מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית מחוץ לרשת החשמל אינה תלויה ברשת החשמל ופועלת באופן עצמאי, ונמצאת בשימוש נרחב באזורים הרריים מרוחקים, אזורים ללא חשמל, איים, תחנות בסיס תקשורת ותאורת רחוב ויישומים אחרים, באמצעות ייצור חשמל פוטו-וולטאית כדי לפתור את צרכי התושבים באזורים ללא חשמל, חוסר חשמל וחשמל לא יציב, בתי ספר או מפעלים קטנים לחשמל למגורים ולעבודה, ייצור חשמל פוטו-וולטאית עם יתרונות של כלכלי, נקי, הגנת סביבה, ללא רעש יכול להחליף חלקית או לחלוטין דיזל את פונקציית ייצור החשמל של הגנרטור.

1 סיווג והרכב של מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות מחוץ לרשת
מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית מחוץ לרשת מסווגת בדרך כלל למערכת DC קטנה, מערכת ייצור חשמל קטנה ובינונית מחוץ לרשת, ומערכת ייצור חשמל גדולה מחוץ לרשת. מערכת DC קטנה נועדה בעיקר לפתור את צרכי התאורה הבסיסיים ביותר באזורים ללא חשמל; מערכת קטנה ובינונית מחוץ לרשת נועדה בעיקר לפתור את צרכי החשמל של משפחות, בתי ספר ומפעלים קטנים; מערכת גדולה מחוץ לרשת נועדה בעיקר לפתור את צרכי החשמל של כפרים ואיים שלמים, ומערכת זו נמצאת כעת גם בקטגוריה של מערכת מיקרו-רשת.
מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית מחוץ לרשת מורכבת בדרך כלל ממערכים פוטו-וולטאיים העשויים מודולים סולאריים, בקרי שמש, ממירים, בנקי סוללות, עומסים וכו'.
מערך ה-PV ממיר אנרגיה סולארית לחשמל כאשר יש אור, ומספק חשמל לעומס דרך בקר הסולארי והממיר (או מכונת בקרה הפוכה), תוך כדי טעינת חבילת הסוללות; כאשר אין אור, הסוללה מספקת חשמל לעומס ה-AC דרך הממיר.
ציוד עיקרי למערכת ייצור חשמל PV מחוץ לרשת
01. מודולים
מודול פוטו-וולטאי הוא חלק חשוב ממערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאי שאינה מחוברת לרשת החשמל, שתפקידו להמיר את אנרגיית קרינת השמש לאנרגיה חשמלית ישרה. מאפייני הקרינה ומאפייני הטמפרטורה הם שני הגורמים העיקריים המשפיעים על ביצועי המודול.
02、ממיר
ממיר הוא מכשיר הממיר זרם ישר (DC) לזרם חילופין (AC) כדי לענות על צורכי החשמל של עומסי AC.
לפי צורת הגל של הפלט, ניתן לחלק ממירים לממיר גל מרובע, ממיר גל מדורג וממיר גל סינוס. ממירים גל סינוס מאופיינים ביעילות גבוהה, הרמוניות נמוכות, ניתנים ליישום על כל סוגי העומסים, ובעלי כושר נשיאה חזק לעומסים אינדוקטיביים או קיבוליים.
03、בקר
התפקיד העיקרי של בקר ה-PV הוא לווסת ולשלוט על מתח הישר הנפלט ממודולי ה-PV ולנהל את הטעינה והפריקה של הסוללה בצורה חכמה. מערכות מחוץ לרשת צריכות להיות מוגדרות בהתאם לרמת מתח הישר של המערכת וקיבולת הכוח של המערכת, עם המפרטים המתאימים של בקר ה-PV. בקר ה-PV מחולק לסוגים PWM וסוג MPPT, הזמינים בדרך כלל ברמות מתח שונות של DC12V, 24V ו-48V.
04、סוללה
הסוללה היא התקן אגירת אנרגיה של מערכת ייצור החשמל, ותפקידה לאגור את האנרגיה החשמלית הנפלטת ממודול ה-PV כדי לספק חשמל לעומס במהלך צריכת החשמל.
05、ניטור
3. תכנון ובחירת מערכת מפרטים על עקרונות התכנון: להבטיח שהעומס יעמוד בתנאי החשמל, עם מינימום של מודולים פוטו-וולטאיים וקיבולת סוללה, על מנת למזער את ההשקעה.
01、תכנון מודול פוטו-וולטאי
נוסחת ייחוס: P0 = (P × t × Q) / (η1 × T) נוסחה: P0 – שיא הספק של מודול התא הסולארי, יחידה Wp; P – הספק העומס, יחידה W; t – שעות צריכת החשמל היומיות של העומס, יחידה H; η1 – יעילות המערכת; T – שעות שיא השמש היומיות הממוצעות המקומיות, יחידה HQ – מקדם עודף בתקופת עננות רציפה (בדרך כלל 1.2 עד 2)
02, תכנון בקר PV
נוסחת ייחוס: I = P0 / V
כאשר: I – זרם בקרת בקר ה-PV, יחידה A; P0 – שיא ההספק של מודול התא הסולארי, יחידה Wp; V – המתח המדורג של חבילת הסוללות, יחידה V ★ הערה: באזורים בגובה רב, בקר ה-PV צריך להגדיל מרווח מסוים ולהפחית את קיבולת השימוש.
03、ממיר מחוץ לרשת החשמל
נוסחת ייחוס: Pn=(P*Q)/Cosθ בנוסחה: Pn – קיבולת הממיר, יחידה VA; P – הספק העומס, יחידה W; Cosθ – מקדם ההספק של הממיר (בדרך כלל 0.8); Q – מקדם הרווח הנדרש עבור הממיר (בדרך כלל נבחר מ-1 עד 5). ★הערה: א. לעומסים שונים (התנגדותיים, אינדוקטיביים, קיבוליים) יש זרמי התנעה שונים וגורמי רווח שונים. ב. באזורים בגובה רב, הממיר צריך להגדיל מרווח מסוים ולהפחית את הקיבולת לשימוש.
04、סוללת עופרת-חומצה
נוסחת ייחוס: C = P × t × T / (V × K × η2) נוסחה: C – קיבולת חבילת הסוללה, יחידה Ah; P – הספק העומס, יחידה W; t – צריכת החשמל היומית של העומס, יחידה H; V – המתח המדורג של חבילת הסוללה, יחידה V; K – מקדם הפריקה של הסוללה, תוך התחשבות ביעילות הסוללה, עומק הפריקה, טמפרטורת הסביבה וגורמי השפעה, שבדרך כלל נעים בין 0.4 ל-0.7; η2 – יעילות הממיר; T – מספר ימי הענן הרצופים.
04、סוללת ליתיום-יון
נוסחת ייחוס: C = P × t × T / (K × η2)
כאשר: C – קיבולת חבילת הסוללה, יחידה קוט"ש; P – הספק העומס, יחידה W; t – מספר שעות החשמל בהן משתמש העומס ביום, יחידה H; K – מקדם פריקה של הסוללה, תוך התחשבות ביעילות הסוללה, עומק הפריקה, טמפרטורת הסביבה וגורמי השפעה, שבדרך כלל נלקחים כ-0.8 עד 0.9; η2 – יעילות ממיר; T – מספר ימי מעוננות רצופים. מקרה תכנון
לקוח קיים צריך לתכנן מערכת לייצור חשמל פוטו-וולטאית, שעות שיא השמש היומיות הממוצעות המקומיות נלקחות בחשבון לפי 3 שעות, ההספק של כל מנורות הפלורסנט קרוב ל-5 קילוואט, והן משמשות 4 שעות ביום, וסוללות העופרת-חומצה מחושבות לפי יומיים של ימים מעוננים רצופים. חשב את התצורה של מערכת זו.