تحديد القدرة الاسمية لنظام شمسي مرتبط بالشبكة الكهربائية

طلب صاحب منزل في مدينة الخليل من فني تركيب الطاقة المتجددة حساب قدرة محطة شمسية مرتبطة بشبكة الكهرباء المحلية؛ لتقليل فاتورة الاستهلاك لمنزله.

§ أناقش الفرق بين الأنظمة المرتبطة والمنفصلة عن الشبكة. § أناقش: هل التكلفة الاقتصادية للأنظمة المتصلة في الشبكة تكون أكبر من المنفصلة عن الشبكة عند القدرة نفسها؟

تُعد مرحلة التصميم من أهم المراحل في إنشاء الأنظمة المرتبطة بالشبكة، حيث تُختار في هذه المرحلة مكونات النظام وعناصره الأساسية؛ لضمان العمل بالشكل، وبالجودة المطلوبين، وفي هذه المرحلة، ستُحدد قدرة الألواح الشمسية، وقدرة الإنفيرتر، بحيث يتحقق التوافق بين المحطة والشبكة؛ لتأمين الاحتياجات الكهربائية الخاصة بالأحمال من مصدرها المجاني الشمسي، وتخفيض فاتورة الكهرباء.

تستهلك المنازل والمنشآت كميات محدودة من الطاقة الكهربائية، وتختلف كميات الاستهلاك باختلاف المنشأة، وطبيعة استخدامها، فعلى سبيل المثال: لو كان هناك منزلان متشابهان، فإن استهلاك الطاقة يختلف من منزل إلى آخر، ويعتمد هذا الاختلاف على عوامل عدة، أهمها: عدد الأحمال وطبيعتها في كل منزل، وقدراتها الكهربائية، وأنماط الاستهلاك الخاصة بساكنيه. وتجدر الإشارة إلى أن التصميم في الأنظمة المرتبطة مع الشبكة يكون تصميماً سنوياً؛ لذا فإن كمية الاستهلاك المطلوب اعتمادها في التصميم يجب أن تكون سنوية، مع مراعاة التوسعة المستقبلية للأحمال؛ إذ يُحتسب متوسط الاستهلاك للمنشآت بطرق عدة، منها:

1. تركيب عداد طاقة لمراقبة الاستهلاك: يقيس هذا العداد كمية الطاقة المستهلكة من المنشأة، وتمتاز هذه الطريقة بدقة القياسات المعطاة، لكن من عيوبها أنها تحتاج إلى مدة طويلة لكي تعطي متوسطاً صحيحاً لاستهلاك الطاقة، فمثلاً: يجب أن يُركب العداد؛ لمراقبة أنماط الاستهلاك في الفصول المختلفة؛ ما يجعلها طريقة غير فعالة إذا احتجنا متوسط استهلاك بصورة سريعة.
2. إجراء الحسابات والتخمينات: تفند هذه الطريقة الأجهزة الكهربائية، وعدد ساعات عملها، وعليه تفند حساب كمية الطاقة المستهلكة، ومن ميزات هذه الطريقة أنها سريعة، ويمكن أن تُستخدم لتغطية التوسع المستقبلي للأحمال، أو حتى تقديرها قبل بناء المنشأة، ومن عيوبها أنها تفتقر إلى الدقة، وتعتمد على التخمين.
3. حساب الأحمال من الفواتير الشهرية: تُعد هذه الطريقة أكثر الطرق استخداماً؛ حيث يتم الرجوع إلى الفواتير الشهرية للمنشأة التي تحتوي على الطاقة المستهلكة بدقة لمدة سابقة تصل إلى سنة أو أكثر، ويتم إيجاد المتوسط الشهري؛ بجمع قيم الاستهلاك الكلي وقسمته على عدد الشهور. ومن ميزات هذه الطريقة أنها سريعة، وتعطي نتيجة جيدة بدقة، لكن من عيوبها أنها تعطي متوسط الاستهلاك لكامل المنشأة، وليس لأجزاء منها.

1. تقع فلسطين بين دائرتي عرض 29 و33 درجة شمال خط الاستواء، وكما تعلمت سابقاً، فإن كمية الطاقة الشمسية الواردة إلى السطح الأفقي تتراوح بين (2.3 – 8.7) كيلوواط. ساعة لكل متر مربع في اليوم الواحد.
2. والجدول (1) الآتي يوضح كمية الطاقة الشمسية الواردة لكل شهر في بعض المدن الفلسطينية:

جميع القيم المدرجة في الجدول (1) أعلاه هي قيم الطاقة الشمسية الواردة على سطح أفقي، ولاعتماد تأثير الميل؛ يُطبق عليه معامل تصحيح الميل من جدول (2) الآتي قيم K؛ لينتج قيم (PSH) لكل شهر، وهي عدد الساعات في الشهر التي تكون فيها كمية الطاقة الواردة ⁦1000W/m²⁩. وتجدر الإشارة إلى أن الأنظمة المرتبطة مع الشبكة لا يتم اعتبار شهر التصميم الأسوأ في حساباتها؛ لأن الناتج إما أن يُستهلك لحظياً، أو يصدر الفائض إلى الشبكة، وعليه، ومن أجل احتساب قيمة الطاقة الواردة؛ لا بد من اعتبار الطاقة الواردة في جميع الأشهر، كل شهر على حدة، بعد تطبيق معامل تصحيح الميل (K) لهذا الشهر، وفي نهاية المطاف يُجمع كامل الطاقة الواردة لكل الأشهر، واعتباره الوارد الشمسي السنوي (PSH).

مثال (1): أحسب كمية الطاقة الشمسية الواردة سنوياً على خلايا شمسية، مساحتها 32 متراً مربعاً، مثبتة بزاوية ميل 25 درجة في مدينة القدس.

الحل: أبني جدولاً خاصاً، كما في الشكل الآتي؛ اعتماداً على جدول قيم H لمدينة القدس (32 درجة شمال خط الاستواء)، وجدول قيم معامل التصحيح K على زاوية 25 درجة:

يُعرف معامل الأداء للمحطة الشمسية (Performance Ratio) بأنه: النسبة بين الإنتاج النظري والإنتاج الفعلي للمحطة الشمسية، وتتراوح قيمة معامل الأداء السنوي للمحطات المتصلة بالشبكة بين 70-80%، ويُرمز له بالرمز (PR)، ويعود سبب انخفاض هذه النسبة عن 100% إلى الوجود الحتمي للخسائر في المحطة، مثل: خسائر الحرارة، والغبار، وعدم توافق الألواح، والإنفيرتر. وتقسم هذه الخسائر إلى ما يأتي:

1. خسائر حقل التوليد الناجمة عن درجة الحرارة، والغبار، والأتربة المتراكمة على الألواح، وظاهرة عدم توافق الألواح (Mismatch) (µs).
2. خسائر في النقل والحمايات ($\mu_C$).
3. خسائر في الإنفيرتر: يمتلك الإنفيرتر كفاءة تكون مدرجة في نشرة البيانات، وتوضح نسبة الخسائر ($\mu_{Inv}$).

مثال (2): في محطة شمسية مرتبطة بالشبكة، كانت خسائر النظام كما يأتي: خسائر حقل التوليد تبلغ 10%، وخسائر النقل والحمايات تبلغ 8%، وخسائر الإنفيرتر تبلغ 10%، أحسب معامل أداء المحطة الشمسية.

الحل: مجموع الخسائر = 10% + 8% + 10% = 28% معامل أداء المحطة (PR) = (100% - 28%) = 72%

لحساب مقدار القدرة الثابتة (DC) المطلوبة من حقل التوليد الشمسي؛ أستخدم المعادلة الآتية: $P_{DC} = \frac{EL}{PSH \times PR}$

حيث إن: $P_{DC}$: مقدار القدرة المستمرة المطلوبة من حقل التوليد. (EL): الطاقة اللازمة لتغذية الأحمال سنوياً. (PSH): عدد ساعات الذروة الشمسية السنوية. (PR): معامل أداء المحطة الشمسية.

لحساب عدد الألواح الشمسية؛ أقسم كمية القدرة الثابتة المطلوبة من حقل التوليد على قدرة اللوح الشمسي الذي تم اختياره، كما هو موضح في المعادلة الآتية: $\# \text{ of panels} = \frac{P_{DC}}{P_{panel}}$

حيث إن: ($P_{DC}$): مقدار القدرة المستمرة المطلوبة من حقل التوليد. ($P_{panel}$): قدرة اللوح الشمسي الواحد.

مثال (3): مستعيناً بالمثال (1)، أحسب عدد الألواح الشمسية اللازمة لتغطية حمل مقداره 10000 كيلوواط. ساعة سنوياً، على فرض أن معامل أداء المحطة في مدينة القدس (PR=78%)، ومقدار قدرة اللوح الشمسي $P_{MAX} = 325 W$.

الحل: بتطبيق المعادلة الآتية: $P_{DC} = \frac{EL}{PSH \times PR}$ $P_{DC} = \frac{10000}{2267.97 \times 0.78} = 5.653 KWp$ $\# \text{ of panels} = \frac{P_{DC}}{P_{panel}} = \frac{5.653 \times 1000}{325} = 17.4 \text{ Panel}$ عدد الألواح الكلي = 17.4، وتُقرب إلى 18 لوحاً. مثال (4): منزل في مدينة نابلس يستهلك القدرات الشهرية الموضحة في الجدول الآتي:

إذا علمت أن كمية الطاقة السنوية الواردة للمتر المربع الواحد (⁦2292 KWh⁩) على الألواح المثبتة بزاوية 26 درجة، أحسب عدد الألواح الشمسية، وقدرة الإنفيرتر المطلوبة؛ لتصميم نظام شمسي مرتبط مع الشبكة المحلية لتغذية هذا المنزل، علماً أن كفاءة الإنفيرتر 96%، وخسائر حقل التوليد تُقدر بـ 14%، وخسائر النقل 3%. باستخدام لوح شمسي ذي قدرة اسمية $P_{MAX} = 325 W$.

الحل: بما أنني بحاجة إلى معرفة عدد الألواح الشمسية المطلوبة للنظام الشمسي، فإنني بحاجة إلى تحديد كمية الاستهلاك السنوي للمحطة، ثم معامل أداء المحطة الشمسية، كما هو موضح: مجموع الطاقة المستهلكة سنوياً هي: $E_L = 528 + 512 + 550 + 542 + 530 + 523 + 515 + 490 + 486 + 475 + 479 + 472$ $E_L = 6102 KWh$

ولحساب معامل أداء المحطة الشمسية؛ فإنني أقوم بما يأتي: $\mu_{Inv} = 1 - 0.96 = 0.04$ $\mu_S = 0.14$ $\mu_C = 0.03$ $PR = 100$ $PR = 100$

• عدد الألواح الشمسية المطلوبة:

$P_{DC} = \frac{EL}{PSH \times PR}$ $P_{DC} = \frac{6102}{2292 \times 0.79} = 3.37 KWp$ $\# \text{ of panels} = \frac{P_{DC}}{P_{panel}} = \frac{3.46 \times 1000}{325} = 10.37 \text{ Panel}$

1. أوضح المقصود بمعامل أداء المحطة الشمسية (PR).
2. ما الخسائر المحتملة في المحطة الشمسية المتصلة بالشبكة؟
3. أذكر طرق احتساب متوسط الاستهلاك السنوي للمنشآت.
4. في محطة شمسية مرتبطة بالشبكة، إذا علمت أن خسائر النظام هي: خسائر حقل التوليد التي تبلغ 12%، وخسائر النقل والحمايات التي تبلغ 8%، وكفاءة الإنفيرتر 96%، أحسب معامل أداء المحطة الشمسية (PR).
5. نزل في مدينة سلفيت، استهلاكه السنوي (⁦9120 kWh⁩)، يراد تغذيته من محطة شمسية متصلة بالشبكة، علماً أن كمية الطاقة السنوية الواردة للمتر المربع الواحد (⁦2190 KWh/m².Year⁩)، وكان معامل أداء المحطة الشمسية (PR=78%)، أحسب القدرة الاسمية للمحطة، وعدد الألواح الشمسية المطلوبة؛ لتغذية النظام، إذا كانت قدرة اللوح الواحد (P=⁦325KWp⁩).