كيفية تصميم وتثبيت نظام كهروضوئي مستقل؟

تصميم وتثبيت أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية

تعتمد المجتمعات الحديثة على الطاقة لتلبية الاحتياجات اليومية مثل الصناعة والتدفئة والنقل والزراعة، والتي تُلبيها في الغالب مصادر غير متجددة (الفحم والنفط والغاز). ومع ذلك، فإن هذه المصادر تسبب ضرراً بيئياً، وهي موزعة بشكل غير متساوٍ، وتخضع للتقلبات السعرية بسبب احتياطياتها المحدودة مما يدفع الطلب نحو الطاقة المتجددة.

تبرز الطاقة الشمسية كمصدر وفير قادر على تلبية الاحتياجات العالمية. توفر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المستقلة (الشكل 1) استقلالية الطاقة عن شركات المرافق. فيما يلي نظرة عامة على التخطيط والتصميم والتثبيت لتوليد الكهرباء.

تخطيط نظام الطاقة الشمسية المستقل
تقييم الموقع والاستطلاع:

• تقليل الظل: تأكد من أن موقع التثبيت (على السطح أو الأرض) خالٍ من الأبنية التي تحدث ظلالاً، وأن أي بناء مستقبلي لن يحجب الإشعاع الشمسي.

• مساحة السطح: حدد مساحة الموقع لتقدير عدد وأحجام الألواح الكهروضوئية، وخطط لموضع المحولات والمولدات الكهربائية ومجموعات البطاريات.

• اعتبارات السطح: بالنسبة للأسقف المائلة، قم بتسجيل زاوية الميل واستخدم ربطًا مناسبًا لزيادة حدوث الإشعاع الشمسي (يفضل أن يكون عموديًا على الألواح).

• تخطيط مسار الكابلات: خطط لمسارات الكابلات (المتصلة بالمولد الكهربائي ومجموعة البطاريات وجهاز التحكم بشحن الكهرباء ومجموعة الألواح الكهروضوئية) لتقليل استخدام الكابلات وانخفاض الجهد، مع تحقيق التوازن بين الكفاءة والتكلفة.

تقييم مورد الطاقة الشمسية:

• بيانات الإشعاع: قم بقياس أو الحصول (من محطات الأرصاد الجوية) على الطاقة الشمسية المستلمة، باستخدام إما الكيلوواط ساعة لكل متر مربع في اليوم (كيلوواط ساعة/م²/يوم) أو ساعات الذروة الشمسية اليومية (PSH، ساعات بمتوسط إشعاع 1000 واط/م²).

• المقاييس الرئيسية: استخدم PSH لحسابات مبسطة (ميز بين "ساعات أشعة الشمس المتوسطة" التي تعكس المدة وليس الطاقة). اعتمد أقل معدل شهري لإشعاع الشمس لضمان موثوقية النظام خلال فترات انخفاض أشعة الشمس.

اعتبارات لأنظمة الطاقة الشمسية المستقلة
1. حساب الطلب على الطاقة

يعتمد حجم النظام على الطلب على الحمل، ويتم حسابه كما يلي:

• الطلب اليومي على الطاقة (واط ساعة) = مجموع (تصنيف قوة الجهاز بالواط × ساعات التشغيل اليومية).

• استخدم أعلى طلب يومي لتحقيق التوازن بين الموثوقية والتكلفة (ضمان التشغيل خلال فترة الاستخدام القصوى، رغم أن هذا يزيد من تكلفة النظام).

2. تحديد حجم المولد الكهربائي وجهاز التحكم بشحن الكهرباء

• المولد الكهربائي: مصنف بنسبة 25% أعلى من الحمل الكلي (لتغطية الخسائر).
  مثال: للحمل البالغ 2400 واط، يحتاج إلى مولد كهربائي بقوة 3000 واط (2400 واط × 1.25).

• جهاز التحكم بشحن الكهرباء: تصنيف التيار = 125% من التيار القصير الدائري للألواح الكهروضوئية (عامل الأمان).
  مثال: 4 ألواح بتيار قصير دائري 10 أمبير تحتاج إلى جهاز تحكم بقدرة 50 أمبير (4×10 أمبير × 1.25).
  ملاحظة: يجب اتباع مواصفات الشركة المصنعة لأجهزة التحكم بتتبع النقطة القصوى MPPT.

3. الطاقة اليومية للمولد الكهربائي

اخذ كفاءة المولد الكهربائي في الاعتبار (مثل 90٪):

• الطاقة الموردة من البطارية للمولد الكهربائي = الطاقة الكلية للحمل / الكفاءة.
  مثال: حمل 2700 واط ساعة → 3000 واط ساعة (2700 / 0.9) من البطارية.

4. جهد النظام

يتم تحديده بواسطة جهد البطارية (عادة 12 فولت، 24 فولت، إلخ)، حيث يؤدي الجهد الأعلى إلى تقليل فقدان الكابل. مثال: نظام 24 فولت.

5. تحديد حجم البطارية

المعلمات الرئيسية: عمق التفريغ (DOD)، أيام الاستقلالية، وجهد النظام.

• القدرة القابلة للاستخدام = سعة البطارية بالأمبير ساعة × DOD.

• القدرة المطلوبة للشحن = الطاقة من البطارية / جهد النظام.
  مثال: 3000 واط ساعة من البطارية في نظام 24 فولت → يتطلب 125 أمبير ساعة.

• بالنسبة للبطاريات ذات 12 فولت و 100 أمبير ساعة (70% DOD):

• عدد البطاريات = 125 أمبير ساعة / (100 أمبير ساعة × 0.7) ≈ 2 (مع تقريب لأعلى).

• قم بتوصيل 2 بطاريات على التوالي لتحقيق جهد النظام البالغ 24 فولت.

وبالتالي، سيكون هناك أربع بطاريات بجهد 12 فولت وسعة 100 أمبير ساعة. اثنين متصلين على التوالي واثنين متصلين بالتوازي. يمكن أيضاً العثور على القدرة المطلوبة للبطاريات باستخدام الصيغة التالية.

تحديد حجم مجموعة الألواح الكهروضوئية

• القدرة الكلية لمجموعة الألواح الكهروضوئية (واط): يتم حسابها باستخدام أقل ساعات ذروة الشمس اليومية (أو عامل توليد اللوحة PFG) والطلب اليومي على الطاقة:
  W_peak الكلي = (الطلب اليومي على الطاقة (واط ساعة) / PFG) × 1.25 (معامل التحجيم للخسائر).

• عدد الوحدات: قسم W_peak الكلي على القدرة المقننة لوحة واحدة (مثل 160 واط).

  مثال: للطلب اليومي البالغ 3000 واط ساعة وPFG = 3.2، يكون W_peak الكلي = 3000 / 3.2 ≈ 931 واط. مع لوحات بقدرة 160 واط، تكون مطلوبة 6 وحدات (931 / 160 ≈ 5.8، مع تقريب لأعلى).

• عوامل الخسارة (لتعديل PFG): تشمل زاوية الضوء (5٪)، عدم الوصول إلى نقطة القوة القصوى (10٪، يستثنى لـ MPPT)، الأوساخ (5٪)، الشيخوخة (10٪)، والحرارة العالية (>25 درجة مئوية، 15٪).

تحديد حجم الكابلات

• الاعتبارات الرئيسية: سعة التيار، انخفاض الجهد الأدنى (<2٪)، خسائر المقاومة، مقاومة الطقس (مقاومة للماء والأشعة فوق البنفسجية).

• صيغة المساحة المقطعية:
  A = (ρ × I_m × L / VD) × 2
  (ρ = مقاومة، I_m = التيار الأقصى، L = طول الكابل، VD = الانخفاض الجهد المسموح به).

• التوازن: تجنب الحجم الصغير (فقدان الطاقة/حوادث) أو الحجم الكبير (عدم كفاءة التكلفة). استخدم مفاتيح الدائرة المناسبة والموصلات.