หากเราจะนำระบบโซล่าเซลล์ แบบอ๊อฟกริด มาใช้เป็นพลังงานหลัก เราจึงต้องเข้าใจถึงข้อจำกัดก่อนว่า พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นพลังงานทดแทน ซึ่งไม่สามารถผลิตใช้งานได้ตลอดเวลา เหมือนกับโรงไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้าจากพลังงานน้ำ(เขื่อน) หรือพลังงานไอน้ำ(จากถ่านหิน หรือก๊าซธรรมชาติ) ที่สามารถผลิตได้ตลอด 24 ชั่วโมง หากเรานำระบบไฟฟ้าจากโซล่าเซลล์มาใช้เป็นพลังงานหลักแล้ว เราก็ต้องคำนึงถึงการเก็บพลังงานไฟฟ้า มาใช้งานในช่วงที่ไม่สามารถผลิตมาใช้งานได้ซึ่งก็คือช่วงกลางคืนหรือช่วงไม่มีแสงแดด ซึ่งอุปกรณ์ที่จะเก็บพลังงานไฟฟ้าก็คือแบตเตอรี่ นั่นเองครับ

ทีนี้เมื่อเราต้องมีการเก็บพลังงานไฟฟ้า ไว้ในแบตเตอรี่แล้ว ข้อจำกัดของแบตเตอรี่ ในปัจจุบันที่ยังเป็นอุปสรรคในการนำมาใช้งานก็คือ ราคาสูง อายุการใช้งานที่ไม่ค่อยยาวนานนักเมื่อเทียบกับแผงโซล่าเซลล์ และขนาดของการเก็บพลังงานไฟฟ้า ประกอบกับกรณีที่ปริมาณแสงแดดน้อย ก็มีผลกับระดับแรงดันไฟฟ้าที่ผลิตได้ ซึ่งก็ส่งผลกระทบโดยตรงกับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เรานำมาต่อใช้งานอีกด้วย

ดังนั้นระบบอ๊อฟกริด ก็ควรที่จะเลือกใช้งาน โหลดหรืออุปกรณ์ไฟฟ้า เท่าที่มีความจำเป็น เพื่อความคุ้มค่าและเหมาะสมกับการลงทุนติดตั้งระบบฯ

มาเริ่มต้นการออกแบบระบบอ๊อฟกริด

 สมมติเราไปสร้างกระท่อมสำหรับทำไร่ ทำสวน ไว้สำหรับเป็นที่พักผ่อนวันหยุด หรือทำการเกษตรหลังเกษียร ซึ่งอยูห่างไกลและไม่มีไฟฟ้าใช้ เราจึงติดตั้งระบบโซล่าเซลล์ เพื่อผลิตไฟฟ้าไว้ใช้งานโดยในอันดับแรกเราต้องประมาณก่อนว่าเราจะใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าอะไรบ้าง และใช้วันละกี่ชั่วโมง ซึ่งผมก็ขอประมาณการเอาตามพอสมควร ซึ่งผมก็ขอเลือกใช้ Load DC ด้วยเพื่อจะได้ลดพลังงานสูญเสียได้บางส่วน (สำหรับโหลดที่เป็นปั๊มน้ำ ขนาดใหญ่เกินครึ่งแรงม้าขึ้นไป ควรออกแบบแยกต่างหาก) โดยมีรายละเอียดตามข้างล่างนี้

1.หาค่าความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้า หน่วยเป็น วัตต์-อาวว์ : Watt-Hour (Wh) โดยหาได้จากสูตร กำลังไฟฟ้าxจำนวนชั่วโมงการใช้งาน แต่ทั้งนี้เราควรแยกประเภทโหลด เป็น DC และ AC ยกตัวอย่างเลยดีกว่า

LOAD DC 

 LOAD AC

เนื่องจากอุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้า AC จะต้องมีการแปลงไฟฟ้า DC ที่ได้จากแผงโซล่าเซลล์ ไปเป็นไฟ AC โดยใช้อินเวอร์เป็นตัวแปลงไฟ ซึ่งการแปลงไฟดังกล่าวก็จะมีค่าสูญเสีย ซึ่งประสิทธิภาพโดยทั่วไปของอินเวอร์เตอร์อยู่ที่ประมาณ 90% (หมายความว่าเราใส่พลังงานเข้าไป 100 ได้ output ออกมา 90 ) 

ในที่นี้เราต้องการ output ทีใช้พลังงานไฟฟ้า LOAD AC  1,650 ดังนั้นเราต้องป้อนพลังงาน = 1650/0.9 = 1833 Wh

รวม ใช้พลังงานไฟฟ้า LOAD DC + LOAD AC  = 420+1,833  =  2,253 Watt-Hour/วัน

 2.หาขนาดความจุของแบตเตอรี่

ก่อนอื่นต้องหาค่าแรงดัน (Voltage) ที่เหมาะสมในระบบก่อน ตามรูปด้านล่าง 

* Load น้อยกว่า 1 kWh ใช้แรงดันระบบ  12 โวลท์ (V)

* Load 1 - 4 kWh ใช้แรงดันระบบ  24 โวลท์ (V)

* Load มากกว่า 4 kWh ใช้แรงดันระบบ  48 โวลท์ (V)

- ในที่นี้ ค่าพลังงานที่เราต้องการคือ 2,253 Wh ดังนั้นค่าแรงดันที่เหมาะสมที่ควรใช้ในระบบ คือ 24 Volt 

- เราต้องแปลงค่าพลังงานที่โหลดต้องการ Watt-Hour (Wh) ให้เป็นค่าขนาดความจุของแบตเตอรี่ แอมป์-อาวว์ (Ah)

จากสูตร P = E x I ถ้าต้องการรู้ค่า I ก็จะได้ I = P/E   แทนค่า ขนาดควาจุแบตเตอรี่ = 2,253/24 =  93.875 Ah

- ตั้งสมมติฐานว่า หากไม่มีแดด 2 วัน เราก็ยังมีไฟฟ้าใช้งาน ดังนั้นขนาดความจุ ของเรา ก็ต้อง = 93.875 x 2 = 187.750 Ah

- การจ่ายพลังงานของแบตเตอรี่ มีค่า Dept Of Discharge (DOD) คือเปอร์เซ็นของพลังงานที่แบตเตอรี่เก็บไว้ได้ ส่วนใหญ่เราจะประมาณการให้ จ่ายพลังงานที่ความลึก ประมาณ 70-90 % ในที่นี้เราจะใช้ที่ 80% (ก็หมายความว่า มีพลังงานเก็บไว้ในแบตเตอรี่ 100 แต่เราจ่ายแค่ 80 พอแล้ว ถ้าจ่ายมากกว่านี้ก็จะทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ สั้นลงไปอีก บางท่านอยากให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่นานๆ อาจใช้ที่ 70% มาคำนวณก็ได้ แต่ก็อาจจะต้องเพิ่มจำนวน Ah ของแบตขึ้นไปอีก ซึ่งก็หมายความว่าต้นทุนก็สูงขึ้นไปอีกครับ)

แทนค่า DOD เป็น 80% จะได้ 187.75/0.8 = 234.6875 AH  ปัดขึ้นให้เป็นเลขกลมๆ ก็จะได้ขนาดแบตเตอรี่ ที่ขนาดความจุ 240 Ah ที่แรงดัน 24 V

 แบตเตอรี่ ที่มีจำหน่ายในท้องตลาด ส่วนใหญ่จะมีแรงดันที่ 12 V และที่ความจุที่หลากหลายเช่น 32Ah,35Ah,40Ah,45Ah,60Ah,70Ah,80Ah,100Ah,120Ah,150Ah,200Ah เป็นต้น

ดังนั้นเราต้องนำแบตเตอรี่ มาอนุกรมกัน เพื่อให้ได้ Voltเพิ่ม และ ต่อขนานกันเพื่อให้ได้ Ampเพิ่ม

จำนวนแบตเตอรี่ ที่ต้องอนุกรมกัน = 24/12 = 2 ลูก

จำนวนแบตเตอรี่ ที่ต้องขนานกัน (เลือกเอาขนาดที่หารได้พอดีกับที่เราคำนวณไว้ ในที่นี้เราเลือกขนาด 120 Ah) = 240/120 = 2 ลูก

นำทั้งอนุกรม และขนาน มาคูณกัน = 2x2 = 4 ลูก

สรุปใช้แบตเตอรี่ ขนาด 12 V 120 Ah จำนวน 4 ลูก มาอนุกรมและขนานกันตามรูป 

3.หาขนาดของอินเวอร์เตอร์ หาได้จากสูตรนี้ 1.25xจำนวนกำลังงาน(W)รวมของโหลดAC  = 1.25x830  = 1,037.50 W  ปัดขึ้นเป็นใช้อินเวอร์ขนาด 1,200 W (เนื่องจากในท้องตลาดไม่มีขนาด 1,100W)

4.หาขนาดและจำนวนแผง PV เนื่องจาการคำนวณขนาดแผงต้องสัมพันธ์กับประเภทของชาร์จเจอร์ ที่จะนำมาใช้งาน โดยชาร์จเจอร์มี 2 ประเภทคือ แบบ PWM (ประสิทธิภาพต่ำ ราคาถูก ใช้กับโหลดน้อยๆ) และ MPPT (ประสิทธิภาพสูง ราคาสูง ใช้กับโหลดขนาดมากๆ) ในที่นี้จะคำนวณเฉพาะแบบ MPPT เนื่องจากคุ้มค่ากว่าและโหลดที่ยกตัวอย่างนี้ก็สูงพอควร

 - กำลังไฟฟ้าที่ PV ต้องการ หาได้จากสูตรนี้  = (พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ACและDC x 1.73) ÷ 4.54   >> สำหรับที่มาของสูตรนี้ขอขอบพระคุณ www.thaisolarbook.com ที่เอื้อเฟื้อและแบ่งปันข้อมูลครับ

  แทนค่าตามสูตร จะได้ = (2,253 x 1.73) ÷ 4.54  = 858.522 W  ปัดขึ้นเป็น 1,000 W 

 - สมมติใช้แผงขนาด 250W ก็จะได้จำนวนแผง = 1,000/250 = 4 แผง

สรุปใช้แผง 250 W จำนวน 4 แผง  และกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ = 1,000 W

5.หาขนาดของชาร์จเจอร์ ในที่นี้เลือกใช้แบบ MPPT หาด้จากสูตรนี้   1.25 x กำลังไฟฟ้าที่ PV ผลิตได้  = 1.25 x 1,000  = 1,250 W 

สรุปใช้ ชาร์จเจอร์ ขนาด 1,250 W

จากข้อมูลที่ได้คำนวณมาแล้ว ก็จะได้ผลลัพธ์ มาครบถ้วนแล้ว  แต่....ยังไม่จบครับ เพราะปัญหาหลักๆ อันจะทำให้มึนงง... คืออุปกรณ์ ที่เราจะซื้อมาใช้งานนั้น สเป็คจะไม่ค่อยตรงกับที่เราคำนวณได้ เดี๊ยวบทความหน้า เราจะมากล่าวกันถึงเรื่องการเลือกนำอุปกรณ์มาต่อใช้งาน ครับ

ท้ายนี้ขอขอบพระคุณ ข้อมูลชั้นเยี่ยม ตามรายนามด้านล่าง ที่ทางทีมงานได้นำมาอ้างอิงและศึกษาเพื่อนำมาถ่ายทอดต่อให้กับผู้สนใจในระบบโซล่าเซลล์ครับ

www.thaisolarbook.com หนังสือดีๆสำหรับการออกแบบระบบโซล่าเซลล์ ของคนไทย

http://seiapi.com/

http://www.seia.org/ 

http://www.solarcity.com/

http://wholesalesolar.com/

http://www.sma.de/en

http://photovoltaic-software.com/

http://www.alsoenergy.com/

ฯลฯ