بطاريات الطاقة الشمسية واهم انواعها ومواصفات البطاريات وانواعها وطريقة توصيلها وعمل طرق حساب سعتها اللازمة في نظام الطاقة الشمسية بطرق سهلة وبسيطة.
تحية طيبة لكم جميعا متابيعي مدونة برهوم للمعلوميات نقدم لكم في هذه المقالة عن
بطاريات الطاقة الشمسية واهم انواعها حيث سنعرض في هذه المقالة مواصفات البطاريات وانواعها وطريقة توصيلها وكيفية 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 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، وذلك خاصة في حالات لا يجب إطلاقا أن تنقطع عنها الكهرباء مثل الساعة التي تعمل بالطاقة الشمسية والمستشفيات والمصانع لان هذا النوع من يستوجب بطاريات بسعة كبيرة جدا تكفيها لايام كثيرة من العمل دون اشعاع شمسي وفي 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 وفي حالة غياب الشمس نستعمل خزان الماء بدل المضخة.
ماهي اهم مواصفات البطاريات؟
في هذه لصوره. مقارنة بسيطة بين بعض انواع البطاريات ومواصفاتها:
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 :
وهو من أهم مواصفات البطاريات و أشهرها ويعرف كذلك بفرق الجهد الكهربائي او القوة الكهربائية الدافعة او الفولتيةوالجهد الكهربائي 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:
الفولت وهو افضل طريقة لفهم الكهرباء هي مماثلته بالماء فالجهد الكهربائي يمكن أن نمثله بارتفاع مستوى الماء أو بالضغط.
ماهي اهم البطاريات شيوعا في العالم؟
1- بطاريات الرصاص (Plomb او Lead-acid) و جهدها الكهربائي عادة 12 فولت،جهد الشحن :
وهي تمثل أقل قيمة جهد كهربائي لازمة لشحن البطارية، مثل بطاريات البلومب ذات جهد 12 فولت تستوجب جهد شحن يتراوح بين 13.2 و 14.4 فولت لشحنها بطريقة جيدة.
ماهي قدرة البطارية أو CAPACITY؟
القدرة (capacity) هي من أهم مواصفات البطاريات: فهي القيمة التي نبحث عنها عند القيام بحساب بطاريات الطاقة الشمسية ،تمثل كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في البطارية،لذلك يمكن أن نسميها سعة البطارية، وهي وحدة قياس قدرة البطارية هي Ah اي حاصل ضرب التيار المستخدم (بالامبير) في الوقت اللازم لتفريغ البطارية (بالساعة).أن درجة الحرارة تأثر على قدرة البطارية،فقدرة البطارية تكون أفضل في فصل الصيف من فصل الشتاء،وذلك 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 وتيار المستهلك، وعادة هذه الحرارة التجريبية تكون قيمتها 25 درجة و مدة افراغ الشحن التجريبية تكون 20 ساعة.
ماهو معدل التفريغ (DISCHARGE RATE) ؟
معدل التفريغ أو ما يسمى كذلك معدل سي (C Rate) للتفريغ يمثل الحد الأقصى للتيار الذي يمكن للبطارية أن تنقله،اذا كان لدينا بطارية ذات قدرة 50AH، ولنفرض 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 هو100A، اي اننا نضرب القدرة في عدد معدل التفريغ، لكن طبعا اذا زاد استهلاك التيار نقصت مدة تفريغ البطارية، استهلاك 100A من نفس البطارية 50AH ستكون مدة التفريغ 50 / 100 = نصف ساعة.ماهو معدل الشحن (CHARGE RATE)؟
هو 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،وإن معدل الشحن الجيد لاغلب البطاريات هو C/10 او 0.1C اي اصغر من قدرة البطارية بعشر مرات،مثال للتيار الجيد للشحن هو 5A، لكن هذا المعدل وصل الى C/500 في بعض البطاريات الحديثة.ماهو عمق تفريغ الشحن الاقصى (DOD)؟
هناك بعض انواع البطاريات التي لا يمكنها إخراج كل الطاقة المخزونة بداخلها, مثل بطاريات lead-acid،التى تعرف عمق تفريغ الشحن (Depth Of Discharge) و هو يمثل النسبة المائوية من سعة او قدرة البطارية التي يمكن استعمالها بدون ضرر البطارية،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 وذلك 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،وإن 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.
اهم انواع البطاريات الطاقة الشمسية،محاسنها ومساوئها:
بطاريات الرصاص LEAD ACID المفتوحة FLAسميت بهذا الإسم لأن فيها سائل يجب تغييره كل فترة معينة (كبطاريات السيارة)،وهذا النوع من البطاريات هو الأقدم و الأكثر استعمالا،يجب التفريق بين بطاريات البداية اوالانطلاق 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،وينقسم هذا النوع بحد ذاته الى ثلاثة انواع أخرى وهي :Gel , Wet و Agm.
ماهي المحاسن الرئيسية لبطاريات ؟
هي كالآتي:طول عمرها المفترض
نتيجة الجودة/ 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.
ومع هذه الايجابيات لبطاريات الرصاص يجب اخذ هذه الاحتياطات اللازمة للمحافظة عليها :
تجنب الشحن الزائد للبطاريات وتجنب تتجاوز نسبة تفريغ الشحن النسبة القصوى التي حددها الصانع،وهذا هو دور منظم الشحن.
عند تخزين هذا النوع من البطاريات في حال عدم استخدامها يجب أن تكون مشحونة بالكامل،وذلك عن طريق شحنها كل ثلاثة أو ستة اشهر،وذلك 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،ومن محاسن هذه البطاريات المشتركةهي:
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 فولت, 3.6 فولت, 4.8 فولت, 12 فولت.
تقاوم ارتفاع درجات الحرارة بكيفية جيدة جدا.
اهم مساوئ هذا النوع من بطاريات الطاقة الشمسية نذكر منها:
لديها افراغ شحن تلقائي.
شحنها صعب في دراجات الحرارة تقل عن 0 درجة.
لديها خاصية تسمى بأثير الذاكرة Memory effect.
وهذا 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 الثالث.
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،وهذا 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.
ماهي طريقة اختيار بطاريات الطاقة الشمسية مقارنة بمميزاتها و ثمنها؟
طريقة اختيار البطاريات من الصعب أن تجدوا هذه الطريقة السحرية والعجيبة في مكان آخر لأنها ببساطة طريقة خاصة بمدونة برهوم للمعلوميات تسمح لكم هذه الطريقة بعمل تقييم لاي بطارية بعملية حسابية بسيطة بدون أخذ نوعية البطارية بعين الإعتبار وهذا 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 DODوهي:
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،وتعتبر 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 يساوي50 بالمائة , عدد الدورات مع هذا الDOD يساوي 2000 دورة, سعتها: 7KWH. وثمنها3000 دولار.
بطارية 2 : كفاءة: 80 بالمائة , DOD يساوي50 بالمائة , عدد الدورات مع هذا الDOD يساوي 3000 دورة, سعتها: 8.2KWH. وثمنها3100 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.
ان 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 درسالالواح 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 يتحملهالانفرتر كما سنرى في الدرس القادن إن شاء الله. لكن هذا الجهد عادة ما يكون 12 , 24 , 48 او 60 فولت.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 فولت 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. التالية تغير الجهد(V) الو القدرة (AH) مع نوع من أنواع توصيل البطاريات.بطاريات ذات جهد 12 فولت و قدرة 100 AH . 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 المتسلسل.
وفي ختام حدثي معكم عن انواع البطاريات وطرق حفاظ يها اتمنى أن اكون قدمت لكم ما تحتاجونه من معلومات دمتم بخير.