مقدمة Wiki 

في هذا الجزأ الرابع سنتناول موضوع بطاريات الطاقة الشمسية

البطارية هي جهاز يتكون من خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر مع توصيلات خارجية لتشغيل الأجهزة الكهربائية مثل المصابيح الكهربائية والهواتف المحمولة والسيارات الكهربائية.

عندما يتم توصيل بطارية بحمل كهربائي خارجي، فإن تفاعل الأكسدة والاختزال يحول المواد المتفاعلة عالية الطاقة إلى منتجات منخفضة الطاقة، ويتم توصيل فرق الطاقة الحرة إلى الدائرة الخارجية كطاقة كهربائية.

بطاريات الطاقة الشمسية
تاريخيًا،

يشير مصطلح “البطارية” تحديدًا إلى جهاز مكون من عدة خلايا، ولكن تطور الاستخدام ليشمل أجهزة مكونة من خلية واحدة 

تأتي البطاريات بأشكال وأحجام عديدة، من الخلايا المصغرة المستخدمة لتشغيل المعينات السمعية وساعات اليد إلى الخلايا الصغيرة الرقيقة المستخدمة في الهواتف الذكية، إلى بطاريات الرصاص الحمضية الكبيرة أو بطاريات الليثيوم أيون في المركبات،

وفي أقصى الحالات، توجد بطاريات ضخمة للبطاريات حجم الغرف التي توفر الطاقة الاحتياطية أو الطوارئ لمبادلات الهاتف ومراكز بيانات الحاسوب.

تحتوي البطاريات على طاقة نوعية أقل بكثير (طاقة لكل وحدة كتلة) من أنواع الوقود الشائعة مثل البنزين.

في السيارات، يتم تعويض هذا إلى حد ما من خلال الكفاءة العالية للمحركات الكهربائية في تحويل الطاقة الكهربائية إلى عمل ميكانيكي، مقارنة بمحركات الاحتراق.

 

 

في هذه المقالة سوف نتطرق بالخصوص لبطاريات الطاقة الشمسية : 

دورها في تخزين الطاقة في الأنظمة الشمسية,

 

طاليس

منذ ما يزيد على 2500 سنة مضت، تمكن العالم الإغریقی “طاليس”  (نحو 624 – نحو 546 ق.م) من إنتاج ومضات كهربائية بسيطة عن طريق حك قطعة من القماش بالكهرمان، وهو عبارة عن راتينج أصفر يتكون من عصارة الأشجار الميتة منذ فترات زمنية طويلة. لكن الأمر استغرق فترة طويلة من الوقت قبل أن يتمكن الإنسان من تسخير هذه القوة لإنتاج البطاريات الكهربائية،  وبالتالي إنتاج تيار ثابت من الكهرباء.

إلا أن عالم الآثار فيلهلم كونج (Wilhelm König) والذي شغل منصب مشرف المتحف العراقي كان قد أشار في سنة 1940 إلى أن جرة فخارية محفوظة بالمتحف قد تكون أول بطارية معروفة في التاريخ فيما صار يعرف ببطارية بغداد 

 

بطاريات الطاقة الشمسية /فيديو توضيحي

ماهو دور بطاريات الطاقة الشمسية في تخزين الطاقة في الأنظمة الكهروضوئية؟

تعريف:

 

1. البطارية هي الوعاء الذي يقوم بتخزين الطاقة الكهربائية المباشرة ( DC ) في شكل
طاقة كيميائية وتحويلها مرة أخرى إلى طاقة كهربائية مباشرة عند الاحتياج.
2. عند تخزين كمية من الطاقة الكهربائية في البطارية لاستخدامها فيما بعد، تسمى
هذه العملية بعملية شحن البطارية .(Charge)
3. عند استخدام الطاقة الكهربائية المخزنة في البطارية لتشغيل الأجهزة الكهربائيةْ،
تسمي هذه العملية بعملية تفريغ البطارية (Discharge)
4. الطاقة التي يمكن تخزينها في البطارية تسمي بسعة البطارية ( Capacity ) وتقاس
بالأمبير– ساعة. تختلف السعة حسب نوع البطارية وطريقة تصنيعها.
5. عدد مرات شحن البطارية وتفريغها تحدد عمر البطارية وتسمى بدورة التشغيل
.(Life cycle)
6. الحد الأقصى من سعة البطارية الذي يمكن استخدامه عند التفريغ منسوباً إلى سعة
البطارية الكلية يسمي عمق التفريغ .(DOD) Depth of Discharge
7. سعة البطارية عند شحنها لمستوى معين منسوباً إلى سعة البطارية الكلية يسمى
بحالة الشحن(State of Charge)

بطاريات الطاقة الشمسيةالأكثر شيوعًا

هناك العديد من أنواع البطاريات المختلفة لكن بطارية (DEEP CYCLE LEAD-ACID)
هي النوع الأكثر شيوعًا في الأنظمة الكهروضوئية.
2. تستخدم البطاريات لتخزين الطاقة الكهربائية المولدة من الوحدات الشمسية خلال
النهار، ثم توصّل الطاقة مباشرة إلى أحمال التيار المستمر ( DC ) أو لأحمال التيار
المتردد ( AC ) (عن طريق المبدل) .(Inverter)
3. أنواع أخرى من تخزين الطاقة تشمل خزانات المياه المرفوعة والبطاريات القلوية
.(alkaline batteries)

البناء الداخلي لبطاريات الطاقة الشمسية.

البناء الداخلي للبطارية الطاقة الشمسية
البناء الداخلي للبطارية الطاقة الشمسية

1.البطارية عبارة عن مجموعة من الخلايا )أو العناصر(.


2 .كل خلية بطارية حمض الرصاص – توفر 2 فولت ) 1.2 فولت لخلية قلوية(.


3. ترتبط 6 خلايا حمض الرصاص في سلسلة لإنشاء بطارية 12 فولت.


4. يمثل كل ثقب تهوية في الجزء العلوي من البطارية خلية واحدة.

 

أنواع البطاريات المستخدمة في أنظمة الطاقة الشمسية

هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها تصنيف أنواع البطاريات (مثلا بحسب المواد المصنعة أو التطبيق المستخدم)، وهنا سنقوم باعتماد تصنيف البطاريات الشائعة الاستخدام في الطاقة الشمسية من حيث المواد المصنعة منها، والتي تنقسم إلى ثلاث أنواع رئيسية هي:

1. بطاريات الرصاص الحمضي (Lead Acid Batteries)

تتوفر بعدة أنواع أهمها:

  • ليد أسيد مفتوحة (Open Lead Acid)
  • ليد أسيد مغلقة (Sealed Lead Acid)
  •   أي جي إم (AGM)
  • الجل (Gel)
  • بطاريات ذات الدورة العميقة (Deep Cycle)

2. بطارية الرصاص–الكربون الحمضي (Lead Carbon Battery

حديثا تم إضافة الكربون للقطب السالب للبطارية لغرض تقليل السلفنة وبالمقابل زيادة قابلية السحب/الشحن السريع والذي يصل إلى 60% من سعتها بدون أن تتضرر الأقطاب، وتتحمل درجة حرارة عالية تصل إلى 60 درجة مئوية.

3. بطارية أيون الليثيوم

تعتبر مشابهة لبطاريات الليد كربون حيث تم إحلال فوسفات الحديد–الليثيوم، وتمتاز بعمر حياة طويل عند نسبة تفريغ 75% بعكس سابقاتها مع خفة وزنها، ويعيبها أنها تحتاج منظمات شحن متكاملة تنظم عملية الشحن والتفريغ.

أنواع البطاريات المستخدمة في أنظمة الطاقة الشمسية

بطاريات الرصاص الحمضي

غالبا ما تكون مخصصه للمحركات والمولدات والسيارات وتسمى ببطاريات بدء التشغيل (Starter Battery)، وتمتاز بإنتاج تيار عالي وقابليه للشحن السريع أيضا ولكنها لا تصلح لاستخدامات الطاقة الشمسية والتي تتطلب شحن وتفريغ لوقت أطول مما يسبب تأكل قضبان الرصاص الرفيعة فيها. ولكن تم تطوير عدة أنواع من هذه الفئة مخصصة لاستخدامات الطاقة الشمسية تتميز بقضبان رصاصية أكثر سماكة وتعرف بالبطاريات المغمورة (Flooded) أو الرصاص الأسطواني (Tubular) ومن أهم مميزاتها:

  • رخيصة الثمن.
  • ذات دورات حياتية كبيرة.

وبالمقابل من أبرز عيوبها:

  • تتطلب صيانة دورية.
  • ينبعث منها غاز الهيدروجين مما تتطلب وضعها في مكان منعزل ومتجدد التهوية.
  • تصاب بالسلفنة (تراكم الكبريت على قطب البطارية السالب نتيجة التفريغ النهائي) عند تركها بدون استخدام أو تفريغها تماما وعدم إعادة الشحن سريعا.

ليد أسيد مغلقة

توجد منها نوعين الأول يستخدم في أنظمة خازنات الكهرباء (UPS)، والنوع الآخر مخصص لاستخدامات الطاقة الشمسية، وتتميز بقضبان رصاص مجوفة ثخينة (صمامات رصاصية منظمة) (Valve Regulated Lead Acid) تتحمل الشحن والتفريغ لفترة أطول بتيار شحن ابتدائي يصل إلى 30% من سعة البطارية ولكن لا يمكن التحكم في التفريغ البطيء عند نسبة أقل من 50% من سعتها.

بطاريات أي جي إم (AGM)

تعتبر مقاربة لليد أسيد المغلقة لكن مع إضافة مواد زجاجيه ماصة (Absorbance Glass Material) للحمض المتأين بين قضبان الرصاص لضمان شحن وتفريغ أكثر كفاءة، وتمتاز بتيار شحن ابتدائي أقل من الليد أسيد 25% من سعة البطارية، ومن عيوبها أنها تتطلب تفريغ لا يقل عن 50% من سعتها لضمان عمر أطول، بينما تمتاز بالمحافظة على سعتها لفترة طويلة بدون استخدام.

بطاريات الجل (Gel)

في هذا النوع من البطاريات يتم استبدال الحمض بعجينه هلامية، وتمتاز بتيار شحن ابتدائي 20% من سعة البطارية، ومن أهم مميزاتها أنها قابلة للتفريغ البطيء لمدة طويلة وتتحمل درجة الحرارة المرتفعة، بينما يعيبها حساسية فولتية الشحن وتضرر بسرعة من الشحن الزائد لذلك تتطلب منظمات شحن خاصة.

بطاريات ذات الدورة العميقة (Deep Cycle)

وتتوفر بالأربعة الأنواع السابقة الذكر، وتمتاز بمدة أطول من سابقتها في الشحن أو التفريغ بالإضافة إلى عمر حياة أطول بمقدار ثلاثة أضعاف (أكثر من 1100 دورة عند نسبة تفريغ 50%) ووزنها يزيد بـ 30% عن نظيراتها من البطاريات سالفة الذكر. ومؤخرا ظهرت بطاريات جديدة مثل (OPZV) والتي تتواجد بفولتية 2 وسعة تصل إلى 3000 أمبير/ساعة وبعمر حياة يصل إلى 3000 دورة عند نسبة تفريغ 50%.

المعلومات الفنية التي يجب على المستخدم معرفتها عن بطاريات الطاقة الشمسية

السعة المستوعبة (أمبير–ساعة) (AH) لبطاريات الطاقة الشمسية

ويقصد بها السعة الإجمالية للبطارية وتختلف باختلاف النوع وتزيد وتنقص بحسب وقت التفريغ، فمثلا بعض البطاريات يكتب عليها H20@ والبعض الآخر H10@ والمعنى أن البطارية تعطي 100% من سعتها إذا كان التفريغ لعشرين ساعة أو عشر ساعات بينما تعطي مقدارا أقل في مدة زمنية أقل، ويعبر أيضا عن السعة المستوعبة في البطاريات برمز آخر مقارنة بالسعة الكلية للبطاريات C10 وC20، والتي تعني سحب سعة البطارية Capacity (C) تماماً خلال 10 ساعات أو 20 ساعة.

  • رخيصة الثمن.
  • ذات دورات حياتية كبيرة.

وبالمقابل من أبرز عيوبها:

  • تتطلب صيانة دورية.
  • ينبعث منها غاز الهيدروجين مما تتطلب وضعها في مكان منعزل ومتجدد التهوية.
  • تصاب بالسلفنة (تراكم الكبريت على قطب البطارية السالب نتيجة التفريغ النهائي) عند تركها بدون استخدام أو تفريغها تماما وعدم إعادة الشحن سريعا.

 

تأثير درجة الحرارة على سعةبطاريات الطاقة الشمسية

: تتأثر سعة البطارية بدرجه الحرارة فتزيد بزيادة درجه الحرارة وتقل بنقصانها.

 جهد الشحن بطاريات الطاقة الشمسية

  1. يكتب على البطارية قيم الجهد اللازمة للشحن، وتمر البطاريات بثلاث مراحل للشحن هي:
  • شحن ثابت التيار (Constant Current): وهي المرحلة الأولى وتعرف أيضا بالشحن الكتلي (Bulk Charge) وتمتاز بتثبيت التيار الابتدائي (أعلى قيمة للتيار الآمن لشحن البطارية) وتبدأ قيمة الجهد بالارتفاع تلقائيا حتى تصل إلى قيمة جهد التدوير Cycle Use وهذا المصطلح المستخدم من قبل مصنعي البطاريات الشمسية لهذه المرحلة بخلاف مصنعي منظمات الشحن والتي تسمى عندهم بشحن الامتصاص Absorption Charge، وتأخذ من ثلاث ساعات حتى ست ساعات.
  • شحن ثابت الجهد (التحسين/الامتصاص – Boost/Absorption): بعد إنجاز المرحلة الأولى تثبت قيمة الجهد عند قيمة تعرف بجهد التدوير (Cycle Use) وهنا يبدأ المنظم بتثبيت قيمة الجهد على طرفي البطارية وتقل قيمة التيار إلى 5 – 10% من سعة البطارية وتستمر هذه العملية من ساعة إلى ثلاث ساعات.
  • شحن ثابت الجهد (التعويم – Float): بعد انتهاء المرحلة الثانية (يصل شحن البطارية إلى 90% من سعتها) تبدأ قيمة الجهد بالانخفاض تدريجا ببطء لتصل إلى قيمة جهد الوقوف Stand by Use (بحسب تعريف مصنعي البطاريات)، ويرافق ذلك انخفاض في قيمة التيار إلى 1 – 3% من سعة البطارية.

تيار الشحن الأولي Initial Current:

: يقصد به أقصى قيمة لتيار الشحن في البداية والتي يمكن للبطارية أن تتحملها دون الإضرار بها، وتعامل أيضا كأقصى حد لتيار تفريغ البطارية.

المقاومة الداخلية للبطارية Internal Resistance:

تعتبر من أهم الخصائص الكهربائية للبطارية وهي المعيار الفعلي لحالة البطارية الصحية، وتؤخذ قيمة المقاومة الداخلية للبطارية عندما تكون ممتلئة تماما، وتزيد قيمتها عندما تتفرغ البطارية لموازنة الهبوط الحاد لجهد البطارية.

جهد إنهاء التفريغ (جهد الفصل) (End Voltage):

ذكرنا في الفقرة الأولى السعة المستوعبة في البطارية (AH) ومدى تأثير المدة الزمنية للتفريغ على السعه الإجمالية ولكن تأثير جهد الإنهاء (End Voltage)، والتي تعرف بأقل قيمة للجهد يقوم المنظم أو العاكس بفصل البطاريات عن النظام الشمسي عندها (تسمى في المنظم بأقل جهد للفصل Low Voltage Disconnected LVD). وتعتبر العلاقة بين قيمة جهد الإنهاء مقابل نسبة التفريغ المسموحة مهمة جدا، فمثلا إذا كان لدينا بطارية سعتها 100 أمبير/ساعة وتم معايرة جهد الإنهاء في منظم الشحن عند قيمة 11.4 فولت يمكننا الحصول على سعة مفرغة مقداريها 68 أمبير/ساعة خلال 4 ساعات، بينما إذا كانت معايرة جهد الإنهاء عند قيمة 10.2 فولت فيمكننا الحصول على سعة مفرغة 84 أمبير/ساعة خلال 4 ساعات.

دورات الحياة مقابل عمق التفريغ (Life cycles Vs. Depth of Discharge): 

يعتمد عمر حياة البطارية على مقدار نسبة التفريغ اليومي من سعة البطارية وعادة يقاس عمر حياة البطارية بعدد دورات تفريغ/شحن البطارية ويكون مرتبطا بمقدار نسبة التفريغ، على سبيل المثال يمكن أن تحافظ البطارية على أدائها لـ 1500 دورة إذا كانت نسبة التفريغ 20% بينما يقل أدائها إلى 500 دورة عندما تزيد نسبة التفريغ إلى 80%، وفنيا تعتمد دورات الحياة عند نسبة تفريغ 50% من سعة البطارية.

الصيانة الدورية لبطاريات الطاقة الشمسية

1. يجب الكشف عن مستوى الماء الموزون بالبطارية مرة كل أسبوع، وإذا وجد
منخفضاً فيجب إضافة ماء مقطر (فقط) حتى يعود إلى 10 مم فوق الطبقات.
2. يجب الحفاظ على نظافة البطارية وجفافها من الشوائب.
3. إذا بقيت البطارية بدون استعمال وهي مملؤة فيجب إعادة شحنها مرة كل شهر.

أحسن طريقة لشحن بطاريات الطاقة الشمسية

  1. لا يجب الكشف عن حالة البطارية بتوصيل طرفي قطبيها بكابل أو مفك وعمل شرارة؛   لأن ذلك يؤدي إلى مرور تيار ذي أمبير عالٍ يتلف أجزاء البطارية الداخلية،
    ويفتت المادة الفعالة بها على الألواح.
    2. يجب شحن البطارية بأمبير قدره 10 % من سعة البطارية على الأكثر وأن يستمر الشحن حتى تتكون فقاقيع ويثبت على ذلك مدة ساعتين مع ترك السدادات بدون تثبيت أثناء الشحن.
    3. إذا زادت درجة الحرارة أثناء الشحن عن 50  درجة مئوية يجب تخفيض أمبير الشحن أو وقف الشحن حتى تبرد البطارية تماماً.

4. يجب إضافة ماء مقطر إذا هبط مستوى الماء الموزون داخل البطارية عن 10 مم -فوق الألواح – أثناء وبعد الشحن.
5. الشحن الزائد يستهلك الحامض بسرعة وبالتالي ألواح الرصاص وبذلك يقلل من عمر البطارية.
6. عمر البطارية يعتمد على نوعية البطارية، ولكن إذا اتبعت طريقة الصيانة المذكورة أعلاه يمكن تحقيق أكبر فترة زمنية يمكن الاستفادة منها.
7. في السحب من البطارية المشحونة يفضل ألا تزيد الطاقة المسحوبة عن 30 % من سعتها وعليه يجب شحن البطارية كلما نقصت الطاقة فيها إلى 30 % من سعتها وذلك تفادياً لتقليل عمرها.

طريقة توصيل بطاريات الطاقة الشمسية

التوصيل

عند استعمال البطارية بعد شحنها يجب توصيل قطبها الموجب مع القطب الموجب للحمولة وكذلك قطبها السالب للقطب السالب للحمولة

 يجب ملاحظة نظافة الصباعات عند التوصيل وربط الأسالك بحزم وذلك منعاً لتسرب الطاقة والتماس القطبين مع بعضهما البعض.

إذا كانت الحمولة تحتاج إلى 12 فولت لبطاريتين، في هذه الحالة يجب توصيل البطاريتين على التوازي وذلك بتوصيل القطبين المتشابهين في البطاريتين مع بعضهما البعض.

إذا كانت الحمولة تحتاج إلى 24 فولت ففي هذه الحالة يجب توصيل بطاريتين على التوالي وذلك بتوصيل موجب أحدهما بسالب الثانية.

مثال :

باتباع الطريقة أعلاه يمكن توصيل أي عدد من البطاريات في حالة توالى أو توازي أو توالى– توازي للحصول على الجهد والطاقة المطلوبين.

ومثالاً لذلك : إذا كان لدينا أربع بطاريات كل واحدة 12 فولت ونحتاج إلى 24 فولت لتشغيل الحمولة وكذلك نحتاج إلى سعة جميع الأربع بطاريات، يجب توصيل كل بطاريتين على التوالي وتوصيل المجموعة على التوازي، أو يمكن توصيل كل بطاريتين على التوازي ثم
توصيل المجموعة على التوالي.

العوامل التي تؤثر عىل أداء بطاريات الطاقة الشمسية

عمق التفريغ بطاريات الطاقة الشمسية
عمق التفريغ بطاريات الطاقة الشمسية

1. معدل الشحن والتفريغ لبطاريات الطاقة الشمسية
Charge & Discharge Rate, the “C” Rate (capacity / hours),
C/20 = it will take 20 hours to fully discharge the battery.
2. درجة الحرارة. ارتفاع درجة الحرارة يقلل من عمر البطارية.
3. عمق الشحن اليومى

الشكل يوضح تغير عمر البطارية أو دورة التشغيل مع عمق الشحن

تغير عمر البطارية أو دورة التشغيل مع عمق الشحن
يوضح تغير عمر البطارية أو دورة التشغيل مع عمق الشحن
تقدمك في الدليل
واصل أنت تعلم اليوم أكثر 44%