تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة

انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة أو ما يعرف ب Off Grid PV solar systems هي انظمة لا تعتمد إطلاقاً على شبكة الكهرباء العامة، ولكنها أنظمة مستقلة، ويتم تصميمها بحيث تلبي احتياجات المكان من الكهرباء ليلاً ونهاراً بالطاقة الشمسية فقط.

وكما هو واضح في الصورة بالأعلى 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 احتياجات المكان من الكهرباء.

وقبل أن نبدأ في الحديث عن تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة، يجب أن نذكر أن هناك ثلاثة أنواع من أنظمة الطاقة الشمسية للمنازل:

1. نظام متصل بالشبكة On Grid
2. نظام منفصل عن الشبكة Off grid
3. النظام الهجين Hybrid

وفي هذا المقال سنتناول بالتفصيل كيفية تصميم منظومة طاقة شمسية منفصلة عن الشبكة وسنراعي التبسيط الشديد وتركيز الموضوع علي قدر الإمكان إن شاء الله.

متى نلجأ الى أنظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة؟

النظام المنفصل عن الشبكة مكلف قليلاً كما ذكرنا، وللمصداقية جدواه الاقتصادية حتى الآن أكبر من سعر الكهرباء التي تشتريها من شبكة الكهرباء الحكومية، وحتى بعد ان يتم رفع الدعم عن الكهرباء في معظم البلدان ستكون ايضا تكلفة الأنظمة المنفصلة عن الشبكة كبيرة نسبياً.

وذلك لأن البطاريات الموجودة في النظام ستحتاج الى التغيير كل فترة، مع العلم أن اسعار بطاريات الطاقة الشمسية حتى الآن لا تزال مرتفعة نسبياً، لذلك يعتبر استخدامها ذو جدوى في الحالات الآتية:

• في المزارع النائية حيث تكون موجودة في مناطق خدمة الكهرباء العمومية فيها ضعيفة ومتكررة الانقطاع كما أنهم يدفعون الكهرباء بنظام الممارسة او يتم تحصيل الكهرباء بالسعر التجاري وتحصل منهم الحكومة كثيراً على ذلك.
• الاستراحات والمعسكرات والشاليهات النائية والتي لا يوجد بها خطوط كهرباء بالأساس فالطاقة الشمسية في هذه الحالة ستكون أرخص وأكثر أماناً من مولدات الديزل.
• أي مكان آخر حالته مشابهة للحالات المذكورة بالأعلى.

عيوب ومميزات الأنظمة المنفصلة عن الشبكة

• المميزات

مجرد أن تكون معتمدة على 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.

• العيوب

تكلفتها مرتفعة عن نظيرتها من الأنظمة المتصلة بالشبكة أو الهجينة وهذا لأنها تحتاج عدد أكبر من البطاريات، نظراً لأن مطلوب من البطاريات تلبية كافة احتياجاتك من الكهرباء طوال فترات غياب الشمس، وأيضاً ستحتاج الي تغيير البطاريات كل فترة من 3 الي 5 سنوات.

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 منظومة منفصلة عن الشبكة، ألا وهو حساب مجموع الأحمال الكهربية للأجهزة الموجودة في المكان المراد تشغيله.

الجدول التالي يوضح بعض الأحمال الكهربية لأكثر الأجهزة الكهربية استخداما والتي ستكون موجودة لديك في الغالب، وسينفعك هذا الجدول لبداية حساب الأحمال الكهربية لبعض الأجهزة، ولكن أنصح دائماً 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 أشهرها وأهمها بشكل بسيط ونؤكد انه إذا اردت حسابها بدقة فأقرأ على كل جهاز الحمل الكهربي الخاص به بالوات وهذا سيكون أفضل.

أما بالنسبة للمضخات التي ذكرناها في الجدول، فنؤكد اننا نقصد المضخات الصغيرة الخاصة بالاستخدامات 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 معاً في أول نقطة وهي حساب الاحمال الكهربية للأجهزة ومعدل الاستهلاك اليومي بالليل والنهار ولذلك ستحتاج الي ملأ الجدول التالي:

قم بتسطير الجدول يدويا بنفسك وأملأه، وسنقوم بشرح كل جزء فيه معا

• أولاً:

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"

• ثانياً:

في العمود ذو الخلفية الصفراء تقوم بحساب مجموع الأحمال لكل مجموعة أجهزة متشابهة على حدى عن طريق ضرب الحمل بالوات للجهاز الواحد في عدد الأجهزة، ثم في النهاية قم بجمع جميع القيم في العمود باللون الأصفر وكتابتها في المربع المحدد باللون الأحمر.

• ثالثاً:

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 المسمى الطاقة الكهربية تقوم بضرب القيمة الموجودة في العمود الأصفر " مجموع الأحمال بالوات " في قيمة عدد ساعات العمل المتوقعة بالنهار لتحصل على الطاقة الكهربية المطلوبة بالنهار لكل جهاز على حدى بوحدة wh"وات ساعة"، ثم تقوم بجمعها جميعاً ووضعها في خانة المجموع " المربع المحدد باللون الأحمر".

• رابعاً:

في الطاقة المطلوبة بالليل تكرر نفس الذي قمنا به في الخطوة السابقة فقط الاختلاف أنك ستتوقع عدد ساعات العمل أثناء الليل بدلا من النهار وايضاً تحسب المجموع النهائي وتضعه في المربع الأحمر بالنهاية.

وبذلك يصبح لديك ثلاثة قيم مهمة وهي كل ما تحتاجه لتبدأ في التصميم الصحيح والمناسب لك تماما بإذن الله:

• "مجموع الأحمال بالوات "يمكن ان تقوم بقسمتها علي 1000 لتحصل عليها بوحدة كيلو وات
• وهي الطاقة الكهربية المطلوبة أثناء النهار بوحدة وات ساعة "Wh" ويمكن ايضا ان تقوم بقسمتها على 1000 لتحصل عليها بوحدة كيلو وات ساعة Kwh"
• الطاقة الكهربية المطلوبة بالمساء بوحدة وات ساعة Wh ويمكن ايضا ان تقوم بقسمتها على 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 عن الشبكة، هي تحديد حجم وقدرة مصفوفة الألواح الشمسية للنظام.

بكل بساطة أنت الآن لديك قيمة الطاقة الكهربية التي تحتاجها بالليل وبالنهار بوحدة كيلو وات ساعة "Kwh" وهاتان هما القيمتان الثانية والثالثة في الخطوة التي ذكرناها بالأعلى.

فقط فم بجمعهم لتحصل على 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 لألواح الطاقة الشمسية المطلوبة لتغطية استهلاكك طوال اليوم بوحدة كيلو وات.

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 أنك بعد هذه الحسابات وجدت أنك بحاجة الي 3.5 كيلو وات من الألواح " أي 3500 وات . اذاً كم لوح أنا بحاجة اليه الآن؟

ببساطة شديدة ايضاً 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 "

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 الأولى على قيمة مجموع الأحمال الكهربية وهي القيمة الأولى 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 مثلاً مجموع الأحمال الذي حصلت عليه في القيمة الأولى في الخطوة الرابعة 3.7 كيلو وات، إذاً انت بحاجة الى انفرتر 4 كيلو وات " نقوم دائما بتكبير القيمة نظراً لوجود فقد في الطاقة ولأن كفاءة الانفرتر ليست 100% بالتأكيد كما ان الانفرتر"محول التيار" في حد ذاته يقوم باستهلاك كهرباء ليعمل"

4-تحديد حجم البطاريات المطلوبة وعددها وسعتها

الخطوة الرابعة من تصميم انظمة الطاقة الشمسية المنفصلة هي تحديد سعة البطاريات المطلوبة وعددها.

تحديد حجم مصفوفة البطاريات بالأساس يعتمد على كمية الطاقة الكهربية المطلوبة طوال فترات غياب الشمس والتي قد تصل الي 16 ساعة في اليوم، ولحساب حجم مصفوفة البطاريات ببساطة ايضاً 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 على الحسابات التي حسبناها في الخطوة الرابعة.. ولكن كيف أحدد عدد البطاريات وسعتها؟؟

• 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 "
• 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 نسميه D.O.D ويمكنك فهم هذا الأمر بشكل أعمق لو أردت من خلال قراءة موضوع بطاريات الطاقة الشمسية ولكن لتبسيط الأمر بشكل مبدئي هذا يعني اننا نحاول 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 التخزينية 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 عن الشبكة 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 اصبحت أجد ان معظم الانفرترات المتوفرة بالأسواق منظم الشحن موجود بداخلها.

على أي حال فلو كنت ستحصل على انفرتر يوجد بداخله منظم الشحن فيجب انن تتأكد من مواصفات منظم الشحن الموجود بداخلها انه مناسب لظروفك.

بالنسبة لمنظم الشحن بدون الدخول في تفاصيل مرهقة، اختر منظم شحن MPPT وهذا النوع هو الأفضل والأكثر كفاءة ويقوم بالحصول علي أكبر قدرة ممكنة من خلال تتبع القدرة القصوى بين الفولت والأمبير ولن نتحدث أكثر من ذلك في هذا الأمر.

الآن نأتي الي النقطة المهمة في اختيار منظم الشحن او حتى الانفرتر لو كان منظم الشحن موجود بداخل الانفرتر وهي فولتية وأمبير منظم الشحن.

هذا الامر يعتمد بالأساس على مصفوفة البطاريات التي لديك.. بالنسبة لمصفوفة البطاريات فقد حصلنا في الخطوة رقم 4 على عدد البطاريات وسعة كل منها ولا تستكثر عدد البطاريات " فقد تكون 8 او 10 او حتى 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 و200 امبير " طبعا نقصد امبير ساعة ولكن هذا هو اللفظ المتداول في السوق "

كما هو واضح في الصورة بالأعلى لو تم توصيل البطاريات على التوالي سيظل الأمبير ثابت، اما الفولتية هي التي سيتم جمعها ليكون الوضع 200 امبير ساعة و96 فولت.

أما إذا تم تقسيم البطاريات الي مجموعتين، كل مجموعة من أربع بطاريات موصلة معا على التوالي، ثم توصيل المجموعتين معاً على التوازي سيكون الوضع 400 امبير ساعة و48 فولت.

بمعني ان التوالي يجمع الفولت والتوازي يجمع الأمبير. " ولاحظ ان البطاريات لابد ان تكون نفس السعة ونفس الفولت ونفس تاريخ الإنتاج ونفس النوع "

فرضاً اننا سنختار الحالة الثانية في توصيل مصفوفة البطاريات التي هي 48 فولت " اذاً نحن بحاجة الي منظم شحن 48 فولت .. كام امبير؟

بمنتهي البساطة وكما تعودنا، فقد حصلنا في الخطوة رقم 2 على قدرة الواح الطاقة الشمسية لنظامنا.. قلنا مثلا 3.5 كيلو وات، ما يعادل 3500 وات

اقسم 3500 / 48 " و 48 هي الفولتية التي اخترناها 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 و80 أمبير من النوع MPPT.

شارك المقال مع اصدقاءك عبر طرق النشر التالية: