على عكس أي موضوع آخر سوف تقرأه عن تكلفة الطاقة الشمسية للمنازل لن يكون هناك معدل وسطي محدد لاستخدام الكهرباء، فكل منزل له معدل استخدام ويمكنك حساب ذلك دون اللجوء إلى جهة أو شخص ذو خبرة في هذا المجال، ولن تشعر أن الأمر معقد.
حساب الطاقة الشمسية (Solar Power System)
لحساب معدل الطاقة المطلوبة بكل بساطة، طبق الخطوات التالية:
(1) حساب كمية الطاقة المستهلكة في اليوم وذلك بتطبيق المعادلات التالية:
العدد × قدرة الجهاز × ساعات العمل
مثال :
3 لمبات × 5 واط × 6 ساعات = 90 واط
1 تلفاز × 80 واط × 6 ساعات = 480 واط
1 ريسيفر × 20 واط × 6 ساعات = 120 واط
نجمع 90 + 480 +120 = 690 واط في اليوم
إذن إجمالي الطاقة المستهلكة في اليوم هي 690 واط .
(2) بطبيعة الحال يوجد فاقد أثناء تركيب أي منظومة كهربائية، والفاقد قد يصل الى 30% بسبب التوصيل وجودة الاسلاك ومقاومة البطاريات المستخدمة وكذلك كفاءة الألواح الشمسية، وعليه فإنه يجب اضافة هذا الفاقد لإجمالي الطاقة المستهلكة في اليوم وذلك بتطبيق المعادلة التالية:
إجمالي الطاقة المرادة = إجمالي الطاقة المستهلكة في اليوم × 1.3
ولتطبيقها على مثالنا، فإن الطاقة المراد توليدها = 690×1.3 = 897 واط
(3) لمعرفة طاقة الألواح الشمسية يجب قسمة الطاقة المراد توليدها على عدد ساعات سطوع الشمس في اليوم للمنطقة التي سيتم تركيب الألواح فيها،
ويتراوح المعدل عادةً بين 4-6.3 (متوسط فترة سطوع الشمس في معظم بلدان العالم العربي 5 ساعات تقريباً)، وعادةً يُحسب عدد الساعات من الساعة 9 صباحاً وحتى الساعة 3 عصراً، أما قبل وبعد هذه الساعات فتكون أشعة الشمس أقل جدوى.
فمثلاً في مدينة الرياض يساوي عدد ساعات سطوع أشعة الشمس الفعالة 6.3 ساعة
إذن طاقة الألواح اللازمة = 897 ÷ 6.3 = 142.38 واط في الساعة.
يمكن معرفة المعدل في منطقتك من الخريطة الموجودة بالصورة ضمن هذا المقال، أو من الرابط هنــــا.
(4) عدد الألواح = طاقة الألواح اللازمة ÷ قدرة اللوح الذي نريد شراءه
يتوفر في الأسواق عدة أنواع لألواح الطاقة الشمسية حسب قدرة الواط المنتجة.
فمثلاً اذا أردنا شراء ألواح تُنتج 100 واط، فإن عدد الألواح الشمسية في مثالنا السابق:
142.38÷100 = 1.42، أي يساوي تقريباً لوحين ذو الـ 100 واط أو لوح واحد ذو الـ 150 واط.
(5) سعة البطاريات (أمبير)={(الطاقة المراد توليدها )× 1.3}÷ الفولتية
فمثلاً سعة البطاريات في مثالنا السابق على افتراض أن البطاريات التي سنستخدمها هي 12 فولت، مع احتساب 30% من طاقة البطارية للحفاظ عليها (نضرب بـ 1.3):
(897 × 1.3) ÷ 12= 97.18 أمبير، نضاعف هذا الرقم تحسباً لوجود أيام تظهر فيها الغيوم حسب منطقتك، سنفرض في المثال هنا أن الغيوم قد تغيب يومين لذلك نضرب بالعدد 2 كما يلي: 97.18 × 2= 194 أمبير
(6) عدد البطاريات = سعة البطاريات ÷ حجم البطارية المراد شراؤها
إذن عدد البطاريات في مثالنا 194 ÷ 50 أمبير = 3.89 ويساوي تقريباً 4 بطاريات ذات الـ 50 أمبير أو بطاريتين ذات الـ 100 أمبير
أنواع البطاريات:
1. بطاريات الرصاص الحمضية (Lead-Acid Batteries)
هذه هي الأنواع الأكثر شيوعاً في أنظمة الطاقة الشمسية التقليدية.
الأنواع الفرعية:
-
بطاريات الرصاص الحمضية المغمورة (Flooded Lead-Acid - FLA):
-
تركيب كيميائي: رصاص حمضي (Lead-Acid).
-
الخصائص:
-
تحتاج إلى صيانة وإضافة ماء مقطر.
-
العمر الافتراضي: 3-5 سنوات.
-
تحتاج إلى تهوية لأن الغاز يتراكم داخل البطارية عند الشحن.
-
اقتصادية ولكن أقل كفاءة في التفريغ العميق.
-
البطاريات الأنبوبية (Tubular Lead-Acid Batteries):
-
تركيب كيميائي: رصاص حمضي (Lead-Acid) مع تصميم أنبوبي للألواح.
-
الخصائص:
-
عمر افتراضي أطول (5-10 سنوات).
-
تحتاج إلى إضافة ماء مقطر.
-
أداء أفضل في التفريغ العميق مقارنة بالأنواع الأخرى.
-
بطاريات الجل (Gel Lead-Acid Batteries):
-
تركيب كيميائي: رصاص حمضي (Lead-Acid) مع إلكتروليت هلامي (Gel).
-
الخصائص:
-
مغلقة بالكامل ولا تحتاج إلى صيانة.
-
عمر افتراضي متوسط (4-7 سنوات).
-
آمنة لأنها لا تصدر غازات، وتحتفظ بالإلكتروليت في حالة هلامية.
-
البطاريات AGM (Absorbent Glass Mat Lead-Acid Batteries):
-
تركيب كيميائي: رصاص حمضي (Lead-Acid) مع مادة زجاجية ممتصة للإلكتروليت.
-
الخصائص:
-
مغلقة بالكامل ولا تحتاج إلى صيانة.
-
عمر افتراضي متوسط (4-6 سنوات).
-
مقاومة للاهتزازات ويمكن استخدامها في بيئات قاسية.
2. بطاريات أيونات الليثيوم (Lithium-Ion Batteries)
تعتبر من أفضل الخيارات في أنظمة الطاقة الشمسية الحديثة، بسبب كفاءتها العالية وطول عمرها.
الأنواع الفرعية:
3. بطاريات نيكل-كادميوم (Nickel-Cadmium - NiCd)
وهي بطاريات قديمة وأقل شيوعاً في تطبيقات الطاقة الشمسية بسبب بعض العيوب مثل السمية والتكلفة العالية.
الخصائص:
-
تركيب كيميائي: نيكل-كادميوم.
-
عمر افتراضي طويل جداً (15-20 سنة).
-
أداء جيد في درجات حرارة منخفضة.
-
أقل كفاءة في الشحن مقارنة بالأنواع الأخرى.
-
العيوب: تحتوي على مواد سامة مثل الكادميوم، مما يجعل التخلص منها مشكلة بيئية.
4. بطاريات نيكل-حديد (Nickel-Iron - NiFe)
بطاريات غير شائعة، لكن لها عمر طويل جداً مقارنة بأنواع أخرى.
الخصائص:
-
تركيب كيميائي: نيكل-حديد.
-
عمر افتراضي طويل جداً (20-30 سنة).
-
تتطلب صيانة منتظمة.
-
تستخدم في الأماكن التي تتطلب بطاريات تدوم لفترات طويلة.
5. بطاريات الزنك-بروميد (Zinc-Bromine Batteries)
وهي من تقنيات تخزين الطاقة الحديثة المستخدمة في بعض الأنظمة الكبيرة.
الخصائص:
-
تركيب كيميائي: الزنك-بروميد.
-
تتميز بقدرتها على تخزين كميات كبيرة من الطاقة.
-
العيوب: لا تزال التكلفة مرتفعة نوعاً ما مقارنة بالخيارات الأخرى، لكنها توفر أداء جيداً للأنظمة الكبيرة.
الملخص:
أيهما أفضل للطاقة الشمسية؟
-
إذا كنت تريد أداءً قوياً وعمراً طويلاً: بطاريات الليثيوم LiFePO4 هي الأفضل، لكنها مكلفة.
-
إذا كنت تبحث عن خيار متين بتكلفة أقل: البطاريات الأنبوبية أو الجل هي خيارات جيدة.
-
إذا كنت في منطقة نائية وتريد بطارية تدوم عقوداً: بطاريات نيكل-حديد (NiFe) مناسبة لكنها باهظة الثمن.
الاختيار المثالي يعتمد على:
-
ميزانيتك.
-
حجم النظام.
-
الاحتياجات الخاصة بالأداء والعمر الافتراضي.
-
ظروف البيئة (حرارة، رطوبة، إلخ).
ملاحظة: يفضل زيادة عدد البطاريات لدوام عمر هذه البطاريات لأن الحساب السابق يتضمن تفريغ للبطارية بنسبة 100% للحصول على التشغيل المحسوب بالمعادلات، لكن ذلك يؤدي إلى تقصير عمر البطاريات بشكلٍ كبير، فيجب ألا يتعدى معدل تفريغ البطارية "DOD" مقدار 50% من شحنها. فالبطارية يمكن أن تستمر بالعمل حتى 1200 دورة شحن بمعدل تفريغ لا يتجاوز 50% من قدرتها، لكن إذا وصلنا إلى تفريغ كامل للبطارية في كل مرة فسيكون عدد دورات الشحن حوالي 400 دورة فقط، كما هو موضح بالمخطط البياني.
يمكن برمجة
المحول (إنفرتر) ليفصل عند طاقة شحن 50% للبطارية.
(7) حجم المنظم الشمسي=عدد الألواح المخطط تركيبها في المنظومة × Isc (أعلى أمبير شحن للوح الشمسي، هذه المعلومة مكتوبة على اللوح نفسه)
ففي مثالنا عدد الألواح كان لوح واحد، إذن حجم المنظم الشمسي = 1 × 8.5 = 10 أمبير تقريباً
ويفضل مضاعفة الحجم لاخذ الاحتياط في المستقبل إذا اردنا توسيع المنظومة للعمل لوقت أطول أو لإضافة أجهزة أخرى.
ملاحظة: المساحة السطحية لأي لوح شمسي موجود في السوق تكون في حدود 1.25 متر مربع فمعظم الشركات تنتج الواح بأبعاد متقاربة جداً. سنقول أننا نتحدث عن ألواح شمسية تستطيع أن تولد 200 واط لكل متر مربع.
(8) أسلاك التوصيل بين الألواح والمنظم الشمسي وبين المنظم والبطاريات
حيث يتم اختيار مقطع السلك بناءً على قدرة الالواح وفولتيتها، وعلى تيار الشحن، كذلك على طول المسافة بين الألواح والمنظم الشمسي:
1متر إلى 5 أمتار = 2×4 ملليمتر
6متر إلى 10أمتار = 2×6 ملليمتر
11 الى 15متر = 2×8 ملليمتر
16 الى 20متر = 2×10 ملليمتر
فكلما كبرت المسافة زاد مقطع السلك وكلما زاد مقطع السلك كلما قل فقدان الفولتية في السلك وزادت كفاءة الشحن، (وزادت التكلفة طبعاً)، ولذلك مقطع السلك عامل مهم جداً في الطاقة الشمسية ويفضل أن لا تزيد المسافة عن 10 أمتار.
ملاحظة: يُفضل استخدام موصلات "MC4" للأسلاك لضمان العزل المائي.
(9) حجم المحول ( لتحويل التيار من البطارية بقدرة 12 أو 24 فولت إلى 220 فولت)
يعتمد حجم المحول (the inverter) على اجمالي قدرة الأجهزة وقت الذروة، ففي مثالنا:
3 لمبات × 5 واط + 1 تلفاز × 80 واط +1 ريسيفر × 20 واط = 115 واط
ويجب أخذ 30% كعامل كفاءة لأداء المحول احتياطاً، وتختلف باختلاف شركة التصنيع وكفاءتها
إذن حجم المحول= 115 × 1.3 = 150 واط تقريباً
ويجب الأخذ بالحسبان قدرة المحول على إمكانية إعطاء بدء تشغيل عالي في حالة تم استخدامه لتشغيل ثلاجة، تلفاز قديم..الخ.
إذن نحتاج:
- لوح 150 واط.
- منظم شمسي 10 أمبير.
- بطارية 100 أمبير.
- أسلاك التوصيل.
-محول (إنفرتر) بقدرة 150 واط أو أكثر.
ملاحظة:
* يجب تطابق فولتية الألواح مع البطاريات مع المنظم الشمسي مع المحول.
* يجب استخدام مفاتيح تيار مستمر "DC" بين اللوح الشمسي وبين المحول.
* عدم وضع المحول في صندوق أو في مناطق مكشوفة للهواء ولعوامل الجو حتى لا يتلف.
* يُستخدم نظام بجهد 24 فولت إذا كانت الاستطاعة المطلوبة أكثر من 2000واط.
* بالنسبة للألواح الشمسية المتحركة آلياً فهي أكفأ من حيث زيادة توليد الكهرباء بنسبة تصل إلى 20% و لكن ذلك على حساب زيادة كبيرة في التكاليف المبدئية تصل إلى 40% فضلاً عن المصاريف التشغيلية وكثرة الأعطال. فالنظم الثابتة تعتبر أكثر اقتصادية فضلاً عن كونها تحتاج إلى صيانة أقل.
ما هي تكلفة الطاقة الشمسية للمنازل ؟
أبسط معادلة لحساب التكلفة القريبة جداً من التكلفة الحقيقة لتركيب نظام شمسي لمنزلك بمنتهي البساطة وبعيد عن كل التعقيدات التي تقرأها كل يوم.
القاعدة الذهبية تقول أن تكلفة توليد 1 واط من الكهرباء بالطاقة الشمسية تكلفك تقريباً 0.8 - 1.5 دولار "هذا الرقم في تناقص مستمر مع التطور المستمر الذي يحدث في المجال" وهذا الرقم يشمل النظام بجميع مكوناته حتى البطاريات بفرض أنه نظام منفصل عن الشبكة تماماً، لكن لو كان النظام متصلاً بالشبكة سيقل كثيراً بالتأكيد.
بينما تبلغ تكلفة إنتاج الكهرباء بالطاقة الشمسية خلال كامل عمر النظام تتراوح بين 0.03 - 0.08 دولار لكل كيلوواط-ساعة (عمر النظام عدة سنوات).