تصميم منظومات الطاقة الشمسية المنزلية

مخطط هندسي لتركيب منظومة طاقة شمسية منزلية يظهر الألواح، الإنفرتر، والبطاريات — منظومات الطاقة الشمسية

في ظلّ الارتفاع المستمر في تكاليف الكهرباء وتزايد الحاجة إلى الاستقلال الطاقوي، أصبحت منظومات الطاقة الشمسية المنزلية حلاً واقعياً وذكياً لتأمين الطاقة النظيفة والمستدامة. إلا أنّ نجاح أي منظومة لا يبدأ بشراء الألواح أو تركيب الإنفرتر، بل بخطوات هندسية دقيقة تبدأ من تحليل الأحمال الكهربائية وتصميم المنظومة وفق المعايير الفنية والاقتصادية المناسبة لكل منزل.

أولاً: حساب الأحمال المنزلية

تبدأ أي دراسة هندسية لمنظومة طاقة شمسية بتقدير كمية الطاقة اليومية التي يستهلكها المنزل، والمعبّر عنها بوحدة الكيلوواط ساعي (kWh).
تتم العملية وفق الخطوات التالية:

حصر الأجهزة الكهربائية التي تُستخدم بشكل منتظم (إنارة، ثلاجة، غسالة، مضخة، حاسوب، إلخ).
تحديد استطاعة كل جهاز بالواط (W) من الملصق الفني أو دليل الاستخدام.
تقدير عدد ساعات التشغيل اليومية لكل جهاز.
حساب الطاقة المستهلكة لكل جهاز بالمعادلة:
جمع النتائج لكل الأجهزة للحصول على الاستهلاك الكلي اليومي.

فمثلًا، إذا كان مجموع الطاقة اليومية المطلوبة لتشغيل الأجهزة حوالي 5 كيلوواط ساعي (kWh)، فهذه القيمة تمثّل الأساس الذي يُبنى عليه تصميم المنظومة الشمسية.

ثانياً: اختيار مكونات المنظومة المناسبة

بعد تحديد استهلاك الطاقة، يتم الانتقال إلى اختيار المكونات الأساسية التي تشكل المنظومة:

1. الألواح الشمسية (PV Panels):

تُحسب أعداد الألواح وفق كمية الطاقة اليومية المطلوبة ومتوسط الإشعاع الشمسي في الموقع.
على سبيل المثال، إذا كانت اللوحة الواحدة باستطاعة 400 واط، والموقع يتلقى 5 ساعات شمسية فعالة، فإن اللوح الواحد ينتج نحو 2 كيلوواط ساعي يومياً.
ولمنزل يستهلك 5 كيلوواط ساعي، نحتاج تقريباً إلى ثلاث ألواح بهذا التصنيف (مع هامش احتياطي بسيط للتقلبات المناخية).

2. الإنفرتر (Inverter):

يُعتبر الإنفرتر عقل المنظومة الشمسية، إذ يقوم بتحويل التيار المستمر (DC) الناتج عن الألواح إلى تيار متناوب (AC) للاستخدام المنزلي، إضافة إلى إدارة عمليات الشحن وتوزيع الطاقة.
الإنفرترات الحديثة — خصوصاً الأنظمة الهجينة (Hybrid) — تحتوي داخلياً على منظّم شحن مدمج ذكي، يُنظم شحن البطاريات من الألواح أو الشبكة أو المولد حسب أولويات يحددها المستخدم أو المهندس المصمم.
يُختار الإنفرتر بقدرة تفوق قدرة الأحمال القصوى بنسبة أمان تتراوح بين 10 إلى 20٪، لضمان الاستقرار والتعامل مع تيارات البدء العالية لبعض الأجهزة.

3. البطاريات (Batteries):

تُستخدم البطاريات لتخزين الطاقة لتغطية فترات انقطاع الشمس أو ضعف الإشعاع.
تُحسب سعة البطارية وفق الاستهلاك اليومي وعدد أيام الاستقلالية المطلوبة، حسب المعادلة:

$\ (جهد النظام × عمق التفريغ × كفاءة البطارية$

مع مراعاة نوع البطارية (ليثيوم أو رصاص)، حيث تختلف الكفاءة والعمر التشغيلي بين الأنواع.

ثالثاً: تصميم المنظومة حسب توفر الألواح الشمسية

توجد حالتان تصميميتان أساسيتان:

1. في حال توفر الألواح الشمسية بالكامل:

يُصمم النظام كمنظومة هجينة أو مستقلة (Off-grid) لتأمين كامل احتياجات الطاقة اليومية.
تُدرس زاوية الميل واتجاه الألواح بدقة للحصول على أقصى إنتاجية، وتُستخدم الإنفرترات الذكية لتوزيع الطاقة بين الألواح والبطاريات والشبكة أو المولد بشكل أوتوماتيكي.

2. في حال عدم توفر الألواح حالياً (المنظومات التحضيرية):

في كثير من الحالات، يرغب المستخدم بتركيب منظومة طاقة شمسية على مراحل، بسبب محدودية الميزانية.
يمكن حينها تجهيز الإنفرتر الهجين ليعمل مبدئياً على الشبكة والبطاريات فقط، مع تحضير البنية التحتية لإضافة الألواح لاحقاً دون الحاجة لتغيير المكونات.
يُنصح في هذه الحالة بتجهيز:

تمديدات أسلاك مخصصة للتيار المستمر (DC) من السطح إلى موقع الإنفرتر.
لوحة توزيع منفصلة للأحمال الأساسية.
مساحة تهوية مناسبة لموقع البطاريات والإنفرتر.

رابعاً: الاعتبارات الهندسية لنجاح المنظومة

دراسة الإشعاع الشمسي المحلي لتحديد عدد الألواح وزاوية الميل المثلى.
اختيار مكونات عالية الجودة ذات كفاءة معتمدة من هيئات دولية (IEC أو TÜV).
حماية المنظومة من الصواعق والتيارات العكسية بواسطة أنظمة حماية كهربائية مناسبة.
تنفيذ التمديدات ضمن أنابيب أو مجاري مخصصة مقاومة للحرارة والرطوبة.
إجراء صيانة دورية تشمل تنظيف الألواح ومراقبة أداء الإنفرتر والبطاريات.

نحو استقلال طاقوي مستدام

لم تعد منظومات الطاقة الشمسية ترفاً تقنياً، بل أصبحت استثماراً استراتيجياً في الاستدامة الاقتصادية والبيئية. ومع تطور الإنفرترات الحديثة ودمجها لمنظّمات الشحن الذكية، أصبح تصميم المنظومات أبسط وأكثر كفاءة من أي وقت مضى.

في المكتب الوطني للاستشارات الهندسية، نضع بين أيدي عملائنا خبرة هندسية متقدمة لتصميم منظومات طاقة شمسية متكاملة، تلائم احتياجات كل منزل أو مشروع بدقة علمية وجودة تنفيذية عالية.
تواصل معنا اليوم لدراسة متطلباتك الطاقوية وتصميم منظومة مستدامة تمنحك استقلالاً وراحة على المدى الطويل.

مصادر ومراجع إضافية

لمن يرغب في الاطلاع على مزيد من التفاصيل حول تصميم وتشغيل منظومات الطاقة الشمسية المنزلية، توصي الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) بالاطلاع على دليلها الشامل حول الألواح الشمسية للاستخدام المنزلي.