برق اضطراری خانه با باتری لیتیومی و اینورتر – بدون پنل خورشیدی

این مقاله برای کسی نوشته شده که می‌خواهد در زمان خاموشی، یخچال، روشنایی، مودم، تلویزیون، کامپیوتر، پمپ آب یا در صورت طراحی صحیح حتی کولر را روشن نگه دارد، ولی فعلاً قصد نصب پنل روی پشت‌بام ندارد. در ادامه روش محاسبه باتری لیتیومی برای قطعی برق، توان اینورتر، زمان برق‌دهی باتری ۵ و ۱۰ کیلووات‌ساعت، نحوه اتصال به تابلو و تفاوت برق اضطراری با UPS را قدم‌به‌قدم بررسی می‌کنیم.

ساختار پایه سیستم ساده است:

هنگامی که برق شهر وصل است، اینورتر می‌تواند باتری را از ورودی AC شارژ کند. در زمان قطع شبکه، مدل‌هایی که قابلیت Backup یا EPS دارند، بارهای متصل به خروجی اضطراری را از باتری تغذیه می‌کنند. Tesla نیز برای سیستم باتری خانگی بدون خورشیدی، شارژ از شبکه و تأمین برق هنگام قطعی را به‌عنوان یک معماری معتبر توضیح می‌دهد. Victron نیز اینورتر/شارژر را تجهیزی معرفی می‌کند که شارژ باتری و انتقال خودکار بار در زمان قطع AC را در یک دستگاه ترکیب می‌کند.

آیا هر اینورتر هیبریدی بدون پنل کار می‌کند؟

خیر. باید دفترچه همان مدل بررسی شود. این قابلیت‌ها مهم‌اند:

• شارژ باتری از شبکه یا AC Charge
• خروجی مستقل Backup یا EPS
• سازگاری ولتاژ باتری با اینورتر
• ارتباط BMS با باتری لیتیومی
• حداکثر جریان شارژ از شبکه
• توان پیوسته و اضافه‌بار خروجی
• امکان تنظیم حداقل SOC یا ذخیره اضطراری
• زمان انتقال از شبکه به باتری
• امکان کار بدون اتصال پنل PV

وجود عبارت Hybrid روی بدنه دستگاه به‌تنهایی تضمین نمی‌کند تمام این امکانات در یک مدل فعال باشند.

در سیستم‌های ذخیره انرژی خانگی، باتری لیتیوم آهن فسفات یکی از گزینه‌های رایج است. سازندگان تجهیزات ذخیره انرژی از این شیمی در محصولات مسکونی استفاده می‌کنند؛ Growatt در خانواده APX خود از LiFePO4 و BMS چندلایه استفاده می‌کند و نسخه APX HV Battery 2.0 را به‌صورت ماژولار از ۵ تا ۳۰ کیلووات‌ساعت ارائه کرده است.

ویژگی‌هایی که باتری لیتیومی را برای برق اضطراری جذاب می‌کنند:

• چگالی انرژی بالاتر نسبت به بسیاری از باتری‌های سربی
• امکان استفاده از بخش بزرگ‌تری از ظرفیت، مطابق محدودیت سازنده
• تعداد چرخه بیشتر در بسیاری از مدل‌های ذخیره انرژی
• BMS برای کنترل ولتاژ سلول، جریان، دما و حفاظت
• قابلیت توسعه ماژولار در برخی سری‌ها
• نگهداری روزمره کمتر
• مناسب‌بودن برای نصب داخل ساختمان در صورت رعایت الزامات سازنده

اگر بار خانه ۲ کیلووات باشد، لزوماً به باتری ۲ کیلووات‌ساعت نیاز ندارید. اگر همان بار قرار است ۴ ساعت روشن بماند، فقط انرژی خروجی AC آن ۸ کیلووات‌ساعت است و پس از درنظرگرفتن ظرفیت قابل استفاده باتری و بازده اینورتر، باتری اسمی بزرگ‌تری لازم می‌شود.

اولین کار این است که مشخص کنید در زمان خاموشی چه وسایلی واقعاً باید روشن بمانند. طراحی برای تمام خانه بدون حذف بارهای سنگین، هزینه باتری و اینورتر را به‌سرعت بالا می‌برد.

گام ۱: بارهای ضروری را جدا کنید

• یخچال و فریزر
• مودم و تجهیزات شبکه
• روشنایی ضروری
• تلویزیون یا لپ‌تاپ
• سیستم امنیتی و دوربین
• پمپ آب در صورت ضرورت
• تجهیز پزشکی خانگی در صورت وجود
• یک کولر یا فن در صورت اولویت

گام ۲: توان هم‌زمان را محاسبه کنید

توان وسایلی را که ممکن است هم‌زمان روشن شوند جمع کنید. این عدد پایه انتخاب توان اینورتر است.

گام ۳: انرژی موردنیاز را محاسبه کنید

اگر متوسط بار اضطراری ۱٫۲ کیلووات باشد و چهار ساعت برق بخواهید:

۱٫۲ × ۴ = ۴٫۸ کیلووات‌ساعت انرژی AC

این هنوز ظرفیت نامی باتری نیست؛ تلفات تبدیل و ظرفیت غیرقابل استفاده باتری باید در مرحله بعد وارد شوند.

فرض کنیم برای آموزش، ۹۰ درصد ظرفیت باتری قابل استفاده و بازده تبدیل باتری به AC برابر ۹۲ درصد باشد. برای نیاز ۴٫۸ کیلووات‌ساعت:

۴٫۸ ÷ (۰٫۹ × ۰٫۹۲) ≈ ۵٫۸ کیلووات‌ساعت

در چنین شرایطی، کلاس ۵ کیلووات‌ساعت ممکن است برای چهار ساعت کامل کافی نباشد و ظرفیت بالاتر باید بررسی شود. مقدار واقعی سهم قابل استفاده، بازده و ذخیره SOC باید از کاتالوگ و تنظیمات همان سیستم گرفته شود.

اگر باتری ظرفیت قابل استفاده را مستقیم اعلام کند

بعضی سازندگان در کنار ظرفیت اسمی، انرژی قابل استفاده را نیز اعلام می‌کنند. در این حالت همان عدد برای محاسبه دقیق‌تر مناسب‌تر است و نباید یک درصد دلخواه دوباره از آن کم کنید.

زمان برق‌دهی به متوسط بار وابسته است. جدول زیر با فرض آموزشی ۹۰ درصد ظرفیت قابل استفاده و بازده ۹۲ درصد اینورتر محاسبه شده است. در این فرض، یک باتری اسمی ۵ کیلووات‌ساعت حدود ۴٫۱۴ کیلووات‌ساعت انرژی AC قابل تحویل دارد.

این زمان‌ها برای بار متوسط ثابت‌اند. یخچال، کولر، پمپ و سایر بارهای موتوری در طول زمان توان ثابت ندارند؛ بنابراین اندازه‌گیری واقعی مصرف نتیجه دقیق‌تری می‌دهد.

با همان فرض آموزشی، یک باتری ۱۰ کیلووات‌ساعت حدود ۸٫۲۸ کیلووات‌ساعت انرژی AC قابل تحویل خواهد داشت.

پس جمله «باتری ۱۰ کیلووات‌ساعت چند ساعت جواب می‌دهد؟» بدون دانستن بار پاسخ واحد ندارد. همان باتری برای بار ۵۰۰ وات بیش از سه برابر زمانی دوام می‌آورد که متوسط بار ۲ کیلووات باشد.

جدول زیر نیز با همان فرض ۹۰ درصد ظرفیت قابل استفاده و بازده ۹۲ درصد محاسبه شده است:

محدودیت توان دشارژ باتری نیز باید بررسی شود. باتری ۱۰ کیلووات‌ساعت لزوماً نمی‌تواند ۱۰ کیلووات توان لحظه‌ای تحویل دهد. حداکثر جریان و توان خروجی BMS معیار جداگانه‌ای است.

توان اینورتر را از روی مجموع بارهایی انتخاب کنید که در زمان قطعی قرار است هم‌زمان کار کنند. ظرفیت باتری در این محاسبه جایگزین توان اینورتر نمی‌شود.

بارهای بدون موتور

روشنایی، تلویزیون، مودم و بسیاری از تجهیزات الکترونیکی راه‌اندازی سنگینی ندارند، ولی کیفیت موج خروجی و تحمل لحظه‌ای اینورتر همچنان مهم است.

بارهای موتوری و کمپرسوری

یخچال، فریزر، پمپ و کولر ممکن است در شروع یا هنگام تغییر شرایط کاری، توان بیشتری از مقدار متوسط مصرف کنند. اینورتر باید توان اضافه‌بار و جریان لحظه‌ای مناسب داشته باشد.

بله، در صورت انتخاب درست اینورتر و باتری. کولر اغلب یکی از بارهایی است که ظرفیت سیستم را به‌طور محسوسی افزایش می‌دهد.

فرض کنید متوسط مصرف کولر در شرایط موردنظر ۱٫۱ کیلووات باشد و سایر بارهای ضروری به‌طور متوسط ۰٫۵ کیلووات مصرف کنند:

متوسط بار = ۱٫۱ + ۰٫۵ = ۱٫۶ کیلووات

برای دو ساعت: ۱٫۶ × ۲ = ۳٫۲ کیلووات‌ساعت AC

با فرض ۹۰ درصد ظرفیت قابل استفاده و بازده ۹۲ درصد:

۳٫۲ ÷ (۰٫۹ × ۰٫۹۲) ≈ ۳٫۹ کیلووات‌ساعت ظرفیت اسمی

در این سناریوی آموزشی، کلاس ۵ کیلووات‌ساعت می‌تواند نقطه شروع بررسی باشد؛ ولی توان لحظه‌ای کولر، جریان کمپرسور، حالت اینورتر کولر، دمای محیط و توان خروجی باتری باید جداگانه کنترل شوند.

یخچال و فریزر

در بسیاری از سیستم‌های خانگی قابل پشتیبانی‌اند. توان راه‌اندازی کمپرسور و الگوی روشن و خاموش‌شدن باید در انتخاب اینورتر لحاظ شود.

پمپ آب

امکان‌پذیر است، ولی توان راه‌اندازی موتور اهمیت دارد. اگر پمپ بزرگ است یا چند واحد هم‌زمان از آن استفاده می‌کنند، بهتر است بار پمپ جدا بررسی شود.

آسانسور

آسانسور یک بار ویژه با ملاحظات ایمنی، توان لحظه‌ای، درایو و مقررات نصب است. اتصال آن به سیستم برق اضطراری واحد مسکونی بدون طراحی تخصصی توصیه نمی‌شود. در ساختمان چندواحدی، برق اضطراری آسانسور باید در سطح تابلو عمومی ساختمان بررسی شود.

برای بسیاری از خانه‌ها، ایجاد یک تابلو بارهای ضروری از نظر اقتصادی و فنی منطقی‌تر از پشتیبانی کل واحد است. در طراحی Partial Backup، فقط مدارهای منتخب هنگام قطعی از باتری تغذیه می‌شوند؛ این همان رویکردی است که سازندگان سیستم‌های ذخیره انرژی خانگی نیز برای کنترل ظرفیت و مدت پشتیبانی استفاده می‌کنند.

بارهایی که می‌توان از مدار اضطراری خارج کرد

• اجاق برقی پرتوان
• اتو و سشوار
• ماشین لباسشویی در زمان قطعی
• آبگرم‌کن برقی پرتوان
• شارژ خودروی برقی
• چند کولر هم‌زمان، مگر اینکه سیستم برای آن طراحی شده باشد

با حذف بارهای کم‌اهمیت، می‌توان با همان ظرفیت باتری مدت برق‌دهی بیشتری گرفت و توان اینورتر را نیز منطقی‌تر انتخاب کرد.

اگر خانه تک‌فاز است، طراحی خروجی Backup ساده‌تر است. در انشعاب سه‌فاز باید مشخص شود:

• آیا فقط یک فاز بارهای ضروری پشتیبانی می‌شود؟
• آیا اینورتر واقعاً خروجی سه‌فاز در حالت Backup دارد؟
• توان مجاز هر فاز چقدر است؟
• عدم تعادل بار فازها تا چه حد مجاز است؟
• آیا بار سه‌فاز واقعی در خانه وجود دارد؟

سه‌فازبودن ورودی ساختمان به این معنی نیست که با یک اینورتر تک‌فاز می‌توان تمام بارهای سه‌فاز را در زمان قطع شبکه فعال نگه داشت. معماری تابلو باید از ابتدا مشخص شود.

بعضی اینورتر/شارژرها قابلیت انتقال سریع از شبکه به باتری دارند، ولی زمان انتقال عدد ثابتی برای همه مدل‌ها نیست. دستگاهی که برای یخچال و روشنایی مناسب است، لزوماً جای UPS تخصصی برای سرور، تجهیزات پزشکی یا بار بسیار حساس را نمی‌گیرد.

پیش از خرید این موارد را از دیتاشیت همان مدل بررسی کنید:

• زمان انتقال در حالت Backup/EPS
• کیفیت موج سینوسی خروجی
• محدوده ولتاژ و فرکانس ورودی
• رفتار دستگاه در اضافه‌بار
• امکان Bypass

Victron در خانواده MultiPlus خود اینورتر، شارژر و کلید انتقال سریع AC را در یک دستگاه ترکیب می‌کند؛ این موضوع نشان می‌دهد «اینورتر ساده» و «اینورتر/شارژر دارای انتقال اضطراری» دو کاربرد متفاوت دارند.

نام منوها در برندها متفاوت است، ولی این تنظیمات باید بررسی شوند:

• Grid/AC Charging: اجازه شارژ باتری از برق شهر
• Max Charge Current: محدودیت جریان شارژ بر اساس باتری و شبکه
• Battery Type: انتخاب لیتیوم و پروتکل BMS صحیح
• Minimum SOC: حداقل درصد شارژ مجاز برای حفاظت و ذخیره
• Backup Reserve: انرژی نگه‌داشته‌شده برای قطعی
• Time of Use: زمان‌بندی شارژ و دشارژ در مدل‌های پشتیبانی‌کننده
• Generator Input: فقط در صورت طراحی منبع کمکی
• Export Control: اگر دستگاه قابلیت اتصال موازی با شبکه دارد

قابلیت Grid Charging در سیستم‌های ذخیره انرژی شناخته‌شده وجود دارد؛ Tesla نیز به‌طور رسمی شارژ Powerwall از شبکه را در تنظیمات پشتیبانی می‌کند. با این حال دسترسی به این گزینه می‌تواند به مدل، تنظیم نصاب یا الزامات شرکت برق وابسته باشد.

در زمان خاموشی، خروجی اضطراری باید از شبکه عمومی جدا باشد. برق‌دارکردن ناخواسته شبکه می‌تواند برای نیروهای تعمیراتی و تجهیزات خطرناک باشد.

این جداسازی بسته به سیستم از طریق خروجی اختصاصی Backup، کنتاکتور، کلید انتقال یا Gateway انجام می‌شود. سیستم‌های باتری خانگی تجاری نیز برای تأمین برق در خاموشی از تجهیز جداساز شبکه استفاده می‌کنند.

برای یک واحد مسکونی، معماری کاربردی می‌تواند به این شکل باشد:

این معماری باعث می‌شود بارهای پرمصرف غیرضروری در زمان خاموشی باتری را تخلیه نکنند. جزئیات نول، ارت، حفاظت نشتی جریان، کلید انتقال و نحوه جداسازی شبکه باید با نقشه برق ساختمان و دفترچه اینورتر طراحی شود.

هیچ‌کدام برای همه پروژه‌ها برنده نیستند.

باتری کم‌ولتاژ ۴۸/۵۱٫۲ ولت

• در بسیاری از اینورترهای خانگی و آفگرید رایج است.
• برای توان بالا جریان DC زیادی ایجاد می‌کند؛ کابل و حفاظت اهمیت زیادی دارند.
• مدل‌های رک‌مونت و دیواری متنوعی دارد.

باتری ولتاژ بالا

• در بسیاری از اینورترهای هیبرید جدید استفاده می‌شود.
• برای توان یکسان، جریان DC کمتری نسبت به سیستم ۴۸ ولت دارد.
• باید دقیقاً با خانواده اینورتر و کنترلر باتری سازگار باشد.

اگر اینورتر شما ۴۸ ولت است، نمی‌توان باتری HV را مستقیم به آن متصل کرد و برعکس. انتخاب اینورتر و باتری باید به‌صورت یک سیستم سازگار انجام شود.

خیر. سه سطح سازگاری باید بررسی شود:

1. ولتاژ: بازه ولتاژ باتری با ورودی اینورتر سازگار باشد.
2. توان و جریان: جریان شارژ و دشارژ از محدودیت BMS و کابل عبور نکند.
3. ارتباط: پروتکل CAN یا RS485 و پروفایل همان باتری در اینورتر پشتیبانی شود.

استفاده بدون ارتباط BMS در بعضی معماری‌ها ممکن است، اما نیازمند تنظیم دقیق ولتاژها و محدودیت‌های جریان است و نباید بدون تأیید سازنده انجام شود.

مشاهده باتری‌های موجود در آرا نیرو و مقایسه اینورترهای موجود

برای قطعی‌های کوتاه و تکرارشونده، باتری و اینورتر مزیت عملی زیادی دارد. برای خاموشی بسیار طولانی که امکان شارژ مجدد باتری نیست، ژنراتور یا ترکیب باتری و منبع تولید قابل بررسی است.

UPS و سیستم باتری خانگی الزاماً رقیب مستقیم نیستند. UPS آنلاین برای بعضی بارهای حساس کیفیت و پیوستگی برق ویژه‌ای ارائه می‌دهد، در حالی که سیستم ذخیره انرژی خانگی می‌تواند ظرفیت انرژی بیشتری برای چند ساعت خاموشی فراهم کند.

باتری‌های سربی هزینه اولیه پایین‌تری در بعضی ظرفیت‌ها دارند، ولی عمق دشارژ، چرخه کاری، وزن، فضای نصب و برنامه تعویض باید در هزینه دوره بهره‌برداری دیده شوند. تصمیم فقط با مقایسه قیمت خرید باتری درست نیست.

اگر اینورتر از ابتدا ورودی PV مناسب داشته باشد یا معماری برای توسعه در نظر گرفته شده باشد، بله. این یکی از دلایل انتخاب اینورتر مناسب در مرحله اول است.

در حالت فعلی:

پس از افزودن پنل:

اگر احتمال توسعه دارید، ظرفیت ورودی PV، تعداد MPPT، ولتاژ رشته و حداکثر جریان اینورتر را از ابتدا بررسی کنید.

بله، و یکی از کاربردهای منطقی این معماری آپارتمان‌هایی است که پشت‌بام مشترک دارند یا مالک فعلاً امکان نصب پنل ندارد.

قبل از نصب باید این موارد بررسی شوند:

• محل ایمن و قابل دسترس برای باتری و اینورتر
• تهویه و محدوده دمای مجاز
• تحمل دیوار یا کف برای وزن تجهیزات
• مسیر کابل تا تابلو برق
• عدم نصب در مسیر خروج اضطراری یا محل در معرض آب
• صدای فن اینورتر در بار و شارژ بالا
• دسترسی تعمیرکار و فضای سرویس

به‌جای پرسیدن «برای یک خانه چه باتری بخرم؟» بهتر است متوسط بار اضطراری را مشخص کنید. جدول زیر با همان فرض آموزشی ۹۰ درصد ظرفیت قابل استفاده و بازده ۹۲ درصد اینورتر نوشته شده است.

بنابراین، در همین فرض آموزشی، باتری کلاس ۵ کیلووات‌ساعت برای متوسط بار ۱ کیلووات و حدود چهار ساعت، یا متوسط بار ۲ کیلووات و حدود دو ساعت قابل بررسی است. باتری کلاس ۱۰ کیلووات‌ساعت برای متوسط بار ۲ کیلووات و حدود چهار ساعت به عدد محاسباتی نزدیک می‌شود. این نتیجه قبل از خرید باید با انرژی قابل استفاده واقعی باتری، ذخیره SOC و توان دشارژ مدل انتخابی کنترل شود.

قیمت سیستم برق اضطراری خانه را نمی‌توان فقط با گفتن «دو ساعت برق می‌خواهم» مشخص کرد. بیشترین اثر را ظرفیت باتری و توان اینورتر دارند، ولی هزینه نصب و حفاظت نیز باید از ابتدا دیده شود.

بهتر است استعلام قیمت را با سه عدد بگیرید: توان اینورتر، ظرفیت باتری و مدت پشتیبانی در بار مشخص. مقایسه دو پیشنهاد بدون یکسان‌کردن این سه پارامتر گمراه‌کننده است.

• انتخاب باتری فقط بر اساس آمپرساعت و بدون توجه به ولتاژ
• فرض اینکه باتری ۱۰ کیلووات‌ساعت می‌تواند ۱۰ کیلووات توان بدهد
• انتخاب اینورتر بر اساس ظرفیت باتری
• نادیده‌گرفتن توان راه‌اندازی کولر، یخچال و پمپ
• قرار دادن تمام خانه روی مدار Backup بدون مدیریت بار
• خرید باتری و اینورتر ناسازگار از نظر BMS
• بی‌توجهی به حداکثر جریان شارژ و دشارژ
• فرض اینکه هر اینورتر هیبریدی بدون پنل کار می‌کند
• توجه نکردن به زمان انتقال برای بار حساس
• سیم‌کشی برگشتی و خطرناک به شبکه
• نادیده‌گرفتن ارت، حفاظت و سطح مقطع کابل DC
• قرار دادن باتری در گرمای شدید یا فضای نامناسب
• خرید بر اساس «چند ساعت برق» بدون اندازه‌گیری بار

برای اینکه ظرفیت سیستم دقیق‌تر انتخاب شود، این اطلاعات را آماده کنید:

1. تک‌فاز یا سه‌فاز بودن برق واحد
2. فهرست وسایلی که در قطعی باید روشن بمانند
3. توان هر وسیله یا تصویر پلاک آن
4. مدت برق اضطراری موردنیاز؛ ۲، ۴، ۶ یا ۸ ساعت
5. وجود کولر، پمپ یا بار موتوری
6. اینکه کل واحد یا فقط مدارهای ضروری پشتیبانی شوند
7. محل نصب باتری و اینورتر
8. آیا در آینده قصد افزودن پنل خورشیدی دارید؟
9. اگر اینورتر یا باتری از قبل دارید، مدل دقیق آن

اگر هنوز مصرف خود را نمی‌دانید، راهنمای محاسبه مصرف و ظرفیت سیستم برق می‌تواند نقطه شروع خوبی باشد.

منابع فنی و اطلاعات تکمیلی

• Tesla Powerwall – نحوه کار باتری خانگی با و بدون پنل خورشیدی
• Tesla – استفاده از باتری خانگی در کنار شبکه و ژنراتور
• Victron MultiPlus – اینورتر، شارژر و انتقال خودکار AC
• Growatt APX HV Battery 2.0 – باتری LFP ماژولار مسکونی
• Deye – دفترچه‌های رسمی اینورترهای هیبرید و تنظیمات باتری

سلب مسئولیت: محاسبات زمان برق‌دهی این صفحه بر اساس فرض‌های آموزشی نوشته شده‌اند. ظرفیت قابل استفاده، بازده، جریان مجاز، توان لحظه‌ای و تنظیمات هر باتری و اینورتر متفاوت است. نصب روی تابلو برق باید توسط فرد دارای صلاحیت انجام شود و مدار Backup در زمان قطع شبکه باید به‌صورت ایمن از شبکه عمومی جدا باشد.