اليوم سنقدم تصميم نظام طاقة شمسية منزلية بقدرة أقل من 10 كيلوواط، يتم تركيبه على سطح المنزل ومتصل بشبكة كهربائية بجهد 220 فولت أو 380 فولت. الحد الأقصى لسعة التركيب هو 25% من سعة المحول العلوي.
اختيار موقع التركيب المناسب
عادةً ما يكون سطح المنزل من نوع البلاط أو الهيكل الخرساني، لذلك من الضروري إجراء فحص ميداني قبل التركيب، لأن ليس كل سطح مناسب لتركيب الألواح الشمسية.
أولاً، يجب تحديد ما إذا كانت قدرة التحميل للسطح تلبي المتطلبات. متطلبات تحميل معدات نظام الطاقة الشمسية على السطح تزيد عن 30 كجم/م2. بشكل عام، المنازل ذات الهيكل الخرساني المبنية خلال السنوات الخمس الماضية تلبي المتطلبات، بينما يجب فحص المنازل ذات الهيكل الطوبي المبنية قبل 10 سنوات بعناية.
ثانيًا، يجب التحقق من وجود ظلال في المنطقة المحيطة. حتى الظلال الصغيرة تؤثر على قدرة توليد الطاقة، مثل سخانات المياه، أعمدة الكهرباء، الأشجار الطويلة، وغيرها. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان هناك انبعاثات غبار بالقرب من الطرق والمنازل، قد تتلوث الألواح الشمسية مما يؤثر على قدرتها على توليد الطاقة.
وأخيرًا، يجب التحقق من اتجاه السطح وزاوية الميل. عندما تواجه الألواح الشمسية الجنوب وتكون بزاوية ميل مثالية، تكون قدرة توليد الطاقة في أقصاها. أما إذا كانت مواجهة للشمال، فسيحدث فقد كبير في القدرة على التوليد.
اختيار الألواح الشمسية المناسبة
هناك ثلاثة أنواع من الألواح الشمسية: متعددة البلورات، أحادية البلورة، والأفلام الرقيقة. لكل نوع مزاياه وعيوبه. تحت نفس الظروف، تعتمد كفاءة نظام الطاقة الشمسية فقط على القدرة الاسمية للألواح الشمسية، ولا ترتبط مباشرة بكفاءة الألواح نفسها. وحدات الألواح الشمسية تحتوي على 60 أو 72 خلية شمسية. نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة المنزلية عادة ما يكون صغير الحجم وصعب التركيب، لذلك يُنصح باستخدام ألواح شمسية بـ 60 خلية، لأنها صغيرة الحجم، خفيفة الوزن وسهلة التركيب.
اختيار الحامل المناسب
حسب حالة السطح، يمكن اختيار حوامل من الألمنيوم، حوامل فولاذية على شكل C، حوامل من الفولاذ المقاوم للصدأ أو غيرها. بالإضافة إلى ذلك، وبعد مراعاة عوامل مثل قوة حامل الألواح الشمسية، تكلفة النظام، واستغلال مساحة السطح، يجب تقليل زاوية ميل الألواح الشمسية قدر الإمكان لتقليل مساحة التعرض للرياح، مما يزيد من قوة الحامل ويخفض تكلفته دون تقليل كبير في قدرة النظام على توليد الطاقة (التراجع لا يتجاوز 1%).
تسرب المياه هو مشكلة يجب الانتباه لها أثناء تركيب نظام الطاقة الشمسية. سيكون النظام آمنًا إذا كان لديه أداء جيد لمقاومة الماء. يتم تركيب الحامل الفوتوفولتي على السطح لدعم الوحدة وهو متصل بالسطح. تصميمه يعتمد على طريقة التثبيت العلوية التي لا تخترق أو تضر بالعزل المائي الأصلي للسطح. يستخدم كتلة تثبيت مسبقة الصنع، لا تحتاج إلى صب في الموقع وتتجنب تلف طبقة العزل المائي للسطح بسبب تركيب الحامل.
تصميم توصيل الألواح الشمسية على التوالي والتوازي
في هذا النظام الشمسي المتصل بالشبكة، تُوصل الخلايا الشمسية على التوالي لتشكيل فرع سلسلة. يستخدم التوصيل على التوالي لرفع نطاق جهد الإدخال من جهد التيار المستمر إلى العاكس. يجب التأكد من أن جهد الخلايا الشمسية لا يتجاوز نطاق جهد الإدخال للعاكس تحت ظروف الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة المختلفة.
جهد العمل يكون حول الجهد الاسمي للعاكس، حيث تكون الكفاءة في أعلى مستوياتها. العاكس أحادي الطور 220 فولت له جهد إدخال اسمي 360 فولت. العاكس ثلاثي الطور 380 فولت له جهد إدخال اسمي 650 فولت. بالنسبة للعاكس 3000 واط، إذا تم تزويده بألواح شمسية بقدرة 260 واط وجهد عمل 30.5 فولت، يكون جهد العمل الكلي 366 فولت لـ 12 قطعة والقدرة 3.12 كيلوواط، وهو الأفضل. العاكس 10 كيلوواط مزود بـ 40 لوحة شمسية 260 واط، 20 سلسلة لكل منها، الجهد 610 فولت، والقدرة الكلية 10.4 كيلوواط، وهو الأفضل.
اختيار الكابلات
في نظام الطاقة الشمسية المنزلي، يُنصح باستخدام كابلات نحاسية. لأن وصلات MC4 للألواح الشمسية، وأطراف توصيل خرج العاكس، وأطراف توصيل مفتاح الربط بالشبكة مصنوعة من النحاس. إذا تم استخدام أسلاك الألمنيوم وتم توصيلها مباشرة بالنحاس، يتكون ما يشبه البطارية الكيميائية، وهو التآكل الكهروكيميائي. هذا يسبب اتصالًا سيئًا بين النحاس والألمنيوم، مما يزيد من مقاومة الاتصال. عند مرور التيار، ترتفع درجة حرارة نقطة الاتصال، مما يسرع التآكل ويزيد المقاومة، مما يؤدي إلى دائرة مفرغة حتى الاحتراق. أطراف خرج محول الطاقة الشمسية مصنوعة أيضًا من النحاس. إذا استُخدم سلك الألمنيوم، يجب أن يكون قطره أكبر. على سبيل المثال، للعاكس 30 كيلوواط، يُصمم لاستخدام سلك نحاسي بمساحة 10 مم2، أو سلك ألومنيوم بمساحة 16 مم2. إذا زادت مساحة الكابل، وكانت أطراف التوصيل المقاومة للماء محدودة المساحة، قد لا تتحمل. بالإضافة إلى ذلك، يجب اختيار أسلاك نحاسية مرنة BVR متعددة الخيوط بدلاً من الأسلاك النحاسية الصلبة BV، لأن الأسلاك الصلبة قد تسبب اتصالًا سيئًا مع الطرف، ومواقع الانحناء تتعرض للإجهاد مما يؤدي إلى ارتخاء البراغي واتصال سيئ.
مخطط تصميم نظام الطاقة الشمسية الشائع للمنزل
بالنسبة لأنظمة الطاقة الشمسية المنزلية الشائعة، يكون النظام أحادي الطور عادة بين 3 إلى 8 كيلوواط، والنظام ثلاثي الطور بين 4 إلى 10 كيلوواط. إذا أمكن، يُنصح باستخدام نظام طاقة شمسية متصل بالشبكة ثلاثي الطور، لأنه تحت نفس الظروف، يكون استثمار النظام ثلاثي الطور أقل وقدرته على التوليد أعلى من النظام أحادي الطور المتصل بالشبكة. على سبيل المثال، لنظام طاقة شمسية متصل بالشبكة بقدرة 10 كيلوواط، إذا تم توصيله بشبكة أحادية الطور، سيحتاج إلى 2 عاكسات ربط بالشبكة، 4 سلاسل من الألواح الشمسية للتيار المستمر، 8 كابلات تيار مستمر و2 مفاتيح للتيار المتردد. أما إذا تم توصيله بشبكة ثلاثية الطور، فسيحتاج فقط إلى 1 عاكس متصل بالشبكة، 2 سلاسل من الألواح الشمسية للتيار المستمر، 4 كابلات تيار مستمر و1 مفتاح للتيار المتردد. النظام الشمسي المتصل بشبكة ثلاثية الطور يتميز بتيار أقل، خسائر أقل وكفاءة أعلى من النظام المتصل بشبكة أحادية الطور. كما أن النظام الشمسي ثلاثي الطور له تأثير أقل على شبكة الكهرباء ولن يتوقف بسبب رفع جهد الربط بالشبكة.
على سبيل المثال، إليكم خطة تصميم مختصرة لنظام طاقة شمسية متصل بالشبكة بقدرة 3000 واط للمنزل.
يتطلب التصميم مساحة سطح حوالي 30 م2، ويستخدم 12 لوحة شمسية بقدرة 265 واط، والقدرة الكلية 3.18 كيلوواط. يستخدم النظام مجموعة واحدة من محول طاقة شمسية بقدرة 3000 واط، متصل بشبكة كهربائية 220 فولت داخل صندوق توزيع الطاقة الداخلي الأصلي، ثم يتصل بشبكة توزيع الطاقة منخفضة الجهد داخل المنزل عبر دائرة 220 فولت قبل الإرسال إلى مصدر التيار الرئيسي.
الجهد الأقصى للتيار المستمر للعاكس (الجهد الأقصى لدائرة المفتوحة للمصفوفة) هو 550 فولت، ونطاق تتبع جهد الطاقة القصوى هو 70~550 فولت، وعدد قنوات MPPT هو قناة واحدة لكل شبكة. الجهد التشغيلي الاسمي لكل وحدة خلية شمسية هو 30.8 فولت، وجهد الدائرة المفتوحة 38.3 فولت. تحت ظروف العمل الاسمية بدرجة حرارة محيطة 25±2℃، وإشعاع شمسي 1000 واط/م2، يكون جهد العمل لسلسلة الـ 12 خلية شمسية 369.6 فولت وجهد الدائرة المفتوحة 459.6 فولت، وكلاهما ضمن نطاق الإدخال المسموح به للعاكس. لذلك، يمكنه العمل بشكل طبيعي.
في تغير ظروف العمل، مع الأخذ في الاعتبار أن متوسط درجة الحرارة القصوى للبيئة هو -10℃، يكون جهد العمل عند نقطة القدرة القصوى للخلايا الشمسية 12 × 30.8 × (0.35% × 35 + 1) = 415 فولت، مما يلبي متطلبات جهد الإدخال لنقطة MPPT بتحميل كامل بحد أقصى 550 فولت. وعندما يكون متوسط درجة الحرارة القصوى للبيئة 42℃، يكون جهد العمل عند نقطة القدرة القصوى 12 × 31.2 × (-0.35% × 17 + 1) = 352.1 فولت، مما يلبي متطلبات جهد الإدخال لنقطة MPPT بتحميل كامل بحد أدنى 70 فولت.
انظر الجدول أدناه للتكوين الأساسي لهذا النظام الشمسي المنزلي.
