كيف تصمم نظام طاقة شمسية مستقل عن الشبكة؟

في الوقت الحاضر، لا يزال هناك عدد كبير من الأشخاص يعيشون في مناطق فقيرة أو نائية، والتي تبعد عن محطات الطاقة وشبكات الكهرباء العامة. بسبب نقص الطاقة أو حتى انعدامها، لا يمكنهم الاستمتاع بالمعلومات والراحة التي توفرها الحضارة الحديثة. نظام الطاقة الشمسية المستقل هو نظام طاقة متجدد مستقل مكتفٍ ذاتيًا، يمكنه تلبية احتياجاتهم الأساسية من الطاقة.

يتكون نظام الطاقة الشمسية المستقل النموذجي من ستة أجزاء، تشمل الألواح الشمسية، الحامل، وحدة تحكم شحن الطاقة الشمسية،  محول التيار المستمر المستقل، البطاريات، وصندوق التوزيع. تتصل الخلايا الشمسية بوحدة تحكم الشحن الشمسية، حيث تنتج الطاقة لتلبية الاستخدام اليومي للمستخدم أولاً، ثم يتم تخزين الطاقة الفائضة في البطاريات لاستخدامها ليلاً وفي الأيام الغائمة والممطرة. عندما تنفد الطاقة في البطاريات، يمكن لمعظم المحولات دعم إدخال التيار الكهربائي من الشبكة الرئيسية (أو مولد الديزل) كمصدر طاقة تكميلي للحمل.

 

تصميم نظام الطاقة الشمسية المستقل يختلف عن نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة. يحتاج النظام الأول إلى أخذ العديد من العوامل في الاعتبار مثل الحمل، كمية الكهرباء اليومية، والظروف المناخية المحلية، وغيرها، لاختيار خطط تصميم مختلفة وفقًا لاحتياجات العملاء العملية. لذلك، فإن نظام الطاقة الشمسية الفوتوفولطية المستقل أكثر تعقيدًا نسبيًا.

تعرف على مقدار طاقة حملك

لضمان موثوقية نظام الطاقة الشمسية المستقل، من الضروري إجراء مسح شامل لاحتياجات العميل من الكهرباء. أي يجب أن تحدد مقدار الطاقة التي تحتاجها، بما في ذلك تصنيفات الطاقة لجميع الأجهزة أو المعدات، ومدة تشغيلها، والاستهلاك اليومي للكهرباء (أي كم كيلوواط ساعة في المجموع). بعد ذلك، يعتمد تصميم نظام الطاقة الشمسية المستقل بشكل رئيسي على هذه البيانات، بما في ذلك اختيار محول الطاقة الشمسية، حساب سعة الألواح الشمسية، وحساب سعة البطاريات.

اختيار محول الطاقة الشمسية

يجب ألا يكون تصنيف الطاقة لـمحول الطاقة الشمسية المختار أقل من إجمالي طاقة الأحمال. ومع ذلك، مع مراعاة عمر المحول وإمكانية توسيع السعة لاحقًا، يجب ترك هامش أمان معين لطاقة المحول، والذي يكون عادة من 1.2 إلى 1.5 ضعف طاقة الحمل.

بالإضافة إلى ذلك، إذا كان الحمل يشمل أجهزة حساسة مثل الثلاجة، مكيف الهواء، مضخة المياه، ومروحة شفط الدخان ذات المحرك الكهربائي (حيث تكون طاقة بدء تشغيل المحرك 3 إلى 5 أضعاف طاقته المقدرة)، فيجب أيضًا أخذ طاقة بدء تشغيل هذه الأحمال في الاعتبار. بمعنى آخر، يجب أن تكون طاقة بدء تشغيل هذه الأحمال أقل من أقصى طاقة ذروة للمحول.

فيما يلي الصيغة لاختيار طاقة محول الطاقة الشمسية، وهي للرجوع إليها فقط أثناء التصميم.

طاقة المحول = (طاقة الحمل * عامل الهامش) / معامل طاقة المحول

حساب سعة الألواح الشمسية

الطاقة التي تولدها وحدات الألواح الشمسية خلال النهار تُستخدم جزئيًا للحمل، والباقي لشحن البطارية التخزينية. عندما يحل الليل أو يكون الإشعاع الشمسي غير كافٍ، يتم تفريغ الكهرباء في البطاريات لاستخدامها في الحمل. وبالتالي، يمكن ملاحظة أن كل الكهرباء التي يستهلكها الحمل تأتي من الكهرباء التي تولدها الوحدات الفوتوفولطية خلال النهار، عندما لا يكون هناك إمداد من الشبكة أو عندما يعمل محرك الديزل كمصدر طاقة تكميلي. مع الأخذ في الاعتبار اختلاف شدة الإضاءة في المواسم والمناطق المختلفة، يجب أن يكون تصميم سعة الألواح الشمسية قادرًا على تلبية الطلبات حتى في أسوأ موسم من حيث الإضاءة الشمسية لضمان تشغيل النظام الشمسي بشكل موثوق. فيما يلي الصيغة لحساب سعة الألواح الشمسية:

طاقة الألواح الشمسية = (الاستهلاك اليومي للكهرباء * عامل الهامش) / (ساعات ذروة الشمس في أسوأ شهر * كفاءة النظام)

حساب سعة البطاريات

تُستخدم بطاريات نظام الطاقة الشمسية المستقل بشكل رئيسي لتخزين الطاقة وضمان عمل الحمل بشكل طبيعي عندما يكون الإشعاع الشمسي غير كافٍ. بالنسبة لنظام الطاقة الشمسية الفوتوفولطية المستقل للمعدات المهمة، يجب أن يأخذ تصميم سعة البطاريات في الاعتبار عدد أيام الغيوم والأمطار المتتالية الأطول محليًا. أما النظام الشمسي المستقل العادي فلا يتطلب مثل هذا المستوى العالي من إمداد الطاقة للحمل، ومع مراعاة تكلفة النظام، يمكن تجاهل عدد أيام الغيوم والأمطار، ويمكن تعديل استخدام الحمل وفقًا لشدة الإضاءة الفعلية.

بالإضافة إلى ذلك، تعتمد معظم أنظمة الطاقة الشمسية المستقلة على بطاريات الرصاص الحمضية، التي يتراوح عمق تفريغها عادة بين 0.5 إلى 0.7. يمكن اختيار سعة البطاريات بالرجوع إلى الصيغة التالية:

سعة البطاريات = (الاستهلاك اليومي للكهرباء × عدد أيام الأمطار والغيوم المتتالية) / عمق تفريغ البطاريات

اختيار وحدة تحكم شحن الطاقة الشمسية

وحدة تحكم شحن الطاقة الشمسية هي جهاز يدير شحن وتفريغ الطاقة من الألواح الشمسية إلى البطاريات. العاملان الرئيسيان لاختيار وحدة تحكم شحن مناسبة هما الجهد المقنن والتيار المقنن. يجب أن يتوافق الجهد المقنن لوحدة التحكم مع جهد تشغيل البطاريات في النظام الشمسي. أما تصنيف التيار، فيمكن حسابه تقريبًا بقسمة طاقة الألواح الشمسية على جهد البطاريات، مع ترك هامش أمان بنسبة 25%.

بالإضافة إلى ذلك، هناك نوعان من وحدات تحكم الشحن الشمسية في السوق، PWM وMPPT. عمومًا، تكون وحدة تحكم الشحن PWM أقل سعرًا من MPPT وأكثر ملاءمة لأنظمة محولات الطاقة الشمسية الصغيرة. ومع ذلك، فإن وحدة تحكم الشحن MPPT أكثر فعالية من حيث التكلفة بسبب مزاياها الفريدة مقارنة بالأنواع الأخرى. يمكن اختيارها بناءً على خطة التصميم المحددة.

خطة تصميم نموذجية لنظام طاقة شمسية مستقل بقدرة 10 كيلو فولت أمبير

خلفية المشروع: تصميم نظام طاقة شمسية مستقل لمدرسة لتلبية استهلاكها اليومي من الطاقة.

1. مسح طلب الكهرباء

يجب إجراء مسح لاحتياجات العميل في المرحلة المبكرة من خطة التصميم. يجب أن تكون معلومات استهلاك الطاقة للحمل دقيقة. فيما يلي المزيد من التفاصيل:

2. اختيار محول الطاقة الشمسية

يشمل حمل العميل بشكل رئيسي إضاءة الفصول الدراسية، مراوح الفصول، إضاءة الأماكن العامة، إضاءة الجدران، نظام البث، وغيرها. إجمالي طاقة الحمل هو 6.84 كيلوواط ويجب ألا تقل طاقة محول الطاقة الشمسية عن 9.8 كيلو فولت أمبير. وفقًا لهذه المتطلبات، يمكن اختيار محول طاقة شمسية بقدرة 10 كيلو فولت أمبير مع وحدة تحكم شحن MPPT، والذي يجمع بين وظيفة المحول ووحدة التحكم في شحن واحدة.

3. حساب سعة الألواح الشمسية

وفقًا لمسح طلب العميل، يبلغ متوسط استهلاك الكهرباء اليومي للمدرسة حوالي 61.5 كيلوواط ساعة. الظروف المحلية للإضاءة ملائمة، ويمكن حساب مدة سطوع الشمس اليومية بـ 4.23 ساعة. تم تكوين الألواح الشمسية مع هامش 1.1. في هذا التصميم، تم اعتماد 88 وحدة من وحدات الفوتوفولطية متعددة البلورات بقدرة 270 واط لكل منها، بإجمالي قدرة 23.76 كيلوواط ومتوسط توليد يومي للطاقة يبلغ 100.5 كيلوواط ساعة. كفاءة النظام عادة حوالي 0.8، لذا يكون الاستهلاك اليومي للكهرباء 80 كيلوواط ساعة.

4. حساب سعة البطاريات

عادةً ما تكون إضاءة المدرسة خلال الليل. مع مراعاة عمر خدمة البطاريات، يجب زيادة سعة البطارية بشكل مناسب، ومدة النسخ الاحتياطي للبطارية هي يومان حسب طلب العميل. تم تعيين عمق تفريغ البطارية إلى 0.7. يعتمد هذا المشروع على بطاريات جل بجهد 2 فولت وسعة 1000 أمبير/ساعة مكونة من 110 خلايا على التوالي، بسعة إجمالية حوالي 220,000 فولت أمبير ساعة، وكمية الكهرباء القابلة للاستخدام حوالي 154 كيلوواط ساعة، مما يلبي طلب الطاقة لمدة نسخ احتياطي ليومين.