دورة تعلم تركيب الطاقة الشمسية بنفسك خطوة بخطوة (الدرس الرابع ) : بطاريات الطاقة الشمسية, مواصفاتها, انواعها, طريقة توصيلها و حساب سعتها

في هذا الدرس الرابع من هذه الدورة سنتعرف على العنصر المسؤول عن تخزين الطاقة الشمسية و هو بطاريات الطاقة الشمسية. حيث سنعرض في هذا الدرس مواصفات البطاريات و انواعها و طريقة توصيلها و كيفية عمل حساب سعتها اللازمة في نظام الطاقة الشمسية.لكن قبل ذلك يجب أن نعرف الحالات التي تستوجب استعمال بطاريات الطاقة الشمسية و الحالات التي لا تستحق بطاريات لتخزين الطاقة.

متى نستعمل بطاريات الطاقة الشمسية ؟

إن الانظمة الشمسية المتصلة بالكهرباء العمومي لا تستحق بطاريات طاقة شمسية و ذلك كما شاهدنا في الدرس الأول في أنواع أنظمة الطاقة الشمسية. وذلك نظرا لأن الكهرباء العمومي يمثل المخزن الدائم للكهرباء في حالات غياب الشمس. أما الانظمة الشمسية التي لا تتصل بالكهرباء العمومي فهي تستحق بطاريات الطاقة الشمسية لتخزين الطاقة في حالات عدم توفر الاشعاع الشمسي اللازم. و ذلك خاصة في حالات التطبيقات التي لا يجب إطلاقا أن تنقطع عنها الكهرباء مثل الساعة التي تعمل بالطاقة الشمسية. بل أكثر من ذلك, فان هذا النوع من التطبيقات يستوجب بطاريات بسعة كبيرة جدا تكفيها لايام كثيرة من العمل دون اشعاع شمسي. و في الانظمة المنفصلة توجد حالتان لا تستوجبان استعمال بطاريات الطاقة الشمسية و هما:

-حالة استعمال الآلات أثناء وجود اشعاع شمسي فقط. في هذه الحالة لا حاجة لنا الى تخزين الطاقة بما أننا نستعمل الطاقة الشمسية مباشرة من الالواح فقط

-حالة وجود وسيلة أخرى لتخزين الطاقة مثل نظام مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية. ففي هذه الحالة يمكن تخزين المياه في مخزن مائي بعد ضخها اثناء تواجد اشعاع شمسي كاف. و في حالة غياب الشمس نستعمل خزان الماء بدل المضخة.

مواصفات البطاريات

من أجل اختيار بطاريات الطاقة الشمسية المناسية لنظام الطاقة الشمسية الخاص بنا يجب أن نعرف أولا ما هي مواصفات البطاريات. ومن أهم هذه المواصفات نذكر:

-الجهد الكهربائي :

و هو من أهم مواصفات البطاريات و أشهرها ويعرف كذلك بفرق الجهد الكهربائي او القوة الكهربائية الدافعة او الفولتية. و الجهد الكربائي هو الفرق في قيمة الطاقة الكهربائية (الكمون الكهربائي) بين قطبي البطارية. كما يعرف كذلك على أنه القوة الدافعة للالكترونات من القطب السالب الى القطب الموجب.الوحدة المستعملة لقياس الجهد الكهربائي هي الفولط. و افضل طريقة لفهم الكهرباء هي مماثلته بالماء.فالجهد الكهربائي يمكن أن نمثله بارتفاع مستوى الماء أو بالضغط كما توضح أكثر الصور التالية:

من أكثر البطاريات شيوعا نذكر بطاريات الرصاص (Plomb او Lead-acid) و جهدها الكهربائي عادة 12 فولط (6 عناصر).

-جهد الشحن :

و هي تمثل أقل قيمة جهد كربائي لازمة لشحن البطارية . كمثال فإن بطاريات البلومب ذات جهد 12 فولط تستوجب جهد شحن يتراوح بين 13.2 و 14.4 فولط لشحنها بطريقة جيدة.

-قدرة البطارية أو CAPACITY :

القدرة (capacity) هي من أهم مواصفات البطاريات. فهي القيمة التي نبحث عنها عند القيام بحساب بطاريات الطاقة الشمسية. وهي تمثل كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في البطارية. لذلك يمكن أن نسميها سعة البطارية. وحدة قياس قدرة البطارية هي Ah اي حاصل ضرب التيار المستخدم (بالامبير) في الوقت اللازم لتفريغ البطارية (بالساعة).

و يجب أن نعلم كذلك أن درجة الحرارة تأثر على قدرة البطارية. فقدرة البطارية تكون أفضل في فصل الصيف من فصل الشتاء. و ذلك لان التفاعلات الكيميائية عادة تكون اسرع عند ارتفاع درجة الحرارة. يمكن أن نعرف قدرة البطارية بأنها قدرتها على نقل قيمة محددة من التيار في ظرف ساعة. فمثلا لو أخذنا بطارية ذات قدرة 50AH و ربطناها بجهاز يستهلك 50A من التيار هذا يعني ان المدة اللازمة لافراغ البطارية من الطاقة هي ساعة واحدة. ماذا لو ربطنا نفس البطارية مع جهاز كهربائي يستهلك 25A. في هذه الحالة الوقت اللازم لتفريغ البطارية هو : 50 / 25 = 2 ساعة. طبعا هي الطريقة غير دقيقة 100 % لان مدة افراغ البطارية مرتبطة بنوع البطارية و لان قيمة القدرة التي حددها المصنع للبطارية هي خاصة بظروف تجريبية معينة كالحرارة و تيار المستهلك. و عادة هذه الحرارة التجريبية تكون قيمتها 25 درجة و مدة افراغ الشحن التجريبية تكون 20 ساعة.

-معدل التفريغ  (DISCHARGE RATE) :

معدل التفريغ أو ما يسمى كذلك معدل سي (C Rate) للتفريغ يمثل الحد الأقصى للتيار الذي يمكن للبطارية أن تنقله. و ليتضح الحال فلنطبق ذلك على مثالنا السابق للبطارية ذات قدرة 50AH. و لنفرض أن معدل التفريغ لهذه البطارية هو 1C. في هذه الحالة التيار الاقصى الذي يمكن أن تنقله البطارية هو 50A اي ان الجهاز المستقبل (المتصل مع البطارية) لا يستطيع أن يستهلك اكثر من 50A. اما إذا كان معدل التفريغ لهذه البطارية هو 2C فإن اقصى تيار يمكن لهذه البطارية هو 100A. اي اننا نضرب القدرة في عدد معدل التفريغ. لكن طبعا اذا زاد استهلاك التيار نقصت مدة تفريغ البطارية كما راينا في الفقرة السابقة. ففي حالة استهلاك 100A من نفس البطارية 50AH ستكون مدة التفريغ 50 / 100 = نصف ساعة.

-معدل الشحن (CHARGE RATE) :

معدل الشحن او معدل سي للشحن (max charge C Rate) يمثل الحد الأقصى للتيار الذي يمكن تشحن به البطارية. فمثلا لو كان معدل الشحن الأقصى لبطاريتنا ذات قدرة 50AH هو 1C اذن هذا يعني اننا لا نستطيع شحنها باكثر من 50A. و في هذه الظروف ستكون مدة الشحن هي ساعة واحدة. يجب أن نعرف أن الشحن البطيء بتيار ذو قيمة منخفضة يساعد على الابقاء على عمر البطارية بالاضافة الى انه يحسن كفاءة الشحن. و إن معدل الشحن الجيد لاغلب البطاريات هو C/10 او 0.1C اي اصغر من قدرة البطارية بعشر مرات في مثالنا التيار الجيد للشحن هو 5A. لكن هذا المعدل وصل الى C/500 في بعض البطاريات الحديثة.

-عمق تفريغ الشحن الاقصى (DOD) :

هناك بعض انواع البطاريات التي لا يمكنها إخراج كل الطاقة المخزونة بداخلها, مثل بطاريات lead-acid. ومن هنا اتى تعريف عمق تفريغ الشحن (Depth Of Discharge) و هو يمثل النسبة المائوية من سعة او قدرة البطارية التي يمكن استعمالها بدون ضرر البطارية طبعا. فمثلا بطاريات Lead-Acid القديمة لا يمكنها تحمل تفريغ شحن كبير لذلك ظهر فرع جديد من هذه البطاريات يسمى ببطاريات تفريغ الشحن العميق Deep cycle battery. وهذه البطاريات يتراوح عمق تفريغ شحنها بين 45 الى 75 بالمائة و ذلك حسب معطيات الصانع (حسب ويكيبيديا). لذلك عندما نحسب المدة اللازمة لتفريغ البطارية يجب ان نضرب النتيجة في 0.6 مثلا اذا كنا نستمل بطارية lead-acid.

ولهذا السبب لا يمكننا استعمال البطاريات العادية كبطاريات السيارة في نظام الطاقة الشمسية فهي غير مصممة لتحمل افراغ شحن عميق.و إن ركبناها في نظام الطاقة الشمسية فإنها لن تدوم كثيرا لان عدد دورات الحياة الاقصى (عدد مرات افراغ الشحن الاقصى قبل انتهاء عمر البطارية) قليل في حالة البطارية العادية.

في الصور التالية لاحظ تغير عدد دورات الحياة مقارنة بنسبة افراغ الشحن DOD لانواع بطاريات مختلفة.

هذا الجدول يبين الفرق الواضح في عدد دورات الحياة بين بطاريات Lead-acid العادية او تسمى ايضا بطاريات البداية (Starter battery) و بين بطاريات افراغ الشحن العميق Deep-cycle battery. الشيء الثاني الذي يمكن ملاحظته من هذا الجدول هو نقصان عدد دورات الحياة مع زيادة نسبة تفريغ الشحن.

هذا الجدول الثاني يبين تغير عدد دورات الحياة مقارنة بنسبة افراغ الشحن لدى بطاريات Ni-Mh و بطاريات Li-ion

هذا المنحنى يبين تغير عدد دورات حياة احد البطاريات مع تغير نسبة افراغ الشحن DOD

بعض انواع بطاريات الطاقة الشمسية, محاسنها و مساوئها

بطاريات الرصاص LEAD ACID المفتوحة FLA

سميت بهذا الإسم لأن فيها سائل يجب تغييره كل فترة معينة (كبطاريات السيارة). و هذا النوع من البطاريات هو الأقدم و الأكثر استعمالا. وكما قلنا سابقا يجب التفريق بين بطاريات البداية او الانطلاق Starter battery و بطاريات افراغ الشحن العميق Deep-cycle battery المناسبة لنظام الطاقة الشمسية. تتراوح قدرة البطاريات المفتوحة الخاصة بالطاقة الشمسية بين 100 و 500 AH. وعمرها قد يصل الى 10 سنوات.

بطاريات الرصاص العازلة للماء (المغلقة) VRLA

هذا النوع من بطاريات الطاقة الشمسية شبيه بالنوع الأول إلا أنه لا يستحق تغيير اي سائل اي انه لا يستحق صيانة. و ينقسم هذا النوع بحد ذاته الى ثلاثة انواع أخرى وهي :Gel , Wet و Agm.

ان المحاسن الرئيسية لبطاريات الرصاص بنوعيها هي كالآتي:

-طول عمرها المفترض

-نتيجة الجودة/السعر جيدة. اي السعر جيد مقارنة بالجودة.

-لا تستحق هذه البطاريات صيانة كبيرة او لا تستحقها اطلاقا مع البطاريات العازلة.

-بامكانها ان تشحن بتيار ضعيف

-يمكنها ان تقاوم درجات الحرارة الخارجية بشكل جيد.

و مع هذه الايجابيات لبطاريات الرصاص يجب اخذ هذه الاحتياطات اللازمة للمحافظة عليها :

-تجنب الشحن الزائد للبطاريات و تجنب تتجاوز نسبة تفريغ الشحن النسبة القصوى التي حددها الصانع. و هذا هو دور منظم الشحن كما ذكرنا في الدرس السابق من هذه الدورة.

-عند تخزين هذا النوع من البطاريات في حال عدم استخدامها يجب أن تكون مشحونة بالكامل. و ذلك عن طريق شحنها كل ثلاثة أو ستة اشهر. و ذلك للحفاظ عليها من التلف.

بطاريات النيكل والكادميوم NI-CD و بطاريات النيكل و هيدريد المعادن NI-MH

هذان النوعان من بطاريات الطاقة الشمسية متشابهان و تتشاركان في بعض المحاسن و المساوئ. و من محاسن هذه البطاريات المشتركة:

-توفرها بقدرات صغيرة و باشكال مختلفة. قدرتها تتراوح بين 30mAh و 2000mAh.

-حجمها اصغر من حجم بطاريات الرصاص (مقارنة بقدرة موحدة).

-متوفرة بقيم مختلفة للجهد الكهربائي: 2.4 فولط, 3.6 فولط, 4.8 فولط, 12 فولط …

-تقاوم ارتفاع درجات الحرارة بكيفية جيدة جدا.

لكن من مساوئ هذا النوع من بطاريات الطاقة الشمسية نذكر:

-لديها افراغ شحن تلقائي

-شحنها صعب في دراجات الحرارة تقل عن 0 درجة.

-لديها خاصية تسمى بأثير الذاكرة Memory effect. و هذا يعني ان هذه البطاريات لو اعتادت على تفريغ شحنها الى نسبة 25% مثلا من جملة سعتها  لمدة زمنية معينة ستظن ان سعتها الجملية هي 75% فقط, اي اننا خسرنا 25% من سعة البطارية.

بطاريات الليثيوم LI-ION

تستعمل بطاريات الليثيوم اليوم في الكثير من الاجهزة المحمولة كالحواسيب المحمولة و ذلك بسبب صغر حجمها و خفة وزنها مقارنة بسعتها. و لذلك تستعمل في السيارات الكهربائية التي لا تحبث الوزن الثقيل. و من مميزات هذه البطارية كذلك أنها سريعة الشحن. لكن رغم ذلك فإن هذا النوع من البطاريات لا يعتبر متأقلما بدرجة كبيرة مع نظام الطاقة الشمسية, وذلك لأنها تستوجب طريقة شحن دقيقة جدا. أي أنها لا تستطيع التأقلم مع التيار المتغير بشدة الذي تولده الألواح الشمسية.

بالإضافة إلى ذلك فإن بطاريات الليثيوم معروفة بالأضرار التي تستببها في حالة تجاوزها للحد الأقصى لشحهنها المسموح. و هذا يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها أو انفجارها في بعض الأحيان. لهذا السبب فإن استعمال منظم شحن ذو جودة عالية مع بطاريات الليثيوم في نظام الطاقة الشمسية أمر لا غنى عنه. خاصة و أن الجهد المتأتي من الألواح عادة ما يتجاوز بكثير جهد شحن البطاريات.

طريقة اختيار بطاريات الطاقة الشمسية مقارنة بمميزاتها و ثمنها

من الصعب أن تجدوا هذه الطريقة السحرية و العجيبة في مكان آخر. لأنها ببساطة طريقة خاصة بمدونة العلوم سبيلنا  . تسمح لكم هذه الطريقة بعمل تقييم لاي بطارية بعملية حسابية بسيطة بدون أخذ نوعية البطارية بعين الإعتبار. هذا التقييم يأخذ بعين الاعتبار خمس معلومات عن البطارية: ثمنها و كفائتها و سعتها بال KWH و عدد دورات حياتها و نسبة تفريغ الشحن الخاص بها DOD.

سعة البطارية بال KWH نحصل عليه عن طريق ضرب قدرتها (AH) في جهدها (مثلا 12 فولط).

كفاءة البطارية تسمى أيضا كفاءة الجولة او كفاءة الشحن و التفريغ (Roundtip efficiency) وهو مصطلح يستعمل مع خزانات الطاقة. و تعتبر قيمة كفاءة البطاريات جيدة مقارنة بخزانات الطاقة الأخرى فهي تتراوح عادة بين 75% و 95% .

تقييم البطارية يكون عن طريق هذه العملية الحسابية البسيطة:

التقييم= (الكفاءة*DOD*عدد الدورات*سعة البطارية (KWH)) /  ثمن البطارية

فلنطبق هذه العملية على البطاريتين التاليتين:

بطارية 1 : كفاءة: 92 بالمائة , DOD يساوي 50 بالمائة , عدد الدورات مع هذا الDOD يساوي 2000 دورة, سعتها: 7KWH. وثمنها 3000 دولار.

بطارية 2 : كفاءة: 80 بالمائة , DOD يساوي 50 بالمائة , عدد الدورات مع هذا الDOD يساوي 3000 دورة, سعتها: 8.2KWH. وثمنها 3100 دولار.

تقييم البطارية 1 = (0,92 * 0.5 * 2000 * 7) / 3000 = 2.14

تقييم البطارية 2 =(0.8 * 0.5 * 3000 * 8.2) /3100 = 3.17

اذن في هذه الحالة البطارية رقم 2 هي الافضل من ناحية السعر و قدرتها الطاقية فقط.

حساب سعة بطاريات الطاقة الشمسية

حساب سعة بطاريات الطاقة الشمسية او قدرتها بال AH هو من اسهل حسابات نظام الطاقة الشمسية. فكل ما علينا فعله هو تطبيق العملية الحسابية التالية:

قدرة البطاريات اللازمة= (الطاقة المستهلكة *  ايام العمل الذاتي) / (كفاءة البطارية*DOD*جهد البطارية الاجمالي)

الطاقة المستهلكة هي الطاقة التي يستهلكها المنزل في اليوم الواحد. في مثالنا في درس الالواح الشمسية من هذه الدورة هذه الطاقة مساوية ل 8000 WH في اليوم.

نقصد بأيام العمل الذاتي عدد الايام التي نريد ضمان وجود الطاقة فيها حتى في حالة عدم وجود شمس. أي عدد الأيام التي بإمكان البطاريات ان تزود فيها المنزل بالطاقة بمفردها.

لنواصل حساب مثالنا السابق و لنفرض أننا نريد أن نكون بطارية بجهد 24 فولط و نريد ثلاثة أيام من العمل الذاتي. و لنفرض أن كفاءة البطارية التي سنركبها هي 92 بالمائة و أن عمق إفراغ الشحن فيها DOD هو 70 بالمائة. إذن قدرة البطارية ستكون كالآتي:

سعة البطارية = (8000*3)/(0.92 * 0.7 * 24)= 1553 AH اي قرابة 37 KWH

ان اختيار جهد البطارية الاجمالي مرتبط بمنظم الشحن كما رأينا في الدرس السابق و مرتبط كذلك بالجهد الداخل الذي يتحمله الانفرتر كما سنرى في الدرس القادن إن شاء الله. لكن هذا الجهد عادة ما يكون 12 , 24 , 48 او 60 فولط.و كلما زادت الطاقة المستهلكة من المستحسن ان نزيد الفولتية حتى ننقص من قوة التيار و لا يصير كبيرا جدا. فكما راينا في درس منظم الشحن فقد وصل التيار الى 75 امبير. و ذلك رغم أننا فرضنا ان جهد البطاريات 24 فولط, فماذا لو كانت 12 فولط فقط.

توصيل بطاريات الطاقة الشمسية: بالتسلسل أم بالتوازي

إن تركيب البطاريات شبيه تماما بتركيب الألواح الشمسية كما سبق و ذكرنا. فإن أردنا أن نزيد من الجهد نقوم بتوصيل البطاريات بالتساوي. و إن أردنا أن نزيد من التيار أو القدرة نزيد عدد البطاريات المركبة بالتوازي. و إن أردنا زيادتهما معا نقوم بالتوصيل المزدوج ( بالتوازي و التسلسلل معا). أي أننا نتحكم بالجهد و القدرة كما نشاء. لاحظ في الصورة التالية تغير الجهد(V) الو القدرة (AH) مع نوع من أنواع توصيل البطاريات.

في هذه الصورة لدينا  أربع بطاريات ذات جهد 12 فولط و قدرة 100 AH . في أقصى يمين الصورة قمنا بتوصيل البطاريات بالتسلسل و هذا ما أدى إلى زيادة الجهد و المحافظة على قيمة القدرة. فصارت قيمة الجهد 4*12 = 48 فولط. و في أقصى يسار الصورة قمنا بتوصيل بطاريات الطاقة الشمسية بالتوازي. فحافظنا بالتالي على الجهد 12 و فولط و زدنا في قيمة القدرة: 100 * 4 = 400 Ah. و في المثال المتبقي قمنا بتوصيل البطاريات بطريقة مزدوجة. اي اننا قمنا بعمل سلسلتين كل واحدة منهما متكونة من بطاريتين, و هذا ما زاد الفولتية إلى 24 فولط. ثم قمنا بعد ذلك بربط السلسلتين بالتوازي و هذا ما ادى زيادة القدرة فصارت 200 AH.

ملاحظة: يمكننا نظريا أن نقوم بتوصيل البطاريات كما نشاء. لكن تطبيقيا يجب أن نحاول أن لا نقوم بتوصيل أكثر من سلستين من البطاريات بالتوازي لأن هذا يؤدي الى استعمال غير متساو للبطاريات.حيث أن البطاريات التي في الوسط ستسعمل أقل من البطاريات التي في الاطراف. وهذا يسبب تفاوت في أعمار البطاريات. أما في السلسلتين يمكننا أن نختار العدد الذي نريده من البطاريات المتسلسلة.

وهذا مثال في الصورة التالية لتوصيل غير منصوح به للبطاريات. توصيل خمسة سلاسل من البطاريات بالتوازي.

ارجو أن يكون هذا الدرس واضحا و مفهوما للجميع. ولا تبخلوا بالتعليق إن كان لديكم أي استفسار أو إضافة. لا تنسونا من صالح الدعاء.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

دورة تعلم تركيب الطاقة الشمسية بنفسك خطوة بخطوة اعداد  المهندس صابر سعيد 

الدرس الاول  //  الدرس الثاني   //   الدرس الثالث   //    الدرس الرابع  //   الدرس الخامس   //   الدرس السادس 

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ