كيفية تصميم مشروع طاقة الشمسية

منظومة الطاقة الشمسية

تعد منظومة الطاقة الشمسية أحد أنظمة الطاقة المتجددة التي تستخدم الوحدات الكهروضوئية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. يمكن تخزين الكهرباء المولدة أو استخدامها مباشرة ، أو إعادتها إلى خط الشبكة أو دمجها مع واحد أو أكثر من مولدات الكهرباء الأخرى أو أكثر من مصدر طاقة متجددة. يعد نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية مصدرًا موثوقًا ونظيفًا للغاية للكهرباء التي يمكن أن تناسب مجموعة واسعة من التطبيقات مثل  الإقامة والصناعة والزراعة والثروة الحيوانية وما إلى ذلك.

مكونات المنظومة الرئيسية

يتضمن نظام الطاقة الشمسية مكونات مختلفة يجب تحديدها وفقًا لنوع النظام الخاص بك وموقع انشاء المنظومة بالاضافة إلى نوع التطبيق. المكونات الرئيسية لنظام الطاقة الشمسية هي:

1. الالواح الشمسية
2. منظم الشحن: ينظم الجهد والتيار القادمين من الألواح الكهروضوئية التي تذهب إلى البطارية ويمنع الشحن الزائد للبطارية ويطيل عمر البطارية.
3. العاكس او الانفرتر: يحول التيار المستمر الخارج من الألواح الكهروضوئية أو توربينات الرياح إلى تيار تيار متردد نظيف لأجهزة التيار المتردد أو يتم إعادته إلى الشبكة.
4. البطارية: تخزن الطاقة المولدة من الالواح الشمسية لتزويد الأجهزة الكهربائية عند الطلب
5. مصادر الطاقة الإضافية والأحمال (الأجهزة) هي أجهزة كهربائية متصلة بنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية مثل الأضواء والراديو والتلفزيون والكمبيوتر ثلاجة ، إلخ.
6. مصادر الطاقة المساعدة – هي مولدات الديزل أو مصادر الطاقة المتجددة الأخرى.

بناء منظومة الطاقة الشمسية

1- تحديد حجم الطلب للطاقة

تتمثل الخطوة الأولى في تصميم نظام الطاقة الشمسية في معرفة إجمالي استهلاك الطاقة لجميع الأحمال التي يحتاجها النظام الشمسي على النحو التالي:

• 1.1. احسب إجمالي ال ساعات وات Watt-Hours في اليوم الواحد لكل جهاز مستخدم. أجمع ال ساعات وات المطلوبة لجميع الأجهزة معًا للحصول على إجمالي ساعات وات في اليوم الواحد يجب توليدها للأجهزة.
• 1.2. احسب إجمالي ال ساعات وات اليومية المطلوبة من الوحدات الكهروضوئية. اضرب إجمالي استهلاك ال ساعات وات مضروبًا في الطاقة المفقودة في النظام للحصول على إجمالي ال ساعات وات التي يجب أن تنتجه الألواح الشمسية في اليوم.

2- تحديد حجم الوحدات الشمسية

لمعرفة حجم وحدة الخلايا الشمسية ، يجب معرفة ذروة الحمل من الوات التي يجب توليدها من الوحدة الشمسية ايضا مناخ موقع المشروع. إضافة إلى ذلك يجب أن نأخذ بعين الاعتبار “عامل توليد الألواح panel generation factor” الذي يختلف من مكان الى اخر. على سبيل المثال ، بالنسبة إلى تايلاند ، يبلغ عامل توليد الألواح 3.43. لتحديد حجم الوحدات الكهروضوئية ، احسب على النحو التالي:

• 2.1. احسب إجمالي مقدار ذروة الوات اللازم إنتاجها من الوحدات الكهروضوئية. اقسم إجمالي ال ساعات وات في اليوم المطلوبة من الوحدات الكهروضوئية على 3.43 للحصول على إجمالي مقدار الذروة وات اللازمة للألواح الكهروضوئية اللازمة لتشغيل الأجهزة.
• 2.2. احسب عدد الألواح الكهروضوئية للنظام. قم بقسمة الإجابة التي تم الحصول عليها في الخطوة السابقة على الناتج المقدر وات -ذروة الوحدات الكهروضوئية المتاحة لك. زيادة أي جزء كسري من النتيجة إلى أعلى رقم كامل يلي ذلك سيكون عدد الوحدات الكهروضوئية المطلوبة.

نتيجة الحساب هي الحد الأدنى لعدد الألواح الكهروضوئية. إذا تم تثبيت المزيد من الوحدات الكهروضوئية ، فسيعمل النظام بشكل أفضل وسيتم تحسين عمر البطارية. إذا تم استخدام عدد أقل من الوحدات الكهروضوئية ، فقد لا يعمل النظام على الإطلاق خلال فترات الغيوم وسيتم تقصير عمر البطارية.

يتم استخدام عامل توليد الألواح  PGF أثناء حساب قدرة الخلايا الشمسية. إنه عامل متغير اعتمادًا على مناخ موقع المشروع. على سبيل المثال ، في تايلاند عامل توليد الألواح يساوي 3.43 ، في دول الاتحاد الأوروبي يساوي 2.93 ، إلخ. يستخدم هذا العامل في حساب “إجمالي مقدار الذروة واط” أثناء تصميم قدرة الخلايا الكهروضوئية الشمسية. لذلك: ” تقييم إجمالي Watt-Peak ” = “إجمالي ال ساعات وات المطلوب إنتاجها من الوحدات الكهروضوئية في اليوم” مقسومًا على عامل توليد الألواح  PGF.

3. إيجاد حجم الانفرتر

يتم استخدام الانفرتر في النظام حيث يحول التيار المستمر إلى تيار المتردد. يجب الا تكون قدرة الإدخال للانفرتر أقل من إجمالي وات الأجهزة. يجب أيضا أن يكون للانفرتر نفس الجهد الاسمي للبطارية.
بالنسبة للأنظمة المستقلة stand-alone systems ، يجب أن يكون الانفرتر كبيرًا بما يكفي للتعامل مع إجمالي كمية الوات التي ستستخدم في وقت واحد. يجب أن يكون حجم العاكس أكبر بنسبة 25-30 ٪ من إجمالي وات الأجهزة. علاوة على ذلك في حالة كان نوع الأجهزة هو محرك أو ضاغط ، يجب أن يكون حجم العاكس على الأقل 3 أضعاف قدرة الأجهزة ويجب إضافته إلى سعة الانفرتر للتعامل مع التيار أثناء البدء.
بالنسبة للأنظمة المتصلة بالشبكة grid tie systems or grid connected systems ، يجب أن يكون تقييم إدخال الانفرتر هو نفس تقييم صفوف ال PV للسماح بالتشغيل الآمن والفعال.

4. تحديد سعة البطارية

نوع البطارية الموصى به للاستخدام في نظم الطاقة الشمسية هو بطارية الدورة العميقة Deep-cycle battery. بالإضافة إلى ذلك تم تصميم هذا النوع من البطاريات خصيصًا ليتم تفريغها إلى مستوى طاقة منخفض وإعادة شحنها و تفريغها بسرعة يومًا بعد يوم لسنوات. يجب أن تكون البطارية كبيرة بما يكفي لتخزين طاقة كافية لتشغيل الأجهزة في الليل والأيام الغائمة. لمعرفة سعة البطارية ، قم بالحساب على النحو التالي:

1. احسب إجمالي الساعات وات الذي تستخدمه الأجهزة في اليوم .
2. اقسم إجمالي الساعات وات على 0.85 (الفقد في البطارية).
3. إقسم الناتج التي تم الحصول عليه على 0.6 (عمق التفريغ).
4. إقسمة الناتج التي تم الحصول عليه على جهد البطارية الاسمي.
5. اضرب الناتج التي تم الحصول عليه بأيام الاستقلالية (الايام التي لا يتم إنتاج الطاقة من الالواح الشمسية أساسا) للحصول على السعة المطلوبة “أمبير-ساعة” قدرة بطارية ذات الدورة العميقة.

5. تحديد حجم وحدة التحكم بالشحن

عادةً ما يتم تقييم وحدة التحكم بالشحن بناءا على تيار و جهد الخلايا الشمسية. علاوة على ، ذلك يجب ان تكون وحدة التحكم بالشحن متناسبة مع جهد الالواح الشمسية و البطاريات، ثم حدد نوع وحدة التحكم بالشحن الشمسي المناسب لإحتياجاتك. اضافة إلى ذلك ، تأكد من أن وحدة التحكم بالشحن لديها سعة كافية للتعامل مع التيار القادم من الالواح الشمسية. كذلك، يعتمد تحديد حجم وحدة التحكم بالشحن على إجمالي تيار دخل الالواح الشمسية الحالي الذي يصل الى وحدة التحكم بالشحن ويعتمد أيضًا على شكل توزيع الالواح الشمسية (التوصيل بالتوازي أو بالتوالي).
وفقًا للممارسة القياسية ، فإن تحديد حجم وحدة التحكم بالشحن الشمسي هو أخذ تيار الدائرة القصيرة (Isc) لصفوف الالواح الشمسية ، وضربه في 1.3.

تيار وحدة التحكم بالشحن  = إجمالي تيار الدائرة القصيرة لصفوف الالواح الشمسية × 1.3

مثال

يستخدم المنزل الأجهزة الكهربائية التالية:

• لمبة 18 وات مزود بكابح إلكتروني 4 ساعات في اليوم.
• مروحة واحدة 60 وات تستخدم لمدة ساعتين في اليوم.
• ثلاجة بسعة 75 وات تعمل 24 ساعة في اليوم مع ضاغط يعمل لمدة 12 ساعة.

سيتم تشغيل النظام بجهد مستمر 12 Vdc و قدرة اللوح الشمسي الواحد تساوي 110 وات.

الحل

1. تحديد اجمال طلب استهلاك الطاقة.

إجمالي استخدام الجهاز = (18 وات × 4 ساعات) + (60 وات × ساعتان) + (75 وات × 24 × 0.5 ساعة)
= 1092 وات ساعة
علاوة على ذلك إجمالي الطاقة اللازمة للألواح الشمسية = 1092 × 1.3 = 1419.6 وات ساعة.

2. تحديد قدرة الالواح الشمسية PV.

2.1 إجمالي ذروة الوات من قدرة اللوح الشمسي المطلوب = 1419.6 / 3.4 = 413.9 وات.

2.2 عدد الألواح الكهروضوئية اللازمة = 413.9 / 110 = 3.76 وحدة.

بناء على ذلك عدد الالواح الشمسية الفعلية = 4 وحدات.
لذلك يجب أن يتم تشغيل هذا النظام بواسطة 4 وحدات على الأقل من وحدة 110 Wp PV.

3. تحديد قدرة الانفرتر
مجموع ال وات لجميع الأجهزة = 18 + 60 + 75 = 153 وات
كذلك من أجل السلامة ، يجب اعتبار العاكس أكبر حجمًا بنسبة 25-30 ٪.
يجب أن يكون حجم العاكس حوالي 190 وات أو أكبر.

4. إختيار البطارية
إجمالي استخدام الأجهزة = (18 وات × 4 ساعات) + (60 وات × ساعتين) + (75 وات × 12 ساعة)
جهد البطارية الاسمي = 12 فولت
أيام الغيوم  = 3 أيام

بناء على ذلك سعة البطارية = [(18 وات × 4 ساعات) + (60 وات × ساعتين) + (75 وات × 12 ساعة)] × 3
(0.85 × 0.6 × 12) = 535.29 أمبير ساعة

هكذا إجمالي عدد ساعات التشغيل المطلوبة 535.29 أمبير ساعة. بناء على ذلك ، يجب تثبيت بطارية 12V   600 Ah لمدة 3 أيام.

5. تحديد حجم منظم الشحن
مواصفات الوحدة الكهروضوئية

Pm = 110 Wp
Vm = 16.7 Vdc
Im = 6.6 A
Voc = 20.7 A
Isc = 7.5 A

نستنتج من ذلك ان ، تيار وحدة تحكم الشحن بالطاقة الشمسية = (4 صفوف × 7.5 أمبير) × 1.3 = 39 أمبير

في الاخير ، لذلك يجب أن يتم تصنيف وحدة تحكم الشحن بالطاقة الشمسية 40 أمبير عند 12 فولت أو أعلى.

المرجع

leonics – How to Design Solar PV System