كيفية تصميم نظام تخزين للطاقة الشمسية من الألواح الشمسية إلى النظام المتكامل

من أكثر الأسئلة شيوعًا التي يطرحها أصحاب المنازل وأصحاب الأعمال ومركبو أنظمة الطاقة الشمسية ومطورو المشاريع سؤال بسيط:

كم عدد الألواح الشمسية التي أحتاجها فعليًا؟

تعتمد الإجابة على عوامل أكثر بكثير من مساحة السطح. فالاستهلاك اليومي للكهرباء، وظروف أشعة الشمس المحلية، وكفاءة الألواح، وتصميم العاكس، ومتطلبات تخزين البطاريات، والطلب المستقبلي على الطاقة كلها تؤثر في الحجم النهائي للنظام.

في MOTOMA، يعمل فريقنا الهندسي على مشاريع الطاقة الشمسية السكنية والتجارية والصناعية حول العالم. ورغم اختلاف كل مشروع عن الآخر، فإن عملية الحساب تتبع منهجًا هندسيًا منطقيًا يساعد المُركبين والعملاء على تجنب الأنظمة الأصغر من المطلوب أو الأكبر من الحاجة.

الخطوة 1: احسب استهلاكك اليومي للطاقة

نقطة البداية في كل مشروع للطاقة الشمسية هي فهم استهلاك الطاقة.

يُقاس استهلاك الكهرباء عادةً بالكيلوواط ساعة (kWh).

على سبيل المثال، إذا كان المنزل يستهلك 20kWh يوميًا، فيجب أن يولد النظام الشمسي ما لا يقل عن هذه الكمية من الطاقة في ظروف التشغيل العادية.

الخطوة 2: فهم ساعات الذروة الشمسية

لا تنتج الألواح الشمسية قدرتها الاسمية على مدار 24 ساعة يوميًا.

يستخدم المهندسون مفهوم ساعات الذروة الشمسية (PSH)، وهو يمثل عدد الساعات المكافئة يوميًا التي تكون فيها شدة الإشعاع الشمسي مساوية لـ 1000W/m².

تحتاج المشاريع الواقعة في المناطق ذات الإشعاع الشمسي الأعلى إلى عدد أقل من الألواح لإنتاج الكمية نفسها من الطاقة.

الخطوة 3: احتساب خسائر النظام

لا يعمل أي نظام شمسي بكفاءة نظرية تبلغ 100%.

تحدث الخسائر بسبب تحويل العاكس، ومقاومة الكابلات، وتراكم الغبار، وارتفاع درجة حرارة الوحدات، والتظليل، وكفاءة شحن البطارية.

يفترض معظم مصممي أنظمة الطاقة الشمسية المحترفين كفاءة إجمالية للنظام تتراوح بين 75% و85%.

ومن الافتراضات الهندسية الشائعة:

كفاءة النظام = 80%

معادلة حساب الألواح الشمسية

تتمثل إحدى معادلات تحديد السعة العملية التي يستخدمها المُركبون في:

السعة الشمسية المطلوبة (kW) = الاستهلاك اليومي للطاقة ÷ ساعات الذروة الشمسية ÷ كفاءة النظام

مثال:

• الاستهلاك اليومي: 20kWh
• ساعات الذروة الشمسية: 5 ساعات
• كفاءة النظام: 80%

السعة المطلوبة = 20 ÷ 5 ÷ 0.8 = 5kW

لذلك يتطلب المشروع نظامًا شمسيًا بقدرة تقارب 5kW.

كم عدد الألواح الشمسية اللازمة لنظام شمسي بقدرة 5kW؟

يوضح ذلك سبب مساهمة الوحدات الحديثة عالية الكفاءة في تقليل مساحة التركيب ومتطلبات معدات التثبيت.

أمثلة على أنظمة شمسية سكنية

تتطلب مشاريع الطاقة الشمسية التجارية نهجًا مختلفًا

في المشاريع التجارية والصناعية، لا تكون مساحة السطح دائمًا العامل المحدد. وبدلًا من ذلك، يقيّم المهندسون عادةً ما يلي:

• سعة المحول
• قيود تصدير الطاقة إلى الشبكة
• منحنى الأحمال على مدار اليوم
• دمج أنظمة تخزين البطاريات
• فرص خفض رسوم الطلب

قد يحتاج مصنع يستهلك 500kWh يوميًا إلى مصفوفة شمسية بقدرة 100kW باستخدام ما يقارب:

• 233 وحدة بقدرة 430W
• 182 وحدة بقدرة 550W
• 167 وحدة بقدرة 600W

وعند دمجه مع سعة 100kWh أو 215kWh أو أكبر من ذلك من نظام بطاريات ESS، يمكن تحسين الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية بشكل ملحوظ.

هل تكون الألواح الشمسية الأعلى قدرة خيارًا أفضل دائمًا؟

ليس بالضرورة.

على الرغم من أن وحدات 550W و600W و700W تقلل عدد الوحدات، فإن الألواح الأكبر تزيد أيضًا من:

• وزن الألواح
• أحمال الرياح
• تعقيد التركيب
• متطلبات الهيكل الإنشائي للسقف

بالنسبة للأسطح السكنية، لا يزال كثير من المُركبين يفضلون وحدات TOPCon بقدرة 430W إلى 450W لما توفره من توازن بين الكفاءة وسهولة المناولة والتوافق مع الأسطح.

تخزين البطاريات يغير طريقة الحساب

تجمع مشاريع الطاقة الشمسية الحديثة بشكل متزايد بين التوليد الكهروضوئي وأنظمة تخزين الطاقة.

على سبيل المثال:

• طاقة شمسية 5kW + بطارية 10kWh
• طاقة شمسية 8kW + بطارية 15kWh
• طاقة شمسية 10kW + بطارية 20kWh
• طاقة شمسية 15kW + بطارية 30kWh

لا تقلل البطارية عدد الألواح الشمسية المطلوبة. وإنما تخزن فائض الطاقة الشمسية المنتجة نهارًا لاستخدامه ليلًا أو أثناء انقطاع الشبكة.

الخلاصة

إن تحديد عدد الألواح الشمسية التي تحتاجها هو حساب هندسي وليس مجرد تخمين. فاستهلاك الطاقة، والإشعاع الشمسي، وكفاءة الوحدات، وتحديد سعة العاكس، ومتطلبات تخزين البطارية، ومساحة التركيب المتاحة كلها تؤثر في التصميم النهائي.

بالنسبة لمعظم المشاريع السكنية، توفر الأنظمة التي تستخدم وحدات عالية الكفاءة بقدرة 400W إلى 450W توازنًا ممتازًا بين الأداء ومرونة التركيب. وقد تستفيد المشاريع التجارية من وحدات أكبر بقدرة 550W أو 600W أو 700W حسب الاعتبارات الإنشائية والاقتصادية.

النهج الأكثر موثوقية هو البدء بتحليل دقيق للأحمال وتصميم النظام قبل اختيار الوحدات الشمسية وسعة تخزين البطاريات.

الأسئلة الشائعة

س1: كم عدد الألواح الشمسية اللازمة لنظام بقدرة 5kW؟

عادةً 12 لوحًا عند استخدام وحدات 430W أو 10 ألواح عند استخدام وحدات 550W.

س2: كم عدد الألواح الشمسية التي أحتاجها لمنزل؟

تحتاج معظم المنازل إلى ما بين 6 و30 لوحًا حسب استهلاك الكهرباء وظروف أشعة الشمس المحلية.

س3: هل اللوح الشمسي بقدرة 430W أفضل من لوح 550W؟

ليس بالضرورة. يعتمد الخيار الأفضل على مساحة السطح ومتطلبات التركيب والجدوى الاقتصادية للمشروع.

س4: هل ينبغي إضافة نظام تخزين بالبطاريات؟

يحسن تخزين البطاريات الاستقلالية في الطاقة وقدرة الدعم الاحتياطي، لكنه لا يقلل قدرة التوليد الشمسي المطلوبة.

س5: ما مساحة السطح المطلوبة لنظام شمسي بقدرة 10kW؟

عادةً ما تكون 45-60 مترًا مربعًا حسب أبعاد الألواح وتخطيط التركيب.

س6: هل يمكنني توسيع نظام الطاقة الشمسية لاحقًا؟

نعم، بشرط أن يكون العاكس ونظام البطاريات والبنية التحتية الكهربائية قد صُممت مع مراعاة التوسع المستقبلي.