عدد الألواح الشمسية اللازمة لتشغيل منزل خارج الشبكة

بالنسبة لمنزل غير متصل بالشبكة، من الضروري تقدير عدد الألواح الشمسية بدقة. حتى انخفاض قصير في إنتاج الطاقة الشمسية خلال الشتاء أو الأيام الغائمة يمكن أن يتركك في الظلام. لهذا السبب، يجعل التخطيط الدقيق كل الفرق بين نظام طاقة موثوق ونظام محبط.

يعالج هذا الدليل تلك الفجوة. سنرشدك خلال كيفية حساب عدد الألواح الشمسية التي تحتاجها للعيش خارج الشبكة بدقة، بناءً على ظروف الشتاء بدلاً من السيناريوهات المتفائلة. ستتعلم الصيغة ذات الخطوات الأربع التي يستخدمها المحترفون، وتفهم لماذا يُعد تحديد حجم البطارية مهمًا بقدر عدد الألواح، وتكتشف التكاليف الحقيقية للعيش خارج الشبكة.

سواء كنت تبني كوخًا بعيدًا، أو تخطط لاستقلالية الطاقة لمنزلك الحالي، أو تستكشف خياراتك فقط، يوفر هذا الدليل البيانات والإطار لاتخاذ قرارات مستنيرة.

الاعتبارات قبل حساب عدد الألواح الشمسية للمنزل غير المتصل بالشبكة

قبل الخوض في الحسابات، من الضروري فهم أن تصميم الأنظمة الشمسية غير المتصلة بالشبكة يتبع قواعد مختلفة تمامًا عن الأنظمة المتصلة بالشبكة. فيما يلي الاعتبارات الحاسمة التي ستؤثر على تصميمك:

واقع الشتاء مقابل تفاؤل الصيف

غالبًا ما تُستخدم ساعات ضوء الشمس السنوية المتوسطة في حسابات النظام. وعلى الرغم من فائدتها للتقديرات على المستوى العالي، إلا أنها لا تعكس التغيرات الموسمية التي تُعد حاسمة للأنظمة غير المتصلة بالشبكة. في العديد من المناطق، يمكن أن ينخفض إنتاج الطاقة الشمسية في الشتاء بنسبة 60–80% مقارنة بالصيف، مما قد يؤثر بشكل كبير على أداء النظام خلال تلك الأشهر.

منطقة	الشتاء	الربيع	الصيف	الخريف	المتوسط السنوي
الجنوب الغربي (أريزونا، نيفادا)	5-6 hrs	7-8 hrs	7-8 hrs	6-7 hrs	6.5 ساعات
كاليفورنيا	4-5 hrs	6-7 hrs	6-7 hrs	5-6 hrs	5.5 ساعات
تكساس	4-5 hrs	5-6 hrs	6-7 hrs	5-6 hrs	5.5 ساعات
فلوريدا	3-4 hrs	5-6 hrs	5-6 hrs	4-5 hrs	4.5 ساعات
الوسط الغربي	2.5-3.5 hrs	4-5 hrs	5-6 hrs	3-4 hrs	4.0 ساعات
الشمال الشرقي	2.5-3.5 hrs	4-5 hrs	4-5 hrs	3-4 hrs	3.5 ساعات
شمال غرب المحيط الهادئ	1.5-2.5 hrs	4-5 hrs	4-5 hrs	2-3 hrs	3.0 ساعات

النهج الموصى به: صمم لشهر الإنتاج الأدنى بدلاً من المتوسط. هذا يضمن موثوقية على مدار السنة دون الاعتماد على الطاقة الاحتياطية خلال أشهر الشتاء.

 

ملف حمل الطاقة (ليس متوسط الكيلوواط ساعة)

يقع الكثير من الناس في خطأ تصميم نظام بناءً على متوسط استهلاكهم اليومي للطاقة، لكن بالنسبة للأنظمة خارج الشبكة، توقيت وحجم استهلاك الطاقة أهم بكثير.

يجب أن يكون النظام قادراً على التعامل مع حملك الأقصى، وهو أقصى طلب كهربائي في ساعة معينة أو خلال فترات حرجة، وليس فقط متوسط استهلاكك اليومي. يمكن أن تؤدي التغيرات الموسمية وتشغيل الأجهزة ذات الطاقة العالية مثل السخانات والمضخات أو أجهزة المطبخ في نفس الوقت إلى زيادة كبيرة في السعة المطلوبة لكل من الألواح الشمسية وبنك البطاريات.

النهج الموصى به: تتبع استهلاكك للطاقة بالساعة أو حسب فئة الأجهزة وحدد فترات الحمل الأقصى. استخدم هذه الأرقام لتحديد حجم كل من صفيف الألواح الشمسية وتخزين البطاريات لضمان قدرة النظام على توفير الطاقة بشكل موثوق خلال فترات الطلب العالي، حتى في الأشهر ذات أقل ضوء شمس.

 

خسائر النظام والكفاءة

لا يوجد نظام طاقة شمسية بكفاءة مثالية. تواجه أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة خسائر في الطاقة في مراحل متعددة، بما في ذلك تحويل الألواح الشمسية، كفاءة العاكس، مقاومة الأسلاك، ودورات شحن وتفريغ البطارية.

إذا لم يتم احتساب هذه الخسائر، فإن الخسائر الإجمالية للنظام عادة ما تتراوح بين 20 إلى 30 بالمئة من الإنتاج المحتمل. تجاهلها قد يؤدي إلى نظام يبدو كافياً في الحسابات لكنه يفشل في تلبية متطلبات الطاقة في العالم الحقيقي.

النهج الموصى به: تضمين افتراضات كفاءة النظام الواقعية عند حساب سعة الألواح الشمسية والبطاريات. على سبيل المثال، إذا كنت تتوقع خسائر إجمالية في النظام بنسبة 25 بالمئة، فاضرب الطاقة المطلوبة في 1.25. هذا يضمن أن النظام يمكنه توليد طاقة قابلة للاستخدام بشكل موثوق في ظل ظروف التشغيل الفعلية.

 

أيام الاستقلالية واستعادة البطارية

تقيس استقلالية النظام عدد الأيام التي يمكن لنظامك العمل فيها بدون ضوء الشمس. يجب أن تتعامل معظم الأنظمة خارج الشبكة مع 2-5 أيام غائمة متتالية. للحفاظ على صحة البطارية وتجنب الفشل المبكر، يجب أن يضمن التصميم استقلالية كافية وسعة شمسية كافية لإعادة شحن البطاريات المستنفدة بالكامل.

النهج الموصى به: حدد الأحمال الحرجة لديك وعدد أيام النسخ الاحتياطي التي تحتاجها، ثم احسب سعة البطارية بالأمبير-ساعة (Ah) أو كيلوواط-ساعة (kWh). لا تنسَ مراعاة عمق التفريغ (DoD) لطول عمر البطارية، واحتياطي إضافي لإعادة شحن البطاريات بالكامل بعد أيام غائمة طويلة.

 

كيفية حساب عدد الألواح الشمسية لمنزل خارج الشبكة

الخطوة 1: حساب استهلاك الطاقة اليومي

العامل الأكثر أهمية في تحديد متطلبات الألواح الشمسية هو فهم كمية الكهرباء التي يستهلكها منزلك فعليًا. وفقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية (EIA)، يستهلك المنزل الأمريكي المتوسط حوالي 886 كيلوواط ساعة شهريًا، أو حوالي 30 كيلوواط ساعة يوميًا.

نظرًا لأن المتوسطات قد تكون مضللة للأنظمة خارج الشبكة، يجب عليك تخصيص احتياجات الألواح الشمسية الخاصة بك وفقًا لـ الاستهلاك الحقيقي الخاص بك. هناك طريقتان للحساب: استخدام فواتير الكهرباء لتقدير سريع، أو جمع استهلاك كل جهاز لقياس أكثر دقة.

الطريقة 1: تحقق من فواتير الكهرباء الخاصة بك

تناسب هذه الطريقة إذا كان منزلك لديه فواتير كهرباء وترغب في تقدير سريع لاستهلاكك اليومي.

• راجع فواتير الكهرباء الخاصة بك للأشهر الـ 12 الماضية وحدد الشهر الذي شهد أعلى استخدام.
• اقسم إجمالي الكيلوواط ساعة لذلك الشهر على 30 للحصول على متوسط استهلاكك اليومي.
• أضف هامش أمان بنسبة 20% لمراعاة الاستخدام الذروي أو الاحتياجات المستقبلية للطاقة.

على سبيل المثال، إذا كان أعلى استخدام شهري للكهرباء في المنزل هو 900 كيلوواط ساعة، يمكن حساب متوسط الاستهلاك اليومي بقسمة 900 على 30، مما يعطي حوالي 30 كيلوواط ساعة في اليوم. بإضافة هامش أمان بنسبة 20% لمراعاة الاستخدام الذروي أو الزيادات المستقبلية، يصبح الاستهلاك اليومي المقدر حوالي 36 كيلوواط ساعة في اليوم.

 

الطريقة 2: حساب الأجهزة يدويًا

تُعد هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص لمنزل جديد خارج الشبكة أو أي منزل لا يملك بيانات استخدام كهرباء سابقة. من خلال حساب استهلاك الطاقة اليومي لكل جهاز، يمكنك الحصول على تقدير مخصص.

الخطوة 2: تحديد ساعات ذروة الشمس لديك

تؤثر شدة الإشعاع الشمسي في موقعك مباشرة على كمية الطاقة التي يمكن لكل لوحة توليدها. تركز هذه الخطوة على قدرة الإنتاج في الشتاء لضمان الاعتمادية على مدار السنة.

استخدم دائمًا نطاق "توصية التصميم" (القيم المعدلة لفصل الشتاء) لحسابات الشبكة المنفصلة، وليس المتوسطات السنوية.

للحصول على بيانات دقيقة للموقع: استخدم حاسبة PVWatts من NREL للحصول على ساعات ذروة الشمس المحددة لموقعك الدقيق وزوايا الميل المثلى.

نظرًا لاتجاه اللوح وميوله، والتظليل، وتأثيرات الحرارة، والغبار والحطام، يجب تعديل ساعات ذروة الشمس النظرية لعوامل العالم الحقيقي التي تقلل من الإنتاج الفعلي للطاقة. تقلل هذه الظروف مجتمعة عادةً من أداء النظام بنسبة 15-25% مقارنة بالحد الأقصى في المختبر.

يضمن عامل التعديل المحافظ هذا أن تعكس حسابات نظامك الأداء القابل للتحقيق بدلاً من الحد الأقصى النظري.

الخطوة 3: حساب متطلبات تخزين البطارية

تحديد حجم البطارية يحدد استقلالية النظام وموثوقيته خلال فترات الغيوم الممتدة. يجب مراعاة عدة عوامل حاسمة لتصميم النظام بشكل صحيح.

أيام الاستقلالية: حدد عدد الأيام المتتالية بدون ضوء شمس التي يجب أن يتحملها نظامك. معظم المناخات تحتاج إلى 2-3 أيام كحد أدنى، بينما المناطق ذات الطقس الغائم المتكرر تتطلب 4-5 أيام. يجب على التطبيقات النائية أو الحرجة التخطيط لأكثر من 7 أيام.

عمق التفريغ (DoD): تحدد تقنية البطارية السعة الآمنة للاستخدام. يجب تفريغ بطاريات الرصاص الحمضية إلى 50% فقط لتعظيم العمر الافتراضي، بينما يمكن لبطاريات الليثيوم التفريغ بأمان إلى 80-90%.

احتياطي استرداد البطارية: يجب أن تولد المصفوفات الشمسية طاقة إضافية (زيادة 25-40% في السعة) لإعادة شحن البطاريات المستنفدة مع تغطية الاستهلاك اليومي.

كفاءة النظام: احتسب خسائر الطاقة بنسبة 20-25% أثناء شحن البطارية، وتفريغها، وعمليات تحويل الطاقة.

مع فهم هذه العوامل، يمكنك الآن حساب كل من سعة البطارية المطلوبة والإنتاج الشمسي اللازم لدعم نظام البطارية الخاص بك:

الخطوة 4: حساب عدد الألواح الشمسية المطلوبة

الآن بعد أن حددت متطلبات الطاقة الخاصة بك، وساعات ذروة الشمس، واحتياجات تخزين البطارية، يمكنك حساب العدد الدقيق للألواح الشمسية المطلوبة لنظامك خارج الشبكة باستخدام صيغة شاملة تأخذ في الاعتبار جميع العوامل.

الصيغة الكاملة لحساب الألواح الشمسية

تتراوح الألواح الشمسية السكنية الحديثة عادةً بين 300 واط إلى 450 واط، مع كون الألواح بقدرة 400 واط هي المعيار الحالي للتطبيقات خارج الشبكة. الصيغة التالية تدمج إنتاج اللوح الفردي، السعة الشمسية المطلوبة، وهوامش الأمان اللازمة:

حيث:

• الإنتاج الشمسي المطلوب = من حساب الخطوة 3 (كيلوواط ساعة)
• قدرة اللوح = حجم اللوح المختار (عادة 400 واط)
• ساعات شمس ذروة قابلة للاستخدام = من الخطوة 2 (معدلة للشتاء)
• عامل الأمان = 1.10 إلى 1.20 (10-20% سعة إضافية)

 

عدد الألواح الشمسية لجدول مرجعي لمنزل خارج الشبكة

تقترح معظم الحاسبات عبر الإنترنت أن المنازل خارج الشبكة تحتاج من 15 إلى 40 لوحًا شمسيًا، لكن هذه التقديرات المبسطة غالبًا ما تفشل في مراعاة عوامل حاسمة مثل الإنتاج الشتوي، وتكامل البطارية، وخسائر كفاءة النظام. النطاق الواسع يعكس الفروق الكبيرة في أحجام المنازل، وأنماط استهلاك الطاقة، والمواقع الجغرافية.

لتوفير إرشادات أكثر دقة، يُظهر الجدول التالي متطلبات الألواح الشمسية المحسوبة باستخدام المنهجية المهنية الموضحة أعلاه. تفترض هذه الحسابات 3 أيام من استقلالية البطارية، وظروف شمسية شتوية، وتشمل جميع هوامش الأمان اللازمة وخسائر النظام التي غالبًا ما يتم تجاهلها في التقديرات الأساسية.

افتراضات الحساب:

• الموقع: كولورادو (3.2 ساعات شمس ذروة قابلة للاستخدام في الشتاء)
• نوع البطارية: ليثيوم (80% عمق التفريغ)
• كفاءة النظام: 75% (تشمل جميع خسائر التحويل)
• حجم اللوح: ألواح سكنية قياسية بقدرة 400 واط
• عامل الأمان: 15% سعة إضافية
• فترة الاستقلالية: 3 أيام متتالية بدون شمس

حجم المنزل	الطاقة اليومية (كيلوواط ساعة)	الألواح المطلوبة	إجمالي حجم النظام (كيلوواط)	بنك البطاريات (كيلوواط ساعة)
كوخ صغير	10-15	12-18	4.8-7.2	37.5-56.3
منزل متوسط	20-30	24-36	9.6-14.4	75-112.5
منزل كبير	35-50	42-60	16.8-24	131.3-187.5

الأسئلة المتكررة.

هل يستحق النظام الشمسي خارج الشبكة؟

يستحق ذلك إذا:

• أنت على بعد أكثر من 100 متر من بنية الشبكة القائمة
• تكلفة الاتصال بالشبكة ستكون 15,000 دولار أو أكثر (حفر، محولات، إلخ)
• تعيش في منطقة بها كهرباء غير مستقرة أو مكلفة
• الاستقلالية في الطاقة أولوية شخصية

لا يستحق ذلك إذا:

• لديك اتصال موثوق وبأسعار معقولة بالشبكة القريبة
• دافعك فقط هو العائد المالي (فترة استرداد 10-20 سنة)
• أنت غير مستعد لتعديل عادات الاستهلاك

تحليل نقطة التعادل:

• نظام خارج الشبكة: 25,000-55,000 دولار (بعد الاعتمادات الضريبية)
• تكلفة الاتصال بالشبكة (عن بُعد): 15,000-100,000+ دولار حسب المسافة
• التوفير الشهري من الشبكة: 150-400 دولار/شهر

هل يمكنني توسيع نظامي لاحقًا؟

نعم، من الممكن توسيع نظامك في المستقبل. ومع ذلك، لكل مكون اعتبارات رئيسية يجب وضعها في الاعتبار عند التخطيط للترقيات.