أنواع أنظمة الطاقة الشمسية
قبل أن نبدأ في الحديث عن تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة, يجب أن نذكر أن أنواع انظمة الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء نوعان وهما:
- نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة او الهجين On Grid
- نظام الطاقة الشمسية المنفصل عن الشبكة Off grid
وحتي لا نكرر المواضيع, فبإمكانك قراءة موضوع انظمة الطاقة الشمسية لتتعرف أكثر علي كلا النوعين والفوارق بينهما.
أما في هذا الموضوع فسنتحدث عن تصميم انظمة الطاقة الشمسية الكهربية المنفصلة عن الشبكة (Off Grid PV Solar system design) وسنراعي التبسيط الشديد وتركيز الموضوع علي قدر الإمكان إن شاء الله.
ما هي انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة off grid
انظمة الطاقة الشمسية الفولتوضوئية المنفصلة عن الشبكة أو ما يعرف ب Off Grid PV solar systems هي من إسمها يتضح لك أنها أنظمة منفصلة عن الشبكة .. ولكن أي شبكة نقصد؟ .. بالطبع نقصد شبكة الكهرباء العمومية الخاصة بوزارة الكهرباء .. فهذا النظام لا يعتمد إطلاقا علي شبكة الكهرباء العامة بل هو مستقل تماما ويتم تصميمه بحيث انه يلبي إحتيجاتك من الكهرباء ليلا ونهارا بالطاقة الشمسية.
وكما هو واضح في الصورة بالأعلي يتكون من مصفوفة الواح شمسية وتكون متصلة بمنظم الشحن " الذي يمكن أن يكون موجود بداخل الإنفرتر او كوحدة منفصلة " ثم يتصل منظم الشحن بمصفوفة البطاريات وكذلك بمحول التيار " الإنفرتر " والذي نقوم بعد ذلك بتوصيله بلوحة الكهرباء لتغذية إحتياجات المكان من الكهرباء.
يمكنك التعرف أكثر علي آلية العمل ووظيفة كل جزء من هذه المكونات بشكل أكثر تفصيلا من خلال قراءة موضوع " الطاقة الشمسية للمنازل "
عيوب ومميزات الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة
- المميزات
- العيوب
مجرد أن تكون معتمدة علي الطاقة الشمسية فقط بنسبة 100% هي في حد ذاتها ميزة كبيرة , فأنت لا يهمك بعد الآن انقطاع التيار الكهربي ولا عداد كهرباء ولا فواتير كهرباء
تكلفتها مرتفعة عن نظيرتها من الأنظمة المتصلة بالشبكة أو الهجينة وهذا لأنها تحتاج عدد أكبر من البطاريات نظرا لأن مطلوب من البطاريات تلبية كافة إحتياجاتك من الكهرباء طوال فترات غياب الشمس, وأيضا ستحتاج الي تغيير البطاريات كل فترة (من 3 الي 4 سنوات)
متي نستخدم الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة؟
النظام المنفصل عن الشبكة مكلف قليلا كما ذكرنا, وللمصداقية جدواه الإقتصادية حتي الآن اكبر من سعر الكهرباء التي تشتريها من شبكة الكهرباء الحكومية وحتي بعد ان يتم رفع الدعم عن الكهرباء في معظم البلدان ستكون ايضا تكلفة الأنظمة المنفصلة عن الشبكة كبيرة نسبيا, وذلك لأنه كما ذكرنا فأنت بحاجة الي تغيير البطاريات كل فترة, مع العلم أن اسعار بطاريات الطاقة الشمسية حتي الآن لا تزال مرتفعة نسبيا ,لذلك يعتبر استخدامها ذو جدوي في الحالات الآتية:
- في المزارع النائية حيث تكون موجودة في مناطق خدمة الكهرباء العمومية فيها ضعيفة ومتكررة الإنقطاع كما أنهم يدفعون الكهرباء بنظام الممارسة او يتم تحصيل الكهرباء بالسعر التجاري وتحصل منهم الحكومة كثيرا علي ذلك.
- الإستراحات والمعسكرات والشاليهات النائية والتي لا يوجد بها خطوط كهرباء بالأساس فالطاقة الشمسية في هذه الحالة ستكون أرخص وأأمن من مولدات الديزل
- أي مكان آخر حالته مشابهة للحالات المزكورة بالأعلي
خطوات تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة
1- حساب مجموع الاحمال الكهربية
نأتي هنا الي بداية النقاط المهمة في تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة والتي يجب أن تكون هي أول ما تفعله لتصميم نظام الطاقة الشمسية المنفصل عن الشبكة ألا وهو حساب مجموع الأحمال الكهربية للأجهزة الموجودة في المكان المراد تشغيله بالطاقة الشمسية.
كنا في موضوع سابق بعنوان حساب الطاقة الشمسية في المنازل تجاهلنا موضوع حساب مجوع الأحمال الكهربية للأجهزة, بإعتبار أن مجموع الأحمال الكهربية يكون مذكور أصلا في فاتورة الكهرباء الشهرية, وبمجرد قسمتها علي عدد ايام الشهر 30 يوم, يمكن ببساطة حساب متوسط الإستهلاك اليومي من الكهرباء بالكيلو وات ساعة, ولكن الآن فمن المتوقع أصلا عدم وجود كهرباء في المكان, وبالتالي لا يوجد عداد كهربي بالمكان, لذلك سنقوم بحسابها بأنفسنا.
والجدول التالي يوضح بعض الأحمال الكهربية لأكثر الأجهزة الكهربية استخداما والتي ستكون موجودة لديك في الغالب.
" سينفعك هذا الجدول لبداية حساب الأحمال الكهربية لبعض الأجهزة ولكن أنصح دائما بأخذ حمل كل جهاز بقراءته بنفسك فكل الأجهزة يكون مذكور عليها حملها بالوات Watt"
طبعا هذه هي الأجهزة الأساسية التي تجد معظمها او كلها في المكان المراد تشغيله بنظام الطاقة الشمسية المنفصل عن الشبكة وحاولنا ذكر اشهرها وأهمها بشكل بسيط ونؤكد انه اذا اردت حسابها بدقة فأقرأ علي كل جهاز الحمل الكهربي الخاص بع بالوات وهذا سيكون أفضل.
أما بالنسبة للمضخات التس ذكرناها في الجدول, فنؤكد اننا نقصد المضخات الصغيرة الخاصة بالإستخدامات العادية ذات القدرات البسيطة وتكون واحد فاز, وليست للري فموضوع مضخات الري موضوع آخر يمكنك قراءته في موضوع " تصميم انظمة مضخات الري بالطاقة الشمسية
دعونا الآن نبدأ معا في أول نقطة وهي حساب الاحمال الكهربية للأجهزة ومعدل الإستهلاك اليومي بالليل والنهار ولذلك ستحتاج الي ملأ الجدول التالي :
"قم بتسطير الجدول يدويا بنفسك وأملأه" وسنقوم بشرح كل جزء فيه معا
- أولا :
- ثانيا:
- ثالثا:
- رابعا :
بالنسبة للمربع ذو الخلفية البيضاء سنقوم فيه بكتابة الأجهزة التي لدينا والحمل الكهربي لكل جهاز بالوات watt وعدد الأجهزة "بالنسبة للإضاءة أكتب كل مجموعة لمبات متشابهة في القدرة في سطر منفرد" ,
في العمود ذو الخلفية الصفراء تقوم بحساب مجموع الأحمال لكل مجموعة أجهزة متشابهة علي حدي عن طريق ضرب الحمل بالوات للجهاز الواحد في عدد الأجهزة ( الحمل بالوات * عدد الاجهزة ) ثم في النهاية قم بجمع جميع القيم في العمود باللون الأسفر وكتابتها في المربع المحدد باللون الأحمر
الجدول ذو الخلفية الزرقاء تقوم بكتابة ساعات العمل المتوقعة اثناء النهار لكل جهاز " حاول ان تتوقع بالتقريب " وقم بكتابتها في عمود ساعات العمل المتوقعة ثم في العمود المسمي الطاقة الكهربية تقوم بضرب القيمة الموجودة في العمود الأصفر " مجموع الأحمال بالوات " في قيمة عدد ساعات العمل المتوقعة بالنهار لتحصل علي الطاقة الكهربية المطلوبة بالنهار لكل جهاز علي حدي بوحدة wh "وات ساعة" ثم تقوم بجمعها جميعا ووضعها في خانة الموجموع " المربع المحدد باللون الأحمر
في الطاقة المطلوبة بالليل تكرر نفس الذي قمنا به في الخطوة السابقة فقط الإختلاف انك ستتوقع عدد ساعات العمل أثناء الليل بدلا من النهار وايضا تحسب المجموع النهائي وتضعه في المربع الأحمر بالنهاية.
وبذلك يصبح لديك ثلاثة قيم مهمة جدا جدا وهي كل ما تحتاجه لتبدأ في التصميم الصحيح والمناسب لك تماما باذن الله:
- القيمة الأولي :
- القيمة الثانية :
- القيمة الثالثة:
"مجموع الأحمال بالوات "يمكن ان تقوم بقسمتها علي 1000 لتحصل عليها بوحدة كيلو وات KW
وهي الطاقة الكهربية المطلوبة أثناء النهار بوحدة وات ساعة "Wh" ويمكن ايضا ان تقوم بقسمتها علي 1000 لتحصل عليها بوحدة كيلو وات ساعة Kwh"
الطاقة الكهربية المطلوبة بالمساء بوحدة وات ساعة Wh ويمكن ايضا ان تقوم بقسمتها علي 1000 لتحصل عليها بوحدة كيلو وات ساعة "Kwh"
2-تحديد حجم مصفوفة الألواح الشمسية وعدد الألواح
الخطوة الثانية من خطوات تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة هي تحديد حجم وقدرة مصفوفة الواح الطاقة الشمسية للنظام
بكل بساطة أنت الآن لديك قيمة الطاقة الكهربية التي انت بحاجة اليها بالنهار بوحدة كيلو وات ساعة "Kwh" وايضا لديك الطاقة التي تحتاجها بالمساء بوحدة كيلو وات ساعة "Kwh" وهاتان هما القيمتان الثانية والثالثة في الخطوة التي ذكرناها بالأعلي.
فقط فم بجمعهم لتحصل علي قيمة الطاقة الكهربية التي انت بحاجة اليها طوال اليوم بوحدة كيلو وات ساعة "Kwh"
قم بقسمة الناتج / 6 "وهو متوسط عدد ساعات سطوع الشمس في معظم البلاد العربية" .. الأن انت لديك القدرة الكهربية لالواح الطاقة الشمسية المطلوبة لتغطية استهلاكك طوال اليوم بوحدة كيلو وات "Kw"
قم بضرب الناتج * 1.2 " بذلك نكون قد زودناها بنسبة 20% اعتبارا لأيام الغيوم التي قد يقل انتاج الألواح فيها وهذا بمثابة معامل أمان"
ثم قم بتقريب القيمة بعد ذلك لأقرب رقم صحيح .. ولنقل مثلا انك بعد هذه الحسابات وجدت انك بحاجة الي 3.5 كيلو وات من الألواح " أي 3500 وات " .. اذن كم لوح أنا بحاجة اليه الآن؟
ببساطة شديدة ايضا هناك في الأسواق العربية الواح شمسية بقدرات مختلفة, فلنقل اننا سنختار الواح بقدرة 265 وات فيكون في مثالنا هذا عدد الألواح = 3500/265 = 13.2 " طبعا لا يوجد كسور ودائما نقرب للأكبر فسنكون في حاجة الي 14 لوح بقدرة 256 وات "
ويمكنك القراءة أكثر عن الواح الطاقة الشمسية في موضوع الالواح الشمسية لتوليد الكهرباء.
3- تحديد قدرة الأنفرتر (محول التيار)
الخطوة الثالثة في تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة هي تحديد قدرة الانفرتر للنظام
ببساطة أيضا وكما تعودنا انت حصلت في الخطوة الأولي علي قيمة مجموع الأحمال الكهربية وهي القيمة الأولي التي ذكرناها وهي بوحدة كيلو وات " KW"
وهذا هو مجموع الأحمال الكهربية لكل الأجهزة التي لديك لو أنها قامت بالعمل في نفس الوقت وهذا بالتحديد هو المطلوب من الانفرتر "محول التيار"
فلو كان مثلا مجموع الأحمال الذي حصلت عليه في القيمة الأولي في الخطوة الرابعة 3.7 كيلو وات مثلا اذن انت بحاجة الي انفرتر 4 كيلو وات " نقوم دائما بتكبير القيمة نظرا لوجود فقد في الطاقة ولأن كفاءة الانفرتر ليست 100% بالتأكيد كما ان الانفرتر"محول التيار" في حد ذاته يقوم باستهلاك كهرباء ليعمل"
ويمكنك قراءة المزيد عن محول التيار في موضوع انفرتر انظمة الطاقة الشمسية ولاحظ طبعا اننا نتحدث عن انفرتر منفصل عن الشبكة Off Grid
4- تحديد حجم البطاريات المطلوبة وعددها وسعتها
الخطوة الرابعة من تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة هي تحديد سعة البطاريات المطلوبة وعددها
بالنسبة لانظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة, تحديد حجم مصفوفة البطاريات بالاساس يعتمد علي كمية الطاقة الكهربية المطلوبة طوال فترات غياب الشمس والتي قد تصل الي 16 ساعة في اليوم, ولحساب حجم مصفوفة البطاريات ببساطة ايضا بالعودة الي الخطوة الرابعة للقيمة الثالثة التي حصلنا عليها والتي تمثل كمية الطاقة الكهربية التي ستحتاجها بالمساء بوحدة كيلو وات ساعة Kwh .
هذه هي الطاقة المطلوب من البطاريات تخزينها لتلبي كافة احتياجاتك من الكهرباء اثناء فترات غياب الشمس بناء علي الحسابات التي حسبناها في الخطوة الرابعة .. ولكن كيف أحدد عدد البطاريات وسعتها؟؟
- أولا
- ثانيا
- تالتا
- رابعا
قم بقسمة هذا الرقم " القيمة الثالثة " في الخطوة الرابعة / 12 " 12 هي فولتية البطارية الواحدة فمعظم البطاريات في الأسواق إن لم يكن كلها تعمل بجهد كهربي 12 فولت "
بعد ان تممت الخطوة الأولي انت الأن لديك السعة التخزينية المطلوبة بوحدة كيلو امبير ساعة KAh قم بضربها في 1000 لتحصل علي السعة بوحدة امبير ساعة Ah
قم بضرب هذه القيمة التي حصلت عليها في الخطوة السابقة في 2 لماذا؟ .. لأننا سنأخذ معدل تفريغ 50% وهو ما نسمية D.O.D ويمكنك فهم هذا الأمر بشكل أعمق لو أردت من خلال قراءة موضوع استفسارات حول بطاريات الطاقة الشمسية ولكن لتبسيط الأمر بشكل مبدأي هذا يعني اننا تحاول ان نجعل البطاريات لا تقوم بتفريغ اكثر من نصف شحنتها في نهاية كل يوم وذلك يطيل عمر البطاريات ويحافظ عليها من التلف.
انت الآن بعد الخطوة السابقة لديك قيمة بوحدة امبير ساعة AH وهي الوحدة االتحزينية للبطاريات .. ويوجد في السوق عدة سعات تخزينية مختلفة للبطاريات 55 أمبير او 70 امبير او 100 او 150 او 200 وهكذا " لاحظ ان المصطلح السوقي كلمة 100 امبير للبطارية مثلا تعني امبير ساعة AH "
فلحساب عدد البطاريات التي انت بحاجة اليها قم بقسمة الرقم الذي حصلت عليه / سعة البطارية التي أخترتها " وننصح باختيار بطارية ذات سعة كبيرة 200 أمبير مثلا او 150 امبير "
5- تحديد منظم الشحن ومواصفاته
الخطوة الخامسة والاخيرة في تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة هي تحديد الجهد والأمبير الخاص بمنظم الشحن وكذلك طريقة توصيل مصفوفة البطاريات
منظم الشحن كما ذكرنا يمكن أن يكون موجود بداخل الإنفرتر ويمكن ان يكون وحدة منفصلة وننصح بجعله وحدة منفصلة واختيار انفرتر بدون منظم شحن لو استطعت ذلك ولكن في السوق الآن في السنة الأخيرة اصبحت اجد ان معظم الانفرترات المتوفرة بالأسواق منظم الشحن موجود بداخلها.
علي أي حال فلو كنت ستحصل علي انفرتر يوجد بداخله منظم الشحن فيجب انن تتاكد من مواصفات منظم الشحن الموجود بداخلها انه مناسب لظروفك.
بالنسبة لمنظم الشحن بدون الدخول في تفاصيل مرهقة, إختر منظم شحن MPPT وهذا النوع هو الأفضل والأكثر كفاءة ويقوم بالحصول علي اكبر قدرة ممكنة من خلال تتبع القدرة القصوي بين الفولت والأمبير ولن نتحدث أكثر من ذلك في هذا الأمر.
الآن نأتي الي النقطة المهمة في اختيار منظم الشحن او حتي الانفرتر لو كان منظم الشحن موجود بداخل الانفرتر وهي فولتية وأمبير منظم الشحن وكام امبير؟
هذا الامر بعتمد بالأساس علي مصفوفة البطاريات التي لديك .. بالنسبة لمصفوفة البطاريات فقد حصلنا قي الخطوة رقم 4 علي عدد البطاريات وسعة كل منها ولا تسكثر عدد البطاريات " فقد تكون 8 او 10 او حتي 20 " وعليك أن تعلم ان هذا طبيعي بالنسبة لتصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة, فهي تستهلك كمية بطاريات كثيرة غالبا
طريقة توصيل مصفوفة البطاريات تكون توالي او توازي او الإثنين معا .. كيف؟
مثلا لو لدينا 8 بطاريات, والبطارية الواحدة 12 فولت و 200 امبير " طبعا نقصد امبير ساعة ولكن هذا هو اللفظ المتداول في السوق "
كما هو واضح في الصورة بالأعلي لو تم توصيل البطاريات علي التوالي سيظل الأمبير ثابت, اما الفولتية هي التي سيتم جمعها ليكون الوضع 200 امبير ساعة و 96 فولت
أما اذا تم تقسيم البطاريات الي مجموعتين, كل مجموعة من أربع بطاريات موصلة معا علي التوالي, ثم توصيل المجموعتين معا علي التوازي سيكون الوضع 400 امبير ساعة و 48 فولت
بمعني ان التوالي بجمع الفولت والتوازي بجمع الأمبير. " ولاحظ ان البطاريات لابد ان تكون نفس السعة ونفس الفولت ونفس تاريخ الإنتاج ونفس النوع "
فرضا اننا سنختار الحالة التانية في توصيل مصفوفة البطاريات التي هي 48 فولت " اذن نحن بحاجة الي منظم شحن 48 فولت " .. كام امبير ؟
بمنتهي البساطة وكما تهودنا, فقد حصلنا في الخطوة رقم 2 علي قدرة الواح الطاقة الشمسية لنظامنا .. قلنا مثلا 3.5 كيلو وات, ما يعادل 3500 وات
اقسم 3500 / 48 " و48 هي الفولتية التي اختارناها لمصفوفة البطاريات ومنظم الشحن " فتكون نتيجة القسمة حوالي 73 امبير ( إذن انت بحاجة لمنظم شحن لا يقل عن 73 أمبير, ولا مشكلة في ان يزيد عن هذه القيمة وبشكل عملي ستجد في السوق منظم شحن 80 امبير )
فتصبح مواصفات منظم الشحن المناسب لهذا المثال الذي اخترناه هو 48 فولت و 80 أمبير من النوع MPPT.
أتمني اني أكون وفقت في الشرح ويسعدني ان تشاركوا الموضوع ان اعجبكم علي فيسبوك او تويتر او لينكد ان او اي طريقة من الطرق الموجودة أسفل المقال