الطاقة الشمسية للمنازل

    تركيب ألواح الطاقة الشمسية للمنازل:

عند تركيب الألواح الشمسية يجب التأكد من خمسة عوامل أساسية تضمن أداء الألواح الشمسية بفعالية وكفاءة عالية:

     التظليل الجزئي أو الكلي:

 وجود ظلال لعوائق وإن كانت صغيرة مثل أعمدة الخرسانة المعدنية تقلل كثيرا من قدرة اللوح الإنتاجية.

      توجيه وميلان ألواح الطاقة الشمسية للمنازل:

 تعتبر البلدان العربية من البلدان الواقعة في نصف الكرة الشمالية للأرض ويعتمد نوع التثبيت على مدى وإمكانية توجيه وميلان الألواح، فهناك توجيه فصلي، ونصف سنوي، وسنوي. كما في الجدول التالي:

جدول (1): درجة ميلان الألواح بناء على اختيار مدة توجيه الألواح

قواعد مرنة، أو قواعد مزودة بمتتبع لأشعة الشمس:

 قد تضمن زيادة في متوسط عدد ساعات الإشعاع الشمسي بنسبة تصل إلى 25% عن متوسط عدد ساعات الإشعاع الشمسي للقواعد المثبتة.

      توصيل ألواح الطاقة الشمسية للمنازل :

 يتم توصيل الألواح على التوالي لغرض زيادة فرق الجهد، والتوصيل على التوازي لغرض زيادة التيار، وعلى التوالي والتوازي لتعرف مجموعة الألواح بمصفوفة الألواح (PV Array).

‌أ.        التوصيل على التوالي:

 الغرض منه زيادة فرق جهد الألواح لتلائم الحد الأعلى من جهد شحن البطاريات، ويشترط تساوي قيمة التيار لكلاً من الألواح الموصلة على التوالي. بينما الجهد الكلي الإجمالي للمجموعة الموصلة على التوالي تساوي حاصل جمع جهد كل لوح.

‌ب.     التوصيل على التوازي:

 الغرض منه زيادة كمية التيار للحصول على شحن تام للبطارية في زمن قصير وملائم، ويشترط في هذه الحالة تساوي قيم فرق جهد الألواح الموصلة على التوازي لضمان الحصول على أقصى تيار كهربائي يمكن للألواح إنتاجها. ويساوي التيار الإجمالي حاصل جمع التيارات القصوى لكل لوح أو مجموعة موصلة على التوازي.

شكل (1): توصيل الألواح على التوالي والتوازي

 توصيلات ألواح الطاقة الشمسية:

 ينصح بعدم قطع توصيلات الألواح الشمسية المعروفة (MC4) وتوصيل توصيلات مطابقة لها كما في الشكل (5 – 2) وباستخدام المعدات اللازمة لذلك.

شكل (2): توصيلات الألواح (MC4) والمعدات اللازمة لقص وتكبيس أسلاك توصيل منظم الشحن بالألواح

   توصيل منظم شحن للطاقة الشمسية للمنازل :

يمتلك منظم الشحن ثلاثة منافذ كما هو موضح بالشكل (5 – 2) لمنظم شحن شمسي شائع الاستخدام في البلدان العربية:

      منفذ للألواح الشمسية: 

(فتحتين للقطب الموجب والقطب السالب) وعادة يكون منفذ الألواح يسار منافذ منظم الشحن.

      منفذ البطارية:

 (فتحتين للقطب الموجب والقطب السالب) وتكون متوسطة لما بين منافذ الألواح وأحمال (DC).

      منفذ لأحمال التيار المستمر (DC):

(منفذين للقطب الموجب والقطب السالب) وتكون عادة يمين منافذ منظم الشحن.

تركيب المنظم يتمثل بضرورة وأهمية تركيب وتوصيل أسلاك البطاريات إلى المنافذ الخاصة بالبطارية في منظم الشحن أولا قبل توصيل أسلاك الألواح لأن ذلك ربما يؤدي إلى تلف المنظم. بعد توصيل أسلاك البطارية إلى منفذ منظم الشحن يتم توصيل الطرف المقابل من الأسلاك بأقطاب البطاريات مع التنبيه بأفضلية تمييز لون القطب الموجب بلون فاتح (أحمر مثلا) ولون القطب السالب بلون قاتم (أسود مثلا) لتفادي انعكاس أقطاب البطاريات مع المنظم.

شكل (3): منظم شحن شمسي تقليدي رائج الاستخدام 

كما يجب أن يأخذ في الاعتبار قطر السلك الملائم وطول الجزء المفتوح من السلك الملائم لفتحة المنظم وتثبيتها بأحكام في المنظم دون خروج أي شعيرات من أسلاك التوصيل التي قد تؤدي إلى الماس الكهربائي. وعادة يوفر دليل الاستخدام بمواصفات مقطع سلك التوصيل الملائم لمنافذ المنظم. وبعد استكمال تركيب المنظم مع البطاريات يتم توصيل أسلاك الألواح الشمسية بنفس الطريقة.

جدول (2): المواصفات العامة لمنظم الشحن من خلال ورقة البيانات المرفقة أو دليل المستخدم المرفق بالمنظم

تركيب بطاريات الطاقة الشمسية للمنازل :

عند تركيب وتوصيل بطاريات النظام الشمسي يجب الانتباه للنقاط التالية:

      شحن التجديد للبطارية:

 ينصح مصنعو البطارية شحن البطارية وتنشيطها مرة كل 6 أشهر عندما تزيد فترة التخزين أكثر من ستة أشهر من تاريخ إنتاج البطارية.

      مكان البطارية الآمن:

 تحتاج البطارية إلى مكان آمن لها ويضمن سلامة مستخدميها بعدم وضعها بمكان مرتفع وتعرضها للسقوط أو بالقرب من مصادر كهربائية أو حرارية يمكن أن تصدر شرارة كهربائية.

      عزل البطارية:

 تحتاج البطارية إلى عزل حراري وإبعاد أي مواد موصلة كهربائيا عنها.

      التهوية:

 يشترط أن يكون المكان المخصص للبطارية وخاصة البطاريات السائلة معرض للتهوية الجيدة وجاف بعيد عن مصادر الرطوبة.

      سهولة الوصول:

 أن يكون مكان البطارية سهل الوصول والتحكم في التركيب والتفكيك والصيانة بدون أي معوقات جسدية قد تزيد من المخاطر على سلامة الفني المختص.

      توصيل بطاريات الطاقة الشمسية للمنازل :

 توصيل بنك البطاريات (مجموعة البطاريات الموصلة توالي أو توازي أو كليهما) والتأكد من سلامة التوصيل وإحكام نقاط التوصيل وقياس جهد المجموعة للتأكد من دقة التوصيل.

‌أ.        توصيل البطاريات على التوالي:

 هو توصيل القطب الموجب من البطارية الأولى إلى القطب السالب من البطارية الثانية، ويتم توصيل الأقطاب الباقية إلى كلا من منظم الشحن والعاكس كما هو واضح بالشكل رقم (5 – 3). الغرض من توصيل البطاريات على التوالي هو زيادة فرق الجهد بنفس طريقة ربط الألواح على التوالي، وتقاس قيمة فرق الجهد للنظام بحاصل جمع جهد كل بطارية. ويشترط في التوصيل على التوالي أن تكون البطاريات الموصلة على التوالي بنفس السعة وشركة الصنع ومطابقة لتاريخ الصنع وأيضا بنفس الجهد قبل التركيب.

‌ب.     توصيل البطاريات على التوازي: 

هو توصيل القطب الموجب للبطارية الأولى بالقطب الموجب للبطارية الأخرى والسالب بالسالب، وتنطبق عليها نفس الشروط لحالات البطاريات في التوصيل على التوالي. الغرض من التوصيل على التوازي هو مضاعفة قيمة التيار للمجموعة كاملة وثبات قيمة فرق الجهد كما في الشكل رقم (5 – 3).

شكل (3): توصيل البطاريات على التوالي والتوازي، توالي+ توازي

  توصيلات البطاريات:

 نهايات نقاط التوصيل لتوصيلات الأسلاك الموصلة بين البطاريات أو بين البطاريات ومنظم الشحن تحتاج إلى حسن الاختيار بناء على التوصيات المقدمة بدليل الاستخدام الخاص بمنظم الشحن أو العاكس، وينصح باستخدام المعدات اللازمة والملائمة لقص وتعرية الأسلاك عن الطبقة العازلة وكبس خوص التوصيل بهذه الأسلاك بصورة جيدة ومحكمة.

شكل (4): الأدوات الملائمة لسلخ (تعرية) وقطع أسلاك التوصيل وكبس خوص البطاريات

يتم توصيل العاكس مع المنظم إلى البطاريات بنفس الخطوات مع الأخذ بالاعتبار الملاحظات التالية:

1.     تمييز كابل القطب الموجب لون فاتح (أحمر) وكابل التوصيل بالقطب السالب لون داكن (أسود).
2.     يجب أن يتماثل كابلات التوصيل للموجب والسالب في نفس مساحة المقطع (السمك) والطول.
3.     عدم استخدام كلابات البطاريات واستخدام وصلات التثبيت (الخوص) لتثبيت الأسلاك بإحكام مع قطبي البطارية.
4.     إتباع الإرشادات الموضحة في كتيب الاستخدام الخاص بالعاكس.

شكل (5): أسلاك توصيل البطاريات مع بعضها وأسلاك التوصيل بالعاكس

جدول (3): المواصفات العامة اللازم معرفتها عن العاكس من خلال ورقة المواصفات المرفقة بالعاكس والمواصفات الهامة مكتوبة باللون الأحمر.

تركيب عناصر توازن نظام الطاقة الشمسية للمنازل و وسائل الحماية

      قواطع كهربائية Electrical Breakers: 

وهي عناصر كهربائية تحتوي على دوائر كهربائية حساسة للتيار والجهد الكهربائي، وتقوم بفصل التيار الكهربائي إذا تجاوزت قيمة التيار أو الجهد الحد الآمن، ويمكن إعادة عملها بإعادة مفتاح الفصل للوضع الآمن. وتعتبر القواطع الكهربائية ضرورية لحماية عناصر النظام الشمسي من التلف وحماية سلامة المستهلك أو الفني المتخصص في تركيب وتشغيل المنظومة. أضف على ذلك أنها تسهل من تشغيل وفصل المنظومة وتجعل الصيانة الدورية أو الطارئة أكثر سهولة ويسر.

كما في تحجيم الأسلاك الكهربائية بين كل عنصر من عناصر النظام الشمسي فإن القواطع الكهربائية يفضل تركيبها بين كل عنصر وآخر كما سنورد في النقاط التالية:

‌أ.        قواطع    DC    للطاقة الشمسية للمنازل

: 

تكون مهمة وخاصة لمنظمات الشحن من نوع ( متتبع نقاط الطاقة القصوى MPPT) نظرا لارتفاع جهد الألواح الموصلة على التوالي والذي يزيد من درجة الخطورة على سلامة المستخدم أو منظم الشحن، وقواطع الألواح الشمسية (قاطع التيار المستمر  DC Breaker) تتميز بتكلفتها المرتفعة عن قواطع التيار المترددAC Breaker ويتم توصيلها بين المنظم والألواح ويفضل أن تكون في أقرب مكان بجانب المنظم لكي يسهل قراءة شاشة المنظم عند فصل وتشغيل القاطع. وبناء على مواصفات منظم الشحن Tracer4210A الموضح بالجدول (5 – 2) فإن القاطع المفضل يجب أن يكون بالمواصفات التالية:

•         أقصى قيمة للجهد الواصل من الألواح 90VDC.
•         أقصى قيمة للتيار القادم من الألواح 40A.
•         عدد الأقطاب (2) موجب + وسالب –.

‌ب.     قواطع البطاريات: 

مهمتها الحفاظ على البطاريات من السحب الزائد أو الشحن بتيار زائد، وتوصل بالعاكس وخاصة إذا كان العاكس مزودا بمنظم شحن مدمج، وهي من نوع التيار المستمر DC Breaker، فإذا تم تركيب أي من العواكس الموضحة بالجدول (5 – 3) سواء كان نظام ربط جهد البطاريات 12 V، 24 V، أو 48 V مع بطاريات 200 AHr (واحدة في نظام 12 V، اثنتين في نظام 24 V، أربع في نظام 48 V) فإن مواصفات القاطع يجب أن تكون كالتالي:

•         أقصى قيمه للتيار تساوي أقصى قيمة لتيار الشحن الابتدائي Initial Current، فمثلا بطارية 200 AHr أقصى تيار شحن ابتدائي لها يكون 40 A.
•         إذا كان أقصى تيار شحن للبطاريات يتجاوز القدرة الفعلية للعاكس فتعدل أقصى قيمة للقاطع بأقصى قيمة لتيار سحب العاكس (قدرة العاكس القصوى ÷ جهد البطاريات).
•         عدد الأقطاب واحد يربط عادة بالقطب السالب من البطاريات إلى العاكس.

‌ج.      قواطع العاكس: 

وتتمثل بقاطعين للتيار المتردد الأول لخروج التيار المتردد من العاكس AC Output والآخر لدخول التيار إلى العاكس AC Input. وتكون مواصفات القواطع كالتالي:

•         أقصى جهد للدخول أو الخروج تساوي 270VAC.
•         أقصى قيمة التيار الخارج تقاس بقسمة قدرة العاكس على جهد التيار المتردد (مثلا 1000 W ÷ 230 V = 5 A) بالنسبة لقيمة التيار الداخل تؤخذ من ورقة البيانات الفنية للعاكس والمسماة بأقصى قيمة للشحن بواسطة التيار المتردد الداخل Charger AC Input Breaker Rating وللعاكس ذو القدرة الفعلية 1000 W يكون أقصى قيمة للتيار المتردد الداخل هي 10 A.
•         عدد الأقطاب واحد لكل قاطع ويربط بالسلك الخاص بالأحمال Load line وليس بالخط المحايد Neutral Line.

شكل (6): أنواع القواطع الكهربائية الشائعة الاستخدام في أنظمة الطاقة الشمسية

 فيوزات الحماية Protection Fuses:

 هي عناصر كهربائية تحتوي على مواد موصلة معدنية حساسة لمرور التيار الكهربائية تذوب حراريا عندما تتجاوز قيمة التيار الكهربائية قيمة معينة وتعتبر بذلك تالفة ويجب استبدالها. وتؤدي نفس عمل القواطع الكهربائية إلا أنها أكثر فعالية من القواطع لحساسيتها الفائقة ويتم استخدامها في منفذ دخول تيار البطاريات للعاكس أو خرج العاكس للأحمال المترددة لحماية العاكس من السحب الزائد من البطارية أو في حالة حدوث ماس كهربائي في شبكة الأحمال الكهربائية. وأيضا يفضل استخدامها في أحمال التيار المستمر لتفادي عكس قطبية الأحمال مع قطبية منفذ المنظم والسحب الزائد الناتج من ارتخاء أسلاك التوصيل.

شكل (7): أنواع فيوزات (AC – DC) المستخدمة في العواكس

   مفاتيح قطع التيار الكهربائي في انظمة الطاقة الشمسية للمنازل

Electrical Disconnecting Switches: 

هي مفاتيح معدنية موصلة للكهرباء تعمل على قطع أو تحويل التيار الكهرباء. ويتم استخدامها لتحويل الكهرباء من مصدر إلى آخر أو لمنع دخول الكهرباء من أي مصدر. ويفضل استخدامها في النظام الشمسي لحماية العاكس بشكل أساسي من العطب أو التلف عند عودة الكهرباء الرئيسية. ويوجد بمفتاح القطع الكهربائي منفذين دخول المصدرين من مصادر الكهرباء ومنفذ خروج واحد للأحمال الكهربائية المراد تشغيلها.

شكل (7): مفتاح يدوي لفصل وتحويل القدرة الكهربائي

    المواصفات والمعايير التحقق من مكونات  نظم الطاقة الشمسية للمنازل :

وتعطى الشهادات بعد التحقق من المواصفات والمعايير بناء على تحقق أربع فحوصات وقياسات هي:

1.     كفاءة الأداء والجودة Performance Efficiency.
2.     التحقق من التصميم Design Verification.
3.     التركيب والسلامة Installation and Safety.
4.     مقاومة التأثيرات البيئية Environmental Effects.

الجدول (5 – 4) يعطي بعض الشهادات التي تمنح لمكونات النظام الشمسي المستقل بناء على الوصف له من بعض مؤسسات وشركات فحص الجودة العالمية.

جدول (3): المواصفات والمعايير لمكونات النظام الشمسي

نشاط عملي: الطاقة الشمسية المنزلية 

1. بالأدوات المعملية قم بقياس التالي:

‌أ.        تيار القصر (Isc) وجهد الدائرة المفتوحة (Voc) للوح شمسي في الحالات التالية:

‌ب.     قم بتظليل اللوح بواسطة الغلاف الكرتوني الخاص باللوح أو بأي غطاء مناسب وخفيف الوزن بالطرق الموضحة (من اليسار إلى اليمين) بالشكل (5 – 7)، وفي كل مرة أعد قياس كلا من تيار القصر (Isc) وجهد الدائرة المفتوحة (Voc) بالجدول (5 – 4):

2. قياس وتشغيل وتحليل أداء المنظومة بعد تركيبها:

استعن بمدربك للتعرف على الأجهزة والأدوات المعملية المطلوبة:

‌أ.        الكليبمتر Clamp meter قادر على قياس المعاملات الرئيسية التالية:

–        التيار المتردد والمستمر.

–        جهد التيار المتردد والمستمر.

–        قيمة التردد بالهرتز.

‌ب.     مفك البراغي الحساس للكهرباء Electric

Tester Screw Driver

يقوم بتحسس التيار المتردد لخط الأحمال عن طريق إضاءة مصباح كهربائي صغير بداخل الرأس الزجاجي بالمفك. ولا يضيء المصباح عند توصيله بالخط المحايد.

‌ج.      ملتيمتر Multi Meter نفس الجهاز الكهربائي الذي تم استخدامه سابقا

الخطوات المعملية للتشغيل والقياس:

      قياس أداء الألواح:

 أداء الألواح يعتمد على وقت القياس وحالة الطقس ويتغير بتغير حالة شحن البطاريات، وبافتراض أن الطقس صحو ووقت القياس كان في الظهيرة فاتبع الخطوات التالية:

–        استخدام الملتيمتر لقياس جهد الألواح من خلال منفذ دخول الألواح إلى المنظم.

–        استخدام الكليمبمتر لقياس تيار الألواح من أحد أسلاك الألواح قبل دخولها إلى المنظم.

–        تشغيل العاكس وتشغيل أحمال تقارب إنتاج الألواح الأقصى (يتم قياس سحب الحمل من أحد أسلاك العاكس إلى البطارية DC أول خط الأحمال الخارج من العاكس AC) وإعادة الخطوتين السابقتين.

–        اكتب قياسات الخطوة السابقة في الجدول التالي:

قياس أداء المنظم:

 قياسات المنظم ضرورية لتقييم أداءه ومدى تطابق مراحل الشحن على ما هو موجود بورقة البيانات الفنية للمنظم. والخطوات التالية تعبر عن الإجراءات السليمة لقياس المنظم:

–        قم بقياس الألواح كما في الخطوة الأخيرة من الفقرة السابقة.

–        قم بقياس جهد البطاريات ومن ثم قيس التيار النازل من المنظم إلى البطاريات من القطب السالب بواسطة الكليبمتر.

–        قم بتعبئة قياساتك في الجدول التالي:

   قياس أداء البطاريات:

 قياسات أداء البطاريات ضروري وتعتبر قيمة جهد البطارية في الليل المعيار الأساسي لمعرفة نسبة شحن البطارية State of Charge كما في الجدول التالي:

بينما القياسات عامة لجهد البطارية مهمة وخاصة عندما تكون البطاريات أكثر من واحدة (توصيل توالي أو توازي أو كلاهما)، ويتم تقييم أداء البطاريات من خلال التالي:

–        التوصيل التوالي: تقاس جهد كل بطارية ومن ثم قياس الجهد الكلي لنظام البطاريات بواسطة الملتيمتر ويفترض أن يكون الجهد متساوي لكل بطارية في حالات الشحن أو التفريغ.

–        التوصيل التوازي: لمعرفة أداء البطاريات الموصلة على التوازي وضرورة تساوي سحب/شحن كل بطارية مع الأخرى.

     قياسات العاكس:

 وتتمثل بقياس كلا من:

–        الأحمال النهارية والليلية لوضع تصور نهائي عن التشغيل الآمن للأحمال الكهربائية نهارا أو ليلا.

–        قياس كفاءة العاكس وذلك بالمقارنات بين قياسات السحب من البطاريات وبين قياسات التيار الخارج من العاكس. 

–        قياسات تيار الدخول في حالة وجود الكهرباء العامة أو مولد كهربائي.

تـمارين:

1.     إذا كان طول اللوح الشمسي 200 cm وعرض اللوح 100 cm حدد مقدار الارتفاع الملائم للوح الشمسي ليتم توجيه اللوح طوليا أو أفقيا بميلان 15 درجة كما في الشكل التالي:

2.     بالعودة إلى المثال (رابط) المتعلق بأنظمة التحجيم الشمسية، إذا كانت مواصفات عناصر المنظومة كالآتي:

•         4 × 50 وات ألواح شمسية (Imp = 2.77, Vmp = 18 V).
•         2 × 50 أمبير/ساعة بطارية 12 فولت.
•         منظم شحن 20 أمبير.
•         عاكس 500 وات بجهد نظام بطاريات 12 V.

قم برسم مخطط تفصيلي لربط (الألواح – منظم الشحن – العاكس – البطاريات) لتلائم الاستخدام المحدد .

3.     قم برسم مخطط تفصيلي لنفس السؤال السابق مع تغيير نظام ربط البطاريات بالعاكس إلى 24 V.