باتری خورشیدی چگونه کار می کند؟

باتری خورشیدی یک مکمل مهم برای سیستم خورشیدی محسوب می گردد. این باتری ها به شما کمک می کنند تا انرژی اضافی را ذخیره کرده و در مواقعی که پنل های خورشیدی نمی توانند انرژی کافی تولید کنند، از آنها استفاده نمایید؛ به این صورت امکان تامین برق کامل منزلتان را فراهم می آورند.

اما اگر می خواهید بدانید باتری های خورشیدی چگونه کار می کنند بهتر است با ما همراه باشید؛ چرا که در اینجا قصد داریم درباره نحوه کارکرد باتری های خورشیدی و مزایای استفاده از آنها به صورت مفصل صحبت کنیم.

باتری خورشیدی چیست؟

بیایید با این سوال ساده که باتری خورشیدی چیست؟ شروع کنیم.

باتری خورشیدی وسیله ایی است که می توان آن را به سیستم انرژی خورشیدی اضافه کرد و برق اضافی تولید شده توسط پنل های خورشیدی را در آن ذخیره نمود.

سپس می توان از این انرژی ذخیره شده برای تامین برق خانه، در مواقعی مانند شب ها و روزهای ابری که پنل های خورشیدی قادر به تامین برق کافی برای خانه نیستند استفاده کرد.

در واقع هدف از استفاده از باتری های خورشیدی، فراهم آوردن امکان استفاده بیشتر از انرژی خورشیدی است. اگر شما باتری برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی نداشته باشید؛ برق اضافی تولید شده توسط پنل هایتان به شبکه برق انتقال می یابد، و این بدان معنی است که شما در حال تولید برق و ارائه آن به دیگران هستید، بدون اینکه از مزایای کامل آن بهره مند شوید.

دانش پشت باتری های خورشیدی

در حال حاضر باتری های لیتیوم- یونی، محبوب ترین نوع باتری های خورشیدی موجود در بازار هستند. در واقع این باتری ها از فناوری مشابهی استفاده می کنند که در تلفن های هوشمند و دیگر باتری‌های های -‌ تک مورد استفاده قرار می گیرد.

باتری های لیتیوم یونی از طریق یک واکنش شیمیایی کار می کنند که انرژی شیمیایی را قبل از تبدیل به انرژی برق، در خود ذخیره می کنند. واکنش زمانی رخ می دهد که یون های لیتیوم، الکترون های آزاد را رها می کنند و این الکترون ها از آند با بار منفی به کاتد با بار مثبت جریان می یابند.

این حرکت توسط الکترولیت نمک لیتیوم تحریک می شود؛ این الکترولیت در اصل مایع درون باتری است که با تامین یون های مثبت لازم، واکنش را متعادل می کند. در نهایت جریان الکترون های آزاد، جریان برق مورد استفاده افراد را فراهم می کنند.

وقتی برق را از باتری می گیرید؛ یون های لیتیوم از طریق الکترولیت به سمت الکترود مثبت برمی‌گردند. در عین حال، الکترون ها از طریق مدار بیرونی از الکترود منفی به الکترود مثبت حرکت می کنند و دستگاه متصل به برق را تغذیه می نمایند.

باتری هایی که وظیفه ذخیره سازی انرژی خورشیدی خانگی را برعهده دارند؛ سلول های یونی متعدد باتری را با وسایل الکترونیکی پیچیده ترکیب می کنند و به این صورت عملکرد و ایمنی کل سیستم باتری خورشیدی را تنظیم می نمایند. بنابراین باتری های خورشیدی در واقع باتری های قابل شارژی هستند که از نیروی خورشید به عنوان نیروی اولیه و آغازگر کل فرآیند ایجاد نیروی برق استفاده می کنند.

مقایسه فناوری های ذخیره سازی باتری

وقتی که صحبت از باتری های خورشیدی به میان می آید؛ دو فناوری مطرح می شود: لیتیوم- یونی و سرب-اسیدی. شرکت های تولید کننده پنل های خورشیدی، باتری های لیتیوم- یونی را ترجیح می دهند؛ زیرا این باتری ها ظرفیت ذخیره انرژی بالاتری دارند، بهتر و طولانی تر از باتری های دیگر انرژی را نگه می دارند و حاوی عمق تخلیه بالاتری هستند.

عمق تخلیه باتری ها که به DoD نیز معروف است؛ نشان دهنده درصدی از ظرفیت کل باتری است که می توان از آن بهره برد. به عنوان مثال اگر یک باتری دارای DoD 95% باشد؛ میتوان با خیال راحت از 95% از ظرفیت باتری قبل از شارژ مجدد آن استفاده کرد.

باتری لیتیوم- یونی

همان طور که قبلاً نیز ذکر کردیم؛ شرکت های تولید کننده باتری، فناوری باتری لیتیوم- یونی را به دلایلی چون DoD بالاتر، طول عمر قابل اعتماد، توانایی نگهداری انرژی بیشتر برای مدت طولانی تر و اندازه فشرده تر ترجیح می دهند. به همین دلیل و با توجه به این مزایا، باتری های لیتیوم- یونی در مقایسه با باتری های اسید- سربی گرانتر هستند.

باتری اسید- سربی

باتری های اسید- سربی (همان فناوری ساخت باتری های خودروها) سال هاست که وجود دارند و به صورت گسترده ایی به عنوان سیستم های ذخیره ساز انرژی در خانه هایی که خارج از شبکه برق قرار دارند، مورد استفاده قرار می گیرند. هر چند این باتری ها هنوز هم با قیمت های مناسب در بازار موجود هستند؛ اما محبوبیت آنها به دلیل DoD پایین و طول عمر کوتاه تر، روز به روز در حال کم شدن است.

مقایسه ذخیره سازی تزویج شده AC با ذخیره سازی تزویج شده DC

تزویج به نحوه سیم کشی پنل های خورشیدی به سیستم ذخیره باتری اشاره دارد و شامل دو گزینه است: تزویج جریان مستقیم (DC) و تزویج جریان متناوب (AC). تفاوت اصلی بین این دو روش ناشی از مسیر عبور برق ایجاد شده توسط پنل های خورشیدی است.

سلول های خورشیدی، برق جریان مستقیم DC تولید می کنند و این برق باید قبل از استفاده در خانه ها به برق جریان متناوب AC تبدیل شود. با این حال باتری های خورشیدی تنها قادر به ذخیره برق DC هستند؛ به همین دلیل راه های مختلفی برای اتصال باتری خورشیدی به سیستم انرژی خورشیدی وجود دارد.

ذخیره سازی تزویج شده DC

در تزویج DC، برق DC ایجاد شده توسط پنل های خورشیدی از طریق یک کنترل کننده شارژ، جریان می یابد و سپس مستقیماً به باتری های خورشیدی می رسد. در اینجا هیچ تغییری در جریان برق قبل از ذخیره سازی آن رخ نمی دهد و برق تنها زمانی از DC به AC تبدیل می گردد که باتری، برق را به خانه شما ارسال کند یا به شبکه بازگرداند.

یک باتری ذخیره ساز تزویج شده DC، بهره وری بالاتری دارد؛ زیرا برق باید فقط یک بار از DC به AC تبدیل شود. با این حال نصب سیستم ذخیره سازی تزویج DC غالباً پیچیده تر است، و همین باعث افزایش هزینه اولیه و مدت زمان نصب سیستم می شود.

ذخیره سازی تزویج شده AC

در صورت استفاده از یک سیستم ذخیره سازی تزویج شده AC، برق DC تولید شده توسط پنل های خورشیدی منزل شما، در ابتدا از یک اینورتر عبور می کند و بدین وسیله به برق AC که قابل استفاده توسط وسایل خانگی است تبدیل می شود. در ضمن امکان دارد این جریان AC به یک اینورتر جداگانه ارسال گردد تا برای ذخیره سازی در باتری های خورشیدی، دوباره به جریان DC تبدیل شود. در این حالت وقتی زمان استفاده از انرژی ذخیره شده فرا می رسد؛ جریان برق از باتری خارج گردیده و به یک اینورتر برمی‌گردد، و دوباره به برق AC مورد نیاز خانه شما تبدیل می شود.

از این رو در هنگام استفاده از سیستم ذخیره سازی تزویج شده AC، جریان الکتریسیته سه بار معکوس می شود: یک بار زمانی که از پنل های خورشیدی به داخل خانه انتقال می یابد، بار دیگر زمانیکه از خانه به محل ذخیره باتری منتقل می شود و بار سوم هنگام برگشت از باتری به خانه. هر بار که جریان برق معکوس می شود درصدی از آن تلف می گردد؛ به همین دلیل بهره وری سیستم ذخیره سازی تزویج شده AC، اندکی از بهره وری سیستم ذخیره سازی تزویج شده DC پایین تر است.

اما سیستم ذخیره سازی تزویج شده AC برخلاف سیستم دیگر که فقط انرژی پنل های خورشیدی را ذخیره می کند؛ می تواند در عین حال انرژی تولید شده توسط پنل های خورشیدی و شبکه برق را نیز ذخیره نماید. این بدان معنی است که اگر پنل های خورشیدی شما نتوانند برق کافی برای شارژ کامل باتری ها تولید کنند؛ همچنان می توانید با استفاده از شبکه برق، باتری را شارژ نمایید. در این صورت همیشه به برق پشتیبان دسترسی دارید و از مزیت واسطه گری جریان برق نیز بهره مند می شوید.

در ضمن ارتقای سیستم های موجود ذخیره سازی باتری تزویج شده AC بسیار آسان تر است؛ زیرا به راحتی می توان آنها را به طراحی سیستم های موجود اضافه کرد و نیازی به ادغام آنها در سیستم های جدید نیست. همین امر باعث شده تا سیستم ذخیره سازی باتری تزویج شده AC به گزینه ایی محبوب تر برای تجهیز سیستم های خورشیدی تبدیل گردد.

نحوه کار باتری های خورشیدی با سیستم انرژی خورشیدی

کل این فرآیند با برقی شروع می گردد که توسط پنل های خورشیدی نصب شده روی سقف خانه شما تولید شده اند. در ادامه مرحله به مرحله نحوه کار یک سیستم تزویج شده DC را توضیح خواهیم داد:

1. نور خورشید به پنل های خورشیدی برخورد می کند و انرژی آن به برق DC تبدیل می شود.
2. برق وارد باتری شده و به صورت برق DC ذخیره می گردد.
3. سپس برق DC از باتری خارج شده و وارد یک اینورتر می گردد تا به برق AC تبدیل شود که قابل استفاده در خانه است.

همین فرآیند در یک سیستم ذخیره سازی تزویج شده AC کمی متفاوت است و به صورت زیر می باشد:

1. نور خورشید به پنل های خورشیدی برخورد می کند و انرژی آن به برق DC تبدیل می شود.
2. برق وارد اینورتر می شود و به برق AC تبدیل می گردد که قابل استفاده در خانه است.
3. سپس برق اضافی وارد یک اینورتر دیگر می شود تا دوباره به برق DC تبدیل شده و ذخیره گردد.
4. هرگاه خانه به انرژی ذخیره شده در باتری نیاز پیدا کند؛ برق باید دوباره از اینورتر عبور کند و به برق AC تبدیل شود.

نحوه کار باتری های خورشیدی با اینورترهای هیبریدی

یک اینورتر هیبریدی می تواند برق DC را به AC و دوباره برق AC را به DC تبدیل کند. در نتیجه دیگر شما در سیستم فتوولتاییک خورشیدی (PV) به دو اینورتر نیاز ندارید: یعنی یکی برای تبدیل برق پنل های خورشیدی (اینورتر خورشیدی) و دیگری برای تبدیل برق باتری خورشیدی (اینورتر باتری).

اینورتر هیبریدی به اینورتر مبتنی بر باتری یا اینورتر مرتبط با شبکه برق هیبریدی (ترکیبی) نیز معروف است. اینورتر هیبریدی در اصل حاصل ادغام اینورتر باتری و اینورتر خورشیدی به یک ابزار واحد است. از آنجاییکه یک اینورتر هیبریدی همزمان به عنوان اینورتر باتری های خورشیدی و برق پنل های خورشیدی کار می کند؛ لذا دیگر شما را از نصب و راه اندازی دو اینورتر مجزا بی نیاز می کند.

محبوبیت اینورترهای هیبریدی در حال افزایش است؛ زیرا می توانند با یا بدون نیاز به باتری ذخیره ‌ساز کار کنند. شما می توانید در هنگام نصب اولیه سیستم خورشیدی، یک اینورتر هیبریدی را بدون نیاز به باتری، در سیستم خورشیدی خود نصب کنید؛ در این صورت بعدها می توانید باتری خورشیدی را به سیستم خود اضافه نمایید.

مزایای ذخیره انرژی توسط باتری های خورشیدی

افزودن یک باتری پشتیبان به سیستم های خورشیدی، یک راهکار عالی برای اطمینان از این است که همیشه می توان از تمام توان سیستم انرژی خورشیدی بهره برد. برخی از مزایای اصلی استفاده از سیستم ذخیره سازی باتری خورشیدی خانگی عبارتند از:

ذخیره برق تولیدی اضافی

سیستم پنل های خورشیدی معمولاً بیش از نیاز برق تولید می کند؛ به خصوص در روزهای آفتابی که کسی در خانه حضور ندارد. اگر شما باتری خورشیدی برای ذخیره سازی این انرژی نداشته باشید؛ برق اضافی به شبکه برق ارسال می شود. در این صورت اگر عضو برنامه مترینگ خالص (Net Metering) باشید؛ برای این برق اضافی، مقداری هزینه دریافت می کنید که معمولاً شامل نسبت 1:1 برای برقی که تولید می کنید نمی شود.

اما در صورت نصب باتری، برق اضافی به داخل باتری انتقال می یابد و آن را شارژ می کند و دیگر به شبکه برق منتقل نمی گردد. در این صورت می توانید از این انرژی اضافی در مواقعی که تولید برق پایین تر است؛ استفاده کنید و همین باعث کاهش اتکای شما به شبکه برق می شود.

یاری رسان در هنگام قطع برق

از آنجاییکه باتری های خورشیدی می توانند انرژی تولید شده توسط پنل های خورشیدی را ذخیره کنند؛ لذا در صورت قطع برق شبکه به هر دلیلی، امکان استفاده از انرژی برق را برایتان فراهم می آورند.

کاهش ردپای کربن

در صورت استفاده از باتری های خورشیدی می توانید با استفاده حداکثری از انرژی تولید شده توسط پنل های خورشیدی، ردپای کربن خود را کاهش دهید. اگر این انرژی ذخیره نشود؛ زمانیکه پنل های خورشیدی شما به دلایلی به اندازه نیازهایتان برق تولید نمی کنند، شما به شبکه برق متکی خواهید بود. قسمت اعظم برق شبکه های برق با استفاده از سوخت های فسیلی تامین می شود؛ به همین دلیل با استفاده از برق شبکه، در حال آلوده کردن کره زمین هستید.

امکان تامین برق پس از غروب خورشید

وقتی خورشید غروب می کند و پنل های خورشیدی دیگر برق تولید نمی کنند، و اگر سیستم خورشیدی شما فاقد باتری باشد؛ در این صورت شبکه برق وارد عمل می شود و نیازهایتان را تامین می کند. اما در صورت داشتن باتری خورشیدی، در طول شب نیز می توانید از برق خورشیدی خود استفاده کنید؛ در این صورت هم استقلال شما در زمینه تامین انرژی بالا می رود و هم هزینه قبوض برقتان کاهش می یابد.

راهکاری بی سر و صدا برای تامین نیازهای برق پشتیبان

باتری خورشیدی یک گزینه مناسب و بی سر و صدا برای تامین برق پشتیبان است. در این صورت می توانید از این انرژی پاک بدون نیاز به تعمیر و نگهداری هیچ دستگاهی بهره مند شوید و مجبور نیستید سر و صدای یک ژنراتور بنزینی پشتیبان را تحمل کنید.

سخن آخر: اگر به فکر اضافه کردن باتری خورشیدی به سیستم خورشیدی خود هستید؛ بهتر است با نحوه کارکرد یک باتری خورشیدی آشنا شوید. از آنجاییکه آنها نقش یک باتری قابل شارژ بزرگ را برای خانه شما ایفا می کنند؛ لذا می توانید از انرژی خورشیدی اضافی که پنل های خورشیدی شما تولید می کنند استفاده کنید، و در عین حال امکان کنترل بیشتر بر زمان و نحوه استفاده از انرژی خورشیدی را برایتان فراهم می آورند.

باتری های لیتیوم- یونی محبوب ترین نوع باتری های خورشیدی هستند که از طریق یک واکنش شیمیایی انرژی را ذخیره کرده و سپس آن را به صورت انرژی الکتریکی مصرفی خانه آزاد می کنند. شما چه از سیستم های تزویج شده AC یا DC استفاده کنید و چه یک سیستم هیبریدی را انتخاب نمایید؛ در هر دو صورت می توانید بازده سرمایه گذاری انرژی خورشیدی خود را بدون اتکا به شبکه افزایش دهید.

بهرحال استفاده از یک سیستم با طراحی مناسب، نقشی حیاتی در استفاده حداکثری از پنل ها و باتری های خورشیدی دارد. در واقع باید وظیفه طراحی، نصب و راه اندازی سیستم های خورشیدی خود را به شرکتی بسپارید که در این زمینه متخصص است؛ در این صورت با خیال راحت می توانید از این انرژی پاک استفاده نمایید.