يتكون نظام توليد الطاقة الكهروضوئية المستقل للاستخدام المنزلي من وحدة الخلايا الشمسية، الحامل، وحدة التحكم، محول الطاقة الشمسية، البطارية ونظام توزيع الطاقة. يجب أن يأخذ تصميم الخطة الكهربائية للنظام في الاعتبار اختيار وحساب الوحدات، المحولات (وحدات التحكم)، والبطاريات. قبل تصميم الخطة، يجب القيام بالتحضيرات اللازمة، لأن النظام المستقل مخصص بدون خطة موحدة. لذلك، يجب أولاً معرفة نوع وحجم حمل المستخدم، استهلاك الكهرباء في النهار وفي المساء، وظروف المناخ لمكان التركيب. يعتمد تزويد الطاقة لنظام الطاقة الكهروضوئية المستقل على الطقس، وهو غير موثوق بنسبة 100%.
يجب أن يكون النظام الشمسي المستقل مزودًا بالبطارية، التي تشكل من 30% إلى 50% من تكلفة نظام توليد الطاقة. في الوقت نفسه، تتراوح مدة الخدمة العامة لبطارية الرصاص الحمضية من 3 إلى 5 سنوات. بعد انتهاء مدة الخدمة، يجب استبدالها. من الناحية الاقتصادية، من الصعب أن تجد البطارية تطبيقات واسعة النطاق، وهي مناسبة فقط للأماكن التي تعاني من نقص في إمدادات الطاقة.
النظام المستقل يختلف عن النظام المتصل بالشبكة. لا يتم تكوين المكونات والمحولات بنسبة معينة، بل يتم تصميمها وفقًا لحمل المستخدم، استهلاك الكهرباء، وظروف الطقس المحلية:
1. تأكيد قدرة محول الطاقة المستقل وفقًا لنوع وحجم حمل المستخدم
عمومًا، يمكن تقسيم الحمل المنزلي إلى حمل حثي وحمل مقاوم. الحمل الذي يحتوي على محرك، مثل الغسالة، مكيف الهواء، الثلاجة، مضخة المياه ومروحة شفط الدخان هو حمل حثي. قدرة بدء تشغيل المحرك تكون من ثلاثة إلى خمسة أضعاف القدرة المقدرة. عند حساب قدرة المحول، يجب أخذ قدرة بدء تشغيل الحمل في الاعتبار. قدرة خرج محول الطاقة المستقل تكون أعلى من قدرة الحمل. ومع ذلك، بالنسبة للأسر ذات الدخل المحدود، من المستحيل تشغيل جميع الأحمال في نفس الوقت. لذلك، لتوفير التكاليف، يمكن ضرب مجموع قدرة الأحمال بمعامل يتراوح بين 0.7 إلى 0.9. أدناه قائمة بقدرات الأجهزة الكهربائية للاستخدام المنزلي، وهي للرجوع إليها عند التصميم.
2. تحديد قدرة الوحدة وفقًا لاستهلاك الكهرباء اليومي للمستخدم
الكهرباء المتاحة للنظام المستقل = إجمالي قدرة الوحدات * متوسط ساعات استهلاك الطاقة الشمسية * كفاءة وحدة التحكم * كفاءة البطارية. من حيث المبدأ، يجب تصميم الوحدة لتلبية استهلاك الكهرباء اليومي للحمل تحت الظروف الجوية العامة. بمعنى آخر، يجب أن يكون توليد الطاقة اليومي لوحدة الخلايا الشمسية أكبر من استهلاك الكهرباء اليومي للحمل. نظرًا لأن الظروف الجوية قد تكون أقل أو أعلى من المتوسط، يجب أن يلبي تصميم وحدة الخلايا الشمسية أساسًا احتياجات الموسم ذو الإضاءة الأقل. بمعنى آخر، يجب التأكد من شحن البطارية بالكامل في الموسم ذو الإضاءة الأقل. ومع ذلك، فإن الإضاءة الأقل موسميًا في بعض الأماكن أقل بكثير من المتوسط السنوي. إذا تم تصميم قدرة وحدة الخلايا الشمسية وفقًا لأسوأ الظروف، فقد يتجاوز توليد الطاقة السنوي الطلب الفعلي بكثير، مما يسبب هدرًا كبيرًا. في هذه الحالة، يجب زيادة السعة المصممة للبطارية بشكل مناسب لتوسيع تخزين الطاقة الكهربائية وضمان أن تكون البطارية في حالة تفريغ سطحي، مما يعوض نقص توليد الطاقة في الموسم ذو الإضاءة الأقل، ويمنع تلف خلايا البطارية. لا يمكن تحويل الطاقة المولدة من الوحدة بالكامل إلى طاقة للاستخدام، لأن كفاءة وحدة التحكم، خسائر الجهاز وخسائر البطارية يجب أن تؤخذ في الاعتبار أيضًا.
يجب أن يأخذ زاوية تركيب الوحدة في الاعتبار الموقع الجغرافي للمستخدم لتلبية متطلبات المستخدم في الصيف والشتاء. عادةً ما تواجه زاوية الخلايا الشمسية الجنوب بحيث يمكن تعظيم الطاقة المولدة من وحدة الخلايا الشمسية. الزاوية المثالية هي التي تعظم توليد الطاقة السنوي للخلايا الشمسية، مع تقليل الفرق في توليد الطاقة بين الشتاء والصيف.
استهلاك الكهرباء للأحمال مثل المصباح، المروحة الكهربائية ومجفف الشعر الكهربائي يساوي القدرة مضروبة في الوقت. أما الأحمال مثل مكيف الهواء والثلاجة، فإن استهلاك مكيف الهواء للكهرباء مرتبط ارتباطًا وثيقًا بالفارق في درجة الحرارة بين الداخل والخارج، ومساحة السكن، وكفاءة طاقة المكيف. مكيف هواء بقوة 1 حصان، إذا استُخدم لمدة ثماني ساعات في الليل، يستهلك من 1 إلى 5 كيلوواط ساعة من الكهرباء.
3. تأكيد سعة البطارية وفقًا لاستخدام المستخدم للكهرباء ليلاً أو وقت الاستعداد المتوقع
مهمة البطارية هي ضمان الاستخدام الطبيعي للطاقة لحمل النظام عندما يكون الإشعاع الشمسي غير كافٍ. يجب أن يضمن الحمل المهم عمل النظام بشكل طبيعي لعدة أيام، ويجب أخذ عدد الأيام المتتالية الغائمة والممطرة في الاعتبار. بالنسبة للأحمال العامة، مثل مصباح الشارع الشمسي، يجب اختيار سعة البطارية لمدة يومين إلى ثلاثة أيام بناءً على الخبرة أو الحاجة. بالنسبة للأسر ذات الدخل المحدود، السعر هو اعتبار رئيسي. لا تحتاج البطارية إلى العمل في الأيام الممطرة والغائمة، وتُستخدم عندما يكون هناك ضوء شمس كافٍ. عندما يكون ضوء الشمس غير كافٍ أو لا يوجد شمس، فلن تُستخدم البطارية. عند اختيار الحمل، يجب اختيار الأجهزة الموفرة للطاقة، مثل مصابيح LED ومكيفات الهواء ذات التردد المتغير. يشمل تصميم البطارية تصميم سعة البطارية وتركيب خلايا البطارية على التوالي والتوازي. في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية، غالبًا ما تُستخدم بطارية الرصاص الحمضية. مع الأخذ في الاعتبار عمر البطارية، يتم تعيين عمق التفريغ عادة بين 0.5 إلى 0.7. السعة المصممة للبطارية = (متوسط استهلاك الكهرباء اليومي للحمل * عدد الأيام المتتالية الغائمة والممطرة) / عمق تفريغ البطارية.
4. خطة تصميم لنظام بقدرة 4000 واط للاستخدام المنزلي
طلب العميل لاستخدام الكهرباء: الإضاءة (200 واط، 6 ساعات يوميًا)، الثلاجة (50 واط، 24 ساعة يوميًا)، مكيف هواء بتردد متغير (1 حصان، 12 ساعة يوميًا)، التلفاز (50 واط، 10 ساعات يوميًا). أجهزة منزلية أخرى تُستخدم لفترات غير محددة، بما في ذلك الغسالة، الحاسوب المكتبي، الطباخ الكهربائي، المروحة الكهربائية، وغيرها.
(1) إحصاء إجمالي قدرة الحمل
الإضاءة 200 واط، الثلاجة 50 واط، المكيف 750 واط، التلفاز 50 واط، الغسالة 300 واط، الحاسوب المكتبي 200 واط، الطباخ الكهربائي 1200 واط والمروحة الكهربائية 100 واط. المجموع 2850 واط. لذلك، تم اختيار محول الطاقة الشمسية المستقل بقدرة 4000 واط.
(2) إحصاء استهلاك الكهرباء اليومي
تستهلك الإضاءة 1.2 كيلوواط ساعة، الثلاجة 1 كيلوواط ساعة، المكيف 2 كيلوواط ساعة، التلفاز 0.5 كيلوواط ساعة، الغسالة 1 كيلوواط ساعة، الحاسوب المكتبي 0.5 كيلوواط ساعة، الطباخ الكهربائي 1 كيلوواط ساعة، المروحة الكهربائية 0.5 كيلوواط ساعة. المجموع 7.7 كيلوواط ساعة. في الواقع، يبلغ متوسط استهلاك الكهرباء اليومي حوالي 6 إلى 10 كيلوواط ساعة. في بعض المناطق، تكون ظروف الإضاءة ملائمة، حيث تستمر لمدة 4.5 ساعات يوميًا. تم اعتماد 9 وحدات بقدرة 280 واط للتصميم، بإجمالي استهلاك كهرباء 2.52 كيلوواط، ويمكنها توليد 11.34 كيلوواط ساعة. كفاءة النظام المستقل منخفضة، حوالي 0.8، ومتوسط إمداد الطاقة اليومي المتاح للاستخدام هو 9 كيلوواط ساعة. يمكنه عمومًا تلبية أكثر من 99% من طلبات استخدام الكهرباء.
(3) حساب البطارية
تُستخدم الأجهزة الكهربائية المنزلية غالبًا في المساء، مع استهلاك 20% فقط في النهار. لزيادة عمر البطارية، يمكن زيادة سعة البطارية بشكل مناسب، لأن عمق التفريغ اليومي منخفض. يعتمد هذا المشروع على أربع وحدات من بطاريات الرصاص الحمضية الهلامية 12 فولت 250 أمبير ساعة، بسعة إجمالية 12,000 فولت أمبير ساعة. كمية الكهرباء القابلة للاستخدام حوالي 8.4 كيلوواط ساعة، ومتوسط استهلاك الكهرباء ليلاً هو 6 كيلوواط ساعة. عمق التفريغ حوالي 50%.
