دراسة إنارة مبنى حكومي مؤلف من أربعة طوابق باستخدام ألواح الطاقة الشمسية

يتمّ استخدام نظام طاقة شمسية منفصل عن الشبكة العامة off – Grid.

وتستخدم مصابيح ليدات إنارة لتوفير الطاقة المستجرة من منظومة الألواح تعمل على جهد 220v بدلاً من المصابيح العادية المستخدمة وبالتالي تصغير حجم المصفوفة وتخفيض التكلفة التأسيسية للمشروع. مع الأخذ بعين الاعتبار التركيب بنفس مكان المصابيح الفلورسنت وغيرها المتواجدة حالياً واستخدام نفس الكابلات الممدّدة داخل الجدران والأسقف

بما أنّ المنظومة الكهروضوئية منفصلة عن الشبكة فهي بالتالي تشكّل مصدر الطاقة الوحيد للأحمال ويتمّ تصميمها للعمل مع مجموعات (بنك) بطاريات لتغذية جميع الأحمال في الليل لمدة زمنية محدّدة حسب الجداول التالية. حيث تشكّل البطاريات وسيلة لتخزين الطاقة عند توفر ضوء الشمس لاستخدامها في أوقات غياب الشمس ولمدة لا تقل عن ثلاثة أيام.

إن هبوط الجهد المسموح ΔU به للتيار المستمر 6 فولت، وللتيار المتناوب %5 فولت والأحمال المطلوب تغذيتها بمنظومة الطاقة الشمسية بالرجوع إلى المخططات الكهربائية للبناء ونلاحظ وجود الأحمال التالية:

.1 عدد مجموعات الإنارة في الطابق السفلي (القبو) = 96 مجموعة.

.2 عدد مجموعات الإنارة في الطابق الأرضي = 168 مجموعة.

.3 عدد مجموعات الإنارة في الطابق الأول = 194 مجموعة.

.4 عدد مجموعات الإنارة في الطابق الثاني = 172 مجموعة.

- كل مجموعة تحتوي على 4 نيونات فلوريسنت – طول المصباح 60 سم وباستطاعة إجمالية = 22 وات وبفيض ضوئي مقداره 500 لومن Lumn.

- الكشافات من نوع هاليد هالوجين باستطاعة مقدارها 400 وات.

يتمّ استبدال النيونات الفلوريسنت والكشافات المركبة بنيونات وكشافات توفير (ليدات) لها المواصفات التالية الموضحة بالجدول رقم (6-8) التالي.

بالنسبة للفيض الضوئي (شدة الإضاءة) نلاحظ أنّ الفيض الضوئي لأجهزة الليد أعلى بكثير من مثيلاتها من الأجهزة التقليدية (سواء الفلوريسنت أو الهالوجين)، وباستبدال الأجهزة التقليدية بأجهزة ليد سنحصل على شدة إضاءة أعلى بكثير لذلك سنستخدم 3 نيونات ليد بدلاً من 4 نيونات عادية.


المصباح الاستطاعة (وات) الفيض الضوئي الكفاءة لومن / وات الأبعاد
لمبات ليد T8 9 810 %90 60 سم
كشاف ليد 100 8168 %82 Vac(100 – 240)

الجدول رقم (6-8)


الاستطاعة المطلوبة في اليوم W_day = استطاعة الجهاز الواحد * عدد الأجهزة * عدد ساعات العمل.

الجدول التالي يبيّن توزيع الاستهلاك في المبنى خلال ساعات وأيام العمل الرسمية على اعتبار أنّ نوع تيار الحمل هو AC ولذلك سوف يتمّ استخدام نفس الكابلات الممدّدة سابقاً والمستعملة لتشغيل الأجهزة التقليدية اعتباراً من مخرج الإنفيرتر ولغاية كل مجموعة.


شدّة الإضاءة للأجهزة المركبة:

ليدات 3 * 810 = 2430 لومن.

مصابيح فلوريسنت = 4 * 500 = 2000 لومن. ولذلك سنستخدم 3 مصابيح نيون LED بدلاً من أربعة فلوريسنت.


الحمل مكان الحمل العدد استطاعة المجموعة

KW

عدد ساعات العمل الاستطاعة المطلوبة KWh الاستطاعة المطلوبة يومياً kWh
نهارا ليلاً نهارا ليلاً
نيون ليد الطابق السفلي 96 * 3 0.009*3*96 6 2 15.552 5.184 20.736
نيون ليد الطابق الأرضي 168 * 3 0.009*3*168 4 4 18.144 18.144 36.288
كشاف 12 12*0.1 - 12 - 14.400 14.400
نيون ليد الطابق الأول 3 *194 0.009*3*194 4 3 20.952 15.714 36.666
نيون ليد الطابق الثاني 3 * 172 0.009*3*172 2 2 9.288 9.288 18.576
المجموع 18.576 63.936 62.730 126.667

الجدول رقم (6-9)


حساب استطاعة الإنفيرتر:

مردود الإنفيرتر (مع منظم الشحن) = 0.95 بفاقد %5.

مردود الكابلات والقواطع والتوصيلات = 0.90 بفاقد %10.

مردود بنك البطاريات = 0.85 بفاقد %15. جهد النظام 96 فولت.

من الجدول رقم (6-9) نجد أنّ الاستطاعة المطلوبة لتشغيل جميع مجموعات الإنارة = 18.576 كيلووات بآن واحد.

وتكون الاستطاعة المطلوبة من نظام الطاقة الشمسية 18.576 / 0.95 = 19.554 KW

وبالتالي فاستطاعة الإنفيرتر المطلوب لا تقل عن 20 كيلووات.

المردود الكلي لتجهيزات التيار المتردد = 0.85 * 0.9 * 0.95 = 0.727ƞ

وبالتالي: تكون الطاقة الكلية المطلوبة من مصفوفة الألواح الشمسية باليوم:

E_day = Edc / ƞdc + Eac / ƞac

E_day = 0 + 126.666 / 0.727 = 1.376 * 126.666 = 174.29 Kwh/day


عدد ساعات الإشعاع الشمسي: نفرض عدد ساعات الإشعاع الشمسي في سورية = 5.5 ساعة في أسوأ أيام السنة من حيث السطوع (في شهر كانون الأول).

PSH = 5.5 Hr

بفرض لدينا ألواح شمسية من نوع مونو Mono ذو استطاعة 270 وات.

وبفرض مردود اللوح الشمسي بالشروط الطبيعية NOCT: 0.81 = pƞ


يكون: القدرة الكهربائية التي ينتجها اللوح الواحد Em

Em = Pm * ƞP * I-day / I-stc

Em = 0.270 * 0.81 * 5.5 / 1 = 1.2 Kwh / day


حيث أن:

Em القدرة الكهربائية التي ينتجها اللوح الواحد
Pm STC الاستطاعة الأعظمية للوح في الشروط القياسية
ƞP NOCTمردود اللوح الشمسي بالشروط الطبيعية
I-day الإشعاع الشمسي الوسطي اليومي Kwh/m² ; PSH = 5,5 (kWh/m2)/1(kWh/m2)
I-stc الإشعاع الشمسي اللحظي في الشروط القياسية = 1 Kwh/m²


حساب عدد الألواح:

N = E_day / Em = 174.29 / 1.2 = 145.24 = 146 modules

بالرجوع إلى مواصفات اللوح والإنفيرتر (مع منظم الجهد) نجد ما يلي:

أعظم جهد مستمر ممكن أن تحققه الألواح الشمسية (المربوطة على التسلسل مع بعضها) عند ربطها مع هذا الإنفيرتر المربوط مع الشبكة، ويجب عدم تجاوز هذا الرقم بكل حال من الأحوال:

Max.DC Voltage 600V

مجال الجهد الذي سوف يعمل عليه منظم الشحن من نوع mppt (نظرياً) وهذا المنظم موجود ضمن الإنفيرتر بشكل مدمج، يجب أن يكون توتر الألواح ضمن هذا المجال وأفضل قيمة يحققها توتر هذه الألواح هو في منتصف المجال أي تقريباً 327 فولت للعمل مع هذا المنظم.

Rated MPPT Voltage Range 175 – 480 V

مجال الجهد الفعلي التشغيلي لمنظم الشحن من نوع mppt ويجب الاعتماد عليه وليس على Rated MPPT Voltage Range 175 - 480V، وهذه نقطة هامة ويجب الانتباه لها، إذاً التصميم سيكون على أساس الجهد الفعلي أو التشغيلي MPPT Operating Voltage Range 125 - 500V.

MPPT operating voltage range 125 - 500V

أقل توتر مسموح به لكي يعمل الإنفيرتر أي أقل توتر للألواح في الظروف الطبيعية، ويجب أن يحقق على الأقل 125 فولت لكي يعمل الإنفيرتر.

Min.DC Voltage /start Voltage 150V

البيانات التي سنحتاجها للحساب من الداتا شيت الخاصة باللوح الشمسي هي:

بفرض لدينا اللوح الشمسي المبيّن بالشكلين رقم (2 - 40)، (2 - 41)Solar Word pro SW 320 XL Mono وله المواصفات التالية:

جهد الدائرة المفتوحة Voc = 45.6 V

PTC = -/+ %2 - STC (standard Test Condition) / C@STC = 1000 W/m² - 25 C° - AM 1.5


معاملات درجة الحرارة للألواح:

Tc –Voc: Temperature Coefficient Voc-Coeff = - 0.304% /C°

Tp-mpp: Temperature Coefficient Vmp-Coeff = - 0.43% /C°

Vmp = Vmpp: maximum power point Voltage = 36.7 V

T-high: درجة الحرارة العليا المتوقعة في موقع المشروع

T-low : درجة الحرارة الدنيا المتوقعة في موقع المشروع

الارتفاع في درجة حرارة الخلية أو اللوح عن الدرجة 25 درجة مئوية : T-rise

القيمتان الأكثر أهمية للحساب من الإنفيرتر:

Vmax جهد الدخل المستمر DC الأعظمي Max DC Input Volt\age = 600 V

Vstart جهد البدء أو الانطلاق Start (strike) Voltage = 150 V

بفرض درجة الحرارة العليا (أعلى درجة حرارة في الصيف) T-high = 45 + درجة مئوية.

ودرجة الحرارة الدنيا (أدنى درجة حرارة في الشتاء) T-low = - 15 درجة مئوية

الارتفاع في درجة حرارة الخلية أو اللوح عن الدرجة 25 درجة مئوية: T-rise = 20 درجة مئوية.

نبدأ بحساب العدد الأصغري للألواح التي يجب أن تكون لدينا في السلسلة الواحدة كما يلي:

يمكن حساب العدد بشكل تقريبي كما يلي:

Nmin = Vstart / Vmp = 150 / 36.7 = 4.08 modules

= 5 modules

والحساب الدقيق كما يلي:

حساب أدنى جهد عند تحميل الألواح وعند أعلى درجة حرارة متوقعة:


Vmin = Vmp + ((T-high + T-Rise - Tstc) * (Vmp-Coeff*Vmp/100))


Vminimun = 36.7 + ((45C° + 20C° – 25 C°) * (- 0.43 * 36.7 / 100))

= 36.7 + (40 * (- 0.158)) = 30.38 v


الخطوة التالية: تحديد مفاقيد النظام، يمكن اعتبار هذا العامل عموماً = %12

وبالتالي يكون لدينا نسبة القدرة المفيدة: 1 – 0.12 = 0.88

Vmin = 30.38 * 0.88 = 26.74 V

ويمكن الآن حساب العدد الأصغري للألواح الشمسية في السلسلة المربوطة على التسلسل :

بتقسيم جهد البدء (الانطلاق – الإقلاع) المستمر الأعلى DC start (srike) Voltage على الجهد الأدنى Vmin الذي تمّ استنتاجه.

Nmin = Vstart / Vmin = 150 v / 26.74 = 5.6 Modules

يتمّ تدوير الرقم وتقريب القيمة نحو الرقم الصحيح الأعلى وبالتالي يكون لدينا العدد الأصغري للألواح المربوطة على التسلسل في السلسلة الواحدة single string :

Nmin = 6 module

ويمكننا أيضاً حساب العدد الأعظمي لألواح السلسلة المربوطة على التسلسل كما يلي:

نقسّم جهد المجال الأعظمي المقنن للإنفيرتر على جهد الدائرة المفتوحة Voc للوح الشمسي المستخدم :

ويمكن حساب العدد بشكل تقريبي كما يلي:

Nmax = 600 / 45.6 = 13.158 modules

= 13 modules

الحساب الأكثر دقة يتمّ كما يلي:


حساب أعلى جهد للدارة المفتوحة عند أدنى درجة حرارة متوقعة:


Vmax = Voc + ((T-low - Tstc) * (Voc-Coeff*Voc/100))


Vmax = 45.6 + ((- 15 C° – 25C°) * (- 0.304 * 45.6 / 100))

= 45.6 + (40 * 0.1386) = 51.145 v

الآن نقسّم الجهد الأعظمي للإنفيرتر (جهد النظام الأعظمي) الذي لدينا على النتيجة التي حصلنا عليها.


Nmax = Vmax(system) / Vmax = 600 v / 51.145v = 11.731 module


يتمّ تدوير الرقم وتقريب القيمة إلى الرقم الصحيح الأدنى لكي يبقى جهد الدائرة المفتوحة أقل من الجهد الأعظمي للإنفيرتر.

Nmax = 11 module


تصميم المصفوفة الكهروضوئية من حيث عدد الألواح في السلسلة وعدد السلاسل:

عدد الألواح الكلية الأصغري= 146 لوح. عدد الألواح بالسلسلة الواحدة من 6 إلى 11 لوح.

بفرض عدد الألواح في السلسلة الواحدة 11 لوح، فيكون:

أقل عدد سلاسل يحقق عدد الألواح الكلية المطلوبة = 14 سلسلة، كل سلسلة تحتوي 11 لوح شمسي.

أي أن عدد الألواح المطلوب: 14 * 11 = 154 لوح شمسي.

وبالتالي الاستطاعة المولدة من الألواح باليوم (في أقصر أيام فصل الشتاء):

Em = 0.270 * 5.5 * 0.81 * 154 = 184.8 Kwh / day

Em = 184.8 / 5.5 = 33.6 Kwh

ويكون لدينا:

استطاعة مصفوفة الألواح = استطاعة اللوح * عددها الكلي

Wp = 270* 154 = 41.580 KWp

واستطاعة الإنفيرتر لا تقل عن 20 kW.

العلاقة الرياضية العامة لحساب سعة بنك البطاريات:


Cb = (1.05 * E * n * M) ¸ (ƞ * D * T * Be)


الاستطاعة المطلوبة للاستهلاك الليلي باليوم = 62.730 كيلوات ساعة، ولمدّة يوم واحد فقط.

المطلوب حساب سعة بنك البطاريات الكافي لغياب الشمس لمدة ثلاثة أيام. بفرض عمق التفريغ %60.

مردود بنك البطاريات = 0.85

E * n = 62.730 Kwh/day

M = 3

Cb = 1.05 * 62730Wh * 3 / (0.95 * 0.60 * 96v *0.85) = 4248 Ah


باختيار بطارية سعة 200Ah@C100 معدل تفريغ عالي. نكون بحاجة إلى بنك بطاريات12 فولت مكوّن من:

Z= = 169.92 unit (12v)

مصفوفة البطاريات عبارة عن 8 بطاريات (12 فولت) على التسلسل * 22 سلسلة.

22 بطارية (بجهد كلي للسلسلة 96 فولت)، بمجموع 176 بطارية بجهد12 فولت.

فتكون السعة الأمبيرية الإجمالية لبنك البطاريات = 22 * 200 = 4400 أمبير ساعة.


تيار شحن البطارية = الطاقة الإجمالية (وات بالساعة) المولدة من الألواح الشمسية * 1.25/جهد بنك البطاريات


الاستطاعة المولدة من الألواح باليوم: 184.8 Kwh/day

تيار شحن البطارية = 184800 * 1.25 / (96 * 5.5) = أمبير.


نأخذ الطاقة الإجمالية المولدة من الألواح الشمسية بالساعة وليس باليوم.

حيث أنّ:

184.8 KWh/PSH = 184.8/5.5 = 33.6 KWh


معادلة زمن الشحن:

زمن شحن البطاريات بالساعة = السعة الأمبيرية لبنك البطاريات (مجموع الأمبيرات لمصفوفة البطاريات) / تيار الشحن (من المعادلة السابقة).

زمن شحن بنك البطاريات = 4400 / 437.5 = 10.057 ساعة = 10 ساعة تقريباً.

يجب الأخذ بعين الاعتبار معدل عمق التفريغ D.O.D بحيث لا يتجاوز %60.

معادلة التفريغ (زمن تشغيل البطارية):

تيار التشغيل (التفريغ) = استطاعة الحمل الليلي اليومية (بالوات) / جهد بنك البطاريات.

= 62730 / 96 = 653.43 أمبير.

زمن تفريغ البطارية بالساعة = السعة الأمبيرية لبنك البطاريات (مجموع الأمبيرات لمصفوفة البطاريات) / تيار التشغيل.

= 4400 / 653.43 = 6.733 ساعة = 6 ساعة تقريباً + 44 دقيقة.


التوصيل على التفرّع والتسلسل (Series and Parallel Combined)

الشكل رقم (6-52)

N * Voc ≤ Vdc

11 * 45.6 ≤ 600

Voc = 45.6 Vجهد الدائرة المفتوحة

Isc = 5.922 A

Vmp = Vmpp: maximum power point Voltage = 36.7 V

Imp = 5.96 A

عدد الألواح المطلوب: 14 * 11 = 154 لوح.

N = 14 عدد السلاسل في المصفوفة

M = 11عدد الألواح في السلسلة الواحدة

يُراعى في هذه الطريقة أن يكون الجهد متطابق لكل خط من الخطوط المراد توصيلها على التفرّع.|

جهد دائرة القصر = 11 * 45.6 = 502 V.

تيار دائرة القصر المجمع:

تيار القصر Isc الكلي المستجر من الألواح الشمسية:

107.78 A= 1.3 * 5.922 * 14N * I.string *1.3 =

لذلك يجب أن يكون مقنن تيار الدخل لمنظم الشحن 110 A أو أعلى، عند جهد بنك بطاريات 96 v.

وتيار الخرج لمنظم الشحن (تيار شحن البطارية) يساوي أو أعلى من 437.5 أمبير.


تيار مستمر

V ∆U = 2* L* I * / S 1
تيار متناوب أحادي الطور V ∆U = 2* L* I *f(w) *Cosϴ / S 2
تيار متناوب ثلاثي الطور V ∆U = √3*L*I* f(w) *Cosϴ / S 3


كابلات التيار المستمر DC للسلسلة بين الألواح ولوحة التجميع:


(1)


Sdc.string = 2 * 13 * 5.96 / (6 * 56) = 0.46 mm

Sdc.string = (2 * L.string * I.string) / (ΔU_string * σ)


كابلات التيار المستمر DC للمصفوفة بين لوحة التجميع والإنفيرتر:

عدد السلاسل M = 14:


(2)


Adc.main ≥ (2 * L.cable* N * I.string) / (ΔU main * σ)

Adc.string = 2 * 13 *14 * 5.96 / (6 * 56) = 6.45 mm²

يتمّ استخدام كابلات بقياس مقطع 10 مم².

كابلات التيار المستمر DC بين المنظم والبطاريات:

Sdc.battery ≥ (2 * L.cable * I.charge) / (ΔV_battery * σ)

Sdc.battery ≥ 2* 4 * 437.5 / (10 * 56) = 6.25 mm2

كابلات التيار المتردد: بين الإنفيرتر والقاطع الرئيسي بلوحة التوزيع المسافة 20 متر.

كابل ثلاثي الطور 3 phase AC cable:

الاستطاعة الكلية الأعظمية المستجرة من الأحمال في المبنى = 18.576 كيلووات.

جهد النظام ثلاثي الأطوار = 380 فولت. عامل الاستطاعة للحمل = 0.85 .

Ib = P / (√3 * Ua * cosφ) = 18576 / (1.732 * 380 * 0.85) = 33.2 A

بفرض عامل التصحيح الكلي للناقل غير المطمور: K = 0.702

يكون تيار الناقل:

Iz = 33.2 / 0.702 = 47.3 A

بفرض كثافة التيار المعتمدة = 3.5 أمبير / مم²، تكون مساحة مقطع الكابل المطلوب:

47.3 / 3.5 = 13.51 مم².. . أي سنختار مقطع قياسي يساوي S = 16 مم².

أو من الجدول -21- في ملحق الجداول الفنية نجد أن مقطع الكابل المطلوب لتمرير تيار مقداره 47.3 A:

Size#5 = 16.8 mm²، مقاومته: 1.027624 Ω / km f(w) = ، طول الكابل الرئيسي L = 20 m

∆U = √3 * L * I * f(w) *Cosϴ /S

= 1.732 * 20 * 47.3 * 1.027624 * 0.85 / 16 * 1000 = 0.0895 = 8.95%

لذلك يجب اختيار المقطع الأكبر وهو 25 مم² مباشرة لتحقيق قيمة هبوط الجهد المطلوبة على الكابل المستخدم. 


للاطلاع على إصدارات دار شعاع الفنية يمكنك تحميل تطبيق قارئ دارشعاع

قارئ دار شعاع







لمزيد من القراءة في مواضيع ذات صلة يمكنك زيارة الروابط التالية:

توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية

دليل المهندس الكهربائي

أصول التمديدات الكهربائية المنزلية

المرجع الكامل في تدفئة وتكييف المباني

دليل الجيب للفني الكهربائي


توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية

دليل المهندس الميكانيكي

أصول التمديدات الكهربائية المنزليةالمرجع الكامل في تدفئة وتكييف المبانيدليل الجيب للفني الكهربائي في الاختبار والكشف وإصلاح الأعطال