱     انواع باتری‌های مورد استفاده در سیستم‌های خورشیدی:

1. باتری‌های سرب-اسید (Lead-Acid Batteries): این نوع باتری‌ها از قدیمی‌ترین و رایج‌ترین فناوری‌های ذخیره انرژی هستند و به دلیل قیمت نسبتاً پایین و قابلیت اطمینان شناخته می‌شوند. انواع اصلی باتری‌های سرب-اسید مورد استفاده در سیستم‌های خورشیدی عبارتند از:
   • AGM (Absorbent Glass Mat):  الکترولیت در یک ماتریس شیشه‌ای جذب شده است. طول عمر و نرخ دشارژ بهتری نسبت به باتری‌های ژل دارند.
   • Gel:  الکترولیت به شکل ژل درآمده است. در برابر لرزش مقاوم‌تر هستند و طول عمر خوبی دارند.
• باتری‌های اسید باز (Flooded Lead-Acid – FLA): ارزان‌ترین نوع سرب-اسید هستند و طول عمر و سیکل کاری خوبی دارند، اما نیاز به نگهداری دوره‌ای (اضافه کردن آب مقطر) و تهویه مناسب دارند.
• باتری‌های سیلد اسید (Sealed Lead-Acid – SLA): نیازی به نگهداری ندارند و ایمن‌تر هستند. دو نوع اصلی SLA عبارتند از:
• باتری‌های لوله‌ای (Tubular Batteries): نوع پیشرفته‌ای از باتری‌های اسید باز هستند که صفحات آن‌ها طراحی لوله‌ای دارند و در نتیجه طول عمر و سیکل کاری بسیار بالاتری را ارائه می‌دهند. برای سیستم‌های خورشیدی با سیکل کاری سنگین مناسب هستند.
2. باتری‌های لیتیوم-یون (Lithium-ion Batteries): این نوع باتری‌ها به دلیل چگالی انرژی بالا، وزن سبک، طول عمر طولانی و سیکل کاری بالا، به طور فزاینده‌ای در سیستم‌های خورشیدی محبوب شده‌اند. انواع مختلفی از باتری‌های لیتیوم-یون وجود دارد که برای سیستم‌های خورشیدی رایج‌ترین آن‌ها عبارتند از:
• LiFePO4 (Lithium Iron Phosphate): ایمن‌ترین نوع لیتیوم-یون با طول عمر بسیار بالا و پایداری حرارتی خوب.
• NMC (Nickel Manganese Cobalt) و سایر انواع: چگالی انرژی بالاتری دارند اما ممکن است از نظر ایمنی و طول عمر کمی پایین‌تر از LiFePO4 باشند.
3. سایر انواع باتری‌ها: اگرچه کمتر رایج هستند، اما باتری‌های نیکل-کادمیوم (Ni-Cd) و باتری‌های جریانی (Flow Batteries) نیز در برخی کاربردهای خاص سیستم‌های خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

۱ ˗ ۲     مشخصات فنی باتری‌های مورد استفاده در سیستم‌های خورشیدی:

• ولتاژ نامی (Nominal Voltage): ولتاژ استاندارد باتری (معمولاً 12V، 24V یا 48V). ولتاژ باتری باید با ولتاژ سیستم اینورتر و شارژ کنترلر سازگار باشد.
• ظرفیت (Capacity): میزان انرژی الکتریکی که باتری می‌تواند ذخیره کند و بر حسب آمپر-ساعت (Ah) یا کیلووات-ساعت (kWh) اندازه‌گیری می‌شود. ظرفیت تعیین می‌کند که چه مدت می‌توان از باتری برای تامین بار استفاده کرد.
• عمق دشارژ (Depth of Discharge – DoD): درصدی از ظرفیت کل باتری که می‌توان به طور ایمن تخلیه کرد بدون اینکه به طول عمر آن آسیب برسد. باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً DoD بالاتری نسبت به باتری‌های سرب-اسید دارند.
• سیکل عمر (Cycle Life): تعداد دفعات شارژ و دشارژ کاملی که باتری می‌تواند قبل از کاهش قابل توجه عملکرد تحمل کند. این مقدار به نوع باتری، DoD و شرایط دما بستگی دارد.
• نرخ شارژ و دشارژ (Charge and Discharge Rate): حداکثر جریانی که باتری می‌تواند به طور ایمن شارژ یا دشارژ شود. این نرخ معمولاً با C-rate (نسبت جریان به ظرفیت باتری) مشخص می‌شود.
• راندمان (Efficiency): درصدی از انرژی وارد شده به باتری که می‌توان از آن خارج کرد. باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً راندمان بالاتری نسبت به باتری‌های سرب-اسید دارند.
• دمای کارکرد (Operating Temperature): محدوده دمایی که باتری می‌تواند در آن به طور ایمن و موثر کار کند. دماهای شدید می‌توانند بر عملکرد و طول عمر باتری تأثیر بگذارند.
• خود تخلیه (Self-Discharge): نرخی که باتری در صورت عدم استفاده، شارژ خود را از دست می‌دهد. باتری‌های لیتیوم-یون نرخ خود تخلیه بسیار پایین‌تری نسبت به باتری‌های سرب-اسید دارند.

۱ ˗ ۳     تست‌های رایج برای باتری‌های خورشیدی:

• تست ظرفیت: اندازه‌گیری میزان انرژی واقعی که باتری می‌تواند ارائه دهد.
• تست سیکل عمر: ارزیابی تعداد دفعات شارژ و دشارژ قبل از کاهش عملکرد.
• تست راندمان: اندازه‌گیری میزان انرژی خروجی نسبت به انرژی ورودی.
• تست عملکرد در دماهای مختلف: ارزیابی عملکرد باتری در شرایط دمایی متفاوت.
• تست ایمنی: شامل تست‌های اتصال کوتاه، اضافه شارژ، تخلیه بیش از حد و تست‌های حرارتی.
• تست لرزش و شوک: برای اطمینان از مقاومت باتری در برابر شرایط حمل و نقل و نصب.

هنگام انتخاب باتری برای سیستم خورشیدی خود، اطمینان از مطابقت آن با استانداردهای مربوطه و داشتن گواهینامه‌های لازم برای ایمنی و عملکرد، از اهمیت بالایی برخوردار است. بررسی دیتاشیت و مشخصات فنی محصول و همچنین در نظر گرفتن شرایط آب و هوایی و نوع کاربرد سیستم خورشیدی، در انتخاب باتری مناسب نقش کلیدی دارد.

چهار نوع اصلی سیستم خورشیدی برای انتخاب پیکربندی مناسب برای نیازهای خاص برای شارژ باتری وجود دارد. در اینجا توضیحاتی در مورد هر یک آورده شده است:

۱ ˗ ۱                 سیستم ها DC-Coupled – Off-Grid  سیستم های متصل به DC – مستقل از شبکه

• نحوه عملکرد: در این سیستم ها، پنل های خورشیدی مستقیماً از طریق یک شارژ کنترلر DC به بانک باتری متصل می شوند. شارژ کنترلر ولتاژ و جریان شارژ را تنظیم می کند تا از شارژ بیش از حد باتری ها جلوگیری کند. سپس، یک اینورتر DC به AC به بانک باتری متصل می شود تا برق DC ذخیره شده را به برق AC برای استفاده در وسایل و تجهیزات تبدیل کند.

• ویژگی های کلیدی:
• راندمان بالا در شارژ باتری: تبدیل مستقیم DC به DC برای شارژ باتری ها معمولاً راندمان بالاتری نسبت به تبدیل DC به AC و سپس AC به DC دارد.
• مناسب برای سیستم های کوچک و متوسط: این سیستم ها اغلب در خانه های دورافتاده، کلبه ها و کاربردهای سیار که اتصال به شبکه برق وجود ندارد، استفاده می شوند.
• قابلیت تغذیه بارهای DC: برخی از این سیستم ها می توانند مستقیماً بارهای DC را نیز تغذیه کنند.
• معایب:
• ولتاژ پنل و باتری باید سازگار باشد: طراحی سیستم باید به گونه ای باشد که ولتاژ خروجی پنل ها با ولتاژ مورد نیاز برای شارژ باتری ها همخوانی داشته باشد.
• انعطاف پذیری محدود در توسعه سیستم: افزودن پنل های بیشتر ممکن است به شارژ کنترلر و پیکربندی باتری های جدید نیاز داشته باشد.

۱ ˗ ۲     سیستم های AC-Coupled – Off-Grid سیستم های متصل به AC مستقل از شبکه

نحوه عملکرد: در این سیستم ها، پنل های خورشیدی به یک اینورتر متصل می شوند که برق DC تولید شده را به برق AC تبدیل می کند. سپس، این برق AC برای تغذیه بارهای AC استفاده می شود و مازاد آن توسط یک اینورتر/شارژر باتری برای شارژ بانک باتری استفاده می شود. در زمان نیاز، اینورتر/شارژر باتری، برق DC باتری را دوباره به برق AC تبدیل می کند.

• ویژگی های کلیدی:
• انعطاف پذیری در طراحی و توسعه: می توان به راحتی پنل های خورشیدی بیشتری را به اینورتر PV اضافه کرد بدون اینکه لزوماً نیاز به تغییر در سیستم باتری باشد.
• سازگاری با اینورترهای متصل به شبکه موجود: اگر قبلاً یک سیستم خورشیدی متصل به شبکه دارید، می توانید با افزودن یک اینورتر/شارژر باتری و بانک باتری، قابلیت پشتیبان گیری خارج از شبکه را ایجاد کنید.
• امکان استفاده از چندین منبع AC برای شارژ باتری: باتری ها می توانند علاوه بر خورشید، توسط ژنراتور AC نیز شارژ شوند.
• معایب:
• راندمان پایین تر در شارژ باتری: انرژی خورشیدی قبل از ذخیره سازی در باتری دو بار تبدیل می شود (DC به AC و سپس AC به DC)، که منجر به اتلاف انرژی می شود.
• نیاز به هماهنگی بین اینورترها: عملکرد صحیح سیستم به هماهنگی بین اینورتر PV و اینورتر/شارژر باتری بستگی دارد.

۱ ˗ ۳                سیستم های باتری AC-Coupled – متصل به شبکه (AC-Coupled Battery Systems – Grid-connected):

• نحوه عملکرد: در این سیستم ها، پنل های خورشیدی به یک اینورتر متصل به شبکه استاندارد متصل می شوند و برق AC تولید می کنند که برای مصرف خانگی استفاده می شود و مازاد آن به شبکه تزریق می شود. بانک باتری از طریق یک اینورتر باتری AC-Coupled جداگانه به سیستم AC متصل می شود. این اینورتر باتری می تواند باتری ها را از شبکه یا از طریق اینورتر PV (در صورت وجود تنظیمات خاص) شارژ کند و در زمان قطعی برق شبکه، برق AC را از باتری ها برای بارهای ضروری تامین کند.

• ویژگی های کلیدی:
• افزودن آسان باتری به سیستم های متصل به شبکه موجود: این روش برای ارتقاء سیستم های خورشیدی فعلی با قابلیت پشتیبان گیری باتری بسیار مناسب است.
• انعطاف پذیری در انتخاب باتری: می توان از انواع مختلف باتری های AC-Coupled استفاده کرد.
• قابلیت شارژ باتری از شبکه: در صورت نیاز، باتری ها می توانند از شبکه برق نیز شارژ شوند.
• معایب:
• راندمان پایین تر در شارژ باتری از خورشید: مشابه سیستم های AC-Coupled خارج از شبکه، انرژی خورشیدی برای ذخیره سازی در باتری دو بار تبدیل می شود.
• وابستگی به اینورتر باتری برای عملکرد خارج از شبکه: در زمان قطعی برق، فقط بارهایی که به خروجی اینورتر باتری متصل هستند، برق دریافت می کنند.

۱ ˗ ۴                سیستم های هیبریدی DC-Coupled – متصل به شبکه (DC-Coupled Hybrid Systems – Grid-connected):

• نحوه عملکرد: این سیستم ها از یک اینورتر هیبریدی استفاده می کنند که هم به پنل های خورشیدی و هم به بانک باتری متصل می شود. اینورتر هیبریدی وظایف تبدیل DC به AC، شارژ باتری از طریق خورشید و (در برخی مدل ها) از شبکه، و تامین برق AC به بارها و تزریق مازاد توان به شبکه را مدیریت می کند. در زمان قطعی برق شبکه، اینورتر می تواند به طور خودکار به حالت خارج از شبکه تغییر کند و برق بارهای ضروری را از باتری ها (و در صورت وجود، تولید خورشیدی) تامین کند.

• ویژگی های کلیدی:
• راندمان بالا: تبدیل مستقیم DC به DC برای شارژ باتری از خورشید باعث راندمان بالاتری می شود.
• مدیریت هوشمندانه انرژی: اینورتر هیبریدی می تواند جریان انرژی را بین پنل ها، باتری ها، بارها و شبکه به طور بهینه مدیریت کند.
• عملکرد یکپارچه: همه اجزاء اصلی در یک واحد جمع شده اند که نصب و راه اندازی را ساده تر می کند.
• قابلیت پشتیبان گیری در زمان قطعی برق: به طور خودکار به حالت خارج از شبکه تغییر می کند و برق بارهای ضروری را تامین می کند.
• معایب:
• هزینه اولیه بالاتر: اینورترهای هیبریدی معمولاً گران تر از اینورترهای متصل به شبکه یا اینورترهای باتری جداگانه هستند.
• سازگاری محدود: ممکن است نیاز به انتخاب اینورتر و باتری های سازگار با یکدیگر باشد.

انتخاب نوع سیستم مناسب به عوامل مختلفی از جمله نیازهای انرژی شما، آیا به پشتیبان گیری در زمان قطعی برق نیاز دارید، آیا به شبکه برق متصل هستید یا خیر، بودجه و انعطاف پذیری مورد نظر برای توسعه سیستم در آینده بستگی دارد.