كيف تصمم نظام طاقة شمسية خارج الشبكة؟

في الوقت الحاضر، لا يزال هناك عدد كبير من الناس يعيشون في مناطق فقيرة أو نائية، بعيدة عن محطات الطاقة والشبكات الكهربائية العامة. بسبب نقص الطاقة أو حتى عدم وجود الطاقة، لا يمكنهم الاستمتاع بالمعلومات والراحة التي جلبتها الحضارة الحديثة. نظام الطاقة الشمسية خارج الشبكة هو نظام مستقل وذاتي الاكتفاء لتوليد الطاقة المتجددة، يمكنه تلبية احتياجاتهم الأساسية من الطاقة.

يتكون نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية المستقل النموذجي من ستة أجزاء، بما في ذلك الألواح الشمسية، الحامل، وحدة التحكم في شحن الطاقة الشمسية، العاكس المستقل، البطاريات، وصندوق التوزيع. يتم توصيل خلايا الطاقة الشمسية بوحدة التحكم في شحن الطاقة الشمسية، حيث تنتج الطاقة لتلبية احتياجات المستخدم اليومية أولاً، ثم يتم تخزين الطاقة الزائدة في البطاريات لاستخدامها في الليل وأيام الغيوم والمطر. عندما تنفد الطاقة في البطاريات، يمكن لمعظم العواكس دعم إدخال مصدر الطاقة الرئيسي (أو مولد الديزل) كمصدر طاقة إضافي للحمل.

 

تصميم نظام الطاقة الشمسية خارج الشبكة يختلف عن نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة. الأول يحتاج إلى أخذ العديد من العوامل في الاعتبار بما في ذلك الحمل، وكمية الكهرباء اليومية، وظروف المناخ المحلية، وما إلى ذلك، لاختيار خطط تصميم مختلفة وفقًا لمتطلبات العملاء العملية. لذلك، فإن نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية خارج الشبكة يعتبر معقدًا نسبيًا.

تعرف على مقدار قوة حملك

من أجل ضمان موثوقية نظام الطاقة الشمسية خارج الشبكة، من الضروري إجراء مسح شامل لاحتياجات العملاء من الكهرباء. أي أنه يجب عليك معرفة مقدار الطاقة التي تحتاجها، بما في ذلك تصنيفات الطاقة لجميع الأجهزة أو المعدات، ومدة التشغيل واستهلاك الكهرباء اليومي (أي كم عدد الكيلووات-ساعات في المجموع). بعد ذلك، يعتمد تصميم نظام الطاقة الشمسية خارج الشبكة بشكل أساسي على هذه البيانات، بما في ذلك اختيار العاكس الشمسي، وحساب سعة الألواح الشمسية، وحساب سعة البطاريات.

اختيار العاكس الشمسي

يجب ألا يكون تصنيف الطاقة لـ العاكس الشمسي المختار أصغر من إجمالي طاقة الأحمال. ومع ذلك، مع الأخذ في الاعتبار عمر الخدمة وسعة التوسع اللاحق للعاكس، يجب ترك هامش أمان معين لطاقة العاكس، والذي يكون عمومًا من 1.2 إلى 1.5 ضعف طاقة الأحمال.

بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت الحمولة تشمل الأجهزة الحساسة، مثل الثلاجة، ومكيف الهواء، ومضخة المياه، ومروحة العادم مع محرك كهربائي (قوة بدء تشغيل المحرك الكهربائي هي من 3 إلى 5 أضعاف قوته المقدرة)، فيجب أيضًا أخذ قوة بدء تشغيل هذه الحمولة في الاعتبار. بعبارة أخرى، يجب أن تكون قوة بدء تشغيل هذه الحمولة أقل من الحد الأقصى لقوة الذروة العاكس.

فيما يلي الصيغة لاختيار طاقة العاكس الشمسي، والتي هي فقط للرجوع إليها عند التصميم.

قوة العاكس = (قوة الحمل * عامل الهامش) / معامل القدرة للعاكس

حساب سعة الألواح الشمسية

تُستخدم الطاقة التي تولدها وحدات الألواح الشمسية خلال النهار جزئيًا للاستخدام في الحمل، بينما يُستخدم الباقي لشحن البطارية التخزينية. عندما يحل الليل أو عندما تكون الإشعاعات الشمسية غير كافية، سيتم تفريغ الكهرباء في البطاريات التخزينية للاستخدام في الحمل. وبالتالي، يمكن ملاحظة أن جميع الكهرباء المستهلكة من قبل الحمل تأتي من الكهرباء التي تولدها الوحدات الكهروضوئية خلال النهار، عندما لا يوجد إمداد من الشبكة أو عندما يعمل محرك الديزل كمصدر طاقة إضافي. بالنظر إلى اختلافات شدة الإضاءة في فصول السنة المختلفة وفي مناطق مختلفة، يجب أن يكون تصميم سعة الألواح الشمسية قادرًا على تلبية الطلبات حتى في أسوأ فصول الإضاءة الشمسية لضمان التشغيل الموثوق للنظام الشمسي. أدناه هو الصيغة لحساب سعة الألواح الشمسية:

قوة اللوح الشمسي = (استهلاك الكهرباء اليومي للحمل * عامل الهامش) / (ساعات الشمس القصوى في أسوأ شهر * كفاءة النظام)

حساب سعة البطاريات

تُستخدم بطاريات نظام الطاقة الشمسية المستقلة بشكل رئيسي لتخزين الطاقة وضمان أن الحمل يمكن أن يعمل بشكل طبيعي عندما تكون الإشعاعات الشمسية غير كافية. فيما يتعلق بنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية المستقل للمعدات الهامة، يجب أن يأخذ تصميم سعة البطاريات في الاعتبار عدد أطول الأيام الملبدة بالغيوم والممطرة في المنطقة المحلية. لا يتطلب النظام الشمسي المستقل العادي مثل هذا الطلب العالي على إمدادات الطاقة للحمل، ومع الأخذ في الاعتبار تكلفة النظام، يمكن تجاهل عدد الأيام الملبدة بالغيوم والممطرة، ويمكن تعديل استخدام الحمل وفقًا لشدة الإضاءة الفعلية.

بالإضافة إلى ذلك، تعتمد معظم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية خارج الشبكة على بطاريات الرصاص الحمضية، التي يتراوح عمق تفريغها عمومًا من 0.5 إلى 0.7. يمكن الإشارة إلى سعة البطاريات التي يمكن اختيارها من خلال المعادلة التالية:

سعة البطاريات = (استهلاك الكهرباء اليومي × عدد الأيام الممطرة والمغيمة المتتالية) / عمق تفريغ البطاريات

اختيار وحدة تحكم شحن الطاقة الشمسية

جهاز التحكم في الشحن الشمسي هو جهاز يدير عملية شحن وتفريغ الطاقة من الألواح الشمسية إلى البطاريات. العاملان الرئيسيان لاختيار جهاز التحكم في الشحن المناسب هما الجهد والتيار المصنف. يجب أن يتوافق الجهد المصنف لجهاز التحكم في الشحن مع جهد تشغيل البطاريات في نظام الطاقة الشمسية. أما بالنسبة لتصنيف التيار، فيمكن حسابه تقريبًا من خلال الطاقة الناتجة من الألواح الشمسية مقسومة على جهد البطاريات، ويجب أيضًا الاحتفاظ بهامش قدره 25% لأغراض السلامة.

بالإضافة إلى ذلك، هناك نوعان من وحدات التحكم في شحن الطاقة الشمسية في السوق، PWM و MPPT. بشكل عام، تكون وحدة التحكم في شحن الطاقة الشمسية PWM أقل سعرًا من MPPT وأكثر ملاءمة لأنظمة العاكس الصغيرة للطاقة الشمسية. ومع ذلك، فإن وحدة التحكم في شحن الطاقة الشمسية MPPT أكثر فعالية من حيث التكلفة بسبب مزاياها الفريدة مقارنة بالآخرين. يمكن اختيارها بناءً على خطة التصميم المحددة.

خطة تصميم نموذجية لنظام الطاقة الشمسية خارج الشبكة بقدرة 10 كيلو فولت أمبير

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

1. استبيان حول الطلب على الكهرباء

يجب إجراء مسح لطلبات العملاء في المرحلة المبكرة من خطة التصميم. يجب أن تكون المعلومات حول استهلاك الطاقة دقيقة. فيما يلي المزيد من التفاصيل:

2. اختيار العاكس الشمسي

"تشمل أحمال العميل بشكل رئيسي إضاءة الفصول الدراسية، ومراوح الفصول الدراسية، وإضاءة الأماكن العامة، وإضاءة الجدران، ونظام البث، وما إلى ذلك. إجمالي قدرة الحمل هو 6.84% كيلووات ويجب أن تكون قدرة العاكس الشمسي لا تقل عن 9.8 كيلو فولت أمبير. وفقًا لهذه المتطلبات، يمكن اختيار العاكس الشمسي بقدرة 10 كيلو فولت أمبير مع وحدة تحكم شحن MPPT، والتي تلعب دور العاكس ووحدة تحكم الشحن في وحدة واحدة."

3. حساب سعة الألواح الشمسية

وفقًا لاستطلاع طلب العميل، يمكن ملاحظة أن متوسط استهلاك المدرسة اليومي من الكهرباء حوالي 61.5 كيلو واط ساعة. ظروف الإضاءة المحلية مواتية، ويمكن حساب مدة سطوع الشمس اليومية بـ 4.23 ساعة. تم تكوين الألواح الشمسية بزيادة قدرها 1.1. في هذا التصميم، تم استخدام 88 قطعة من وحدات الفوتوفولطية متعددة البلورات بقدرة 270 واط، بإجمالي قدرة 23.76 واط ومتوسط توليد يومي للطاقة يبلغ 100.5 كيلو واط ساعة. كفاءة النظام عمومًا حوالي 0.8، لذا فإن استهلاك الكهرباء اليومي هو 80 كيلو واط ساعة.

4. حساب سعة البطاريات

إضاءة المدرسة عادةً ما تكون خلال الليل. بالنظر إلى عمر خدمة البطاريات، يجب زيادة سعة البطارية بشكل مناسب، ووقت احتياطي البطارية هو يومان كما هو مطلوب من قبل العميل. تم تعيين عمق تفريغ البطارية إلى 0.7. يعتمد هذا المشروع على بطاريات هلامية 110 عقدة 1000AH/2V متصلة على التوالي، والتي تبلغ سعتها الإجمالية حوالي 220,000VAH، وكمية الكهرباء القابلة للاستخدام حوالي 154kWH، مما يمكن أن يلبي الطلب على الطاقة لمدة يومين من وقت الاحتياطي.