كيف يعمل النظام الشمسي المنزلي؟

0:00 لوح واحد ومصباح

إذا وضعت لوحا شمسيا فوق سطح منزلك، ووصلت به مصباحا، فقد أنشأت نظام طاقة شمسية بسيطا. لكن لوحا واحدا قد يشغل عدة مصابيح فقط، بينما تحتاج ثلاجتك إلى قدرة أكبر بكثير.

0:16 صفّ الألواح وموصلات MC4

لذلك، نصف عدة ألواح، ونوصل الموصل الذكر في كل لوح بالموصل الأنثى في اللوح الذي يليه، وفق تصميم السلسلة، وهذه موصلات من نوع MC4، أو ما يسمى بالإنجليزية MC4 connectors.

0:33 التوصيل على التوالي

وعند توصيل عشرة ألواح على التوالي، يزداد جهد السلسلة تقريبا مع عدد الألواح، أما القدرة الكلية فتعتمد على جهد وتيار كل لوح وعلى ظروف التشغيل. هذا هو التوصيل على التوالي، أي توصيل الألواح في سلسلة.

0:51 ميل الألواح ونظام التثبيت

ولكن، إذا تركت الألواح مسطحة على السطح، فقد يتراكم عليها الغبار ومياه الأمطار، كما أن أشعة الشمس لن تسقط عليها بالزاوية الأفضل طوال اليوم. لذلك، نثبتها بمسامير وقواعد معدنية على ميل مناسب لموقع المنزل، وفي السعودية نوجهها عادة نحو الجهة الأقرب إلى خط الاستواء، مع تحقيق زاوية ميل مناسبة لموقع المشروع. وبهذا تستقبل الألواح ضوء الشمس بشكل أفضل، وينساب ماء المطر ويتقلل تراكم الغبار. وتسمى هذه الهيكلة المعدنية: نظام التثبيت، أو ما يسمى بالإنجليزية Racking system.

1:34 التيار المستمر DC والمتناوب AC

تولد الألواح تيارا مستمرا (DC)، أي تيار Direct Current، يسري في اتجاه واحد في الدائرة، بينما تعمل أحمال المنزل على تيار متناوب (AC)، أي Alternating Current، يعكس اتجاهه دوريا بتردد ستين هرتزا، أي ستين دورة في الثانية. ولا يوصل التيار المستمر بأحمال التيار المتناوب مباشرة؛ فمحرك الثلاجة يحتاج إلى جهد وتيار متناوبين مناسبين لتصميمه.

2:07 العاكس Inverter

لذلك، نضيف جهازا إلكترونيا يحول التيار المستمر إلى تيار متناوب مناسب لأحمال المنزل. وهذا هو جهاز تحويل الطاقة، أي: العاكس، أو ما يسمى بالإنجليزية Inverter.

2:22 الليل والنظام المرتبط بالشبكة

ولكن، عندما يحل الليل، لا تنتج الألواح طاقة شمسية تذكر. فما الحل؟ نبقي المنزل متصلا بالشبكة العامة. يوصل خرج العاكس بلوحة التوزيع الكهربائية، أو ما يسمى بالإنجليزية Distribution board، وقواطع الحماية، بجانب التوصيل القادم من شبكة الكهرباء. في النهار، تغذي الطاقة الشمسية أحمال المنزل عبر العاكس، وعند ضعف الإنتاج أو في الليل، تغذي الشبكة العامة الأحمال. وهذا هو النظام المرتبط بالشبكة، أو ما يسمى بالإنجليزية Grid-tied system.

3:00 الفائض والعداد ثنائي الاتجاه

وعند اشتداد الشمس، قد تنتج الألواح طاقة أكبر من استهلاك المنزل، فيمكن أن يتجه الفائض إلى الشبكة، إذا كان ذلك مسموحا ومعتمدا في ربط المشروع. وعندئذ، يستخدم عداد ثنائي الاتجاه، أو ما يسمى بالإنجليزية Bidirectional meter، ليقيس الطاقة المستوردة من الشبكة، والطاقة المصدرة إليها، أما طريقة المحاسبة فتعتمد على لوائح واتفاقية الربط المعتمدة. وهذا هو العداد ثنائي الاتجاه. وقد ينخفض استهلاكك من الشبكة، وبالتالي قد تنخفض قيمة الفاتورة وفق نظام الفوترة.

3:41 الظل وثنائيات التجاوز

ولكن، في أحد الأيام، قد يلقي مكيف السطح ظله على لوح واحد. وإذا كانت الألواح مرتبطة في سلسلة، فقد يقلل اللوح المظلل تيار السلسلة، كما تقلل قدم تضغط على خرطوم ماء من مرور الماء فيه. والحل الموجود في كثير من الألواح هو صندوق التوصيل الصغير، أو ما يسمى بالإنجليزية Junction box، الموجود في الجهة الخلفية. فداخله ثنائيات تسمح للتيار بالمرور في مسار تجاوزي حول جزء مظلل من الخلايا. وتسمى هذه ثنائيات التجاوز، أو ما يسمى بالإنجليزية Bypass diodes، وهي تحد من تأثير الظل في السلسلة، ولا تعني أن اللوح المظلل سيحتفظ بكامل قدرته.

4:27 انقطاع الشبكة ومنع التشكل الجزري

وفي يوم مشمس، إذا انقطعت الشبكة في الحي، فقد يتوقف نظام الألواح المرتبط بالشبكة عن تغذية المنزل. فلو استمر النظام في دفع الطاقة إلى خطوط الشبكة، فقد يتعرض فني الصيانة لصعقة خطرة، وهو يظن أن الخط مفرغ من الطاقة. لذلك، يراقب العاكس وجود جهد الشبكة، وإذا اكتشف انقطاعه، يفصل خرجه آليا، لتبقى خطوط الشبكة معزولة عن نظامك. وتسمى هذه الحماية: حماية منع التشكل الجزري، أو ما يسمى بالإنجليزية Anti-islanding protection. لذلك، إذا انقطعت الكهرباء وأصبح منزلك مظلما، فليس ذلك دليلا على أن الألواح تالفة. بل إن العاكس يطبق حماية ضرورية لسلامة فنيي الشبكة.

5:17 البطاريات والنظام الهجين

وإذا أردت تغذية أحمال محددة حتى عند انقطاع الشبكة، فنظامك يحتاج إلى بطاريات وعاكس هجين، أو ما يسمى بالإنجليزية Hybrid inverter. نستبدل العاكس بعاكس هجين، ونضيف بنكا من البطاريات، فيخزن جزء من الفائض النهاري ليستخدم ليلا أو عند انقطاع الشبكة. وعند انقطاع الشبكة، يفصل العاكس الهجين أحمال المنزل عن الشبكة، ويبقي دائرة الأحمال الاحتياطية مغذاة من البطاريات، فيبقى الضوء مضاء دون أن تغذى خطوط الشبكة من خلف العداد. وهذا هو النظام الشمسي الهجين، أو ما يسمى بالإنجليزية Hybrid system.

6:00 الخلاصة والمعمل المجاني

أنا فهد رفاعي. للمزيد من المعلومات، وللدخول إلى معمل الطاقة الشمسية المجاني، ولاستكشاف عدد كبير من الأنظمة التي تحاكي الأنظمة الكهربائية، يمكنك زيارة موقعي: fahadapp.com.