العلاقة بين الألواح الشمسية والبطاريات | دليل الخبراء في كوينينج لايتنج

فهم العلاقة التكافلية: الألواح الشمسية والبطاريات في الإضاءة الشمسية

يتطلب التعامل مع تعقيدات شراء الإضاءة الشمسية فهمًا عميقًا لكيفية عمل الألواح الشمسية والبطاريات بتناغم. تتناول هذه المقالة الشاملة أسئلةً رئيسيةً للمتخصصين والمشترين، وتغطي تحديد حجم النظام، واختيار نوع البطارية، وتحسين عمر البطارية، والدور المحوري لوحدات التحكم في الشحن. جهّز نفسك بالمعرفة اللازمة لتصميم وشراء حلول إضاءة شمسية متينة وفعالة، مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات مشروعك، وضمان موثوقية طويلة الأمد وفعالية من حيث التكلفة.

كيف تعمل الألواح الشمسية والبطاريات معًا في نظام الإضاءة الشمسية؟

في نظام الإضاءة الشمسية، تُشكّل اللوحة الشمسية والبطارية ووحدة التحكم بالشحن نظامًا مترابطًا مُصممًا لالتقاط الطاقة وتخزينها والاستفادة منها. تتولى اللوحة الشمسية (الوحدة الكهروضوئية) تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء تيار مستمر (DC). ثم تتدفق هذه الكهرباء إلى وحدة تحكم بالشحن، والتي تُمثل "عقل" النظام، حيث تُنظّم الجهد والتيار لشحن البطارية بأمان وكفاءة. تعمل البطارية كوحدة تخزين للطاقة، حيث تُخزّن الطاقة الكهربائية المُولّدة من اللوحة الشمسية خلال النهار. عندما لا يتوفر ضوء الشمس، كما هو الحال في الليل أو خلال فترات الغيوم، تُشغّل الطاقة المُخزّنة في البطارية وحدة إضاءة LED. تضمن هذه الدورة المُستمرة إضاءة موثوقة دون الاعتماد على الشبكة الكهربائية.

تحديد حجم نظامك: كيفية مطابقة الألواح الشمسية والبطاريات للحصول على الأداء الأمثل؟

يُعدّ اختيار الحجم المناسب أمرًا بالغ الأهمية لضمان عمر نظام الإضاءة الشمسية وموثوقيته. ويشمل ذلك مطابقة سعة توليد الطاقة في الألواح الشمسية مع سعة تخزين البطارية لتلبية استهلاك الطاقة المطلوب لتركيبات الإضاءة. وتشمل الخطوات الرئيسية ما يلي:

1. تحديد استهلاك الحمل:احسب إجمالي الطاقة بالوات في الساعة (Wh) المطلوبة من تركيبات الإضاءة في الليلة الواحدة (على سبيل المثال، طاقة LED × ساعات التشغيل).
2. تحديد ساعات ذروة الشمس (PSH):ابحث عن متوسط ​​ساعات ذروة سطوع الشمس اليومية لموقعك الجغرافي. تُعد هذه البيانات بالغة الأهمية لأنها تُمثل الساعات المكافئة لشدة سطوع الشمس الكاملة.
3. حساب سعة البطارية:بناءً على استهلاك الحمل وعدد أيام التشغيل المطلوبة (عدد الأيام التي يمكن للنظام العمل فيها بدون شمس)، احسب سعة البطارية المطلوبة بالأمبير-ساعة (Ah) أو الواط-ساعة (Wh). خذ في الاعتبار عمق تفريغ البطارية (DoD) - عادةً 50% لبطاريات الرصاص الحمضية، و80-100% لبطاريات LiFePO4. الحساب الشائع هو:سعة البطارية (واط/ساعة) = (الحمل اليومي (واط/ساعة) × أيام الاستقلالية) / أقصى حمل.
4. حساب حجم اللوحة الشمسية:يجب أن تُولّد اللوحة طاقة كافية لتجديد البطارية يوميًا وتعويض الفاقد. الصيغة الشائعة هي:قوة اللوحة (Wp) = (الحمل اليومي (Wh) × عامل خسائر النظام) / PSHغالبًا ما يُنصح بزيادة حجم اللوحة قليلاً (بنسبة 15-30%) لمواجهة الأيام الغائمة وتدهور اللوحة وتأثيرات درجات الحرارة.

على سبيل المثال، مصباح شارع يحتاج إلى 50 واط/ساعة ليلاً في منطقة ذات 4 PSH، ويحتاج إلى 3 أيام من التشغيل الذاتي باستخدام بطارية LiFePO4 (80% DoD)، سيحتاج إلى بطارية تساوي تقريبًا (50 واط/ساعة/يوم × 3 أيام) / 0.8 = 187.5 واط/ساعة. مع احتساب خسائر النظام (حوالي 20-30%)، يُرجّح أن تكون لوحة 50 واط/ساعة كافية: (50 واط/ساعة/يوم × 1.25 عامل خسارة) / 4 PSH ≈ 15.6 واط/ساعة، ولكن عادةً ما يتم اختيار لوحة 50 إلى 80 واط/ساعة لضمان استمرارية الشحن ومراعاة التغيرات الموسمية.

ما هو أفضل نوع بطارية؟ دليل شراء الإضاءة الشمسية

يؤثر اختيار البطارية بشكل كبير على أداء نظام الإضاءة الشمسية وتكلفته وعمره الافتراضي. النوعان السائدان هما الرصاص الحمضي والليثيوم أيون، ويُعتبر فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) أكثر أنواع الليثيوم شيوعًا في الإضاءة الشمسية نظرًا لسلامته واستقراره.

• بطاريات الرصاص الحمضية (GEL، AGM، المغمورة):عادةً ما تكون هذه البطاريات أقل تكلفةً من حيث التكلفة الأولية. إلا أنها تتميز بعمر دورة أقصر (300-1000 دورة عند 50% من حمل التفريغ)، وكثافة طاقة أقل، ووزن أثقل، وحساسية للتفريغ العميق وتقلبات درجات الحرارة. كما تتطلب بطاريات الرصاص الحمضية المغمورة صيانة دورية (إعادة تعبئة الماء). وتتراوح كفاءتها عادةً بين 70% و85%.
• بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4):على الرغم من ارتفاع تكلفتها الأولية، تُقدم بطاريات LiFePO4 مزايا هامة على المدى الطويل. فهي تتميز بعمر دورة أطول بكثير (2000-6000 دورة عند 80-100% من الحمل الأقصى)، وكثافة طاقة أعلى، ووزن أخف، وقدرة شحن أسرع، واستقرار حراري ممتاز، كما أنها لا تحتاج إلى صيانة تقريبًا. كفاءتها أعلى بشكل ملحوظ عند 90-99%. يُعد LiFePO4 الخيار الأمثل لمشاريع الإضاءة الشمسية الحديثة، خاصةً عندما تكون الموثوقية طويلة الأمد وانخفاض التكلفة الإجمالية للملكية من الأولويات.

تعظيم عمر البطارية: العوامل المؤثرة على عمر بطارية الألواح الشمسية

لا يُحدَّد عمر البطارية الشمسية بنوعها فحسب، بل أيضًا بكيفية استخدامها وصيانتها. ومن العوامل الرئيسية المؤثرة على طول عمر البطارية:

• عمق التفريغ (DoD):يؤدي تفريغ البطارية بعمق أكبر (استنزافها أكثر) إلى تقليل عمرها الافتراضي. تدوم البطاريات لفترة أطول عند تفريغها إلى عمق أقل.
• درجة حرارة:يمكن لدرجات الحرارة القصوى (سواءً كانت ساخنة أو باردة) أن تُضعف أداء البطارية بشكل كبير وتُقصّر عمرها الافتراضي. بالنسبة لبطاريات LiFePO4، تُسرّع درجات الحرارة العالية من نفاذ سعتها، بينما يُمكن للبرودة الشديدة أن تُقلل من سعتها القابلة للاستخدام وتُؤثر على معدلات الشحن.
• معدلات الشحن/التفريغ:قد يؤدي شحن البطارية أو تفريغها بسرعة كبيرة إلى إجهاد مكوناتها الداخلية وتقليل كفاءتها.
• الشحن المناسب:الشحن الزائد أو ناقص الشحن قد يُسبب ضررًا لا رجعة فيه. فالشحن الزائد قد يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة وتحلل الإلكتروليت (في بطاريات الرصاص الحمضية)، بينما يؤدي نقص الشحن (خاصةً في بطاريات الرصاص الحمضية) إلى تراكم الكبريتات، مما يُقلل من السعة.
• الصيانة (للبطاريات الرصاصية الحمضية):إن إجراء فحوصات منتظمة لمستويات الإلكتروليت والجاذبية النوعية أمر بالغ الأهمية بالنسبة لبطاريات الرصاص الحمضية المغمورة.
• جودة المكونات:يعد نظام إدارة البطارية عالي الجودة (BMS) لبطاريات LiFePO4 ضروريًا لتحقيق التوازن بين الخلايا والحماية من الشحن الزائد/التفريغ وإدارة درجة الحرارة، مما يساهم بشكل مباشر في إطالة عمر البطارية.

دور وحدات التحكم في الشحن: تحسين تدفق الطاقة وصحة البطارية

تُعدّ وحدات التحكم بالشحن وسيطًا حيويًا بين اللوحة الشمسية والبطارية، حيث تلعب دورًا حاسمًا في تحسين نقل الطاقة وحماية البطارية. هناك نوعان رئيسيان منها: تعديل عرض النبضة (PWM) وتتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT).

• وحدات التحكم في الشحن PWM:هذه أبسط وأقل تكلفة عمومًا. تعمل عن طريق خفض جهد اللوحة الشمسية ليتناسب مع جهد البطارية أثناء مرحلة الشحن الشامل، ثم