تصميم أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة: دليل شامل للجمهور العالمي

أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة، والمعروفة أيضًا بالأنظمة على الشبكة أو الأنظمة التفاعلية مع المرافق، هي أنظمة كهروضوئية (PV) متصلة مباشرة بشبكة الكهرباء العامة. وهي خيار شائع لأصحاب المنازل والشركات والمجتمعات التي تتطلع إلى توليد طاقتها النظيفة وتقليل اعتمادها على الوقود الأحفوري. يقدم هذا الدليل الشامل نظرة مفصلة على اعتبارات تصميم أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة للجمهور العالمي، مع مراعاة المعايير الدولية والممارسات الفضلى المتغيرة.

فهم أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة

قبل الخوض في عملية التصميم، من الضروري فهم المكونات الأساسية وتشغيل نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة:

• الألواح الشمسية (وحدات كهروضوئية): تحول ضوء الشمس إلى كهرباء تيار مستمر (DC).
• العاكس الشمسي: يحول كهرباء التيار المستمر من الألواح الشمسية إلى كهرباء تيار متردد (AC)، والتي تكون متوافقة مع الشبكة.
• نظام التثبيت: يؤمن الألواح الشمسية على السطح أو الأرض.
• الأسلاك والكابلات: تربط بين مختلف مكونات النظام.
• مفاتيح الفصل: توفر طريقة آمنة لعزل النظام للصيانة أو حالات الطوارئ.
• القياس: يقيس كمية الكهرباء التي يولدها النظام الشمسي والكمية المستهلكة من الشبكة.

كيف يعمل النظام المتصل بالشبكة: تولد الألواح الشمسية كهرباء تيار مستمر، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى كهرباء تيار متردد بواسطة العاكس. تستخدم هذه الكهرباء المترددة لتشغيل الأحمال الكهربائية للمبنى. إذا كان النظام الشمسي ينتج كهرباء أكثر مما يستهلكه المبنى، يتم تغذية الكهرباء الزائدة مرة أخرى إلى الشبكة. في العديد من المناطق، يحصل أصحاب المنازل والشركات على رصيد مقابل هذه الكهرباء الزائدة من خلال عملية تسمى صافي القياس أو تعرفة التغذية الكهربائية.

اعتبارات التصميم الرئيسية

يتضمن تصميم نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة دراسة متأنية لعدة عوامل لضمان الأداء الأمثل والسلامة والامتثال للوائح المحلية.

1. تقييم الموقع

يعد التقييم الشامل للموقع هو الخطوة الأولى في عملية التصميم. ويتضمن ذلك تقييم العوامل التالية:

• الإشعاع الشمسي: كمية ضوء الشمس المتاحة في الموقع. يختلف هذا حسب الموقع والوقت من السنة والظروف الجوية. توفر موارد مثل الأطلس الشمسي العالمي (globalsolaratlas.info) بيانات الإشعاع الشمسي للمواقع في جميع أنحاء العالم.
• اتجاه وميل السطح: يؤثر الاتجاه الذي يواجهه السطح (السمت) وزاوية السطح (الميل) على كمية ضوء الشمس التي تتلقاها الألواح الشمسية. يعتبر السطح المواجه للجنوب (في نصف الكرة الشمالي) بزاوية ميل تساوي خط العرض هو الأمثل بشكل عام. يمكن لأدوات البرمجيات مثل PVsyst محاكاة إنتاج الطاقة الشمسية بناءً على هذه المعايير.
• التظليل: يمكن أن تلقي العوائق مثل الأشجار والمباني وخطوط الكهرباء بظلالها على الألواح الشمسية، مما يقلل من إنتاجها. يجب إجراء تحليل للظل لتحديد مشكلات التظليل المحتملة وتحديد تأثيرها على أداء النظام.
• حالة وهيكل السطح: يجب أن يكون السطح قادرًا على تحمل وزن الألواح الشمسية ونظام التثبيت. قد يحتاج مهندس إنشائي إلى تقييم سلامة السطح.
• لوحة الخدمة الكهربائية: يجب أن تتمتع لوحة الخدمة الكهربائية بسعة كافية لاستيعاب إنتاج النظام الشمسي.
• اللوائح والتصاريح المحلية: الامتثال لقوانين البناء المحلية، وقوانين الكهرباء، ولوائح تقسيم المناطق أمر ضروري.

2. تحديد حجم النظام

يتضمن تحديد حجم النظام تحديد الحجم المناسب لمصفوفة الألواح الشمسية لتلبية احتياجات العميل من الطاقة وتعظيم عائد استثماره. تتضمن هذه العملية عادةً الخطوات التالية:

• تحديد استهلاك الطاقة: تحليل فواتير الطاقة التاريخية للعميل لتحديد متوسط استهلاكه اليومي أو الشهري للطاقة.
• تحديد هدف تعويض الطاقة: تحديد النسبة المئوية من استهلاك الطاقة التي يرغب العميل في تعويضها بالطاقة الشمسية. يعني التعويض بنسبة 100% أن النظام الشمسي سيولد كهرباء كافية لتلبية جميع احتياجات العميل من الطاقة.
• حساب حجم النظام: استخدم برنامج تصميم شمسي أو حسابًا يدويًا لتحديد حجم مصفوفة الألواح الشمسية اللازمة لتحقيق تعويض الطاقة المطلوب. يجب أن يأخذ هذا الحساب في الاعتبار الإشعاع الشمسي وفقدان النظام وكفاءة العاكس.

مثال: يستخدم صاحب منزل في مدريد، إسبانيا، 500 كيلوواط/ساعة من الكهرباء شهريًا. ويريد تعويض 80% من استهلاكه للطاقة بالطاقة الشمسية. باستخدام بيانات الإشعاع الشمسي لمدريد ومراعاة فقدان النظام، يحدد برنامج تصميم شمسي أن هناك حاجة لنظام طاقة شمسية بقدرة 5 كيلوواط لتحقيق هذا الهدف.

3. اختيار المكونات

يعد اختيار المكونات الصحيحة أمرًا بالغ الأهمية لأداء وموثوقية النظام الشمسي.

• الألواح الشمسية: اختر الألواح الشمسية بناءً على كفاءتها وقدرتها الإنتاجية وجهدها وتيارها وضمانها. ضع في اعتبارك عوامل مثل نوع اللوحة (أحادية البلورة، متعددة البلورات، رقيقة الغشاء)، ومعامل درجة الحرارة، والأبعاد المادية. يقدم المصنعون ذوو السمعة الطيبة ضمانات أداء تضمن نسبة معينة من إنتاج الطاقة بعد فترة محددة (على سبيل المثال، 80% بعد 25 عامًا).
• العاكس الشمسي: اختر عاكسًا متوافقًا مع الألواح الشمسية والشبكة. ضع في اعتبارك عوامل مثل نوع العاكس (عاكس السلسلة، العاكس الدقيق، محسن الطاقة)، والكفاءة، ونطاق الجهد، وميزات الحماية. تعتبر عاكسات السلسلة بشكل عام أكثر فعالية من حيث التكلفة للأنظمة السكنية، بينما توفر العاكسات الدقيقة ومحسنات الطاقة أداءً محسنًا في الظروف المظللة والمراقبة على مستوى الوحدة.
• نظام التثبيت: اختر نظام تثبيت مناسبًا لنوع السطح وأحمال الرياح والثلوج في المنطقة. تأكد من أن نظام التثبيت مقاوم للتآكل ومصمم لتحمل الظروف الجوية القاسية.
• الأسلاك والكابلات: استخدم أسلاكًا وكابلات ذات حجم مناسب ومصنفة للاستخدام في الهواء الطلق ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية. تأكد من أن جميع توصيلات الأسلاك مصنوعة ومحمية بشكل صحيح.

4. التصميم الكهربائي

يتضمن التصميم الكهربائي لنظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة تحديد تكوين الأسلاك المناسب، والحماية من التيار الزائد، والتأريض.

• تحديد حجم السلسلة: حدد عدد الألواح الشمسية التي يمكن توصيلها على التوالي (سلسلة) بناءً على نطاق جهد العاكس. يجب أن يكون جهد السلسلة ضمن نطاق تشغيل العاكس لضمان الأداء الأمثل.
• الحماية من التيار الزائد: قم بتركيب صمامات أو قواطع دوائر لحماية النظام من التيارات الزائدة. يجب أن يعتمد حجم أجهزة الحماية من التيار الزائد على الحد الأقصى لتيار الألواح الشمسية والأسلاك.
• التأريض: قم بتأريض الألواح الشمسية والعاكس ونظام التثبيت للحماية من الصدمات الكهربائية. اتبع قوانين الكهرباء المحلية لمتطلبات التأريض.
• مفاتيح الفصل: قم بتركيب مفاتيح فصل لعزل النظام الشمسي عن الشبكة للصيانة أو في حالات الطوارئ. يجب أن تكون هذه المفاتيح سهلة الوصول إليها ومُعلمة بوضوح.

5. الربط بالشبكة

يتطلب توصيل النظام الشمسي بالشبكة التنسيق مع شركة المرافق المحلية.

• اتفاقية صافي القياس: أبرم اتفاقية صافي قياس مع شركة المرافق. تحدد هذه الاتفاقية شروط وأحكام تغذية الكهرباء الزائدة مرة أخرى إلى الشبكة والحصول على رصيد مقابلها.
• طلب التوصيل البيني: قدم طلب توصيل بيني إلى شركة المرافق. يوفر هذا التطبيق معلومات حول النظام الشمسي وتأثيره على الشبكة.
• الفحص والموافقة: ستقوم شركة المرافق بفحص النظام الشمسي للتأكد من أنه يفي بمتطلبات السلامة والمتطلبات الفنية الخاصة بها. بمجرد الموافقة، يمكن توصيل النظام بالشبكة.

المعايير واللوائح الدولية

يجب أن يتوافق تصميم نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة مع المعايير الدولية ذات الصلة واللوائح المحلية. تشمل بعض المعايير الدولية الرئيسية ما يلي:

• IEC 61215: الوحدات الكهروضوئية الأرضية (PV) – تأهيل التصميم واعتماد النوع. يحدد هذا المعيار متطلبات تأهيل التصميم واعتماد النوع للوحدات الكهروضوئية الأرضية المناسبة للتشغيل طويل الأجل في الظروف المناخية العامة في الهواء الطلق.
• IEC 61730: تأهيل سلامة الوحدات الكهروضوئية (PV). يحدد هذا المعيار متطلبات السلامة للوحدات الكهروضوئية لضمان التشغيل الآمن طوال فترة عمرها.
• IEC 62109: سلامة محولات الطاقة للاستخدام في أنظمة الطاقة الكهروضوئية. يحدد هذا المعيار متطلبات السلامة لمُحولات الطاقة المستخدمة في أنظمة الطاقة الكهروضوئية، بما في ذلك العاكسات ووحدات التحكم في الشحن.
• IEEE 1547: معيار للتوصيل البيني والتشغيل البيني لموارد الطاقة الموزعة مع واجهات أنظمة الطاقة الكهربائية المرتبطة بها. يوفر هذا المعيار متطلبات للتوصيل البيني لموارد الطاقة الموزعة (DER)، بما في ذلك الأنظمة الشمسية، مع الشبكة الكهربائية.

بالإضافة إلى المعايير الدولية، تختلف اللوائح المحلية وقوانين البناء بشكل كبير. على سبيل المثال:

• أمريكا الشمالية: يوفر القانون الوطني للكهرباء (NEC) في الولايات المتحدة والقانون الكندي للكهرباء (CEC) متطلبات شاملة لتركيب وسلامة الأنظمة الكهربائية، بما في ذلك الطاقة الشمسية.
• أوروبا: تتبع الدول الأوروبية غالبًا معايير IEC ولكن لديها أيضًا لوائحها الوطنية الخاصة فيما يتعلق بالربط بالشبكة والسلامة والتصاريح.
• أستراليا: لدى أستراليا معايير محددة لتركيب أنظمة الطاقة الشمسية والربط بالشبكة، تديرها منظمات مثل مجلس الطاقة النظيفة (CEC).
• آسيا: لدى دول مثل الصين والهند واليابان معاييرها ولوائحها المتطورة لتنمية الطاقة الشمسية.

من الضروري التشاور مع السلطات المحلية والمهنيين المؤهلين لضمان الامتثال لجميع اللوائح المعمول بها.

أفضل الممارسات لتصميم النظام المتصل بالشبكة

لضمان تركيب نظام طاقة شمسية ناجح متصل بالشبكة، ضع في اعتبارك أفضل الممارسات التالية:

• استخدام مكونات عالية الجودة: اختر الألواح الشمسية والعاكسات والمكونات الأخرى من الشركات المصنعة ذات السمعة الطيبة والتي لديها سجل حافل.
• تحسين أداء النظام: قم بزيادة إنتاج الطاقة الشمسية عن طريق تحسين اتجاه السطح وميله، وتقليل التظليل، واختيار المكونات الفعالة.
• ضمان سلامة النظام: اتبع جميع قوانين الكهرباء ومعايير السلامة المعمول بها للحماية من الصدمات الكهربائية ومخاطر الحريق.
• مراقبة أداء النظام: قم بتثبيت نظام مراقبة لتتبع إنتاج الطاقة للنظام الشمسي وتحديد أي مشاكل محتملة.
• توفير دعم العملاء: قدم دعمًا مستمرًا للعملاء لمعالجة أي أسئلة أو مخاوف قد تنشأ.
• توثيق كل شيء: احتفظ بسجلات مفصلة لتصميم النظام وتركيبه وصيانته. يمكن أن يكون هذا التوثيق مفيدًا لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها ومطالبات الضمان.

أدوات البرمجيات للتصميم الشمسي

تتوفر العديد من أدوات البرمجيات للمساعدة في تصميم نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة. يمكن أن تساعد هذه الأدوات في تقييم الموقع، وتحديد حجم النظام، واختيار المكونات، ومحاكاة الأداء.

• PVsyst: حزمة برامج شاملة لمحاكاة أداء أنظمة الطاقة الكهروضوئية.
• Aurora Solar: منصة برمجية قائمة على السحابة لتصميم وبيع أنظمة الطاقة الشمسية.
• HelioScope: أداة قائمة على الويب لتصميم وتحليل أنظمة الطاقة الشمسية.
• SolarEdge Designer: أداة مجانية عبر الإنترنت لتصميم أنظمة الطاقة الشمسية باستخدام عاكسات SolarEdge ومحسنات الطاقة.
• SMA Sunny Design: أداة مجانية عبر الإنترنت لتصميم أنظمة الطاقة الشمسية باستخدام عاكسات SMA.

الاعتبارات الاقتصادية

تعتمد الجدوى الاقتصادية لنظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة على عدة عوامل، بما في ذلك تكلفة النظام، وسعر الكهرباء، وتوافر الحوافز مثل صافي القياس وتعرفة التغذية الكهربائية.

• تكلفة النظام: تختلف تكلفة النظام الشمسي اعتمادًا على حجمه ونوع المكونات المستخدمة وتكاليف التركيب.
• سعر الكهرباء: كلما ارتفع سعر الكهرباء، أصبحت الطاقة الشمسية أكثر جاذبية.
• صافي القياس: يسمح صافي القياس لأصحاب المنازل والشركات بالحصول على رصيد مقابل الكهرباء الزائدة التي يرسلونها مرة أخرى إلى الشبكة. يمكن أن يعوض هذا الرصيد فواتير الكهرباء الخاصة بهم ويقلل من تكاليف الطاقة الإجمالية.
• تعرفة التغذية الكهربائية: تقدم بعض البلدان تعرفة تغذية كهربائية، وهي مدفوعات تُدفع لأصحاب الأنظمة الشمسية مقابل الكهرباء التي يولدونها. يمكن أن توفر تعرفة التغذية الكهربائية مصدر دخل كبير وتحسن الجدوى الاقتصادية للطاقة الشمسية.
• الإعفاءات الضريبية والحسومات: تقدم العديد من الحكومات إعفاءات ضريبية وحسومات لتشجيع اعتماد الطاقة الشمسية. يمكن أن تقلل هذه الحوافز بشكل كبير من التكلفة الأولية للنظام الشمسي.

مثال: في ألمانيا، يقوم صاحب منزل بتركيب نظام طاقة شمسية بقدرة 5 كيلوواط بتكلفة 10,000 يورو. سعر الكهرباء هو 0.30 يورو لكل كيلوواط/ساعة. مع صافي القياس، يحصل صاحب المنزل على رصيد مقابل الكهرباء الزائدة التي يرسلها مرة أخرى إلى الشبكة. على مدار عمر النظام، يوفر صاحب المنزل 15,000 يورو على فواتير الكهرباء الخاصة به ويحصل على 5,000 يورو في مدفوعات تعرفة التغذية الكهربائية. هذا يجعل النظام الشمسي استثمارًا جذابًا من الناحية المالية.

الخاتمة

يتطلب تصميم نظام طاقة شمسية متصل بالشبكة دراسة متأنية لعدة عوامل، بما في ذلك تقييم الموقع، وتحديد حجم النظام، واختيار المكونات، والتصميم الكهربائي، والربط بالشبكة. من خلال اتباع أفضل الممارسات والامتثال للمعايير الدولية ذات الصلة واللوائح المحلية، يمكنك تصميم نظام شمسي آمن وموثوق وفعال من حيث التكلفة يوفر طاقة نظيفة لسنوات قادمة. مع استمرار تقدم تكنولوجيا الطاقة الشمسية وأصبحت أكثر تكلفة، ستلعب أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة دورًا متزايد الأهمية في تلبية احتياجات الطاقة في العالم.

تذكر دائمًا التشاور مع محترفي الطاقة الشمسية المؤهلين لضمان تصميم النظام وتركيبه بشكل صحيح. مع التخطيط والتنفيذ المناسبين، يمكن أن يكون نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة استثمارًا قيمًا لمنزلك أو عملك، مما يساهم في مستقبل أنظف وأكثر استدامة.