حساب الأحمال الكهربائية، واختيار شهر التصميم

طلب زبون (صاحب متنزّه) من فني الطاقة الشمسية تحديد أيّ الأسطح على المتنزّه أنسب لتركيب الألواح الشمسية؛ لإنارة المتنزّه.

• أناقش: ما أكثر الأجهزة الكهربائية المنزلية استهلاكاً للطاقة؟
• أناقش: هل تعمل أنظمة الطاقة الشمسية في الشتاء؟

تقسم عملية التصميم للأنظمة الشمسية إلى ثلاث مراحل أساسية (مدخلات ← عمليات ← مخرجات)، وتشكّل الأحمال الكهربائية أهمّ مدخلات عملية تصميم المحطات الشمسية المفصولة عن الشبكة؛ حيث إنّ المحطّة تُبنى لتغذية هذا الحمل في الظروف كافة، وتُحسَب الأحمال من خلال معرفة قدرة الأجهزة، ومدة تشغيلها بما يتوافق مع حاجة المستهلك.

ونظراً لتفاوت قيم قدرة الأجهزة ومدة تشغيلها من مستهلك لآخر، لذلك تصمَّم المحطّة، بحيث تكون مخرجاتها من الطاقة كافية، وللحصول على كمية استهلاك المحطات الشمسية المنفصلة عن الشبكة، يمكن اعتماد أحد تقنيات تقدير الأحمال الآتية:

1. متوسط الاستهلاك في السنين أو الشهور السابقة: ويمكن معرفة هذه القيم بناءً على قراءة العدّادات، أو الفواتير، أو الفواتير العائدة لمنشآت مماثلة.
2. مواصفة القدرة المكتوبة على كلّ جهاز: بحيث تُحدَّد قدرة كلّ جهاز، وعدد الساعات الاستعمال المتوقّعة.
3. اتّباع قيم الاستهلاك النمطية: وذلك في حالة التصميم لأحمال غير قائمة، أو غير محدّدة؛ إذ يجب تزويد المصمّم بالأجهزة التي يجب توفّرها بالعادة في المنازل أو المنشآت التي تطلب المحطات الشمسية بكثرة، وفترة تشغيلها، فيكون قادراً على توقّع حجم الأحمال توقّعاً قريباً جداً للواقع.

   مثال (1): منزل يقع في منطقة نائية بعيد عن شبكة الكهرباء المحلية، يحتوي على الأجهزة المذكورة في الجدول (1) أدناه مع أوقات تشغيل كلّ جهاز، أحسب كمية الطاقة التي يجب توفيرها للمنزل يومياً؛ بفرض انتظام الاستهلاك:

الجدول (1): جدول أحمال الأجهزة وفترة تشغيلها لأحد المنازل

أول خطوة لعملية تصميم المحطات الشمسية المنفصلة عن الشبكة هي تحديد ما يأتي:

1. معدل الاستهلاك اليومي لكلّ شهر وَفق الأحمال، ويُرمَز له بالرمز (E).
2. معدل الإشعاع الشمسي اليومي لكلّ شهر، ويُرمَز له بالرمز (H).

يكون اعتماد شهر التصميم في المحطات الشمسية المنفصلة عن الشبكة عند أسوأ ظروف تشغيلية للمحطّة؛ أي وَفق (الشهر الأسوأ)، بحيث نضمن في التصميم القدرة على تلبية الاحتياجات الكهربائية في أسوأ الظروف الممكنة، فإذا تمّت تلبية الأحمال في ذلك الشهر، فتلبيتها بالأشهر الأخرى ستكون مضمونة.

مفهوم الشهر الأسوأ: هو الشهر الذي تكون فيه نتيجة قسمة الوارد الشمسي الأفقي اليومي على كمية الاستهلاك اليومي ($\frac{H}{E}$) أقلّ ما يمكن، حيث إذا تمّ تلبية الاحتياجات في هذا الشهر فسيتمّ بالتأكيد تلبيتها في بقية الأشهر.

في حال كانت الأحمال منتظمة على مدار أشهر العام، فإنّ الشهر الأسوأ هو الذي تكون فيه قيم الإشعاع الشمسي في حدّها الأدنى، وذلك يتوافق مع شهر ديسمبر في فِلَسطين. مثال (2): معمل طوب يتواجد في مكان معزول عن الشبكة في محافظة الخليل، واستهلاكه من الطاقة كان وَفق ما هو مبيّن في الجدول (2) أدناه، أحدّد ما أسوأ شهر لغاية تصميم محطّة شمسية مفصولة عن الشبكة:

الحلّ: أُعيد بناء الجدول أعلاه، وأحدّد معدل الاستهلاك اليومي لكلّ شهر (E)، ثمّ أقسّمه على معدل الإنتاج اليومي لكلّ شهر (H)، ومن الجدول أعلاه أجد أنّ أقلّ قيمة تحصل في شهر أيلول عند قيمة 0.0933 هو أسوأ شهر لغايات التصميم:

إذن فإنّ شهر التصميم المناسب لتصميم محطّة شمسية منفصلة عن الشبكة لهذا المعمل هو شهر أيلول، وعليه في التصميم يُعتمَد حمل شهر أيلول (E=⁦66.7 kWh⁩).

قبل دراسة تأثير الميل على إنتاج الألواح الشمسية، لا بدّ من معرفة مصطلح ساعات الذروة الشمسية (Peak Sun Hours) PSH، هي عدد الساعات التي لو كانت فيها شدّة الإشعاع الشمسي تساوي ($1000w/m^2$)، فإنّ اللّوح الشمسي تستقبل خلالها كمية من الطاقة مساوية لعدد هذه الساعات خلال النهار؛ أي إذا كانت كمية الطاقة الواردة في يوم من شهر شباط 3.5 كيلوواط. ساعة في مدينة الخليل، فإنّ عدد ساعات الذروة في ذلك اليوم هو 3.5 ساعات، والعكس صحيح. وتجدر الإشارة إلى أنّ الألواح الشمسية لا تُركَّب أفقياً لعدّة أسباب، كما في الشكل (1) أدناه:

1. إنتاج اللّوحات الأفقية في الغالب يكون أقلّ من إنتاجها فيما لو كانت مائلة.
2. اللّوحات الأفقية تتعرض لتراكم كبير للأوساخ، والمياه.
3. تنظيف الألواح الشمسية الأفقية أمر أصعب؛ بسبب عدم انزلاق الماء عن اللّوحات تلقائياً.

لذلك فإنّ المصمّم سيسعى ضمن الممكن لأَن يركّب اللّوحات بميلان مناسب، بحيث تكون كمية الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الألواح أعلى ما يمكن في فترة التصميم (الشهر الأسوأ)، عموماً، فإنّ الجدول (3) الآتي يبيّن درجات الميل التي تؤدي لأفضل إنتاج وَفق الحالة:

الجدول (3): اختيار ميل اللّوحات وَفق فترة التصميم

تكون أغلب المنشآت التي تعمل باستقلالية عن الشبكة من القطاع المنزلي، حيث إنّ أسوأ شهر للتصميم في فِلَسطين هو شهر ديسمبر. وتبعاً للجدول أعلاه، علينا أن نثبّت الألواح الشمسية على درجة ميل أعلى من درجة خطّ العرض بـ (10-15) درجة، الشكل (2)، فمثلاً: جنين تقع قرب خطّ العرض 32، فالميل المثالي لمحطّة شمسية معزولة عن الشبكة هو ما بين (42-47) درجة. فيما لو كان الغرض هو إنتاج أكبر كمية من الكهرباء على مدار العام بغض النظر عن توزيعه، كما في حالة المحطات المتصلة بالشبكة، ووَفق الجدول السابق فإنّنا سنثبّت اللّوحات على 5-10 درجات أقلّ من درجة خطّ العرض، وفي فِلَسطين يصبح الميل المثالي هو 22-27 درجة، علماً أنّ هناك عوامل أخرى تؤثّر على تحديد أفضل درجة لميل الألواح الشمسية، وهي:

• الموقع وَفق خطّ العرض.
• الحالات الجوية.
• درجة الانحراف عن الجنوب.

ونستنتج من كلّ ما سبق أنّ الألواح الشمسية ستكون على ميل $\beta$ بالنسبة للسطح الأفقي، وعليه فإنّ قيمة الطاقة المكافئة الواردة على اللّوحات لا بدّ من تعديلها باستخدام المعامل (K) الموجود في الجداول، وعادة ما يتسبّب هذا المعامل في تحسين الإنتاج:

1. ما المقصود بكلّ من الآتي:

• شهر التصميم الأسوأ؟
• ساعات الذروة الشمسية؟

2. لماذا لا نثبّت الألواح الشمسية أفقياً؟
3. أوضّح كيفية حساب أفضل زاوية للألواح الشمسية في الأنظمة المنفصلة عن الشبكة؟
4. أجدُ الشهر الأسوأ لغايات التصميم لمعمل طوب في الخليل، إذا علمتُ أنّ متوسط استهلاكه الشهري هو (⁦1000kWh⁩)، وأنّ استهلاكه من الطاقة منتظم جداً على مدار العام.