الطاقة الشمسية و انظمتها، يعد قطاع الطاقة الشمسية من أهم القطاعات في العالم، لأنه يشكل ركيزة اقتصادية مهمة للكثير من الدول خاصة في الشرق الأوسط.

حيث تزودنا الشمس بالحرارة والضوء وهما قوام الحياة، وتتكون من كتلة غازية ملتهبة يبلغ حجمها حوالي مليون مرة حجم الكرة الأرضية، ويزيد قطرها عن الأرض بأكثر من 100 مرة.

وتصل درجة حرارة مركز الشمس إلى أكثر من 15 مليون درجة مئوية، وتخرج منه أشعة قوية تصل إلى الأرض بعد مرورها في الفضاء الخارجي لمسافة 150 مليون كيلو متر، ولكن ما يصلنا فعلياً نسبة بسيطة جداً من قوة الأشعة التي تخرج من الشمس، وهو الجزء الذي يمد الأرض بالطاقة.

الطاقة الشمسية و انظمتها

من المعروف أن الدول التي تقع على خط الاستواء هي الدول التي تتمتع بفصل واحد تقريباً طوال السنة وهو فصل الصيف، وبذلك تبقى أشعة الشمس متواجدة على هذه الدول طوال السنة.

وتتمتع أيضاً الدول القريبة من خط الاستواء بهذا الطقس، بينما يدرك سكان المناطق الشمالية والجنوبية لخط الاستواء بالفصول الأربعة خلال السنة.

الإشعاع الشمسي

يعرف الإشعاع الشمسي بالقدرة الساقطة على وحدة المساحة، وأشهر الوحدات المستخدمة لقياسها هي الواط لكل متر مربع (W/m2)؛ وتستخدم في الوحدة في أنظمة الطاقة الشمسية في تحديد الكفاءة وغيرها من الاستخدامات.

عموماً في الأيام التي تكون مشمسة فإن أكبر كمية إشعاع شمسي تصل إلى الأرض هي أشعة فترة الظهيرة عندما يكون ضوء الشمس متعامدة على سطح الأرض، بينما في وقتي الشروق والغروب تستقبل الأرض أقل كمية من الإشعاع طوال اليوم.

تأثير الغيوم على الإشعاع الشمسي

تتفاوت كمية الإشعاع الشمسي التي تصل الأرض من فترة لأخرى بسبب تغيير الظروف الجوية والموقع المتغير للأرض بالنسبة للشمس خلال اليوم الواحد وطوال السنة.

هناك العديد من العوامل الجوية التي تؤثر بشكل رئيسي على وصول كمية الإشعاع الشمسي الكافي إلى الأرض، ومنها الغيوم، حيث تقلل الغيوم كمية الإشعاع الشمسي حسب كمية الغيوم وقد تصل إلى تحجيب أشعة الشمس عن الأرض في فصل الشتاء.

وكما ذكرنا أن أقصى قيمة لكمية الإشعاع الشمسي التي تشع على سطح الأرض فترة الظهيرة. وتتغير هذه الكمية حسب ساعات النهار والموقع، إضافة إلى بعض التأثيرات الجوية مثل وجود الغيوم.

الحزم الشمسية الواصلة إلى الأرض

هناك ثلاث أنواع من الإشعاعات الواصلة إلى الأرض والتي تمثل 50% من الأشعة الشمسية وهي:

• الإشعاع الشمسي المباشر من الشمس.
• الإشعاع الشمسي المشتت والمتطاير في الجو.
• الإشعاع الشمسي المنعكس في السطوح الأخرى.

تصميم نظام شمسي منفصل عن الشبكة، موضوع في غاية الأهمية موجة إلى كل فني كهربائي ومبدئ في مجال الطاقة الشمسية.

حيث يتناول المقال كيف تصمم نظام شمسي منفصل عن الشبكة بداية من حساب الأحمال الكهربائية، ومروراً بعدد الألواح الشمسية والبطاريات الكهربائية إلى منظم الشحن والانفرتر، وأخيراً تقدير قطر الكابلات المخصصة للطاقة الشمسية.

أهداف التصميم الجيد للمنظومة الشمسية

• أولاً: أن تحصل على أفضل أداء للنظام الشمسي بالاعتماد على أقل التكاليف الممكنة، وذلك من خلال تغطية كافة الأحمال الكهربائية الموصي بها عند وجود عجز وتشغليها على مدار 24 ساعة دون الانقطاع.
• ثانياً: تهيئة النظام الشمسي بحيث يمكنه المحافظة على العمر الافتراضي للبطاريات الكهربائية على أبعد مدى ممكنه، وذلك بتصميم بنك بطاريات بناءً على عمق تفريغ حتى 50% كحد أقصى.
• ثالثاً: التأكد من الحفاظ على مكونات المنظومة الشمسية من: الألواح الشمسية – البطاريات – الانفرتر – منظم الشحن.

الآن وبعد أن تعرفنا على أهداف التصميم الجيد للمنظومة الشمسية، سندخل في خطوات تصميم نظام شمسي منفصل عن الشبكة بالتدريج للتسهيل على الجميع عملية الحسابات الرياضية.

خطوات تصميم النظام الشمسي المنفصل

• أولاً: حساب حجم الأحمال الكهربائية المطلوب تشغيلها في النهار.
• ثانياً: حساب حجم الأحمال الكهربائية المطلوب تشغليها في الليل.
• ثالثاً: حساب إجمالي الطاقة المستهلكة من الألواح الشمسية.
• رابعاً: حساب قدرة الألواح الشمسية اللازمة.
• خامساً: تحجيم عدد الألواح الشمسية اللازمة.
• سادساً: حساب حجم البطاريات الكهربائية.
• سابعاً: حساب حجم منظم الشحن الشمسي.
• ثامناً: توصيل الألواح الشمسية بناءً على بيانات منظم الشحن.
• تاسعاً: حساب حجم الانفرتر المناسب.
• عاشراً: حساب مقطع كابلات الطاقة الشمسية.
• الحادي عشر: رسم مخطط النظام الشمسي.

 حساب حجم الأحمال الكهربائية

• جدول الأحمال المراد تشغليها في النهار:

حيث أن: الطاقة المستهلكة = القدرة × العدد × مدة التشغيل

• جدول الأحمال المراد تشغيلها في الليل:

حساب إجمالي الطاقة المستهلكة من الألواح الشمسية

من جداول الأحمال الكهربائية السابقة:

الطاقة المستهلكة نهاراً = 2670 واط. ساعة

الطاقة المستهلكة ليلاً = إجمالي الطاقة المستهلكة ليلاً × معامل الفقد في البطاريات (1.25)

= 2484 × 1.25 = 3105 واط. ساعة

نعلم جميعنا أن البطارية بها فقد داخلي، وفقد في الكابلات ومعامل درجة الحرارة وغيرهما من الأمور الأخرى، بالتالي نعمل دائماً على إضافة نسبة 25% فوق قيمة إجمالي الطاقة المراد استهلاكها من البطارية ليلاً.

إجمالي الطاقة المستهلكة من مصفوفة الألواح الشمسية = الطاقة المستهلكة نهاراً + الطاقة المستهلكة ليلاً

= 2670 + 3105 = 5775 واط. ساعة

حساب قدرة الألواح الشمسية اللازمة

قدرة الألواح الشمسية = إجمالي الطاقة المطلوبة من مصفوفة الألواح الشمسية ÷ عدد ساعات الشمس القصوى

= 5775 ÷ 5 = 1155 واط

هنا يجب تعويض الفقد الناتج من الألواح الشمسية بسبب الكفاءة اللوح الشمسي والانفرتر ومنظم الشحن الشمسي والكابلات وغيرهما من خلال إضافة نسبة عامل أمان 50% فوق قدرة الألواح الشمسية لتصبح 1.5، وذلك للحصول على قدرة الألواح الشمسية الفعلية أو الحقيقية كالآتي:

قدرة الألواح الشمسية الفعلية = قدرة الألواح الشمسية × معامل الفقد في النظام الشمسي

= 1155 × 1.5 = 1732.5 واط

تحجيم عدد الألواح الشمسية اللازمة

في هذا المقال سوف نعتمد على لوح شمسي بقدرة 300W، ويمكن إيجاد عدد الألواح الشمسية كالآتي:

عدد الألواح الشمسية = قدرة المصفوفة الشمسية الفعلية ÷ قدرة اللوح الشمسي الواحد

= 1732.5 ÷ 300 = 5.7 لوح شمسي

نحتاج إلى 6 ألواح شمسية بقدرة 300 واط لكل لوح شمسي نوع بولي من تصنيع شركة “Canadian Solar”.

إجمالي الطاقة المنتجة = عدد الألواح الشمسية × قدرة اللوح الشمسي

= 6 × 300 = 1800W

بالتالي فإن إجمالي قدرة الألواح الشمسية 1800W.

على أي أسس يتم اختيار قدرة اللوح الشمسي المناسب؟

• حسب كفاءة اللوح الشمسي لأغراض المساحة المتوفرة.
• حسب مجال جهد عمل منظم الشحن الشمسي، وكذلك التيار الذي يستوعبه.
• حسب قدرة منظم الشحن الشمسي أيضاً.
• حسب تكلفة اللوح الشمسي.

حساب حجم البطاريات الكهربائية

هنا سوف نعمل نسبة عمق التفريغ في التصميم على 50%.

إجمالي طاقة البطاريات = الطاقة المستهلكة ليلاً ÷ نسبة عمق التفريغ (DOD)

= 3105 ÷ 0.5

= 6210 واط. ساعة

إذا تم اختيار بطارية بمواصفات (12V/250Ah)، فإن إجمالي الطاقة في البطارية نحسبها كالآتي:

إجمالي الطاقة في البطارية = سعة البطارية × جهد البطارية المقنن

= 250 × 12 = 3000 واط. ساعة

عدد البطاريات الكهربائية اللازمة = إجمالي طاقة البطاريات ÷ إجمالي الطاقة في البطارية

= 6210 ÷ 3000 = 2.07 بطارية

بالتالي تحتاج إلى بطاريتين بمواصفات (12V/250Ah)، بحيث يتم توصلهما على التوالي للحصول على 24 فولت، لأن فولتية النظام الشمسي المعتمد في التصميم 24 فولت، فإن إجمالي طاقة البطاريتين في حال توصيلهما على التوالي كالآتي:

طاقة البطاريتين = تيار البطارية الواحدة المتصلة على التوالي × إجمالي جهد البطاريات المتصلة على التوالي

= 250 × 24 = 6000 واط. ساعة

حساب حجم منظم الشحن الشمسي

خطوة مهمة في تصميم النظام الشمسي لا بد من التنسيق ما بين الألواح الشمسية المتصلة بالنظام وبيانات منظم الشحن حتى تتم الأمور على أكمل وجه ممكن دون أي مشاكل في النظام لحظة التشغيل أو نتيجة العوامل الجوية التي قد تزيد من جهد الألواح الشمسية.

هناك أربعة نقاط مهمة يجب مراعاتهما عند اختيار منظم الشحن الشمسي المناسب وهما:

• تحديد قدرة منظم الشحن الشمسي بحيث تكون نفس أو أعلى من قدرة الألواح الشمسية الكلية.
• تحديد أقصى جهد يعمل عليه منظم الشحن الشمسي.
• تحديد أقصى تيار لمنظم الشحن حتى يمكنه من تحمل تيار الألواح وتيار الشحن معاً.
• يفضل أن يكون نطاق جهد التشغيل لمنظم الشحن واسع حتى تستطيع توصيل ألواح شمسية أكثر على التوالي.

وهنا سوف تحتاج إلى منظم شحن بالمواصفات الآتية:

القدرة: 1800W

التيار: 75A

الجهد: 24V

بشكل عام فإن اختيار منظم الشحن يعتمد على قدرة الألواح الشمسية وجهد النظام الشمسي، وقد حصلنا على تيار منظم الشحن بتقسيم إجمالي قدرة الألواح الشمسية على جهد النظام الشمسي.

بناءً على الشروط السابقة، فإن أنسب منظم شحن موديل PC18-6015F، وشكله كما هو موضح في الصورة التالية:

طريقة توصيل مصفوفة الألواح الشمسية

تعتمد طريقة توصيل مصفوفة الألواح الشمسية على بيانات منظم الشحن، حيث يجب التنسيق ما بين بيانات منظم الشحن وبيانات اللوح الشمسي في أمرين وهما:

• يجب أن يكون إجمالي جهد الألواح الشمسية في منتصف مجال عمل منظم الشحن.
• يجب أن يكون إجمالي جهد الدارة المفتوحة للألواح أقل من جهد الدارة المفتوحة للمنظم.

وننوه إلى أنه إذا تم ذكر أقصى تيار يتحمله منظم الشحن الشمسي عندها عليك مراعاة ذلك عند توصيل عدة مجموعات من الألواح الشمسية على التوازي.

كما هو موضح في بيانات منظم الشحن الذي قمنا باختياره، فإن أقصى جهد عند الدارة المفتوحة يتحمله 145V، ومجال جهد التشغيل ما بين (30-130V).

باستخدام نطاق الجهد التشغيلي لمنظم الشحن الشمسي وجهد التشغيلي للوح الشمسي يمكننا تحديد قيمة المنتصف كالآتي:

قيمة منتصف الجهد التشغيلي = (أقل جهد + أكبر جهد) ÷ 2

= (30 + 130) ÷ 2 = 80V

بناءً على النتيجة أعلاه، وأن قيمة الجهد التشغيلي للوح الشمسي 32.7V، فإن عدد الألواح المراد توصلهما على التوالي:

عدد الألواح المتوالية = قيمة منتصف الجهد التشغيلي للمنظم ÷ قيمة الجهد التشغيلي للوح الشمسي الواحد

= 80 ÷ 37.2 = 2.15

نقرب الرقم إلى 3 ألواح شمسية للحصول على جهد 98.1V، وهي أقل من أقصى جهد تشغيلي للمنظم 130V. وهذا يقلل من إجمالي تيار الألواح في حالة توصيل مجموعتين بدل ثلاث مجموعات على التوازي، عندها تصبح قيمة التيار الكلي 18.36A.

حساب حجم الانفرتر المناسب

هناك عدة نقاط تحدد حجم الانفرتر المناسب بناءً عليه وهي:

• قدرة الانفرتر.
• جهد الدخل وجهد الخرج.
• شكل موجة الخرج.
• مدى تحمل الانفرتر لتيار بدء التشغيل.

حيث يتم تحديد قدرة الانفرتر بحيث تكون أعلى من إجمالي قدرة الأحمال الكهربائية الممكنة والتي تعمل في آن واحد، ويجب الأخذ بالحسبان بعض الأحمال المفاجئة التي ستولد تيار اقلاع عالي لحظة تشغليها.

أقل قدرة للانفرتر = قدرة الأحمال التي ستعمل في آن واحد × 1.5

قدرة الأحمال الكهربائية = إجمالي الطاقة المستهلكة في النهار ÷ الحد الأدنى لعدد ساعات الشمس القصوى

= 2670 ÷ 4 = 667.5 واط

قدرة الانفرتر = 667.5 × 1.5 = 1001.25 واط

إذاً يمكنك اختيار انفرتر باستطاعة 1 كيلو واط وليس بوحدة الكيلو فولت أمبير (KVA)، انتبه إلى ذلك، ولكن في حالة وجود تيار بدء تشغيل عالي عليك مضاعفة قدرة الانفرتر المطلوب، واختر انفرتر 2 كيلو واط.

كما يجب مراعاة بأن يكون جهد دخل الانفرتر متوافق مع جهد النظام الشمسي وهو 24V، وجهد الخرج متوافق مع الجهد التشغيلي للأجهزة الكهربائية المنزلية 220V أو 110V.

ملاحظات حول طريقة حساب قدرة الانفرتر:

• يتم ضرب قيمة إجمالي الأحمال المراد تشغليها في النهار بنفس الوقت على أساس أن معدل الإشعاع الشمسي 4 ساعات فقط.
• ثم قم ضرب الناتج في معامل أمان 1.5 حتى نضمن تحمل الانفرتر لإجمالي قدرة الأحمال الكهربائية، ويفضل مضاعفة المعامل إلى 2 في حالة وجود حمل يولد تيار بدء تشغيل عالي.

تصميم نظام طاقة شمسية يعمل على 12V، يعتبر هذا النوع أحد أشهر الأنواع الذي يستخدم في أنظمة الطاقة الشمسية الصغيرة والتي لا تزيد عن 1 كيلو واط.

حيث يستخدم هذا النظام بشكل مخصص لتشغيل أجهزة كهربائية بسيطة وخفيفة مثل: وحدات إضاءة، وشاشة تلفاز وكمبيوتر فقط وباقي الطاقة المنتجة تخصص لشحن البطاريات.

تابعوا معنا هذا المقال لمعرفة تفاصيل أكثر حول كيفية تصميم نظام طاقة شمسية يعمل على 12V.

الألواح الشمسية

يجب اختيار جهد الألواح الشمسية بحيث يكون متوافق مع جهد النظام الشمسي أي إذا كان جهد النظام الشمسي يعمل على 12V يجب أن يكون جهد اللوح الشمسي على الأقل 18 فولت حتى يمكن من توفير الجهد الكافي لشحن البطاريات وهنا يفضل اختيار لوح شمسي بقدرة 150W وذلك لأن جهده مناسب ليعمل على نظام 12V.

ملاحظة هامة: توصي بعض الشركات بأن يكون عدد خلايا اللوح الشمسي المناسب لنظام 12Vهو 36 خلية.

ما هو الفرق بين جهد الدارة المفتوحة وجهد العمل للوح الشمسي؟

جهد الدارة المفتوحة: يعني جهد اللوح عند عدم التحميل عليه، أي أن أطراف اللوح غير متصل بالأحمال.

جهد العمل للوح الشمسي: يعني جهد اللوح عند التحميل عليه، أي بوصل أطرافه لتشغيل أحمال كهربائية.

بطاريات الطاقة الشمسية

تعتبر إحدى أهم عناصر منظومة الطاقة الشمسية المعزولة عن الشبكة، حيث تعمل بطاريات الطاقة الشمسية على تخزين الطاقة الكهربائية القادم من الألواح الشمسية والمار عبر منظم الشحن إلى طاقة كيميائية داخل البطاريات ومن ثم تحول الطاقة الكيميائية لطاقة كهربائية عند عملية التفريغ.

وفي حالة أردنا توصيل أكثر من بطارية يجب التوصيل على التوازي لزيادة السعة الأمبيرية فقط وليس الجهد وذلك لأن النظام يعمل على جهد 12 فولت.

انفرتر فولترونيك 12V/off-grid

هو نوع مخصص لنظام الطاقة الشمسية، ويحتوي الجهاز من الداخل على الأجزاء التالية:

انفرتر: يجب أن يكون جهد الدخل له متوافق مع جهد النظام الشمسي، أي إذا كان جهد النظام 12V فيجب أن يكون جهد الدخل للانفرتر 12V، ووظيفته العمل على تحويل التيار المستمر القادم من الألواح لتيار متردد لتشغيل أحمال الأجهزة الكهربائية (من 12V/DC إلى 220V/AC أو 110V/AC).

الشاحن: يجب أن يكون جهد الشحن متوافق مع جهد البطاريات، أي إذا كان جهد البطاريات 12V فيجب أن يكون جهد خرج الشحن 12V/DC.

منظم شحن: يجب أن جهد منظم الشحن متوافق مع جهد النظام الشمسي، أي إذا كان النظام يعمل على 12V/DC فيجب أن يكون جهد منظم الشحن 12V/DC، ووظيفته العمل على تنظيم جهد وتيار الألواح الشمسية ليتوافق مع جهد البطاريات والأحمال الكهربائية ودخل الانفرتر.

تصميم نظام طاقة شمسية يعمل على 12V

توصيل الألواح الشمسية مع البطارية والحمل بنظام (12V DC)، لكي توصل نظام شمسي مكون من إجزاء بسيطة كاللوح الشمسي، وبطارية، وحمل يعمل على التيار المستمر بجهد 12V؛ لا بد من وجود منظم شحن شمسي لكي ينظم جهد الألواح، وشحن البطارية أو البطاريات بجهد وتيار مناسبين، وكذلك تشغيل احمال تيار مستمر (DC) بجهد 12V وليس أي جهد آخر.

في هذا المقال سنعرض لكم كيفية توصيل الألواح الشمسية مع البطارية والحمل بنظام (12V DC).

بناء النظام الشمسي بجهد 12VDC

بداية يوجد ثلاث أصناف من فولتية أنظمة الطاقة الشمسية، وهما: (نظام 12VDC، نظام 24VDC، نظام 48VDC)، ولكل نوع يستخدم حسب حجم النظام الذي تحتاج إليه بناءً على إجمالي قدرة الأجهزة الكهربائية.

بمعنى إذا كنت تريد نظام حتى 1 كيلو واط، فإن نظام 12VDC مناسب، ولكن إذا كنت تريد حجم النظام 2 كيلو واط فإن أنسب فولتية له 24 فولت، وأعلى من ذلك تحتاج إلى نظام بجهد 48VDC.

وفي موضوعنا نكتفي بنظام صغير بجهد 12VDC، لكي نسهل عملية الشرح وتوصيل المعلومة للجميع بأبسط ما يمكن.

مكونات نظام 12VDC

يحتاج نظام الطاقة الشمسية الصغير الذي يعمل فقط على التيار المستمر إلى ثلاثة مكونات أساسية كالآتي:

• الألواح الشمسية: نحتاج إليه لتوليد طاقة كهربائية على شكل تيار مستمر (DC).
• بطارية كهربائية 12VDC: مهمتها تخزين طاقة التيار المستمر لاستخدامها في الليل أو أثناء الغيوم.
• منظم شحن 12VDC: وظيفته تنظيم جهد خرج الألواح الشمسية، وشحن البطارية بجهد مناسب، وتشغيل أحمال تيار مستمر 12VDC، وكذلك حماية كافة مكونات النظام الشمسي من أي عطل قد يحدث.

ملحوظات حول توصيل الألواح الشمسية مع بطارية وحمل (12VDC)

هناك عدة ملاحظات لا بد من مراعاتها عند تصميم وتوصيل الألواح الشمسية مع بطارية وحمل في نظام 12VDC، وهما كالآتي:

• يجب أن لا يزيد إجمالي قدرة الأحمال الكهربائية عن أقصى تيار حمل لمنظم الشحن، بمعنى أن الشركة الصانعة لمنظم الشحن تضع لك قيمتين مهمتين عليك مراعاتهما وهما: أقصى تيار شحن، وأقصى تيار حمل.
• إذا كان منظم الشحن بمواصفات: (12VDC/20A) أي باستطاعة 240W، هذا لا يعني أنه يمكن تركيب أحمال باستطاعة 240W، بل يجب مراعاة أن هناك بطارية تحتاج إلى تيار شحن بمقدار 10A على الأقل، ولا يجوز تحميل كامل استطاعة منظم الشحن، بل يجب التحميل بنسبة 70% إلى 80% فقط من كامل طاقة المنظم.
• تأكد من أنك قمت بتوصيل بطارية واحدة بجهد 12VDC، أو بطاريتين متصلتين على التوازي مع منظم الشحن، وأن قمت بتوصيل بطاريتين على التوالي تحصل على جهد كلي 24VDC، وهذا يسبب في عطل منظم الشحن.
• تجنب توصيل جهاز كهربائي مصمم للعمل على التيار المتردد AC مع طرفي منظم الشحن المخصص لأحمال التيار المستمر.

ملحوظة مهمة: أي نظام شمسي off grid، يجب تقسيم قدرته إلى قسمين، قسم من الطاقة المتولدة مخصصة لشحن البطارية أو عدة بطاريات، والطاقة المتبقية تخصص لتشغيل أحمال تيار مستمر من منظم الشحن.

بمعنى إذا كان لدينا نظام شمسي 12V، بإجمالي قدرة 300W، يجب تخصيص 150W من القدرة لشحن بطارية 12V، والجزء الآخر 150W يخصص لتشغيل أحمال تيار مستمر DC. وما نستنتجه هو أن النظام الشمسي لا يمكنه تشغيل أحمال كهربائية بقدرة 300W طالما لم تشحن كامل سعة البطارية.

كيفية توصيل الألواح الشمسية مع بطارية وحمل

• ربط طرفي اللوح أو الألواح الشمسية (الموجب والسالب) بالمنفذ الخاص بهما في منظم الشحن مع مراعاة القطبية.
• توصيل طرفي البطارية (الموجب والسالب) في المكان الخاص بالبطاريات مع مراعاة القطبية.
• وصل طرفي أحمال التيار المستمر (الموجب والسالب) مع النقاط الخاص بهما في منظم الشحن.

حيث يعمل منظم الشحن على تشغيل أحمال التيار المستمر مباشرة أثناء النهار ومع عملية شحن البطارية، كما يعمل على تغذية الأحمال من البطارية في حالة عدم توفر الألواح الشمسية.

ويتم شحن البطاريات من الألواح الشمسية خلال فترة زمنية تعتمد على سعة البطارية، ومقدار الطاقة المتولدة من اللوح المعتمد على أشعة الشمس.

تصميم نظام طاقة شمسية 24V، لا بد من التعرف على كيفية تصميم نظام طاقة شمسية 24V ومتى نستخدمه وما المكونات المطلوبة لعمل نظام طاقة شمسية بجهد 24 فولت.

مكونات نظام طاقة شمسية 24V

يتكون النظام الشمسي الذي يعمل على جهد تيار مستمر 24 فولت بكل بساطة من المكونات التالية:

• الألواح الشمسية.
• منظم شحن يعمل على جهد 24V.
• انفرتر مخصص للنظام الشمسي 24V.
• بطاريتين كل بطارية 12 فولت.

وسنتحدث عن كل مكون من مكونات نظام الطاقة الشمسية 24V بالتفصيل مع التوصيلات التوضيحية للتسهيل على الجميع الفهم والتخيل.

الألواح الشمسية

يحتاج نظام الطاقة الشمسية الذي يعمل على جهد 24V إلى أن يكون جهد اللوح أو الألواح الشمسية على الأقل من 33 فولت إلى 36 فولت بحيث نحافظ على جهد أعلى من جهد النظام الذي يعمل على 24V.

وننوه إلى أن جهد اللوح الشمسي عند الحمل أي جهد Vmpp، ويجب أيضاً أن يكون قدرة الألواح الشمسية كافية لشحن البطاريتين في أسوأ الاحتمالات.

إذا كانت لديك لوح شمسي بقدرة 150 واط وجهده 18 فولت يمكنك توصيل لوحين بنفس المواصفات على التوالي للحصول على جهد كلي 36 فولت لكي نضمن بأن جهد الألواح أعلى من جهد النظام الشمسي.

منظم الشحن 24V

يلزم كل نظام شمسي منظم شحن مناسب ومتفق من حيث الجهد مع جهد النظام وكذلك التيار بحيث يتحمل تيار النظام الشمسي الكلي.

ولأننا نريد تصميم نظام طاقة شمسية بجهد 24 فولت، نحتاج أيضاً إلى منظم شحن مصمم للعمل على 24V، أي يحتوي من الداخل على لوحة إلكترونية تعمل على تنظيم جهد وتيار الألواح الشمسية بحيث يتم إخراج جهد موحد ومتوافق مع جهد النظام وهو 24 فولت.

كما يجب التأكد من المنظم مبرمج للعمل على 24 فولت وليس 12 فولت إذا كان مصمم للعمل على النظامين.

البطاريات الكهربائية

يحتاج نظام الطاقة الشمسية الذي يعمل على جهد 24 فولت إلى بطاريتين على الأقل بمواصفات 12V للبطارية الواحدة وعلى أن تكون البطاريات من نفس السعة والجهد والعمر وحتى من نفس الشركة الصانعة.

ويتم توصيل البطاريتين على التوالي (التسلسل) لكي نحصل على فرق جهد 24 فولت بين طرفي البطاريتين من أجل التنسيق مع باقي مكونات نظام الطاقة الشمسية 24V.

انفرتر 24V

عند القرار بشراء انفرتر عليك التأكد من أنه يعمل على نظام 24 فولت وذلك من خلال قراءة جهد دخله. بغض النظر عن قدرة الانفرتر، فالقدرة تحدد بحساب إجمالي قدرة الأحمال مضاف إليه نسبة معامل أمان 1.3 على الأقل.

ونوكد أيضاً على أن يكون جهد وتردد خرج الانفرتر متوافق مع نظام الشبكة المتوفرة لديك، على سبيل المثال، إذا كانت الأجهزة الكهربائية تعمل على جهد 220 فولت وبتردد 50Hz، يجب التأكد من أن خرج الانفرتر 220 فولت و50Hz.

كيفية توصيل الألواح والبطاريات في نظام (24V)، لكل نظام شمسي يختلف طريقة توصيله في بعض الأمور، كتوصيل البطاريات والألواح الشمسية.

حيث توصل الألواح الشمسية والبطاريات في نظام (24V) على التسلسلي، حتى نحصل على فولتية أعلى قليلاً من فولتية النظام الشمسي. يهدف هذا المقال إلى توضيح كيفية توصيل لوحتين وبطاريتين على التوالي مع منظم الشحن والانفرتر.

متى تستخدم نظام 12V ومتى نظام 24V

مكونات النظام الشمسي 24V

يتكون هذا النظام من ثلاثة إجزاء كالآتي:

• الألواح الشمسية: بما أن النظام يعمل على 24V، فإننا نحتاج إلى لوحتين بقدرة 150W للوح الواحد، حيث أن جهد اللوح يساوي (Vmp=18.25V).
• البطاريات الكهربائية: يجب أن يتواجد ضمن نظام 24V بطاريتين على الأقل، وتوصيلهما على التسلسل (التوالي)، على أن يكون جهد البطارية الواحدة 12V.
• منظم الشحن الشمسي: يجب التأكد من أن المنظم مناسب للعمل بجهد 24V، وسبب ذلك بسيط هو أن النظام الشمسي يعمل على 24V.
• العاكس (الانفرتر): عليك اختيار عاكس (انفرتر) مناسب للنظام الشمسي 24V، بحيث يكون جهد دخله يعمل على 24V وليس 12V أو 48V.

طريقة توصيل الألواح الشمسية داخل نظام 24V

عند تصميم النظام الشمسي الذي يعمل على جهد 24V، عليك مراعاة أمرين في التوصيل، وهما:

• اختيار ألواح شمسية بحيث يكون الجهد الكلي للألواح 36 فولت على الأقل.
• يجب توصيل بطاريتين على التوالي، لكي نحصل على جهد كلي يساوي 24V.

بمعنى لا يمكنك توصيل لوح شمسي واحد بقدرة 150W، لأن جهد اللوح يساوي تقريباً 18V، وهي قيمة أقل من قيمة فولتية النظام الشمسي 24V، ولذلك ينبغي توصيل لوحتين على التوالي لرفع جهد الخرج إلى 36V على الأقل.

حيث أن الجهد يزيد في حالة التوصيل التوالي (التسلسلي) كالآتي: V1+V2+V3……Vn. وبما أننا اخترنا لوح شمسي يعمل على جهد 18V، فإن الجهد الكلي للوحتين يساوي:

إجمالي جهد اللوحين = 18 + 18

= 36 فولت

بينما التيار الكلي لمجموع اللوحتين يبقى ثابت القيمة كما هو في تيار اللوح الواحد مهما زدت من عدد الألواح المتصلة على التوالي.

توصيل البطاريات داخل نظام 24V

لا يختلف الأمر مع توصيل البطاريات، إذ يجب توصيل بطاريتين على التوالي لرفع قيمة الجهد إلى الضعف مع ثبات قيمة التيار على نفس سعة تيار البطارية الواحدة.

مثال على ذلك، لدينا بطاريتين بمواصفات (12V/200Ah) للبطارية الواحدة، وأن النظام الشمسي يعمل على جهد 24V، ما الطريقة المناسبة لتوصيل البطاريتين معاً؟

أولاً: تعرفنا على أن توصيل التوالي يرفع من قيمة الجهد مع ثبات قيمة التيار، وبما أن النظام الشمسي يعمل على فولتية 24V، وجهد البطارية الواحدة 12V، إذاً نحتاج إلى توصيل البطاريتين على التوالي كالآتي:

إجمالي جهد البطاريتين = 12 +12

= 24 فولت

ولكن التيار الكلي يبقى ثابت القيمة على نفس سعة تيار البطارية الواحدة وهي 200Ah.

تصميم نظام شمسي يعمل على 48V، في الأحيان نحتاج إلى تصميم نظام شمسي يعمل على 48V لوجود كمية كبيرة من قدرة الأحمال الكهربائية والتي تزيد عن 2kW، بالتالي سنتعرف على كيفية تصميم نظام شمسي يعمل على 48V وما المكونات المطلوبة لكي نعمل على التركيب الصحيح لنظام الطاقة الشمسية.

ما مكونات النظام الشمسي 48V

يتكون نظام الطاقة الشمسية الذي يعمل على فولتية 48V من التالي:

• ألواح شمسية.
• منظم شحن يعمل على فولتية 48V.
• انفرتر مخصص للعمل على نظام 48V.
• أربع بطاريات متصلة على التوالي بحيث يكون كل بطارية 12V.

كل هذه المكونات سنتحدث عنها بالتفصيل مع التوصيلات التوضيحية.

الألواح الشمسية

يجب توصيل الألواح الشمسية بحيث يكون إجمالي الجهد الكلي أكبر من جهد النظام 48V بنسبة 1.3 فأكثر، بمعنى إذا كان لديك لوح شمسي بقدرة 300 واط ويعمل عند جهد العمل (Vmpp) 36V، فيجب توصيل لوحين على التوالي على الأقل بحيث يصبح المجموع الكلي لجهد اللوحين 72V.

منظم شحن يعمل على 48V

تحتاج عند تصميم نظام الطاقة الشمسية إلى منظم شحن مناسب للعمل على فولتية النظام الشمسي، فإذا كان جهد النظام يعمل على 48 فولت، فيجب تركيب منظم شحن مخصص للعمل على هذا النظام.

كما يجب التأكد من برمجيات المنظم وبأنه مناسب لتحمل قدرة النظام الشمسي من حيث طاقة الألواح الشمسية وشحن البطاريات وتشغيل الأحمال الكهربائية.

الانفرتر (Inverter)

عليك التأكد من أن جهد دخل الانفرتر متوافق مع جهد النظام الشمسي، فإذا كان جهد النظام الشمسي يعمل على 48V فيجب اختيار انفرتر بجهد دخل 48V.

وتعد هذه الخطوة هامة جداً حتى لا يكون هناك سوء في الاختيار وحرق الانفرتر عند توصيله بالنظام الشمسي.

كما ننوه إلى توافق جهد وتردد خرج الانفرتر مع نظام شبكة الكهرباء والأجهزة الكهربائية، بمعنى إذا كانت الأجهزة الكهربائية تعمل على جهد 230 فولت وتردد 50Hz، يجب التأكد من أن خرج الانفرتر بنفس الجهد والتردد.

البطاريات الكهربائية

دائماً نحتاج إلى البطاريات الكهربائية بهدف توفير الطاقة الكافية أثناء غياب الشمس وانقطاع الشبكة معاً، ولهذا تحتاج إلى أربع بطاريات على الأقل لنظام الطاقة الشمسية الذي يعمل على 48V.

والهدف من توصيل البطاريات هو الحصول على جهد كلي متوافق مع جهد النظام 48V، ولهذا نحتاج إلى أربع بطاريات بمواصفات 12V للبطارية الواحدة متصلة على التوالي ليصبح مجموع جهد البطاريات 48V.

الفرق بين نظام 12V ونظام 24V، هناك العديد من الفروق الكبيرة التي تحدد هيكيلة كل نظام شمسي من ناحية طريقة توصيل البطاريات وكذلك توصيل الألواح الشمسية بناءً على بيانات منظم الشحن الشمسي، وأخيراً جهد دخل الانفرتر.

نقدم لكم في هذا الموضوع أهم الفروق المهمة التي تحدد لك فولتية النظام الشمسي من خلال طبيعة التوصيل بناءً على بيانات منظم الشحن الشمسي.

ما هو نظام 12V

يعتبر هذا النظام ملائم لتشغيل الأحمال الخفيفة كوحدات الإنارة والكمبيوتر وشحن البطاريات، كما ويمكن استخدامه في تشغيل ثلاجة انفرتر موفر للطاقة إذا كان نوع المنظم المستخدم MPPT.

في الغالب يتم اختيار ألواح شمسية صغيرة الحجم وبعدد خلايا 36 خلية للوح الواحد وكل خلية 0.5V، لأن هذه الخلايا مخصصة لنظام 12V، فلا يمكن تركيب وتوصيل لوح شمسي 500 واط بجهد عمل (Vmp=43V) على منظم شحن PWM، لأن هذا المنظم سوف يستقبل ربع الطاقة المنتجة من اللوح الشمسي فقط، بينما باقي الطاقة المنتجة تصبح مفقودة.

مكونات نظام 12V

يتكون هذا النظام من العناصر التالية:

• لوح شمسي يعمل على جهد 18 فولت كأدنى حد ممكن، ويمكن إضافة ألواح على التوازي أو التوالي حسب نوعية وجهد منظم الشحن، ومجال جهد العمل لمنظمات نوع MPPT.
• بطارية واحدة بجهد 12V فقط، ويمكن توصيل بطاريتين على التوازي على أن يكون جهد البطارية الواحدة 12V.
• منظم شحن شمسي يعمل على فولتية 12V.
• انفرتر يعمل على جهد دخل 12VDC.

ما هو النظام الشمسي 24V

يمكن تمييز هذا النظام بأنه يحتوى على لوح شمسي ذو جهد عمل (Vmp=33V) على الأقل، كما يجب توصيل بطاريتين على التوالي مهما كانت سعة البطارية، ولكن عليك الانتباه إلى أن جهد البطارية الواحدة يجب أن تكون 12V.

ويفضل استخدام هذا النظام عند وجود أحمال كهربائية بقدرة تتراوح ما بين 500 واط إلى 2000 واط، ويمكن القول بأن هذا النظام يمكن استخدامه لتشغيل ثلاجة انفرتر ووحدات إنارة ولابتوب في آن واحد.

مكونات نظام 24V

يحتوي هذا النظام على العناصر التالية:

• لوح شمسي بجهد عمل 33V على الأقل، ويمكن إضافة ألواح على التوازي إذا كان منظم الشحن نوع PWM مع مراعاة أقصى تيار يتحمله، ولكن إذا كان المنظم نوع MPPT عليك البحث في الداتا شيت عن مجال جهد العمل، حتى تحدد أنسب توصيله للألواح الشمسية بناءً على جهد العمل للوح الشمسي.
• بهذا النظام يجب ربط بطاريتين على التوالي بغض النظر عن السعة الأمبيرية، ولكن عليك التأكد من أن جهد البطارية الواحدة 12V، حتى تحصل على جهد كلي 24V.
• منظم شحن شمسي يعمل على فولتية 24V.
• انفرتر يعمل على جهد دخل DC 24V.

الفرق بين نظام 12V ونظام 24V