ما هي السعة المناسبة لأنظمة الطاقة الشمسية المنزلية؟

فهم احتياجات الطاقة اليومية وأساسيات حساب حجم النظام

كيفية حساب استهلاك الطاقة اليومي لتحديد حجم النظام بدقة

ابدأ بعمل قائمة بجميع الأجهزة في المنزل مع مقدار الطاقة التي تستهلكها، ثم قم بإدخال هذه الأرقام في المعادلة البسيطة التالية: الطاقة اليومية (كيلوواط ساعة) تساوي (القدرة بوحدة الواط مضروبة في عدد الساعات المستخدمة) مقسومة على 1000. خذ الثلاجة كمثال. إذا كانت تعمل باستمرار بقدرة 150 واط، فهذا يعادل حوالي 3.6 كيلوواط ساعة يوميًا. وجد استطلاع حديث أُجري في المملكة المتحدة في عام 2023 أن معظم المنازل تستخدم في الواقع ما بين 8 و 12 كيلوواط ساعة في المتوسط، ولكن يمكن أن يختلف هذا الرقم بشكل كبير اعتمادًا على عدد الأشخاص الذين يعيشون في المنزل ونوع نظام التدفئة المثبت. يوفر معرفة هذا الرقم نقطة بداية جيدة للمالكين عند التفكير في تركيب الألواح الشمسية أو إضافة أنظمة تخزين الطاقة الاحتياطية لتلبية احتياجاتهم المنزلية من الطاقة.

دور البطارية الشمسية في توحيـد القدرة مع توفر الطاقة المنزلية

تخزن البطاريات الشمسية الطاقة الفائضة الناتجة خلال النهار لاستخدامها في الليل أو أثناء انقطاع التيار الكهربائي. من بين الوظائف الأساسية ما يلي:

• تقليل الذروة تزويد الطاقة لمدة 3 إلى 5 ساعات لتلبية الطلب المسائي (الإنارة، ونظام التدفئة وتكييف الهواء، والأجهزة الإلكترونية)
• احتياطي الطوارئ : دعم الأحمال الأساسية مثل التبريد والمعدات الطبية لمدة 12–24 ساعة
• مطابقة موسمية : في المناخات الباردة، قم بزيادة السعة التخزينية بنسبة 20% لتعويض أيام الشتاء القصيرة

مطابقة تخزين بطارية الطاقة الشمسية مع ملفات تعريف الأحمال المنزلية لتحقيق أقصى استهلاك ذاتي

ألقِ نظرة جيدة على أرقام الاستخدام بالساعة في فاتورة الخدمات لتطابق حجم البطارية مع كمية الطاقة المستهلكة يوميًا. تحتاج معظم المنازل التي تعتمد على السيارات الكهربائية أو مضخات الحرارة عادةً إلى ما يتراوح بين 15 وحتى 20 كيلوواط ساعة من مساحة التخزين. أما المنازل ذات الكفاءة في استخدام الطاقة فعادةً ما تكتفي بحوالي 8 كيلوواط ساعة. تشير أحدث الدراسات من العام الماضي إلى أمر مهم يتعلق بالشهور الشتوية أيضًا، حيث يؤدي الطقس البارد إلى زيادة الطلب على الطاقة بنسبة تتراوح بين 30% و40% في العديد من المناطق. من المؤكد أن تؤخذ هذه الزيادة الموسمية بعين الاعتبار عند حساب أحجام البطاريات. ولا تنسَ ما يحدث عندما تنقطع الكهرباء، حيث يمكن للأنظمة الذكية لمراقبة الطاقة مدعومةً بالتخزين المناسب أن تتخذ تلقائيًا قرارات بشأن الأجهزة التي تظل قيد التشغيل مقابل تلك التي يتم إيقافها أولًا.

تقييم توفر أشعة الشمس والتأثير الجغرافي على السعة

كيف تحدد ساعات أشعة الشمس القصوى الحد الأدنى لسعة نظام الطاقة الشمسية

إن كمية أشعة الشمس القصوى التي تحصل عليها منطقة ما كل يوم تؤثر بشكل كبير على حجم النظام الشمسي المطلوب. خذ مثالاً على فونيكس مقابل بوسطن. فالمنازل هناك تحتاج إلى تركيبات بحجم مختلف بشكل ملحوظ لأن فونيكس تستمتع بحوالي 6.5 ساعة من أشعة الشمس القصوى مقارنةً بساعات بوسطن البالغة 4.1 ساعات فقط. هذا يعني أن السكان في المدينة الصحراوية يمكنهم الاكتفاء بحوالي 30 بالمائة أقل من الألواح الشمسية لتوليد نفس كمية الطاقة. كما تظهر الدراسات التي تبحث في العوامل الجغرافية شيئًا مثيرًا للاهتمام أيضًا. عندما تتلقى المناطق أقل من أربع ساعات من أشعة الشمس الجيدة يوميًا، تبدأ أنظمة الطاقة الشمسية على الأسطح عادةً بفقدان ما بين 12 إلى 18 بالمائة من كفاءتها. ولهذا السبب، يأخذ المصممون المتمسكون بالطاقة الشمسية بعين الاعتبار دائمًا الظروف المحلية أولًا قبل اقتراح أي خطة تركيب.

مقارنة إقليمية: إنتاج الطاقة الشمسية في جنوب غرب الولايات المتحدة مقابل شمال شرقها

تنتج المنازل في المنطقة الجنوبية الغربية حوالي 42 بالمئة أكثر من الطاقة الشمسية شهريًا مقارنة بتلك الموجودة في المنطقة الشمالية الشرقية. يعود هذا الفرق إلى التعرض الأفضل للشمس ولديها ببساطة سماء أكثر وضوحًا. نلقي نظرة على الأرقام الفعلية: فإن تركيبية قياسية بقوة 10 كيلوواط في نيو مكسيكو تولد حوالي 1,450 كيلوواط في الساعة شهريًا، في حين تصل التركيبات المماثلة في ماساتشوستس إلى حوالي 850 كيلوواط في الساعة. بسبب هذه الاختلافات، تحتاج التركيبات الشمسية في الغرب في كثير من الأحيان إلى حزم بطاريات أكبر لمعالجة الكهرباء الإضافية التي يتم جمعها. في الوقت نفسه، يحتاج سكان المنطقة الشمالية الشرقية إلى بذل جهد أكبر مع حلول التخزين فقط للتعامل مع أنماط الطقس غير المتوقعة وأيام قلة أشعة الشمس في تلك المنطقة.

تحديد حجم صفائف الطاقة الشمسية: قوة الألواح (الواط)، العدد، والتنازلات المتعلقة بالكفاءة

حساب السعة الكلية للنظام باستخدام قوة الألواح (الواط) وعددها

عند محاولة معرفة كمية الطاقة التي يمكن لنظام الطاقة الشمسية إنتاجها، تكون الحسابات الأساسية على النحو التالي: اضرب تصنيف الواط لكل لوحة بعدد اللوحات المركبة. خذ على سبيل المثال شخصًا يقوم بتركيب 25 لوحًا، كل منها مُسَمّى بـ 400 واط - وهذا يعطي حوالي 10 كيلوواط من الكهرباء التيار المستمر على الورق. ولكن ما يحدث فعليًا في الممارسة العملية يكون أقل من هذه الأرقام بنسبة تتراوح بين 15 إلى 25 بالمائة. لماذا؟ حسنًا، لا تعمل الألواح على مستويات أداء قصوى طوال اليوم بسبب أشياء مثل تراكم الحرارة أثناء الطقس الحار، والظل الجزئي القادم من الأشجار أو المباني المجاورة، والحدود المتأصلة في كفاءة المحولات (inverters) التي تحوّل التيار المستمر إلى تيار متردد. الآن، يصمم العديد من مُنصّبي الأنظمة أنظمة ذات سعة إضافية، تتجاوز التوصيات القياسية لتصل إلى حوالي 133% مما يمكن للمحول التعامل معه. يساعد هذا النهج في تعزيز إنتاج الطاقة خلال الأوقات الصعبة عندما لا يكون ضوء الشمس قويًا بما فيه الكفاية في الصباح الباكر أو بدأ في التلاشي في المساء، كما يضمن أيضًا أن تظل جميع المواصفات ضمن متطلبات شركات المرافق المحلية الخاصة بالاتصال بالشبكة.

موازنة الألواح ذات القدرة العالية مع مساحة السطح والحدود القصوى للإنتاجية

تقلل الألواح الشمسية التي تزيد قدرتها عن 400 واط من عدد التركيبات المطلوبة وتبسط العمل الكهربائي، على الرغم من أنها تحتاج إلى سطوح ذات جودة عالية مواجهة للجنوب وخالية من أي ظلال. وبحسب بعض الحسابات التي أجريت في العام الماضي باستخدام حواسيب التسلسل، فإن الألواح الكبيرة ذات القدرة 500 واط تُظهر أداءً أسوأ بنسبة 8 إلى 12 بالمئة عندما تُركب على أسطح مواجهة للشرق أو الغرب مقارنة بالواجهات الجنوبية المثالية. أما بالنسبة للممتلكات التي تكون فيها مساحة السطح ضيقة أو على شكل غير منتظم، فإن الجمع بين ألواح ذات أحجام مختلفة، مثل استخدام نماذج 350 واط بجانب ألواح أكبر بسعة 400 واط، غالبًا ما يكون أكثر فعالية لزيادة المساحة المغطاة والإنتاج الكهربائي الكلي مقارنة باستخدام ألواح ذات سعة عالية فقط في تصميم النظام بأكمله.

لماذا لا يعني وجود ألواح أكثر دائمًا تحسين أداء النظام

عندما تتجاوز تركيبات الألواح الشمسية ما يمكن للمحول التعامل معه أو ما تحتاجه المنازل فعليًا، لا يكون هناك فائدة كبيرة من إضافة المزيد. تميل الأنظمة التي تتجاوز حوالي 120٪ من الاستهلاك الأقصى للطاقة إلى إعادة حوالي ثلثي الكهرباء التي تنتجها إلى الشبكة، وعادة ما يتم دفع مبلغ ضئيل مقابل ذلك ما لم تكن هناك بطاريات متضمنة. كما كشفت الصور الحرارية عن شيء مثير للاهتمام أيضًا، حيث تزداد فرص تشكل النقاط الساخنة بنسبة 18٪ تقريبًا كلما تمت إضافة عشرة ألواح إضافية. من منظور عملي، يجد معظم أصحاب المنازل أن الحفاظ على التوازن بين مكونات النظام يعمل بشكل أفضل على المدى الطويل مقارنة بالإنشاءات الكبيرة والمعقدة التي لا تُعطي جدوى مالية أو تقنية.

خصائص السطح والعوامل الإنشية في تخطيط السعة

تأثير اتجاه السطح وميله وظلاله على السعة الشمسية الفعالة

تنتج الأسطح التي تواجه الجنوب عادةً ما بين 15 إلى 25 بالمئة أكثر من الطاقة مقارنةً بالأسطح التي تواجه الشرق أو الغرب. تكون أفضل النتائج عادةً عندما تكون الألواح مائلة بزاوية 30 درجة، وهو ما يناسب بشكل جيد معظم المناطق الواقعة شمال خط الاستواء. يمكن أن تؤدي الأشجار أو أي شيء يحجب أشعة الشمس عن السطح إلى تقليل إنتاج الطاقة، أحيانًا بنسبة تصل إلى 40 بالمئة، وفقًا لما ذكرته أبحاث حديثة في مجال الطاقة الشمسية السنة الماضية. هناك الآن أدوات مختلفة مثل خرائط Solargis التي توضح كمية أشعة الشمس التي تصل إلى المناطق المختلفة على مدار اليوم، وهي تساعد في التخطيط لمكان تركيب الألواح بشكل فعال. في حالات التركيب التي تواجه فيها بعض الأجزاء الظل بشكل متقطع أو تحتوي على زوايا مختلفة للأسطح، فإن استخدام أجهزة مثل المحولات الدقيقة (Microinverters) أو محسّنات الطاقة تساعد في تقليل خسائر الكفاءة بشكل ملحوظ.

توافق المواد والحدود الهيكلية لتركيب الطاقة الشمسية الآمن

تعمل معظم تركيبات الأسطح الخشبية المغطاة بالأسفلت أو الأسطح المعدنية ذات الحافة المضلعة بشكل جيد مع أنظمة التركيب الشمسية القياسية. ولكن تصبح الأمور معقدة عند التعامل مع الأسطح الخزفية أو الصخرية (الصفيح). تحتاج هذه المواد إلى معدات خاصة تضيف عادةً ما بين 15 إلى 30 سنتاً لكل واط إلى تكاليف التركيب. عند تركيب الألواح الشمسية، تحتاج الأسطح عموماً إلى تحمل وزن يتراوح بين 3 إلى 4 رطلاً لكل قدم مربع من الألواح نفسها بالإضافة إلى أي أوزان إضافية ناتجة عن الرياح والثلوج في المناطق المختلفة. وبحسب بحث نُشر السنة الماضية، فإن ما يقارب ربع جميع المنازل التي بُنيت قبل عام 2000 تحتاج فعلياً إلى نوع من التحديث الهيكلي قبل تركيب الطاقة الشمسية. من حيث التكلفة، يكون توزيع الألواح الشمسية على عدة أقسام من السطح عادةً أقل تكلفة من محاولة تعزيز كل عارضة على حدة في المباني القديمة.

الآثار التكلفة لسعة النظام الشمسي ودمج البطارية

كيف تؤثر سعة النظام وتضمين بطارية شمسية على الاستثمار الأولي

تزداد التكاليف بشكل متناسب مع الأنظمة الأكبر، حيث تضيف كل كيلوواط إضافي 2000 إلى 3000 دولار. تبلغ تكاليف نظام 6 كيلوواط نموذجي حوالي 18000 دولار بدون تخزين؛ إضافة بطارية شمسية ترفع التكلفة الإجمالية بنسبة 40-60%، لتصل إلى 25000 - 29000 دولار. تضيف بطاريات الليثيوم أيون ما بين 7000 إلى 11000 دولار حسب السعة، مع إمكانية إضافة ترقيات كهربائية ما يصل إلى 4000 دولار.

الحوافز الاتحادية والولائية التي تقلل التكلفة لكل واط

تمنح الحكومة الفيدرالية من خلال ائتمان الضرائب الاستثماري Homeowners 30 سنتاً من كل دولار يُنفق على تركيب الألواح الشمسية بالإضافة إلى البطاريات. وبالإضافة إلى ذلك، فإن 23 ولاية مختلفة في جميع أنحاء البلاد تقدم أموالاً إضافية، أحياناً تصل إلى 1000 دولار لكل كيلوواط ساعة من مساحة التخزين في البطاريات المضافة إلى النظام. خذ على سبيل المثال كاليفورنيا، حيث يمنح برنامج Incentive للإنتاج الذاتي ما بين 200 و850 دولار لكل كيلوواط ساعة مثبت، مما يمكن أن يقلل فعلياً من الوقت اللازم قبل أن يبدأ الناس في رؤية عوائد على استثمارهم بحوالي سنتين كاملتين. جميع هذه المزايا المالية مهمة حقاً لأنها تغطي معظم التكلفة الإضافية البالغة 0.38 سنتاً لكل واط اللازمة لتركيب البطاريات جنباً إلى جنب مع الألواح الشمسية العادية بدلاً من عدم تركيبها على الإطلاق. وباستعراض الاتجاهات الأخيرة، فقد شهدنا تقدماً ملحوظاً في سبل الوصول إليها - فبحلول عام 2025، ستطبق почти تسعة من كل عشرة برامج حكومية للحث على الطاقة الشمسية على الأنظمة التي تتضمن بطاريات، مقارنة بنحو أقل من نصفها فقط في عام 2021.

الأسئلة الشائعة

• كيف أحسب استهلاك الطاقة اليومي في منزلي؟ ابدأ بسرد جميع الأجهزة الكهربائية في المنزل، مع ملاحظة قدرتها بالواط. اضرب القدرة بالواط في عدد الساعات التي تُستخدم فيها يوميًا، ثم اقسم الناتج على 1000 للحصول على استهلاك الطاقة اليومي بوحدة الكيلوواط-ساعة (kWh).
• ما وظيفة بطاريات الطاقة الشمسية؟ تقوم بطاريات الطاقة الشمسية بتخزين الطاقة الشمسية الزائدة لتستخدمها في الليل أو أثناء انقطاع التيار الكهربائي، مما يساعد على إدارة احتياجات الطاقة خلال فترات الذروة ويوفر دعمًا طارئًا للأحمال الكهربائية المحددة.
• كيف تؤثر الموقع الجغرافي على متطلبات نظام الطاقة الشمسية؟ تحتاج المناطق ذات ساعات الذروة الشمسية الأعلى مثل جنوب غرب الولايات المتحدة إلى عدد أقل من الألواح الشمسية لنفس إنتاج الطاقة مقارنةً بالمناطق ذات التعرض المنخفض للشمس مثل شمال شرق الولايات المتحدة.
• كيف تؤثر الحوافز الاتحادية والولائية على تكلفة تركيب الأنظمة الشمسية؟ يمكن أن تُقلل الحوافز مثل خصم ضريبة الاستثمار والبرامج الخاصة بكل ولاية تكلفة تركيب الأنظمة الشمسية بشكل كبير من خلال توفير خصومات أو ائتمانات ضريبية تعتمد على إنتاج الكيلوواط-ساعة ومكونات النظام.