كيفية حساب التكوين المناسب لنظامك الصغير خارج الشبكة؟

هل فكرت يومًا في استخدام نظام الطاقة الشمسية الخاص بك في كوخ جبلي أو قارب صيد أو سيارة ترفيهية للتخلص من الاعتماد على الشبكة العامة؟

في الواقع، هذا ليس حكرًا على المهندسين. ما دمتَ تتقن بعض الخطوات والمعادلات الأساسية، يمكنك حساب التكوين المناسب لنظامك الكهروضوئي الصغير المستقل عن الشبكة.

نظام الطاقة الشمسية المستقل عن الشبكة هو نظام مستقل لا يعتمد على الشبكة العامة، بل يعتمد كليًا على توليد الطاقة الكهروضوئية وتخزين البطاريات لتلبية احتياجات الكهرباء. وهو مثالي للاستخدام في المناطق الجبلية النائية، والجزر، والمناطق الرعوية، والمركبات الترفيهية، وقوارب الصيد، وغيرها من المواقع ذات الطاقة الكهربائية غير المستقرة.

فيما يلي، سنرشدك عبر أربع خطوات لحساب التكوين المطلوب.

الخطوة 1: تحديد طاقة الوحدة الكهروضوئية

تحدد قوة الألواح الكهروضوئية (الألواح الشمسية) كمية الكهرباء التي يمكن لنظامك توليدها.

النهج الأساسي للحساب هو: أولاً تحديد الطلب اليومي على الكهرباء، ثم دمجه مع الظروف المناخية المحلية (وخاصة مدة سطوع الشمس) لتحديد الطاقة الإجمالية للألواح الكهروضوئية.

الصيغة:

طاقة الوحدة = (الطلب اليومي على الكهرباء × عامل فائض اليوم الغائم المستمر) ÷ (متوسط ساعات سطوع الشمس المحلية × كفاءة النظام)

* الاستهلاك اليومي للكهرباء: يمكن حسابه عن طريق جمع الطاقة المقدرة لجميع الأجهزة مضروبة في وقت استخدامها.

على سبيل المثال، مصابيح LED 10 واط × 5 ساعات = 50 واط في الساعة، والثلاجة 60 واط × 24 ساعة = 1440 واط في الساعة.

* عامل فائض اليوم الغائم المستمر: لمراعاة عدم كفاية توليد الطاقة خلال الأيام الغائمة المتتالية، يتم ضبط هذا العامل عادة بين 1.1 و1.3.

* متوسط ساعات سطوع الشمس اليومية المحلية: يمكن الحصول على هذا من بيانات الأرصاد الجوية المحلية. على سبيل المثال، يبلغ متوسط سطوع الشمس في بكين حوالي 4 ساعات يوميًا، بينما قد يتجاوز في هاينان 5 ساعات.

* كفاءة النظام: وهذا يشمل خسائر الكابلات وكفاءة وحدة التحكم وخسائر العاكس وما إلى ذلك، ويتم ضبطها عمومًا بين 0.75 و0.8.

فمثلا:

بافتراض أن استهلاكك اليومي من الكهرباء هو 3,000 واط في الساعة، ومتوسط ساعات سطوع الشمس المحلية اليومية هو 4.5 ساعات، وكفاءة النظام هي 0.78، ومعامل الأيام الممطرة المستمرة هو 1.2:

طاقة الوحدة = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 واط

وهذا يعني أنك بحاجة إلى تثبيت ألواح كهروضوئية بقوة إجمالية تبلغ حوالي 1 كيلو وات، مثل أربع وحدات بقوة 250 وات.

الخطوة 2: تحديد طاقة العاكس خارج الشبكة

يقوم العاكس بتحويل التيار المستمر (DC) من الألواح الكهروضوئية أو البطاريات إلى تيار متناوب (AC) لاستخدامه بواسطة الأجهزة المنزلية العادية.

يجب أن تكون قوتها كافية لتلبية الحد الأقصى من الطلب اللحظي على الطاقة، خاصة مع الأخذ في الاعتبار تيار الاندفاع للأحمال الحثية (المعدات التي تعمل بالمحركات).

الصيغة:

قدرة العاكس = (إجمالي قدرة الحمل المقاوم + إجمالي قدرة الحمل الحثي × 5) × عامل الهامش ÷ عامل القدرة

* الأحمال المقاومة: الأجهزة المقاومة مثل المصابيح الكهربائية، والغلايات الكهربائية، والأفران.

* الأحمال الحثية: المعدات ذات المحركات أو الضواغط، مثل الثلاجات ومضخات المياه ومكيفات الهواء وما إلى ذلك. قد تكون الطاقة اللحظية أثناء بدء التشغيل 5 إلى 7 أضعاف الطاقة المقدرة.

* عامل الأمان: يتم ضبطه عادة عند 1.2–1.5 لضمان الهامش.

* عامل القدرة: يتم ضبطه عادة على 0.8–0.9.

على سبيل المثال:

بافتراض أن لديك وحدة إضاءة بقدرة 200 وات (حمل مقاوم)، وثلاجة بقدرة 100 وات (حمل حثي)، وعامل هامش 1.3، وعامل قدرة 0.85:

طاقة العاكس = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 واط

ستحتاج إلى عاكس بقدرة لا تقل عن 1.1 كيلو وات، ومن المستحسن اختيار طراز 1.5 كيلو وات لمزيد من الاستقرار.

الخطوة 3: تحديد سعة البطارية

البطارية هي مخزن الطاقة للنظام المستقل عن الشبكة، وتُستخدم بشكل أساسي في توليد الكهرباء ليلاً أو في الأيام الغائمة. تعتمد سعتها على عدد الأيام التي تحتاج فيها إلى إمداد مستمر بالطاقة واستهلاكك اليومي من الكهرباء.

الصيغة:

سعة البطارية (آه) = (الاستهلاك اليومي للكهرباء × عدد أيام إمداد الطاقة في الأيام الغائمة) ÷ (عمق التفريغ × كفاءة الشحن/التفريغ × جهد حزمة البطارية)

* عمق التفريغ (DOD): بالنسبة لبطاريات الرصاص الحمضية، يوصى بعمق تفريغ يتراوح بين 0.5 إلى 0.6؛ وبالنسبة لبطاريات الليثيوم، فإن عمق التفريغ يتراوح بين 0.8 إلى 0.9 وهو أمر مقبول.

* كفاءة الشحن/التفريغ: يتم ضبطها عادةً على 0.85–0.9.

* جهد مجموعة البطارية: تشمل الجهد الكهربي الشائع 12 فولت، و24 فولت، و48 فولت؛ ويوصى باستخدام جهد كهربي أعلى لمتطلبات الطاقة الأعلى.

على سبيل المثال:

بافتراض أنك تستخدم 3000 واط في الساعة يوميًا وترغب في الحصول على الطاقة لمدة يومين من الطقس الغائم، باستخدام بطارية ليثيوم 2 فولت (DOD=48، الكفاءة=0.9):

سعة البطارية = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 آه

سوف تحتاج إلى مجموعة بطاريات 48 فولت 154 أمبير في الساعة (7.4 كيلووات ساعة تقريبًا).

الخطوة 4: تحديد مواصفات وحدة التحكم

يقوم جهاز التحكم في الطاقة الكهروضوئية بتنظيم عملية الشحن من الوحدات الكهروضوئية إلى البطارية.

تعتمد مواصفاتها في المقام الأول على الحد الأقصى لتيار الإدخال، والذي يتم حسابه باستخدام الصيغة التالية:

الصيغة:

تيار دخل وحدة التحكم = الحد الأقصى لطاقة الوحدات الكهروضوئية ÷ جهد حزمة البطارية

على سبيل المثال، إذا كانت الألواح الكهروضوئية لديك تتمتع بطاقة إجمالية قدرها 1000 وات وكان جهد حزمة البطارية 48 فولت:

تيار دخل وحدة التحكم = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 أمبير

لذلك، تحتاج إلى اختيار وحدة تحكم ذات تيار إدخال أكبر من 21 أمبير، وعادةً ما تكون من نوع MPPT (كفاءة أعلى، وأكثر فائدة في الأيام الغائمة).

نصائح عملية

1. اسمح بوجود هامش: تعتمد مدة حياة المعدات واستقرارها التشغيلي على تصميم التكرار المناسب؛ لا تقم بتثبيت المعلمات بشكل صارم للغاية.
2. تتفوق تقنية MPPT على تقنية PWM: على الرغم من أن وحدات تحكم MPPT أغلى قليلاً، إلا أنها توفر كفاءة أعلى في توليد الطاقة، خاصة في ظل ظروف الإضاءة غير المستقرة.
3. إعطاء الأولوية لبطاريات الليثيوم أيون: فهي صغيرة الحجم، وخفيفة الوزن، وقادرة على التفريغ العميق، مما يوفر وفورات في التكاليف على المدى الطويل.
4. التخطيط للتوسع المستقبلي: إذا كنت تتوقع إضافة المزيد من الأجهزة في المستقبل، فتأكد من وجود سعة واجهة كافية لكل من نظام الطاقة الكهروضوئية والبطاريات.

إن جوهر تصميم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الصغير خارج الشبكة يكمن في حساب التكوين بدقة بناءً على الاحتياجات الفعلية، بدلاً من مجرد "شراء عدد قليل من الألواح والبطاريات" وإنهاء الأمر.

أتقن هذه الصيغ الأربع:

1. صيغة طاقة الوحدة الكهروضوئية
2. صيغة طاقة العاكس
3. صيغة سعة البطارية
4. صيغة تيار إدخال وحدة التحكم

يمكنك بعد ذلك حساب تكوين لنظام صغير خارج الشبكة يكون كافياً ومستقراً.

عند التصميم لأول مرة، يمكنك إضافة هامش إضافي بنسبة 10% إلى 20% استنادًا إلى نتائج الصيغة، مما يسمح بمزيد من المرونة في التعامل مع تغيرات الطقس وتوسيع المعدات.