كيف تحسب التكوين المناسب لنظامك الصغير المنفصل عن الشبكة؟

هل فكرت يوماً في استخدام نظامك الخاص لتوليد الكهرباء بالطاقة الشمسية في كوخ جبلي، أو قارب صيد، أو عربة سكن (RV) للتحرر من الاعتماد على شبكة الكهرباء العامة؟

في الحقيقة، هذا ليس شيئاً يمكن للمهندسين وحدهم القيام به. فبمجرد إتقان بعض الخطوات الأساسية والمعادلات، يمكنك حساب التكوين المناسب لنظامك الكهروضوئي الصغير المنفصل عن الشبكة.

يشير نظام الطاقة الشمسية المنفصل عن الشبكة إلى نظام مستقل لا يعتمد على الشبكة العامة، بل يعتمد بالكامل على توليد الكهرباء من الألواح الشمسية وتخزينها في البطاريات لتلبية الاحتياجات الكهربائية. وهو مثالي للاستخدام في المناطق الجبلية النائية، والجزر، والمناطق الريفية، وعربات الـRV، وقوارب الصيد، وغيرها من المواقع ذات الإمداد الكهربائي غير المستقر.

فيما يلي، سنرشدك عبر أربع خطوات لحساب التكوين المطلوب:

الخطوة 1: تحديد قدرة الألواح الكهروضوئية

تحدد قدرة الألواح الشمسية مقدار الكهرباء التي يمكن لنظامك توليدها.

النهج الأساسي للحساب هو: أولاً تحديد الطلب اليومي على الكهرباء، ثم دمج ذلك مع الظروف المناخية المحلية (وخاصة مدة سطوع الشمس) لتحديد القدرة الإجمالية للألواح الشمسية.

المعادلة:
قدرة الألواح = (الاستهلاك اليومي للكهرباء × معامل أيام الغيوم المتتالية) ÷ (متوسط ساعات سطوع الشمس × كفاءة النظام)

• الاستهلاك اليومي للكهرباء: يتم حسابه بجمع القدرة المقننة لجميع الأجهزة مضروبة في وقت تشغيلها.
  مثال: مصابيح LED 10 واط × 5 ساعات = 50 واط/ساعة، ثلاجة 60 واط × 24 ساعة = 1440 واط/ساعة.
• معامل أيام الغيوم: للتعويض عن نقص التوليد في الأيام الغائمة، يُضبط عادةً بين 1.1 و1.3.
• متوسط ساعات الشمس: يُحصل عليها من بيانات الأرصاد الجوية. مثلاً: بكين حوالي 4 ساعات، هاينان أكثر من 5 ساعات.
• كفاءة النظام: تشمل خسائر الكابلات والعواكس والمتحكمات، وعادة تُضبط بين 0.75 و0.8.

مثال:
إذا كان استهلاكك اليومي 3000 واط/ساعة، متوسط ساعات الشمس 4.5 ساعة، كفاءة النظام 0.78، ومعامل الأيام الممطرة 1.2: قدرة الألواح = (3000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1026 واط أي أنك تحتاج إلى تركيب ألواح شمسية بقدرة إجمالية تقارب 1 كيلوواط، مثل أربعة ألواح × 250 واط.

الخطوة 2: تحديد قدرة العاكس (Inverter)

يقوم العاكس بتحويل التيار المستمر من الألواح أو البطاريات إلى تيار متردد لتشغيل الأجهزة المنزلية.

يجب أن تكون قدرته كافية لتلبية أقصى حمل لحظي، خصوصاً عند تشغيل الأجهزة ذات المحركات.

المعادلة:
قدرة العاكس = (مجموع الأحمال المقاومة + مجموع الأحمال الحثية × 5) × معامل أمان ÷ معامل القدرة

• الأحمال المقاومة: مثل المصابيح الكهربائية، الغلايات، الأفران.
• الأحمال الحثية: الأجهزة المزودة بمحركات مثل الثلاجات والمضخات. قدرة البدء قد تكون 5–7 أضعاف القدرة المقننة.
• معامل الأمان: عادةً بين 1.2–1.5.
• معامل القدرة: عادةً بين 0.8–0.9.

مثال:
مصباح 200 واط (مقاوم) + ثلاجة 100 واط (حثي)، معامل أمان 1.3، معامل قدرة 0.85: القدرة = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85 ≈ 1070 واط إذن تحتاج إلى عاكس بقدرة لا تقل عن 1.1 كيلوواط، ويفضل اختيار 1.5 كيلوواط لضمان الاستقرار.

الخطوة 3: تحديد سعة البطارية

البطارية هي “خزان الطاقة” للنظام، والكهرباء المستخدمة ليلاً أو في الأيام الغائمة تأتي منها.

المعادلة:
سعة البطارية (Ah) = (الاستهلاك اليومي × عدد أيام الغيوم) ÷ (عمق التفريغ × كفاءة الشحن/التفريغ × جهد البطارية)

• عمق التفريغ (DOD): للبطاريات الرصاصية يوصى 0.5–0.6، ولليثيوم 0.8–0.9.
• كفاءة الشحن/التفريغ: عادةً 0.85–0.9.
• جهد البطارية: 12V / 24V / 48V؛ يفضل الأعلى للأنظمة الأكبر.

مثال:
استهلاك يومي 3000 واط/ساعة، تغطية ليومين، بطارية ليثيوم 48V (DOD=0.9، الكفاءة=0.9): السعة = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48) ≈ 154Ah أي تحتاج حزمة بطاريات 48V 154Ah (حوالي 7.4kWh).

الخطوة 4: تحديد مواصفات المتحكم

المتحكم ينظم عملية شحن البطارية من الألواح.

المعادلة:
تيار دخل المتحكم = أقصى قدرة للألواح ÷ جهد البطارية

مثال:
ألواح بقدرة 1000W مع بطارية 48V: التيار = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8A إذن تحتاج متحكم بتيار ≥ 21A، ويفضل نوع MPPT.

نصائح عملية:

1. اترك هامش أمان 10–20% لضمان الاستقرار والعمر الأطول.
2. اختر متحكم MPPT بدلاً من PWM لكفاءة أعلى.
3. فضّل بطاريات الليثيوم لصغر الحجم وعمر أطول.
4. خطط للتوسع المستقبلي (زيادة الأجهزة لاحقاً).

الخلاصة: جوهر تصميم نظام شمسي منفصل عن الشبكة هو الحساب الدقيق للتكوين حسب الحاجة الفعلية، وليس مجرد شراء بعض الألواح والبطاريات. باستخدام هذه المعادلات الأربع:

1. معادلة قدرة الألواح الشمسية
2. معادلة قدرة العاكس
3. معادلة سعة البطارية
4. معادلة تيار المتحكم

يمكنك حساب تكوين نظام صغير منفصل عن الشبكة يكون كافياً ومستقراً. وللمرة الأولى، أضف هامش أمان 10–20% فوق النتائج لمزيد من المرونة في مواجهة تغير الطقس وتوسع الأحمال.