استخدام البطاريات الفوتوغرافية النظم الهجينة في المنازل الخارجية

ومع تحول الطلب العالمي على الطاقة إلى مصادر لا مركزية ومتجددة، أصبحت النظم الهجينة ذات النبات الفولطائي الضوئي العمود الفقري للحياة الحديثة خارج نطاق الشبكة، وتجمع هذه النظم المتكاملة بين الألواح الضوئية الشمسية وبين تخزين الطاقة المتقدمة، مما يتيح للمالكين توليد وتخزين واستخدام الكهرباء بشكل مستقل تماما عن شبكة المرافق التقليدية، وخلافا للاتجاهات الخفية للشمس، توفر النظم السحابية المتحركة طاقة ثابتة على مدار الساعة.

ما هي أنظمة الهجينات الفوتولتاتية؟

ويحتاج نظام هجين مزود بالكهرباء الفوتوليكية إلى حل متكامل للطاقة يربط بين الألواح الشمسية التي تحمل ببنك البطاريات والإلكترونيات الذكية، وفي أثناء ساعات النهار، تحول الألواح الشمسية ضوء الشمس إلى كهرباء مباشرة، ويستخدم جزء من هذه الكهرباء على الفور بواسطة حمولات الكهرباء المنزلية، بينما يتجه أي فائض إلى مصرف الترددات لتخزينه.

مزايا النظم الهجينة للبيوت غير الخطيرة

الاستقلال الحقيقي للطاقة

ولم يعد مالكو المنازل الذين يستثمرون في هجين مصمم تصميما جيدا لمادة الطاقة الفلطائية عرضة للارتفاع في أسعار الفائدة أو انقطاع الشبكات أو الحاجة إلى تشغيل مولدات الديزل، وينتج النظام ويخزن له وقوده الخاص ويستخدمه عند الطلب، ويمتد هذا الاستقلال أيضا إلى الموقع: يمكن بناء المنازل في المناطق النائية حيث يكون توسيع الشبكة باهظ التكلفة أو مضرا بيئيا.

وفورات التكاليف على مر الزمن

وفي حين أن الاستثمار المباشر كبير، فإن التكاليف التشغيلية الطويلة الأجل لنظام هجين أقل بكثير من إعادة تزويد المولدات أو دفع رسوم الربط الشبكي بصورة مستمرة، وعندما يتم تركيبها، تكون لللوحات الشمسية تكاليف صيانة ضئيلة، وتدوم البطاريات مدة أطول مع كل جيل من التكنولوجيا، كما أن إلغاء فواتير الكهرباء الشهرية، بالاقتران مع انخفاض تكاليف الوقود والصيانة للمولدات الاحتياطية، كثيرا ما يؤدي إلى عائد على الاستثمار في غضون 7 إلى 12 سنة، وذلك حسب حجم النظام وحجمه المحلي.

المسؤولية البيئية

وكل كيلوات ساعة تولد من الطاقة الشمسية تزيل انبعاثات الكربون التي كانت ستنجم عن محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري أو مولدات الديزل، وعادة ما يكون للمنازل التي تستخدم الهيدروجينات المكلورة بالفلوروكربون أقل بكثير من المنازل التي ترتبط بالشبكة والتي تعتمد على الفحم أو الغاز الطبيعي، وتحسن دورة الحياة بأكملها، بما في ذلك تصنيع البطاريات وإعادة تدويرها، مع اعتماد الصناعة أساليب إنتاج أنظف ومبادئ اقتصاد دائرية.

Reliable, Round-the-Clock Power

ويمكن لبطاريات الليثيوم الحديثة أن تخزن الطاقة الكافية لتوليد الطاقة في منزل نموذجي خارج الشبكة لعدة أيام، حتى بدون أي مدخلات شمسية، وعندما تقترن بصفيفة شمسية مجهزة بالشكل المناسب ونظام إدارة للطاقة الذكية، فإن النتيجة هي الكهرباء على مدار الساعة و365 يوماً في السنة، ونوعية الطاقة ممتازة، حيث توفر المحاورات التي توفر إنتاجاً نقياً للموجات التي تدير بأمان الإلكترونيات الحساسة والمضخات والمعدات.

العناصر الرئيسية للنظام الهجين

الأفرقة الشمسية

أما الوحدات الفولطية الفوتوفولطية فهي مصدر الطاقة الرئيسي، أما بالنسبة للمنازل غير الحائزة، فإن الألواح المحورة التي تزيد فيها الكفاءة على 20 في المائة تُفضَّل لأنها تولد مزيداً من الكهرباء لكل قدم مربع، عندما يكون السقف أو المساحة الأرضية محدوداً، وتُركَّب الأفرقة عادة على مسارات ميكانيكية ثابتة المنحى جنوباً (في نصف الكرة الشمالي) لتحقيق أقصى قدر من التعقد السنوي، ولكن بعض النظم تعزز الإنتاج

مصرف البطارية

وتسيطر البطاريات على قلب النظام الفرعي للتخزين، وتهيمن كيميائيتان رئيسيتان على السوق غير الثابتة: فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) وحامض الرصاص المتقدم (AGM أو الفيضانات) وتزيد البطاريات التي تستخدمها شركة LiFePO4 في عمق التصريف (80-100%)، وعمر أطول (200 3000 دورة) وتزيد كثافة الطاقة في الوقت الحاضر.

Inverter-Charger

فالحاسوب الهجين لا يحول العاصمة من الألواح الشمسية والبطاريات إلى داخل المركب، بل يدير أيضا تدفق الطاقة بين جميع النظم الفرعية، كما أن النماذج المتقدمة تتضمن أقصى درجات التتبع لمراكز الطاقة من أجل المدخلات الشمسية، وأجهزة توجيه البطاريات القابلة للبرمجة، والتحويل التلقائي للمولدات الاحتياطية، كما أن بعض أجهزة توليد الطاقة الكهربائية المهجورة يمكن أن تعمل في موازية، مما يتيح توسيع نطاق النظام.

المراقب المالي المسؤول

وينظم متحكم الشحنات الفولطية والحالية القادمة من الألواح الشمسية لمنع الإفراط في الشحن والتدمير في مصرف البطاريات، كما أن أجهزة التحكم في الـ MPPT هي معيار في النظم الهجينة الحديثة لأنها يمكن أن تحول الفائض من الفولط إلى تجار إضافي، وزيادة الحصاد الشمسي بنسبة تصل إلى 30 في المائة مقارنة بتصميمات الـ PWM القديمة، كما يقوم المراقب برصد درجة حرارة البطاريات وتعديل بارامترات لتمديد عمر البطارية.

نظام الرصد وإدارة الطاقة

الرصد الذكي ضروري لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في النظام وطول البطاريات، وتشمل النظم الحديثة لوحة عرض وغالبا ما تكون جهازا محمولا يظهر توليد الطاقة الشمسية في الوقت الحقيقي، وحالة البطاريات، واستهلاك الطاقة، والاتجاهات التاريخية، ويمكن لبعض نظم إدارة الطاقة المتقدمة أن تُلقي تلقائيا حمولات غير أساسية عند هبوط بطارية البطارية، أو أن تبدأ مولدا احتياطيا عندما تصل البطارية إلى عتبة منخفضة محددة مسبقا.

Sizing a Hybrid System for Off-Grid Living

تقييم القرض

وقبل اختيار العناصر، يكون من الأهمية بمكان إجراء مراجعة شاملة للطاقة، ويجب على أصحاب المنازل الذين لا يملكونها حساب استهلاك الكيلوتات اليومية، والطلبات المتعلقة بالطاقة القصوى (لا سيما بالنسبة للشحنات التي تحركها السيارات مثل المضخات أو الثلاجات) والتباينات الموسمية، فعلى سبيل المثال، قد يستخدم هذا البيت العادي الذي يتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة في الخارج 10-15 كيلوواط في اليوم، بينما قد تحتاج أسرة أكبر حجماً إلى مراجعة حسابات الطاقة الشمسية 30-40.

SING SSLAR

ولضمان الاستقلال الذاتي على مدار السنة، يجب أن تُصنَّع صفيفة الطاقة الشمسية على أساس أسوأ شهر من عزل الشمس، وليس المتوسط السنوي، وفي كثير من المناخات الشمالية، قد لا يكون الإنتاج الشمسي في كانون الأول/ديسمبر إلا 20 إلى 30 في المائة من حزيران/يونيه، وتحتاج قاعدة مشتركة من الإبهام إلى حجم المجموعة لتوليد 1.5 إلى 2 أضعاف الحمولة اليومية في متوسط يوم مشمس، مما يسمح بشحن البطاريات وفقدان مواقع النظام.

قدرة البطارية

وتُخزَّن مصارف البطاريات لتخزين الطاقة الكافية لعدد معين من " أيام التجميل " - يتراوح ما بين يومين وخمسة أيام دون مدخلات شمسية، وباستخدام نفس الحمولة البالغة 15 كيلوواط/يوم، وبافتراض عمق التصريف بالنسبة للطيور الصلبة (أو 80 في المائة بالنسبة لليفو 4)، تبلغ القدرة الصالحة للاستخدام 30 إلى 75 كيلوواط، ويترجم ذلك إلى مصرف مادي يحتوي على بطاريات للاحتيّة (من تتراوح بين 8 و30)

تكنولوجيات البطاريات مقارنة

Parameter	Lithium Iron Phosphate (LiFePO₄)	Advanced Lead-Acid (AGM/Gel)
Depth of discharge	80-100%	50%
Cycle life (at 80% DoD)	4,000-6,000	500-1,200
Energy density	~150 Wh/kg	~40 Wh/kg
Upfront cost per kWh	$700-$1,200	$150-$300
Lifetime cost per kWh cycled	$0.10-$0.20	$0.25-$0.40
Maintenance	None (sealed BMS)	Periodic water topping (flooded) or none (AGM)
Weight for typical 10 kWh bank	~90 kg	~250 kg

وكثيرا ما تجعل من حياة البطاريات الليثيوم الطويلة والارتفاع في القدرة على الاستخدام خيارا اقتصاديا على مدى فترة من عمر نظام 10-20 سنة، رغم ارتفاع الاستثمار الأولي، وبالإضافة إلى ذلك، فإن بطاريات الليثيوم أخف بكثير ولا تتطلب صيانة، مما يبسط التركيب في مواقع نائية.

التكامل بين النظم وإدارة الطاقة

هيكل المترجم الهجين

وتستخدم معظم النظم الحديثة خارج الشبكة جهازا متعدد الوسائط يمكن أن يقبل بـ دي سي من كل من الألواح الشمسية والبطاريات، والناتج AC إلى البيت، وكذلك مدخلات AC من مولد احتياطي، وهذه المحاولات تُستخدم باستمرار تدفقات الطاقة: خلال أيام مشمسة، تحمل شبكات الطاقة الشمسية وبطاريات الرسوم؛ وعندما تكون البطاريات كاملة، فإن المحاولة قد تقلل من المدخلات الشمسية أو تحول الطاقة الفائضة إلى تحميل ثانوي.

تكامل مولدات الدعم

ومن أجل معالجة فترات الإنتاج المنخفض للطاقة الشمسية الممتدة )مثلا، أسبوع من الغطاء الجليدي الثقيل(، تشمل العديد من المنازل خارج الشبكة مولدا احتياطيا - على نحو نموذجي لجهاز الديزل الصغير أو وحدة البروبان، ولا تعمل المولد الآلي للمولدات الكهربائية إلا عندما تنخفض حالة البطارية تحت عتبة ما قبل بدء التشغيل، مما يكفل تشغيل المولد في أعلى مستوى من كفاءة تحميله، مما يقلل من استهلاك الوقود ويخفض من الوقت اللازم.

إدارة القروض الذكية

ويمكن أن تعطي نظم إدارة الطاقة الأولوية وأن تحدد مواعيد الشحنات بحيث تتواءم مع القدرة على إنتاج الطاقة الشمسية والبطاريات، مثلا، يمكن برمجة مضخة المياه للعمل خلال ذروة منتصف النهار الشمسية، باستخدام الطاقة الفلطائية مباشرة دون صرف البطارية، وتخصص حمولات الإضاءة والترفيه لساعات مسائية عندما توفر البطارية الطاقة، وتدعم بعض النظم رفوف الوجبات غير الأساسية عندما تخفض احتياطيات البطارية.

الاعتبارات الاقتصادية والحوافز

الاستثمار المباشر

ويتراوح نظام كامل للرسومات من خارج الشبكة من أجل منزل نموذجي بين 000 15 دولار و 000 50 دولار، حسب الحجم ونوعية المكونات، وأكبر تكلفة هو مصرف البطاريات، الذي يمثل في كثير من الأحيان 40 إلى 5 في المائة من المجموع، أما الألواح الشمسية والعناصر المنحرفة والتوازنية في النظام فتشكل الباقي، وفي حين أن هذا استثمار كبير، فإنه كثيرا ما يكون مماثلا لتكلفة توسيع خطوط المرافق في المناطق النائية، التي يمكن أن تبلغ 000 20 دولار.

المدخرات الطويلة الأجل

ويتفادى أصحاب المنازل خارج الشبكة فواتير كهربائية شهرية يمكن أن تبلغ في المتوسط 250 دولارا في الشهر في الولايات المتحدة، بالإضافة إلى أنها محمية من زيادات سنوية في الأسعار تبلغ 2.5 في المائة، ويمكن أن تتجاوز التكاليف المتجنبة 000 50 دولار، وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب النظم الهجينة قدرا أقل من الوقود المولدات الكهربائية والتغيرات في النفط مقارنة بالإنشاءات التقليدية لضريبة الاستثمار الشمسي الاتحادية (ITC) توفر حاليا نسبة 30 في المائة من القروض الائتمانية

الخيارات التمويلية

وتمنح المصارف والنقابات الائتمانية قروضا خضراء لنظم الطاقة المتجددة، كما تسمح بعض الدول بتمويل الطاقة النظيفة المقسمة على الممتلكات، رغم أن ذلك قد يكون محدودا بالنسبة للمنازل غير الحائزين، كما أن اتفاقات التسرب وشراء الطاقة أقل شيوعا بالنسبة للنظم غير الحائزة لأن مالك المنزل يملك بالكامل المعدات ويحتفظ بها.

التحديات والحلول

نقابة الاستثمارات الأولية

ولا تزال التكلفة العالية في المقدمة أكبر عقبة. Solution:] Start with a smaller system (e.g., 2 kW solar + 10 kWh bath bath bat) التي تغطي الحمولات الأساسية، ثم تتوسع بمرور الوقت كما تسمح به الميزانية.

الاحتياجات من الصيانة

وتحتاج البطاريات الرصاصية إلى التعادل الدوري في الشحن وإعادة ملء المياه والتنظيف النهائي. Solution:] Choose lithium batteries التي تكاد تكون خالية من الصيانة، وحتى مع الليثيوم، تبقي مناطق البطاريات نظيفة وتضمن التهوية لأي حواجز غير عادية.

Constraints Space

وتحتاج الألواح الشمسية إلى سطح أو منطقة أرضية غير مربوطين جنوباً - مساحتها 150-300 قدم مربع لكل صفيفة من صفائح الـ 2 كيلوواط، ويمكن أن تكون مصارف البطاريات ذات حجم كبير، ولا سيما الرصاص. [(FLT:0] Solution:] Plan building orientation and roof layout with solar in mind. Use wall-mounted lithium bater pies to save floor space.

التعقيد التقني

ويستلزم تصميم وتشغيل نظام خارج الشبكة معرفة الرموز الكهربائية (مثل المادة 690 من اتفاقية نيويورك)، وإدارة البطاريات، والإلكترونيات الكهربائية. Solution:] استئجار جهاز معتمد من مجلس أمريكا الشمالية لحاملي الطاقة المعتمدين، كما تقدم شركات كثيرة خدمات الرصد عن بعد والرد على المشاكل من أجل الدعم المستمر.

التوقعات والابتكارات في المستقبل

كيميائيات البطارية القادمة

البحث في البطاريات الصلبة، الصوديوم، وبطاريات التدفق، يبشرون بزيادة كثافة الطاقة، وطول العمر، وانخفاض التكلفة، ويستخدم الصوديوم، على وجه الخصوص، مواد وفرة ويمكن أن يتنافس الليثيوم في الأداء بحلول أواخر عام 2020، وتعرض البطاريات المتدفقة، في حين أن أكبر، حياة غير محدودة، ويجري بالفعل نشرها في إطار صغرى كبيرة.

Smart Microgrids

ومع اعتماد المزيد من المنازل خارج نطاق الشبكة الهجينات من الفلطائي، فإنها تستطيع التواصل بين الحاجات المحلية، وتقاسم القوة الزائدة وتحسين الموثوقية، ويجري تجريب هذا الاتجار من الأقران إلى الطاقة في عدة مجتمعات ريفية، مما يتيحه قياس الكتل والمترات المتروكة.

Advanced Energy Management AI

ويمكن الآن أن تتعلم خوارزميات التعلم الماكنة أنماط استهلاك الأسرة المعيشية والتنبؤات الجوية من أجل تحقيق الحد الأمثل من رسوم البطاريات ورسم الجداول الزمنية، ويمكن لهذه النظم أن تقلل من تدهور البطاريات وأن تزيد من تقليص وقت تشغيل المولدات الكهربائية، مما يدفع إلى بقاء الأحياء خارج الشبكة إلى ما يقرب من 100 في المائة من الاستقلال الذاتي المتجدد.

القضبان الشمسية المتكاملة

وتحل منتجات مثل تيسلا سولار روف وبعض المواد الفولتاتوغرافية المدمجة في المباني محل مواد السقف التقليدية ذات البلاط الشمسي، وفي حين أنها حاليا أكثر تكلفة لكل واط، فإنها تلغي الحاجة إلى مسافات منفصلة لللوحات ويمكن أن تكون مستصوبة نظريا بالنسبة للمنازل غير الحادة ذات المعايير المعمارية العالية.

خاتمة

فالنظم الهجينة المزودة بالصور الفوتوغرافية لا تمثل مجرد حلاً مناسباً للكوخات النائية - فهي تمثل مساراً ناضجاً وموثوقاً ومتزايد الفعالية من حيث التكلفة لاستقلال الطاقة، ومن خلال تزويد مجموعة الطاقة الشمسية وبنك البطاريات على نحو سليم، واختيار الكيمياء المناسبة، وإدماج إدارة الطاقة الذكية، يمكن للملاك المنزليين غير المستديمين أن يتمتعوا بالكهرباء غير المتقطعة دون تكاليف الوقود الأحفوري أو الاعتماد على الشبكات.