تُنتج الألواح الشمسية الكهرباء عند توفر ضوء الشمس، ولكن إنتاج الطاقة الشمسية لا يتناسب دائمًا مع وقت الحاجة إلى الكهرباء. تحل بطارية الطاقة الشمسية عالية الأداء هذه المشكلة عن طريق تخزين الطاقة الشمسية الزائدة وإتاحتها لاحقًا، مثلًا في الليل، أو خلال فترات انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية، أو أثناء انقطاع التيار الكهربائي.
لكن كيف تعمل البطارية الشمسية مع الألواح الشمسية والعاكس ؟
في نظام الطاقة الشمسية مع التخزين النموذجي، تولد الألواح الشمسية تيارًا كهربائيًا مستمرًا، ويتولى العاكس إدارة هذا التيار وتحويله، بينما تخزن البطارية الطاقة الزائدة لاستخدامها لاحقًا. وتختلف طريقة عمل هذه المكونات معًا باختلاف ما إذا كان النظام متصلًا بالشبكة الكهربائية، أو منفصلًا عنها، أو هجينًا، بالإضافة إلى كيفية تكوين النظام.
1. الوجبات الرئيسية
- تقوم الألواح الشمسية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء تيار مستمر.
- A العاكس للطاقة الشمسية يقوم بتحويل وإدارة الكهرباء للأحمال والبطارية وشبكة المرافق عند الاقتضاء.
- تقوم البطارية الشمسية بتخزين الطاقة الشمسية الفائضة لاستخدامها عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية غير كافٍ.
- يمكن للمحولات الهجينة والمنفصلة عن الشبكة إدارة تدفق الطاقة بين الألواح الشمسية والبطاريات والأحمال والشبكة.
- بطاريات LiFePO4 تُستخدم على نطاق واسع لتخزين الطاقة الشمسية نظرًا لدورة حياتها الطويلة، وسعتها العالية القابلة للاستخدام، واستقرارها الحراري الجيد.
- يمكن لبطاريات LiFePO4 الحديثة أن تحقق أكثر من 6,000 دورة شحن وتفريغ في ظل ظروف تشغيل محددة.
- عمق التفريغ (DoD) يحدد مقدار السعة المقدرة للبطارية التي يمكن استخدامها.
- يجب أن تتطابق البطارية والعاكس بشكل صحيح من حيث الجهد والطاقة وحدود الشحن والتفريغ والتوافق مع الاتصالات.
- يمكن لنظام الطاقة الشمسية الهجين المصمم بشكل صحيح أن يوفر طاقة احتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو انخفاض الجهد، وذلك عند دعمه بواسطة العاكس وتكوين النسخ الاحتياطي.
2. الأنواع الرئيسية لأنظمة الحماية من الحرائق
قبل فهم كيفية عمل البطارية الشمسية، من المفيد فهم الأنواع الرئيسية الثلاثة لأنظمة الطاقة الشمسية - المتصلة بالشبكة، وغير المتصلة بالشبكة، والهجينة - ودور القياس الصافي في الأنظمة المتصلة بالشبكة.
2.1. النظام الشمسي على الشبكة
يتم توصيل نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة بشبكة الكهرباء العامة. تقوم الألواح الشمسية بتوليد الكهرباء خلال النهار، ويقوم العاكس بتحويلها إلى طاقة تيار متردد للأحمال المنزلية أو التجارية.
عندما يتجاوز إنتاج الطاقة الشمسية استهلاك المبنى من الكهرباء، يمكن تصدير الفائض إلى شبكة الكهرباء العامة. وفي المناطق التي يتوفر فيها نظام القياس الصافي أو برنامج مماثل لتصدير الكهرباء من الشبكة، قد تُضاف قيمة الكهرباء المصدرة إلى رصيدكم وفقًا لقواعد شركة الكهرباء المحلية.
عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية غير كافٍ، يمكن سحب الكهرباء من الشبكة لتلبية احتياجات المبنى.
لا تتطلب أنظمة الطاقة المتصلة بالشبكة التقليدية عادةً بطارية، لأن شبكة الكهرباء العامة قادرة على توفير الطاقة عند عدم كفاية الطاقة الشمسية المولدة. مع ذلك، لا يستطيع نظام الطاقة المتصل بالشبكة القياسي، الذي لا يحتوي على بطارية احتياطية، الاستمرار في تزويد الأحمال بالطاقة أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو انخفاض الجهد.
2.2. النظام الشمسي خارج الشبكة
يعمل نظام الطاقة الشمسية خارج الشبكة بشكل مستقل عن شبكة الكهرباء العامة. ويُستخدم عادةً في المناطق النائية حيث لا تتوفر الكهرباء من الشبكة أو تكون غير موثوقة.
لأنه لا توجد شبكة لتوفير الكهرباء بعد غروب الشمس أو خلال فترات انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية، فإن النظام خارج الشبكة يتطلب عادةً ألواحًا شمسية وبطاريات ومحولًا.
تقوم البطارية بتخزين الطاقة المتولدة خلال فترات سطوع الشمس الجيد، وتوفر الكهرباء عندما لا تستطيع الألواح الشمسية إنتاج طاقة كافية.
بالنسبة للمواقع التي لا تتوفر فيها إمكانية الوصول الموثوقة إلى الشبكة الكهربائية، يمكن لنظام الطاقة الشمسية خارج الشبكة ذي الحجم المناسب أن يوفر مصدراً أكثر استقلالية للكهرباء.
2.3. النظام الشمسي الهجين
يجمع نظام الطاقة الشمسية الهجين بين الألواح الشمسية، وتخزين البطاريات، ومحول التيار، والربط بالشبكة الكهربائية.
خلال النهار، يمكن للطاقة الشمسية تشغيل الأحمال وشحن البطارية. وعندما يكون توليد الطاقة الشمسية غير كافٍ، يمكن للنظام استخدام طاقة البطارية المخزنة أو الكهرباء من الشبكة، وذلك حسب تكوين النظام وإعدادات التشغيل.
يمكن للنظام الهجين أن يوفر مرونة أكبر في الطاقة، وقد يوفر أيضًا طاقة احتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو انخفاض الجهد، عند دعمه بواسطة عاكس مناسب وتكوين احتياطي.
3. أنواع أنظمة الحماية من الحرائق (SPS) في لمحة
مقارنة بين أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة، والمنفصلة عن الشبكة، والهجينة، مع توضيح دور الألواح الشمسية والبطاريات والمحولات وشبكة المرافق.
من بين هذه الأنواع الثلاثة من الأنظمة، تعتبر البطاريات ذات أهمية خاصة في أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة والأنظمة الهجينة.
إذن، كيف تعمل البطارية فعلياً مع الألواح الشمسية والعاكس؟
4. كيف يعمل كل جزء؟
يمكن فهم نظام الطاقة الشمسية مع التخزين من خلال تدفق الكهرباء:
Solar panels → Inverter → Electrical loads
عندما تولد الألواح الشمسية كهرباء أكثر مما تحتاجه الأحمال حاليًا:
Excess solar energy → Battery → Stored energy
لاحقاً، عندما ينخفض إنتاج الطاقة الشمسية:
Battery → Inverter → Electrical loads
يعمل العاكس كمكون مركزي لإدارة الطاقة، حيث يتحكم في كيفية انتقال الكهرباء بين الألواح الشمسية والبطارية والأحمال والشبكة عند الاقتضاء.
4.1. توليد الكهرباء
تستخدم الألواح الشمسية الخلايا الكهروضوئية لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. وتُنتج هذه الألواح تيارًا مستمرًا (DC)، بينما تستخدم معظم الأجهزة المنزلية والتجارية تيارًا مترددًا (AC).
تعتمد سعة الألواح الشمسية وإنتاج الطاقة الفعلي على عدة عوامل، بما في ذلك:
- سعة نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية
- الإشعاع الشمسي
- ساعات الذروة للشمس
- اتجاه اللوحة وميلها
- تظليل
- درجة الحرارة
- كفاءة النظام والخسائر
على سبيل المثال، قد يستخدم نظام الطاقة الشمسية السكني ألواحًا شمسية متعددة عالية الكفاءة لتوليد ما يكفي من الكهرباء للأجهزة المنزلية خلال النهار، مع إنتاج طاقة فائضة لشحن البطاريات.
مع ذلك، فإن مجرد تركيب المزيد من الألواح الشمسية لا يضمن بالضرورة أداءً أفضل للنظام. يجب أن تتوافق منظومة الألواح الكهروضوئية بشكل صحيح مع العاكس والبطارية.
4.2. تحويل الطاقة
يُعد العاكس أحد أهم المكونات في نظام تخزين الطاقة الشمسية.
يقوم العاكس التقليدي المتصل بالشبكة بتحويل التيار المستمر من الألواح الشمسية إلى تيار متردد بشكل أساسي. أما العاكس الهجين، فيمكنه أداء وظائف إضافية لإدارة الطاقة.
بحسب تصميم النظام، يمكن للمحول الهجين إدارة تدفق الكهرباء بين:
- الألواح الشمسية
- البطارية الشمسية
- الأحمال المنزلية أو التجارية
- شبكة المرافق
فعلى سبيل المثال، عندما تولد الألواح الشمسية طاقة كافية، يمكن للمحول إعطاء الأولوية للطاقة الشمسية للأحمال. وفي حال وجود فائض في إنتاج الطاقة الشمسية، يمكنه توجيه الكهرباء الفائضة إلى البطارية لشحنها.
عندما ينخفض إنتاج الطاقة الشمسية، يمكن للمحول سحب الكهرباء من البطارية وتحويلها إلى طاقة تيار متردد قابلة للاستخدام.
تستخدم العديد من محولات الطاقة الهجينة والمنفصلة عن الشبكة أيضًا تقنية MPPT (تتبع نقطة الطاقة القصوى) لتحسين نقطة تشغيل الألواح الشمسية واستخراج الطاقة الشمسية المتاحة بكفاءة.
4.3. يخزن الطاقة الزائدة
تُعدّ البطارية الشمسية عنصر تخزين الطاقة في النظام. خلال فترات سطوع الشمس، قد تُولّد الألواح الشمسية كهرباءً أكثر مما يستهلكه المبنى. وبدلاً من استهلاك كل هذه الكهرباء فوراً، يُمكن استخدام الفائض لشحن البطارية.
فمثلا:
Solar panels generate 6 kW → Loads use 3 kW → Approximately 3 kW is available for battery charging
ستعتمد طاقة الشحن الفعلية على العاكس والبطارية ومخرجات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتكوين النظام.
في وقت لاحق من المساء:
Solar production decreases → Battery discharges → Inverter supplies the loads
وهذا يسمح باستخدام الكهرباء المولدة خلال ساعات النهار بعد غروب الشمس.
5. هل تستهلك البطارية الطاقة ليلاً؟
بعد غروب الشمس، تتوقف الألواح الشمسية عادةً عن توليد الكهرباء بكفاءة. في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، يمكن للمحول سحب الطاقة المخزنة من البطارية وتحويلها إلى تيار كهربائي متناوب لتشغيل الأجهزة المتصلة.
على سبيل المثال، قد يستخدم المنزل طاقة البطارية المخزنة لتشغيل الأجهزة الأساسية مثل:
- الإضاءة LED
- ثلاجات ومجمدات
- مراوح
- مكيفات الهواء
- موجهات Wi-Fi
- أجهزة الكمبيوتر
- التلفزيون
- الأجهزة المنزلية الأخرى
تستحق مكيفات الهواء اهتمامًا خاصًا عند تحديد حجم نظام بطاريات الطاقة الشمسية. ففي المناخات الحارة وخلال فصل الصيف، قد يصبح مكيف الهواء من أكبر مستهلكي الكهرباء في المنزل. كما قد يتطلب ضاغطه طاقة أعلى عند بدء التشغيل، لذا ينبغي مراعاة كل من خرج العاكس المستمر والطارئ وقدرة البطارية على التفريغ.
يعتمد ما إذا كانت البطارية الشمسية قادرة على تشغيل مكيف الهواء، ومدة تشغيله، على استهلاك مكيف الهواء للطاقة، وساعات التشغيل، وسعة البطارية، وسعة العاكس، والطاقة المتاحة من الألواح الشمسية.
تعتمد مدة قدرة البطارية على تشغيل الأحمال الأخرى على سعة البطارية، وكفاءة العاكس، وقدرة الحمل، وسعة البطارية المتاحة للاستخدام، وظروف التشغيل. لذا، لا ينبغي اختيار سعة البطارية بناءً على عدد الأجهزة فقط، بل يجب مراعاة استهلاكها الفعلي للطاقة وساعات تشغيلها.
6. انقطاع التيار الكهربائي أم انخفاض الجهد؟
أحد الأسباب الرئيسية التي تدفع أصحاب المنازل والشركات إلى إضافة بطاريات إلى أنظمة الطاقة الشمسية هو توفير الطاقة الاحتياطية.
في نظام الطاقة الشمسية الهجين المناسب، يمكن للعكس أن يعزل أحمال النسخ الاحتياطي المحددة عن شبكة المرافق أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو انخفاض الجهد الكهربائي، ويستمر في تزويدها بالطاقة الشمسية وطاقة البطارية.
خلال النهار، قد تقوم الألواح الشمسية بتزويد الأحمال بالطاقة مع شحن البطارية في الوقت نفسه. أما في الليل أو عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية غير كافٍ، فيمكن للبطارية توفير الكهرباء المخزنة.
مع ذلك، لا توفر جميع محولات الطاقة الشمسية طاقة احتياطية تلقائيًا. يجب أن يدعم المحول التشغيل الاحتياطي أو التشغيل خارج الشبكة، ويجب تصميم النظام بدوائر احتياطية ومعدات حماية مناسبة.
من المهم أيضًا فهم أن نظام البطاريات الاحتياطية لا يعني بالضرورة أن جميع الأجهزة في المبنى ستستمر في العمل أثناء انقطاع التيار الكهربائي. تستخدم العديد من الأنظمة دائرة احتياطية أو دائرة للأحمال الأساسية بحيث تتلقى الأجهزة ذات الأولوية العالية الطاقة بينما تبقى الأحمال غير الأساسية أو الأحمال عالية الطاقة مفصولة.
7. ما هي البطاريات الشائعة لأجهزة SES؟
تُستخدم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) على نطاق واسع في أنظمة تخزين الطاقة الشمسية الحديثة للمنازل والمنشآت التجارية. وبالمقارنة مع بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية، توفر أنظمة LiFePO4 المصممة بشكل صحيح مزايا مثل:
- دورة حياة طويلة: يمكن لبطاريات LiFePO4 الحديثة أن تحقق أكثر من 6,000 دورة شحن وتفريغ، وذلك اعتمادًا على تصميم البطارية وظروف التشغيل وعمق التفريغ (DoD).
- سعة استخدام عالية: يمكن لبطاريات LiFePO4 أن تعمل عادةً عند مستوى عالٍ عمق التفريغ (DoD)مما يسمح باستخدام جزء أكبر من السعة المقدرة للبطارية.
- أداء مستقر: توفر كيمياء LiFePO4 أداءً ثابتًا على مدار العديد من دورات الشحن والتفريغ.
- الاستقرار الحراري الجيد: يُعرف مركب LiFePO4 بتركيبه الكيميائي المستقر وخصائصه الحرارية الجيدة.
- متطلبات صيانة منخفضة: بخلاف بطاريات الرصاص الحمضية، تتطلب بطاريات LiFePO4 عمومًا الحد الأدنى من الصيانة الروتينية.
- تخزين الطاقة المضغوط: بإمكانها توفير سعة تخزين طاقة كبيرة في حزمة صغيرة الحجم وخفيفة الوزن نسبياً.
8. ما هو عمق التصريف؟
يشير عمق التفريغ (DoD) إلى النسبة المئوية من السعة القابلة للاستخدام للبطارية التي تم تفريغها.
على سبيل المثال، إذا كانت بطارية سعتها 10 كيلوواط ساعة تعمل بنسبة 80% من عمق التفريغ، فيمكن استخدام ما يقرب من 8 كيلوواط ساعة من سعتها المقدرة قبل إعادة الشحن.
يعني ارتفاع عمق التفريغ القابل للاستخدام إمكانية الاستفادة من جزء أكبر من الطاقة المخزنة في البطارية دون الحاجة إلى مجموعة بطاريات أكبر. ولذلك، تُعد بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) مناسبة تمامًا لتخزين الطاقة الشمسية، حيث تُشحن البطاريات بانتظام خلال النهار وتُفرغ ليلًا أو خلال فترات انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية.
يرتبط عمر دورة البطارية وعمق التفريغ ارتباطًا وثيقًا. عمومًا، يُسهم تشغيل البطارية عند عمق تفريغ منخفض في تقليل الضغط على الخلايا، مما قد يُطيل عمرها الافتراضي. لذا، فإن العمر التشغيلي الفعلي لبطارية LiFePO4 لا يعتمد فقط على عدد دورات الشحن والتفريغ المُقدّر، بل أيضًا على عوامل أخرى مثل عمق التفريغ، ودرجة الحرارة، ومعدلات الشحن والتفريغ، وإدارة البطارية.
تتطلب بطارية الليثيوم أيضًا نظام إدارة البطارية (BMS). يراقب نظام إدارة البطارية معايير البطارية المهمة مثل جهد الخلية ودرجة الحرارة وظروف الشحن والتفريغ، مما يساعد على حماية البطارية والحفاظ على تشغيلها الآمن والموثوق.
لضمان التشغيل الموثوق، يجب أن تكون البطارية متوافقة مع العاكس المُختار. وبحسب نوع الجهاز، قد يتطلب الأمر الاتصال عبر بروتوكول CAN أو RS485 لمراقبة البطارية، والإبلاغ عن حالة الشحن، وتنسيق عمليات الشحن والتفريغ.
توفر شركة Sungreat Energy بطاريات LiFePO4 الشمسية لتطبيقات تخزين الطاقة السكنية والتجارية، مع توفر سعات بطاريات مختلفة لتلبية متطلبات النظام المختلفة.
9. هل البطارية الشمسية والعاكس مناسبان؟
يُعدّ تحديد حجم النظام بشكل صحيح أمرًا ضروريًا لتخزين الطاقة الشمسية بشكل موثوق.
- حساب استهلاك الطاقة اليومي: حدد كمية الكهرباء التي يستهلكها المنزل أو المنشأة التجارية يوميًا، والتي تُقاس عادةً بالكيلوواط ساعة (kWh). يساعد استهلاك الطاقة اليومي في تحديد كمية الطاقة التي تحتاجها الألواح الشمسية لتوليدها، وكمية تخزين البطاريات المطلوبة.
- حساب الحمل الأقصى: حدد أقصى طاقة قد تكون مطلوبة عند تشغيل عدة أجهزة في الوقت نفسه. تُقاس هذه الطاقة عادةً بالكيلوواط (kW)، وهي بالغة الأهمية لاختيار العاكس. قد تتطلب مكيفات الهواء والثلاجات والمضخات وغيرها من المعدات التي تعمل بمحركات طاقة بدء تشغيل أعلى، لذا يجب مراعاة قدرة العاكس على تحمل التيار الزائد.
- تحديد وقت النسخ الاحتياطي المطلوب: حدد المدة التي تحتاجها البطارية لتشغيل الأجهزة الأساسية خلال الليل أو في حالة انقطاع التيار الكهربائي. على سبيل المثال، قد يرغب صاحب المنزل في تخزين طاقة كافية لتشغيل الأجهزة الأساسية لمدة 5 أو 8 أو 12 ساعة.
- تحديد حجم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية: ينبغي أن تولد الألواح الشمسية طاقة كافية لتزويد الأحمال خلال النهار وإعادة شحن البطارية خلال فترة سطوع الشمس المتاحة. ويجب مراعاة الإشعاع الشمسي المحلي وساعات ذروة سطوع الشمس عند تقدير سعة الألواح الكهروضوئية المطلوبة.
- اختر العاكس المناسب: يجب أن يكون خرج العاكس المستمر وقدرته على تحمل الأحمال المفاجئة كافيين للأحمال المتصلة. كما يجب أن يكون العاكس مناسبًا لنوع النظام المختار، سواء كان متصلًا بالشبكة أو منفصلًا عنها أو هجينًا.
- تحقق من توافق البطارية والعاكس: يجب التحقق من جهد البطارية، ومعايير الشحن، وأقصى تيار للشحن والتفريغ، وبروتوكولات الاتصال، وتوافق نظام إدارة البطارية (BMS) قبل التركيب. قد يؤثر استخدام بطارية وعاكس غير متوافقين على أداء النظام والاتصال.
10. نظام متكامل واحد
يعمل نظام تخزين الطاقة الشمسية لأن كل مكون يؤدي وظيفة مختلفة ولكنها مترابطة:
- تولد الألواح الشمسية الكهرباء.
- يقوم العاكس بتحويل وإدارة الكهرباء.
- تخزن البطارية الطاقة الزائدة.
- يقوم العاكس بتزويد الأحمال بالطاقة المخزنة عند الحاجة.
يمكن للأنظمة المتصلة بالشبكة أن تعمل بدون بطاريات في العديد من التطبيقات، في حين أن البطاريات ضرورية لمعظم الأنظمة غير المتصلة بالشبكة وهي عنصر مهم في الأنظمة الهجينة المصممة لتخزين الطاقة والطاقة الاحتياطية.
عند اختيار الحجم المناسب والتوافق الأمثل، يمكن لنظام الألواح الشمسية وبطارية LiFePO4 ونظام العاكس الهجين أن يساعد الأسر والشركات على الاستفادة بشكل أفضل من الطاقة المتجددة، وتقليل الاعتماد على الكهرباء من الشبكة، والحفاظ على إمكانية الوصول إلى الطاقة عندما يكون توليد الطاقة الشمسية أو إمدادات الشبكة غير متوفرة.
إذا كنت تخطط لتركيب نظام تخزين الطاقة الشمسية، فابدأ بتقييم استهلاكك اليومي للطاقة، وذروة الحمل، وساعات الطاقة الاحتياطية المطلوبة، وموارد الطاقة الشمسية المتاحة، وحالة الشبكة الكهربائية. توفر هذه العوامل الأساس لاختيار سعة الألواح الشمسية المناسبة، وحجم البطارية، والعاكس.
11. المراجع
- الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA). تكاليف توليد الطاقة المتجددة في عام 2023. أبوظبي: IRENA.
- الوكالة الدولية للطاقة (IEA). مصادر الطاقة المتجددة 2023: تحليل وتوقعات حتى عام 2028. باريس: منشورات الوكالة الدولية للطاقة.
- المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL). معايير تكلفة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتخزينها في الولايات المتحدة. غولدن، كولورادو: تقرير فني صادر عن المختبر الوطني للطاقة المتجددة.
- سولار باور يوروب. نظرة عامة على السوق العالمية للطاقة الشمسية 2024-2028. بروكسل: سولار باور يوروب.
- بلومبيرغ إن إي إف (BNEF). نظرة مستقبلية على أنظمة تخزين الطاقة ومسح أسعار بطاريات الليثيوم أيون. لندن: بلومبيرغ فاينانس إل بي
