الأنظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة PV Off-Grid Systems

الأنظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة, ماذا تعني؟ ومتى يتم استخدامها؟ وما مكوناتها؟ وما هي طريقة تصميم نظام كهروضوئي مستقل عن الشبكة؟ هذه الاسئلة وغيرها ستعرف جوابها في هذا المقال.

أيهما أفضل الأنظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة أم المتصلة بالشبكة؟

الأنظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة أو بمعنى أخر المستقلة عن شبكة الكهرباء الوطنية PV Off-Grid Systems هي الطريقة المثالية المناسبة لتزويد المناطق النائية والريفية وغير المزودة بالكهرباء للتزود بالطاقة الكهربية النظيفة لمنازلهم أو مزارعهم.

وهذا يقودنا إلى أن هذه الفئة قيودهم محررة من دفع فواتير الكهرباء الشهرية المتزيدة القيمة نظرا لارتفاع الأسعار العالمية للبترول. من الناحية العملية فالأنظمة المتصلة مع الشبكة مفضلة لأنها اقل تعقيدا واقل تكلفة مقارنة مع الأنظمة المنفصلة مع الشبكة حيث أن الأنظمة المنفصلة تتطلب بان يكون هنالك مصدر لتخزين الطاقة وهذا المصدر هو البطاريات لتخزين الطاقة الزائدة عن الحاجة وإعادة استعمالها في الليل وهي حاليا أسعارها مرتفعة الثمن قليلا.

الفوائد المثالية للأنظمة المنفصلة عن الشبكة يمكن إجمالها بما يلي:

1. التزود بالكهرباء النظيفة خلال النهار والليل وفي أي وقت.
2. الاستقلالية التامة عن الاشتراك مع شبكة شركة الكهرباء.
3. صفاء الذهن من التفكير بارتفاع أسعار الكهرباء.
4. إمكانية زيادة قدرة النظام من الألواح والبطاريات إذا دعت الحاجة.

ما هي مكونات الأنظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة؟

تتكون الانظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة من المكونات الأساسية التالية:

1. الألواح الشمسية
2. منظم الشحن
3. البطاريات
4. محول العكس (الانفرتر)
5. القواطع الكهربائية
6. الهيكل المعدني
7. كوابل التيار المستمر والمتردد
8. التاريض (Grounding)

1- ألواح الطاقة الشمسية:

وقد تم التحدث عنها في مقال سابق انقر ألواح الطاقة الشمسية.

2- أنواع البطاريات وخصائصها Batteries:

تستخدم في تخزين الطاقة الكهربائية المولدة وأنواعها هي:

بطاريات الجل وهي المفضلة حاليا وذلك لسعرها المنخفض والمقبول حاليا وليست بحاجة إلى صيانة وعمرها الطويل حيث أنها تدوم مدة طويلة تقدر بمدة تزيد عن العشرة سنوات إذا تم المحافظة عليها وكلك عدم إجهادها زيادة عن النسبة المقررة لها.

بطاريات الليثيوم: هذا النوع هو الممتاز للاستعمال في الأنظمة الكهربائية المنفصلة عن الشبكة حيث أن عامل الأمان في هذا النوع من البطاريات ممتاز وعمرها الافتراضي أكثر من عشرة سنوات, إلا أن سعرها مرتفع.

بطاريات الصوديوم وهذا النوع شبيهة ببطاريات الليثيوم.

بطاريات الاسيد أو ما يعرف ببطاريات السيارات: هذا النوع من البطاريات غير مرغوب ويعتبر الأسوأ استعمالا في الأنظمة المنفصلة عن الشبكة حتى وإن كانت على المدى القصير تعتبر اقل كلفة لكن على المدى الطويل تعتبر مكلفة جدا وذلك لسرعة تفريغ الشحنات الكهربائية عند بداية التشغيل مع العلم بأن سعرها منخفض جدا مقارنة مع بطاريات الجل.

3- منظم الشحن:

منظم الشحن هو عبارة عن جهاز ينظم دخول الشحنات الكهربائية المرسلة من الألواح الشمسية إلى البطاريات أو البطارية وعند اخذ البطارية حاجتها من الشحنات الكهربائية (أو بمعنى أخر تمتلئ البطارية) يقوم الجهاز بفصل الطاقة المرسلة للبطارية حتى لا يتم إتلاف البطارية بالطاقة الكهربائية الزائدة.

هنالك نوعان من هذه المنظمات:

1. PWM) PULSE WIDTH MODULATION)
2. (MPPT) MAXIMUM POINT POWER TRACKING)

لا يمكن للشخص العادي بأن يلاحظ الفرق بين هذا النوعين إلا من خلال السعر حيث أن سعر الصنف الثاني اغلى من الصنف الأول وذلك لتكلفة إنتاجه المرتفعة.

مقارنة بسيطة بين هذا النوعين لمنظمات الشحن:

النوع الأول PWM يفقد الكثير من الطاقة عند الاستعمال وسعره مناسب جدا عند الاستعمال في الأنظمة الصغيرة والملاحظة الأخيرة بأنه يتم سحب الجهد (الفولتية) إلى جهد البطارية.

بينما النوع الثاني MPPT نعم سعره مرتفع بالمقارنة مع النوع الأول إلا أنه على المدى الطول أفضل بكثير من النوع الأول للأسباب التالية:

• تحول الجهد (الفولتية) الداخلة إلى فولتية البطارية
• عند انخفاض الجهد تقوم بزيادة التيار

المثال التالي يساعدنا في معرفة لماذا نختار منظم الشحن المناسب لتركيبه في النظام الشمسي:

لنفترض أن لدينا لوح شمسي بالمواصفات: القدرة 250 واط والفولتية 34 فولت وشدة التيار 7.3 أمبير ولدينا بطارية 12 فولت.

ففي حالة PWM عندما تكون البطارية منخفضة إلى 11 فولت:

11 × 7.3 = 80.3 واط

وعندما تكون البطارية ممتلئة

14 × 7.3 = 102.2 واط

إما في حالة منظم الشحن من نوع MPPT:

إذا كانت البطارية منخفضة إلى 11 فولت: نعمل بالنسبة التالية: حيث أن فولتية البطارية 11 فولت وفولتية اللوح 34 فولت.

النسبة:

11 : 34 وتساوي

1 : 3.09

وسنلاحظ إرتفاع شدة التيار كما يلي:

3.09 × 7.3 = 22.56 أمبير

11 × 22.56 = 248.16 واط

وإذا كانت البطارية ممتلئة:

النسبة:

14 : 34 وتساوي

1 : 2.43

2.43 × 7.3 = 17.74 أمبير

14 × 17.74 = 248.3 واط

4- محول العكس أو العاكس (انفرتر) Inverter:

وهناك نوعان منه يمكن استخدامها في الانظمة الشمسية المستقلة عن الشبكة وهنا:

أ- العواكس المنفصلة: هذا العاكس هو العقل المدبر لعملية تحويل الطاقة حيت يقوم بتحويل الطاقة الداخلة إليه من بطاريات التخزين من تيار مستمر إلى تيار متردد, من اجل تشغيل الأجهزة الكهربائية المتوفرة في المنزل.

ونود أن نلفت هنا بان هذه العواكس لا تحتوي على منظم شحن بل إن منظم الشحن منفصل عنها وغالبا تكون هذه العواكس بقدرات مختلفة 1,2,3,4 حتى 5 كيلو واط.

ب- العواكس الهجينة أو ما يسمي الهايبرد: وهذا النوع من العواكس يمكن أن يعمل منفصلا عن الشبكة او متصلا مع الشبكة أو في كلتا الحالتين معا وهذا النوع من العواكس مزود بمنظم شحن داخلي, وهذا من احد الأسباب التي تودي إلى ارتفاع سعره.

ويتوفر هذا النوع من العواكس بقدرات مختلفة من 3,5, و 10 كيلوواط وبعض هذه العواكس يمكن توصيلها مع بعض لزيادة القدرة المطلوبة.

تصميم النظام الكهروضوئي المنفصل عن الشبكة PV Off-Grid System Design

خطوات التصميم:

1. كيفية حساب عدد الالواح الشمسية المطلوبة
2. كيفية تحديد العاكس المناسب
3. كيفية تحديد منظم الشحن المناسب
4. كيفية تحديد عدد البطاريات المناسب وسعتها
5. كيفية توصيل البطاريات
6. كيفية تحديد أحجام الكوابل المناسبة

في المثال التالي سنوضح كيفيه حساب عدد الألواح المطلوبة ,العاكس, منظم الشحن, وعدد البطاريات المطلوبة:

احد المنازل متوفرة فيه الأجهزة الكهربائية التالية:

لمبة كهربائية بقدرة 20 واط, عدد 10, مدة التشغيل 10 ساعات

مروحة كهربائية بقدرة 50 واط, عدد 2, مدة التشغيل 5 ساعات

تلفزيون 32 بوصة قدرة 50 واط, عدد 1, ومدة التشغيل 8 ساعات

قانون حساب القدرة الكهربائية تمثله المعادلة التالية:

القدرة الكهربائية = الجهد الكهربائي × التيار الكهربائي

P = V × I

P: القدرة الكهربائية (واط)

V: الجهد الكهربائي (فولت) 

I: التيار الكهربائي (أمبير)

الحمل الكهربائي سيكون كما يلي:

لمبات : 10 × 20 × 10 = 2000 واط.ساعة
مراوح : 2 × 50 × 5 = 500 واط.ساعة
تلفزيون : 1 × 50 × 8 = 400 واط.ساعة

وبالتالي:

مجموع الحمل الكهربائي = 2900 واط.ساعة

ولنفترض بان الأشعة الشمسية متوفرة لمدة خمس ساعات يوميا
الألواح الشمسية المطلوبة للحمل = 2900 ÷ 5 = 580 واط

نأخذ بعين الاعتبار كفاءة الألواح الشمسية ولنفتر ض بأنها بنسبة 90%

580 × (100 ÷ 90) = 644 واط

كذلك نأخذ في الاعتبار نسبة الفاقد في الكوابل الكهربائية و العاكس (الانفرتر) عند تحول الطاقة من طاقة تيار مستمر إلى طاقة تيار متردد ولنفترض بأن النسبة 10 %

644 × 100 ÷ (100 – 10) = 716 واط

نلاحظ بان القدرة المطلوبة للألواح الشمسية 716 واط وهذا يقودنا إلي استعمال ثلاثة ألواح شمسية قدرة كل لوح 250 واط والمجموع 750 واط.

العاكس (الانفرتر) المطلوب:

هنا يجب أن نجمع الحمل المطلوب تشغيله في الساعة الواحدة, الحمل الأقصى وهو:
10 × 20 + 2 × 50 + 1 × 50 = 350 واط

البطاريات المطلوبة:

على اعتبار ان البطارية 12 فولت

2900 ÷ 12 = 242 أمبير ساعة

وحتى لا يتم إجهاد البطارية بنسبة 80 % من قدرتها

242 × (100 ÷ 80) = 302.5 أمبير ساعة

وكفاءة الانفرتر 90 %

302.5 × (100 ÷ 90) = 336 أمبير ساعة

فالبطاريات المطلوبة عدد اثنان بقدرة كل بطارية 12 فولت , 200 أمبير ساعة هو المفضل.

منظم الشحن:

تعتمد عملية اختيار منظم الشحن على طريقة توصيل الألواح الشمسية فاذا تم توصيل الألواح على التوالي على اعتبار بان لوح الشمسي 250 واط والفولتية القصوى 34 فولت و التيار 7.3 أمبير:

3 × 34 = 102 فولت والتيار 7.3 أمبير

فالشاحن المناسب هو 10 أمبير , شريط أن يتحمل فولتية لا تقل عن 120 فولت

أما في حالة توصيل الألواح على التوازي هنا الفولتية تبقى ثابتة و يتم جمع شدة التيار:
3 × 7.3 = 21.9 أمبير

هنا منظم الشحن المناسب 30 أمبير.

الكوابل الكهربائية:

إن عملية اختيار الكيبل وحجمه المناسب مهم جدا ويتم تحديد مساحة مقطع الكيبل بناء على عدة عوامل, ومن أهمها: 

أ- المسافة ما بين الألواح الشمسية ومنظم الشحن فكلما كانت المسافة قريبة جدا كان ذلك أفضل.

ب- الفولتية الخارجة من الألواح.

ج- شدة التيار (الأمبير) الخارج من الألواح.

المعادلة الحسابية التالية تبين لنا كيفية اختيار مساحة مقطع الكيبل المناسبة:

فإذا كان الكيبل مصنوع من النحاس نستعل الرمز الثابت في أنظمة الواحد فاز 0.0344 أو نستعمل الرمز الثابت 0.056 إذا كان الكيبل مصنوع من الالمنيوم.

أما في الأنظمة الثلاثة أطوار نستعمل الرمز الثابت 0.06 إذا كان الكيبل مصنوع من النحاس أو نستعمل الرمز الثابت 0.097 إذا كان مصنوع من الالمنيوم.

مساحة مقطع الكيبل = الرمز الثابت × المسافة × شدة التيار ÷ (نسبة انخفاض الفولتية المسموح بها × الفولتية)

بالرجوع إلى المثال السابق حيث أن الكيبل المراد استعماله مصنوع من النحاس وأن الألواح تم توصليها على التوالي والمسافة بين الألواح ومنظم الشحن 15 متر ونسبة الانخفاض في الفولتية 3%

مساحة مقطع الكيبل = 0.0344 × 15 × 7.3 ÷ (0.03 × 34 × 3) = 1.2 ملم مربع , فالكيبل المطلوب بحجم 2 ملم مربع.

الحالة الثانية إذا تم توصيل الألواح  على التوازي: 
مساحة مقطع الكيبل = 0.0344 × 15 × 3 × 7.3 ÷ (0.03 × 34) = 11.078 ملم مربع.

مما سبق نلاحظ بأنه عند توصيل الألواح على التوالي قطر الكيبل منخفض جدا وهذا هو المناسب للتقليل من ثمن شراء الكيبل, بينما إذا تم توصيل الألواح بالتوازي كما هو في الحالة الثانية قطر الكيبل كان اكبر.

المخططات التالية تبين كيفية توصيل البطاريات سواء كانت 12 أو 24 أو 48 فولت بالطريقتين على التوالي وعلى التوازي:

ارشادات ونصائح ومعلومات عامة:

– لتركيب الانفرتر ينصح بأخذ النقاط التالية في الاعتبار:

• اختيار المكان المناسب لتركيب الانفرتر ويفضل ان يركب على مكان صلب على الحائط.
• لا يتم تركيب الانفرتر بالقرب من مواد قابلة للاشتعال.
• لا يتم تركب الانفرتر في غرفة النوم أو أماكن الجلوس لان بعض الانفرترات تصدر ضجيج يكون مزعج في بعض الأحيان.
• لاحظ بأن يتم تركيب الانفرتر على مستوى النظر لتسهيل عملية قراءة المعلومات والبيانات الواردة على شاشة العرض في أي وقت.
• يتم تركيب الانفرتر في مكان ذو تهوية جيدة لتسهيل عملية التبادل الحراري ما بين الانفرتر والهواء الجوي وان تكون المسافة 50 سم بعيدة عن السقف العلوي أو الأرضي و20 سم من الجانب الأيمن أو الأيسر في حال كان التبريد طبيعيا.

– توصيل البطاريات:

• قبل توصيل البطاريات يجب أن يراعى بأن يتم تركيب قاطع حماية تيار مستمر منفصل ما بين البطاريات والانفرتر.
• يتم التأكد من فولتية الشحن العليا والتيار قبل توصيل إلى الانفرتر في حالة الاستعمال للمرة الأولى.
• يتم التأكد من فولتية البطاريات.
• راع بأن يتم استعمال كوابل بطاريات بطول و قطر مناسب عدد اثنان, احدهما احمر للجهة الموجبة والآخر اسود للجهة السالبة.
• اختيار راسيات الكوابل المناسبة لأقطاب البطاريات.

– تشغيل النظام:

قبل تشغيل النظام يتم التأكد من التالي:

• الانفرتر موضوع في مكان امن و مثبت بشكل جيد.
• التأكد من أن فولتية التيار المستمر للالواح تلبي المطلوب لتشغيل الانفرتر.
• التأكد من توصيل الألواح ببعضها بطريقة سليمة وحسب المطلوب .
• التأكد من قواطع التيار المستمر والمتردد وأنة تم تركيبها بطريقة صحيحة وسليمة.
• وضع قواطع التيار المستمر للبطاريات واللوح في وضع التشغيل.
• الخطوة الأخيرة تشغيل الانفرتر.

– التنظيف والصيانة:

للمحافظة على ديمومة النظام يجب إتباع الخطوات التالية والقيام بها بشكل دوري منتطم:

• التأكد من جميع الوصلات الموصلة بالانفرتر نظيفة في جميع الأوقات.
• تنظيف الخلايا الضوئية خلال ساعات النهار الصباحية أو المسائية عندما تكون متسخة ومغبرة, حيث إن الأوساخ والغبار تودي التقليل من إنتاجية الألواح.
• بشكل دوري ومنتظم يتم التأكد من النظام الشمسي وجميع الكوابل والأسلاك وأنها في مكانها المناسب مربوطة ومثبتة بشكل جيد وكذلك الهيكل المعدني والدعامات للنظام.

– صيانة البطارية:

• غالبية البطاريات المستعملة في الأنظمة الشمسية ليست بحاجة إلى صيانة باستثناء بطاريات الاسيد ويراعى عند عمل صيانة للبطاريات أن تتم من قبل شخص مختص وـن يتم العمل تحت إشراف شخص لديه معرفة بالبطاريات ومتطلبات المحاذير الوقائية ولديه العلم والمعرفة بأمور السلامة العامة. 
• عند تبديل البطاريات يجب ان تراعي بان تكون من نفس النوع أن أمكن وان تكون بنفس القدرة من حيث الأمبير والفولتية.

– الملاحظات التالية يجب ان تأخذ في الحسبان عند العمل على البطاريات:

• نزع ساعة اليد والخواتم وأي مواد معدنية أخرى.
• استعمل العدد التي لها أيادي معزولة وخصوصا بالمطاط.
• وضع الكفوف المطاطية على اليدين وحذاء سلامة عامة مطاطي.
•  يجب عدم وضع العدد والقطع المعدنية على البطارية. افصل مصدر الشحن عن أقطاب البطارية. تأكد من البطارية غير مؤرضة.
• ينصح بعدم العبث بالبطارية لأنها قد تسبب صعقة كهربائية.
• ينصح بعدم رمي البطارية في النار لأنها قد تسبب انفجار قوي جدا يوثر على من حولها.
• لا ينصح بان يتم محاولة فتح البطارية أو العبث لأنها تحتوي على مواد سامة قد تسبب الأم وأمراض للجلد والنظر.

في الختام نتمنى أن نكون قد وفقنا في شرحنا هذا المبسط عن الأنظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة.

تمت الكتابة بيد م.محمد الكفارنة من شركة الزهراء لأنظمة الطاقة المتجددة.