การออกแบบและคำนวณขนาดระบบอิสระ (Off-Grid System Design) มีขั้นตอนมาตรฐานทางวิศวกรรมที่ต้องดำเนินการอย่างเป็นลำดับรวม 8 ขั้นตอน โดยผลลัพธ์ของแต่ละขั้นตอนจะถูกนำไปใช้เป็นข้อมูลป้อนเข้า (Input) ให้แก่ขั้นตอนถัดไป ดังนี้:
https://www.youtube.com/watch?v=URGr8eDnooE
การออกแบบและคำนวณขนาดระบบอิสระ (Off-Grid System Design) มีขั้นตอนมาตรฐานทางวิศวกรรมที่ต้องดำเนินการอย่างเป็นลำดับรวม 8 ขั้นตอน โดยผลลัพธ์ของแต่ละขั้นตอนจะถูกนำไปใช้เป็นข้อมูลป้อนเข้า (Input) ให้แก่ขั้นตอนถัดไป ดังนี้:
1. สำรวจและประเมินภาระไฟฟ้า (Load Assessment)
- การคำนวณพลังงานไฟฟ้ารวมต่อวัน (\(E_{load}\)): คำนวณหาพลังงานไฟฟ้ารวมที่อุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหมดต้องการใช้งานต่อวัน ในหน่วย \(\text{Wh/วัน}\) ด้วยสูตร: \[E_{load} = \sum (P_i \times t_i)\] (เมื่อ \(P_i\) คือ กำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์แต่ละชนิดในหน่วย Watt และ \(t_i\) คือ ชั่วโมงการใช้งานต่อวัน)
- การหากำลังไฟฟ้ารวมสูงสุด (\(P_{peak}\)): ประเมินกำลังไฟฟ้ารวมสูงสุดในหน่วย Watt (W) จากอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีโอกาสเปิดใช้งานพร้อมกัน
2. กำหนดวันสำรองไฟ (Days of Autonomy) และค่า DOD (Depth of Discharge)
- กำหนดวันสำรองไฟ (\(D_{aut}\)): กำหนดจำนวนวันที่ระบบต้องจ่ายไฟสำรองจากแบตเตอรี่ในกรณีที่ไม่มีแสงแดดหรือเกิดฝนตกหนักต่อเนื่อง
- กำหนดค่าความลึกการคายประจุ (DOD): กำหนดสัดส่วนพลังงานที่ดึงมาจากแบตเตอรี่ตามประเภทที่เลือกใช้งาน:
- แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต (\(\text{LiFePO}_4\)): กำหนดค่า \(\text{DOD} = 80%\) (\(0.80\))
- แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด / เจล / AGM: กำหนดค่า \(\text{DOD} = 50%\) (\(0.50\))
3. เลือกแรงดันระบบ (System Voltage Selection: \(V_{sys}\))
เลือกแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงของระบบแบตเตอรี่ให้สอดคล้องกับขนาดกำลังไฟฟ้าสูงสุดของโหลด (\(P_{peak}\)) เพื่อควบคุมระดับกระแสไฟฟ้าและลดขนาดสายไฟ:
- กำลังโหลด \(P_{peak} \le 1,000\text{ W}\): เลือกใช้แรงดันระบบ \(12\text{ V}\)
- กำลังโหลด \(P_{peak} = 1,000–3,000\text{ W}\): เลือกใช้แรงดันระบบ \(24\text{ V}\)
- กำลังโหลด \(P_{peak} > 3,000\text{ W}\): เลือกใช้แรงดันระบบ \(48\text{ V}\)
4. คำนวณขนาดความจุแบตเตอรี่ (Battery Sizing: \(C_{Ah}\))
คำนวณหาความจุแบตเตอรี่รวมในหน่วย Ampere-hour (Ah) ด้วยสูตร: \[C_{Ah} = \frac{E_{load} \times D_{aut}}{V_{sys} \times DOD \times \eta_{inv}}\] (โดยกำหนดให้ประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ \(\eta_{inv} \approx 0.90\) แล้วเลือกพิกัดความจุแบตเตอรี่รุ่นที่มีจำหน่ายจริงในท้องตลาด)
5. คำนวณขนาดแผงเซลล์สุริยะ (Solar Panel Sizing: \(P_{pv}\))
คำนวณหากำลังผลิตติดตั้งรวมของแผงโซลาร์เซลล์ในหน่วย Watt-peak (\(W_p\)) ด้วยสูตร: \[P_{pv} = \frac{E_{load}}{PSH \times \eta_{sys}}\]
- ค่า PSH: ชั่วโมงแสงแดดจัดเฉลี่ยประจำวันของพื้นที่ติดตั้ง (\(\text{h/วัน}\))
- ค่า \(\eta_{sys}\): ประสิทธิภาพรวมของระบบ Off-Grid กำหนดใช้ที่ \(\eta_{sys} \approx 0.60–0.70\) (เฉลี่ย \(0.65\)) ซึ่งคิดรวมความสูญเสียจากองค์ประกอบต่างๆ (\(\eta_{bat} \times \eta_{scc} \times \eta_{inv} \times \eta_{loss} = 0.85 \times 0.97 \times 0.90 \times 0.88 \approx 0.65\))
- จากนั้นนำค่า \(P_{pv}\) ที่ได้ไปหารกำลังวัตต์ของแผงต่อแผ่นแล้วปัดเศษขึ้นเป็นจำนวนเต็มเพื่อหาจำนวนแผงที่ต้องใช้จริง
6. เลือกเครื่องควบคุมการประจุ (Solar Charge Controller Sizing: \(I_{scc}\))
คำนวณหาพิกัดกระแสชาร์จสูงสุดของเครื่องควบคุมการประจุ (แบบ MPPT) ด้วยสูตร: \[I_{scc} = \frac{P_{pv}}{V_{sys}} \times 1.25\] (โดยต้องคิดเผื่อตัวคูณความปลอดภัย \(1.25\) เสมอ)
7. เลือกอินเวอร์เตอร์ (Inverter Sizing: \(P_{inv}\))
- กำลังไฟฟ้าต่อเนื่อง: คำนวณหาขนาดพิกัดกำลังไฟฟ้ารวมของอินเวอร์เตอร์ด้วยสูตร: \[P_{inv} \ge P_{peak} \times 1.25\]
- กำลังกระชาก (Surge Power): หากในระบบมีอุปกรณ์ประเภทมอเตอร์หรือปั๊มน้ำ ต้องตรวจสอบคุณสมบัติการทนกระแสกระชากขณะสตาร์ตของอินเวอร์เตอร์ให้รองรับได้ \(\ge 3P_{peak}\)
8. คำนวณขนาดสายไฟ อุปกรณ์ป้องกัน และระบบต่อลงดิน (Wiring, Protection & Grounding)
- สายไฟฟ้า: เลือกขนาดสายไฟฟ้า DC (ชนิด PV1-F / H1Z2Z2-K) และสายไฟฟ้า AC โดยควบคุมแรงดันตกในสาย
- อุปกรณ์ป้องกัน: เลือกพิกัดเซอร์กิตเบรกเกอร์ DC (DC MCB), ฟิวส์กระบอกชนิด gPV, อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจากฟ้าผ่า (DC/AC SPD)
- ระบบต่อลงดิน: ติดตั้งระบบสายดินและแท่งหลักดินเพื่อความปลอดภัยทางไฟฟ้าตามมาตรฐาน วสท.
สรุปเปรียบเทียบขั้นตอนและผลลัพธ์การออกแบบ:
| ขั้นตอนที่ | กระบวนการออกแบบ | ผลลัพธ์และสูตรวิศวกรรมหลัก |
|---|---|---|
| 1 | ประเมินภาระไฟฟ้า | \(E_{load} = \sum (P_i \times t_i)\) (\(\text{Wh/วัน}\)) และ \(P_{peak}\) (\(\text{W}\)) |
| 2 | กำหนดวันสำรองไฟ & DOD | \(D_{aut}\) และ \(\text{DOD}\) (ลิเทียม \(0.80\) / ตะกั่ว-กรด \(0.50\)) |
| 3 | เลือกแรงดันระบบ (\(V_{sys}\)) | \(12\text{ V}\) (\(\le 1\text{kW}\)), \(24\text{ V}\) (\(1–3\text{kW}\)), \(48\text{ V}\) (\(> 3\text{kW}\)) |
| 4 | คำนวณความจุแบตเตอรี่ | \(C_{Ah} = \frac{E_{load} \times D_{aut}}{V_{sys} \times DOD \times \eta_{inv}}\) (\(\text{Ah}\)) |
| 5 | คำนวณขนาดแผงโซลาร์ | \(P_{pv} = \frac{E_{load}}{PSH \times \eta_{sys}}\) (\(W_p\)) โดย \(\eta_{sys} \approx 0.65\) |
| 6 | เลือกเครื่องควบคุมการชาร์จ | \(I_{scc} = \frac{P_{pv}}{V_{sys}} \times 1.25\) (\(\text{A}\)) |
| 7 | เลือกอินเวอร์เตอร์ | \(P_{inv} \ge P_{peak} \times 1.25\) (\(\text{W}\)) (เผื่อ Surge \(\ge 3P_{peak}\)) |
| 8 | อุปกรณ์สายไฟและระบบป้องกัน | สาย PV1-F, เบรกเกอร์ DC, ฟิวส์ gPV, SPD และหลักดิน |
📌 คุณต้องการให้ลองนำสูตรทั้ง 8 ขั้นตอนนี้ไปแสดงวิธีทำคำนวณกับตัวอย่างโจทย์บ้านสวนหรือสถานที่เฉพาะเพิ่มเติมไหมครับ?
