اليوم سنقدم تصميم نظام طاقة شمسية كهرضوئية بقدرة 5 كيلوواط خارج الشبكة لمزارع أسماك صغير، بما في ذلك التكوين وبعض طرق الحساب خطوة بخطوة.
هناك بعض البيانات الأساسية التي يجب توضيحها للتحضير لتصميم نظام الطاقة الشمسية.
- أولاً وقبل كل شيء، يجب تحديد جهد المستخدم والطور، سواء كان تيار متردد أحادي الطور 110 فولت، 120 فولت، 220 فولت، 230 فولت، أو 240 فولت، أو تيار متردد ثلاثي الطور 380 فولت، 440 فولت، 480 فولت، إلخ. هذا يحدد مواصفات خرج محول الطاقة الشمسية.
- ثانيًا، يجب تأكيد نوع الحمل سواء كان حملًا حثيًا أو مقاومًا، لأن نوع الحمل يمكن أن يحدد قدرة المحول عند التحميل وشكل موجة الخرج.
- ثالثًا، يجب تحديد وقت التشغيل الكامل للحمل، أي متوسط استهلاك الكهرباء اليومي. في حالة محطة توليد الطاقة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة، لا توجد أجهزة تخزين للطاقة، لذا يلزم فقط قدرة معقولة للوحدة الكهروضوئية. في حالة نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية خارج الشبكة، يجب حساب سعة البطارية، بما في ذلك الطاقة المخزنة ذاتيًا للنظام عند عدم وجود ظروف توليد طاقة كهروضوئية خلال أيام متتالية غائمة وممطرة.
تصميم نظام طاقة شمسية خارج الشبكة بقدرة 5000 واط
الآن نأخذ تصميم نظام طاقة شمسية خارج الشبكة لمزارع أسماك صغير بالقرب من بحيرة كدراسة حالة. بسبب بناء شبكة كهربائية لمسافة طويلة، ليس فقط التكلفة مرتفعة، بل أيضًا خسائر الموصلات وخسائر الجهد كبيرة. في الوقت نفسه، لا يمكن ضمان استقرار استخدام الطاقة بسبب الأعاصير، وتحدث انقطاعات كهربائية عرضية بشكل متكرر، مما قد يؤثر على استخدام الطاقة للإنتاج والحياة. لذلك، تم اعتماد محول طاقة شمسية خارج الشبكة. شدة إشعاع الشمس في النهار عالية، والطاقة المولدة من نظام الطاقة الشمسية تُزوّد مباشرة إلى خرج المحول لدعم تشغيل الأجهزة الكهربائية. في الوقت نفسه، تُشحن البطاريات، وتوفر الطاقة للأجهزة عبر المحول في الليل.
1. مسح الطلب على الكهرباء
هذه بعض البيانات الأساسية التي يجب معرفتها مسبقًا. الجهد في الحياة اليومية هنا هو تيار متردد 220 فولت 50 هرتز، والأجهزة أو المعدات المستخدمة عادة تشمل:
عشر مجموعات من مضخات برك الأسماك لتوليد الأكسجين (300 واط)
مجموعة واحدة من التلفاز + جهاز استقبال الأقمار الصناعية (200 واط)
طباخ كهربائي واحد (750 واط)
موقد تحريض واحد (2000 واط)
ثلاجة صغيرة واحدة (100 واط)
الإضاءة (100 واط)
هذه الأجهزة لا تُستخدم في نفس الوقت. تعمل مضخة توليد الأكسجين في النهار عند وجود إشعاع شمسي وتتوقف في الليل. قدرة الأجهزة الأخرى حوالي 3000 واط، واستهلاكها اليومي للكهرباء حوالي 10 كيلوواط. نظرًا لأن إضاءة سطح البحيرة كافية، لم يُؤخذ في الاعتبار تخزين الكهرباء الذاتي في الأيام الغائمة والممطرة.
2. محول الطاقة الشمسية
وفقًا للبيانات المقدمة من المستخدمين أعلاه، في تصميم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية خارج الشبكة هذا، تم اعتماد محول طاقة شمسية متكامل مع وحدة تحكم شحن MPPT. هذا المحول الشمسي بقدرة 5000 واط مع وحدة تحكم شحن MPPT لديه قدرة طاقة 48 فولت 7 كيلو فولت، ومعامل القدرة ≥0.8 وكفاءة التحويل ≥85%. يمكن أن تصل القدرة الفعلية عند التحميل إلى 5000 واط، مما يلبي متطلبات قدرة خرج أجهزة المستخدم.
3. سعة البطارية
يعتمد نظام الطاقة الشمسية خارج الشبكة هذا على بطارية حمض الرصاص الشائعة الاستخدام كوسيلة لتخزين الطاقة، والتي تتميز بسعة كبيرة ونسبة تكلفة أداء عالية. كمية الكهرباء المحجوزة للبطارية هي 10 كيلوواط ساعة. نظرًا لأن جهد الإدخال المستمر للمحول الشمسي هو 48 فولت تيار مستمر، يمكن حساب السعة النظرية للبطارية كما يلي:
10,000VAh/48V=208Ah
وفقًا للمعايير التكنولوجية ذات الصلة للبطاريات، يُعتبر تعيين معدل تفريغ البطارية إلى 0.5C2 اقتصاديًا وموثوقًا نسبيًا، مما يضمن عدد دورات الشحن والتفريغ للبطارية ويمدد عمر البطارية بشكل فعال. وبفضل الإضاءة الوفيرة على البحيرة، تعتمد الطاقة الكهروضوئية مباشرة على خرج المحول في النهار، دون المرور بعمليات تفريغ متكررة للبطاريات. استهلاك الكهرباء للأجهزة في الليل صغير ومدة التفريغ قصيرة. لذلك، يزيد هذا التصميم بشكل مناسب من قدرة تفريغ البطارية إلى 0.6C2. ثم يمكن إعطاء السعة الفعلية للبطاريات كما يلي:
208Ah/0.6 = 347Ah.
هنا، تم تعيين سعة البطارية لتكون 400Ah، إذًا السعة الكلية هي 48 فولت 400Ah. بطاريات حمض الرصاص هي 12 فولت 200Ah لكل قطعة. يتم توصيل أربع قطع على التوالي، وأربع قطع على التوازي. لذلك، هناك حاجة إلى ثماني بطاريات إجمالاً.
4. قدرة وحدة الألواح الشمسية
بعد حساب سعة البطاريات، يتم حساب قدرة وحدة الألواح الشمسية. تقع البحيرة في موقع ذو شدة إشعاع شمسي عالية، ومدة سطوع الشمس الفعالة تصل إلى 6 ساعات. تم اختيار وحدات الكهروضوئية من السيليكون متعدد البلورات، بكفاءة تحويل ضوئي كهربائي تصل إلى 16%.
يمكن حساب توليد الطاقة الشمسية بالمعادلة التالية:
توليد الطاقة للنظام = قدرة وحدة الألواح الشمسية × مدة سطوع الشمس × معامل التجميع.
يشير معامل التجميع إلى معامل الخسارة الناتج عن تغيرات درجة الحرارة، خسائر الخط، وكفاءة تحويل وحدة تحكم الشحن الشمسي (أو المحول). عادةً ما يتم تعيين قيمته بين 0.5 و0.7، وفي هذه الحالة تم تعيين معامل التجميع إلى 0.6. لذلك، يمكن حساب قدرة وحدة الألواح الكهروضوئية كما يلي:
48V × 400Ah/ (6h × 0.6) = 5333W
تم تعيين مواصفات وحدة الألواح الشمسية لتكون 36 فولت 275 واط، أبعادها 1900×980×45 مم، ومساحتها 2 متر مربع. يتم توصيل كل قطعتين (72 فولت) على التوالي في مجموعة واحدة. ثم يتم توصيل عشر مجموعات على التوازي. بالمجمل، هناك حاجة إلى 20 قطعة من وحدات الألواح الشمسية، بقدرة إجمالية 72 فولت 5500 واط. تبلغ مساحة مصفوفة الألواح الكهروضوئية 40 متر مربع.
5. صندوق دمج الكهروضوئية المضاد للصواعق
يُستخدم صندوق دمج الكهروضوئية لتقليل الربط بين مصفوفة وحدات الكهروضوئية والمحولة. يمكن للمستخدم توصيل عدد معين من وحدات الكهروضوئية ذات المواصفات نفسها معًا لتشكيل مصفوفة كهروضوئية. ثم توصيل عدة وحدات كهروضوئية على التوالي وتوصيلها على التوازي في صندوق الدمج الكهروضوئي. بعد التجميع في صندوق الدمج، يمكن إخراجها إلى المحول عبر قاطع التيار المستمر.
تنتمي البحيرة إلى منطقة تتكرر فيها الصواعق. المظلات المعزولة والغابات المحيطة عرضة للصواعق. لذلك، يجب على محطة الطاقة الكهروضوئية الانتباه إلى صواعق الأجهزة. يمكن أن يؤدي إدخال وحدة مضادة للصواعق ذات جهد عالي DC إلى حماية سلامة استخدام المحول، وخزانة توزيع التيار المتردد، والأجهزة الأخرى بشكل فعال. في الوقت نفسه، يمكن للديود المضاد للتيار العكسي عالي القدرة داخل صندوق الدمج أن يمنع بشكل فعال التفريغ العكسي للبطاريات إلى الوحدة ويتسبب في احتراق الوحدة عند عدم وجود طاقة كهروضوئية في الليل.
6. حامل الألواح الشمسية والكابلات
حامل الألواح الشمسية هو ملحق لا غنى عنه لنظام الطاقة الكهروضوئية، حيث يثبت وحدة الألواح الشمسية. يمكن للمستخدم أيضًا تركيب الحامل في الموقع لتقليل التكاليف، وتثبيت الوحدة، ومقاومة الصدأ.
الكابل هو السلك الذي يربط الوحدة، والمحولة، وخزانة توزيع التيار المستمر. يُستخدم جزء من الكابل في الهواء الطلق. بالنظر إلى التعرض الطويل الأمد لأشعة الشمس وغسل الأمطار، يمكن اختيار كابل مقاوم لدرجات الحرارة العالية، والأكسدة، والأشعة فوق البنفسجية لضمان التشغيل الطبيعي للنظام. يجب أن يكون الكابل من النحاس الخشن الكامل مع مقطع عرضي كبير ومقاومة صغيرة لتقليل انخفاض الجهد الناتج عن المسافات الطويلة، والذي إذا لم يُمنع، قد يؤثر على كفاءة توليد الطاقة.
ختامًا، توفر دراسة الحالة أعلاه مقدمة شاملة لتصميم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية خارج الشبكة. نأمل أن تكون المقدمة أعلاه مفيدة لكم.
