ما هو تقلب توليد الطاقة للألواح الشمسية أحادية البلورية في الولايات المتحدة؟

لقد رأيت الكثير من أنظمة PTZ التي تعمل بالطاقة الشمسية تنقطع عن العمل في فصل الشتاء. السبب الجذري هو نفسه دائمًا تقريبًا - قام المُركِّب بتحديد حجم اللوحة للصيف، وليس للشهر الأسوأ.

يمكن للألواح الشمسية أحادية البلورية في الولايات المتحدة أن تنتج طاقة أكثر بـ 2 إلى 4 مرات في الصيف مقارنة بالشتاء. المحركات الرئيسية هي ساعات ضوء الشمس الموسمية، وزاوية الشمس، ودرجة الحرارة، والغطاء السحابي. قد تولد لوحة بقوة 100 واط في أريزونا 0.5 كيلوواط ساعة/يوم في يوليو ولكن فقط 0.2 كيلوواط ساعة/يوم في ديسمبر. في شمال غرب المحيط الهادئ، يمكن أن ينخفض هذا الرقم الشتوي إلى أقل من 0.1 كيلوواط ساعة/يوم.

تقلب طاقة الألواح الشمسية أحادية البلورية في الولايات المتحدة.

أدناه، سأفصل أكبر أربعة أسئلة أسمعها من مُدمجي الأنظمة في جميع أنحاء أمريكا الشمالية. كل واحد منها مهم إذا كنت تصمم نظام مراقبة 4G يعمل بالطاقة الشمسية يجب أن يظل متصلاً بالإنترنت لمدة 365 يومًا في السنة. دعنا نمر عليها واحدة تلو الأخرى.

ما مقدار انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية لدي خلال أشهر الشتاء ذات الإضاءة المنخفضة في الشمال؟

إذا قمت بنشر كاميرات تعمل بالطاقة الشمسية في مينيسوتا أو شمال ولاية نيويورك، فإن الشتاء ليس باردًا فحسب، بل هو مظلم أيضًا. لقد شاهدت العملاء يفقدون أسابيع كاملة من اللقطات لأن بنك البطاريات الخاص بهم لم يتمكن من مواكبة ذلك.

في ولايات شمال الولايات المتحدة (فوق خط عرض 42 درجة شمالًا)، يمكن أن ينخفض إنتاج الطاقة الشمسية في الشتاء إلى 25-40٪ فقط من إنتاج الصيف. لوحة أحادية البلورية بقوة 100 واط تنتج حوالي 0.4 كيلوواط ساعة/يوم في يونيو قد توفر فقط 0.1-0.15 كيلوواط ساعة/يوم في ديسمبر. هذا هو أكبر مصدر لتقلب توليد الطاقة للأنظمة خارج الشبكة.

انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية في أشهر الشتاء شمال الولايات المتحدة.

لماذا يؤثر الشتاء بشدة؟

يحدث شيئان في نفس الوقت في الشتاء. أولاً، تقصر الأيام. في سياتل، تحصل على حوالي 8.5 ساعات من ضوء النهار في ديسمبر مقابل 16 ساعة في يونيو. ثانيًا، تبقى الشمس منخفضة في السماء. تعني زاوية الشمس المنخفضة أن الضوء يضرب لوحتك بزاوية حادة، ويمتص الغلاف الجوي المزيد من الطاقة قبل أن يصل إلى السطح.

يستخدم الصناعة مقياسًا يسمى ساعات الشمس القصوى (PSH) ⁵ لقياس الطاقة الشمسية القابلة للاستخدام يوميًا. ساعة شمس قصوى واحدة تساوي ساعة واحدة من ضوء الشمس بكثافة 1000 واط/م². إليك كيف تتغير ساعات الشمس القصوى في جميع أنحاء الولايات المتحدة حسب الموسم:

المنطقة	ساعات الشمس القصوى في الصيف (يونيو-يوليو)	ساعات الشمس القصوى في الشتاء (ديسمبر-يناير)	نسبة الصيف إلى الشتاء
الجنوب الغربي (أريزونا، غرب تكساس)	7–8	3–4	~2.0–2.5×
خط العرض الأوسط (كولورادو، إلينوي، كانساس)	5–6	2–3	~2.0–2.5×
الشمال الشرقي / شمال غرب المحيط الهادئ (واشنطن، نيويورك، مينيسوتا)	5–6	1–2	~3.0–4.0×

ماذا يعني هذا لنظام حقيقي؟

دعني أضع هذا في أرقام حقيقية. خذ لوحًا شمسيًا أحادي البلورة قياسيًا بقوة 100 واط بكفاءة نظام تبلغ 0.75 (مع الأخذ في الاعتبار فقدان الأسلاك، وفقدان وحدة التحكم، والغبار، ودرجة الحرارة). صيغة إنتاج الطاقة اليومي بسيطة:

الطاقة اليومية (كيلوواط ساعة) = واط اللوح (كيلوواط) × PSH × كفاءة النظام

بالنسبة للوح بقوة 100 واط في الشمال الشرقي:

• الصيف: 0.1 × 5 × 0.75 = 0.375 كيلوواط ساعة/يوم
• الشتاء: 0.1 × 1.5 × 0.75 = 0.113 كيلوواط ساعة/يوم

هذا الرقم الشتوي هو 113 واط ساعة فقط. كاميرا PTZ بدقة 4K تعمل بقدرة 15 واط تسحب 360 واط ساعة في اليوم. لذا فإن لوحًا واحدًا بقدرة 100 واط في الشتاء يمنحك أقل من ثلث ما تحتاجه. لهذا السبب أقول دائمًا للعملاء: قم بقياس مصفوفة الطاقة الشمسية الخاصة بك لشهر ديسمبر، وليس لشهر يوليو.

قاعدة التكرار 2.5x

بالنسبة للتركيبات الشمالية، أوصي بما لا يقل عن 2.5 مرة قدرة اللوح التي تقترحها حسابات الحمل الخاصة بك. إذا كان نظام الكاميرا الخاص بك يحتاج إلى متوسط 15 واط، فهذا يعادل 360 واط ساعة/يوم. في الشتاء عند 1.5 ساعة شمسية ذروة، تحتاج إلى:

360 واط ساعة ÷ (1.5 ساعة شمسية ذروة × 0.75 كفاءة) = 320 واط من سعة الألواح

قم بتقريب ذلك للأعلى. استخدم 350 واط أو 400 واط. يبدو الأمر مبالغًا فيه في الصيف، لكن وحدة التحكم MPPT الخاصة بك ستتعامل مع الفائض. البديل هو كاميرا معطلة في يناير.

هل كفاءة اللوحة عالية بما يكفي لشحن البطارية خلال يوم غائم في سياتل؟

تحصل سياتل على حوالي 226 يومًا غائمًا في السنة. لقد سألني عملاء هناك بشكل مباشر: “هل ستعمل الألواح الشمسية الخاصة بك هنا؟” الإجابة الصادقة هي - يعتمد ذلك على كيفية تصميم النظام.

في يوم غائم تمامًا في سياتل، قد ينتج لوح أحادي البلورة 10-20٪ فقط من قوته المقدرة. قد ينتج لوح بقدرة 100 واط ما يصل إلى 10-20 واط فقط تحت الغيوم الكثيفة. هذا عادة لا يكفي لشحن بطارية بالكامل في يوم واحد، ولكن مع حجم بطارية مناسب وتحكم MPPT، لا يزال بإمكان النظام البقاء متصلاً بالإنترنت لمدة 3-5 أيام غائمة متتالية.

كفاءة الألواح الشمسية يوم غائم سياتل

كيف تقطع الغيوم طاقتك

تستجيب الألواح المصنوعة من السيليكون أحادي البلورة لشدة الضوء بطريقة خطية تقريبًا. عندما تكون الشمس ساطعة عند 1000 واط/م²، تحصل على ما يقرب من القوة المقدرة. عندما تخفض الغيوم ذلك إلى 100-200 واط/م²، ينخفض إنتاجك إلى 10-20٪ من تصنيف اللوحة.

إليك تفصيل تقريبي لكيفية تأثير ظروف السماء المختلفة على لوح أحادي البلورة بقدرة 100 واط:

حالة السماء	الإشعاع (واط/م²)	إنتاج اللوح التقريبي (واط)	٪ من القوة المقدرة
سماء صافية، شمس كاملة	900–1,000	85–95	85–95%
سحب رقيقة / ضبابية	400–600	35–55	35–55%
غائم كليًا، سحب كثيفة	100–200	10–20	10–20%
مطر غزير / عاصفة	50–100	5–10	5–10%

ملاحظة: يكون خرج “السماء الصافية” أقل من 100% بسبب تأثيرات درجة الحرارة والخسائر في العالم الحقيقي. تفترض تقييمات STC درجة حرارة خلية تبلغ 25 درجة مئوية، وهو ما نادرًا ما يحدث في الميدان. هذا متعلق بـ معامل درجة حرارة الألواح الشمسية ⁷ وأداء الشتاء.

لماذا يعتبر MPPT أكثر أهمية في الإضاءة المنخفضة

يقوم منظم الشحن PWM الرخيص بتوصيل اللوحة مباشرة بالبطارية. عندما ينخفض جهد اللوحة تحت الغيوم، لا يستطيع منظم PWM فعل الكثير حيال ذلك. منظم MPPT (تتبع نقطة الطاقة القصوى) ¹ مختلف. يقوم باستمرار بضبط الحمل الكهربائي للعثور على تركيبة الجهد والتيار التي تسحب أكبر قدر من الواط من اللوحة.

إن مقارنة كفاءة PWM مقابل MPPT ⁶ تُظهر أنه في ظروف الإضاءة المنخفضة، يمكن لـ MPPT استعادة 20-30% طاقة إضافية مقارنة بـ PWM. هذا هو الفرق بين بقاء الكاميرا قيد التشغيل أو انقطاعها في اليوم الثالث من فترة غائمة.

حجم البطارية هو الحل الحقيقي

لا يمكنك محاربة الطقس. ولكن يمكنك تخزين طاقة كافية لتجاوزها. بالنسبة لنشر في سياتل، أوصي بتحديد حجم البطارية لتغطية ما لا يقل عن 5 أيام من الاستقلالية - مما يعني 5 أيام كاملة من تشغيل الكاميرا مع عدم وجود مدخلات شمسية على الإطلاق.

إذا كان نظام PTZ الخاص بك الذي يعمل بتقنية 4G يستهلك 15 واط في المتوسط:

• الاستهلاك اليومي: 15 واط × 24 ساعة = 360 واط ساعة
• استقلالية 5 أيام: 360 × 5 = 1800 واط ساعة
• مع عمق تفريغ 80% لي فيبو₄ ²: 1800 ÷ 0.8 = سعة بطارية 2250 واط ساعة

هذه تقريبًا بطارية 180 أمبير ساعة عند 12 فولت. يبدو الأمر كبيرًا، ولكن في شمال غرب المحيط الهادئ، هذا ما يلزم للحفاظ على تشغيل النظام خلال شهري نوفمبر وديسمبر.

ما هو تأثير تراكم الثلوج على إنتاج الطاقة للوحة؟

الثلج هو القاتل الصامت للمراقبة بالطاقة الشمسية في الولايات الشمالية. لقد رأيت الألواح مدفونة تحت ست بوصات من الثلج لأيام. خلال هذا الوقت، يكون الإنتاج صفرًا فعليًا.

يمكن أن يقلل الثلج الذي يغطي الألواح الشمسية من إنتاج الطاقة بنسبة 80-100%. حتى طبقة رقيقة من الثلج تحجب معظم ضوء الشمس من الوصول إلى الخلايا. على عكس الغبار أو الأوساخ، لا يقلل الثلج الكفاءة فحسب، بل يمكنه إيقاف تشغيل اللوحة بالكامل حتى تذوب أو تنزلق.

تراكم الثلج على إنتاج الطاقة للألواح الشمسية

الثلج الجزئي أسوأ مما تعتقد

معظم الألواح أحادية البلورة مبنية بخلايا موصلة على التوالي. هذا يعني أن جميع الخلايا في سلسلة يجب أن تنتج طاقة لكي تعمل السلسلة. إذا غطى الثلج حتى صف واحد من الخلايا في أسفل اللوحة، فيمكنه حظر السلسلة بأكملها. النتيجة ليست خسارة 10% - يمكن أن تكون خسارة 50-100% اعتمادًا على الأسلاك الداخلية للوحة و تصميم ³ الصمام الثنائي الالتفافي.

كيف يساعد زاوية الميل في تساقط الثلوج

تساعد زاوية الميل الأكثر انحدارًا الثلج على الانزلاق بشكل أسرع. الألواح المثبتة بشكل مسطح (0 درجة) ستحتفظ بالثلج لأيام. الألواح بزاوية 45 درجة أو أكثر ستتخلص من الثلج بشكل أسرع بكثير، غالبًا في غضون ساعات بعد توقف تساقط الثلوج، خاصة إذا دفأت سطح اللوحة قليلاً فوق درجة التجمد. زاوية تساقط الثلوج المثلى للوحدات الكهروضوئية ⁸ عادة ما تكون 40-50 درجة.

إليك دليل عام:

• ميل 0-15 درجة: يبقى الثلج. قد تحتاج إلى إزالته يدويًا.
• ميل 30 درجة: ينزلق الثلج في غضون 1-2 يوم في معظم الحالات.
• ميل 45 درجة فأكثر: يتساقط الثلج بسرعة، غالبًا في نفس اليوم.

مشكلة البقعة الساخنة

عندما يغطي الثلج (أو أي ظل) جزءًا من اللوحة، يمكن أن تصبح الخلايا المظللة منحازة عكسيًا. تبدأ في استهلاك الطاقة بدلاً من إنتاجها. هذا يخلق تسخينًا موضعيًا يسمى بقعة ساخنة ⁹. بمرور الوقت، يمكن للبقع الساخنة أن تلحق ضررًا دائمًا بالخلايا.

الألواح الجيدة تحتوي على ثنائيات تجاوز توجه التيار حول مجموعات الخلايا المحظورة. لكن ثنائيات التجاوز تحد من الضرر فقط - فهي لا تقضي على فقدان الطاقة. لوحة بها ثلاث ثنائيات تجاوز وجزء مغطى بالثلج بمقدار الثلث ستظل تفقد ثلث إنتاجها على الأقل، وغالبًا أكثر بسبب خسائر عدم التطابق.

نصائح عملية للمناطق الثلجية

للنشر في ولايات مثل مونتانا أو ويسكونسن أو فيرمونت، أوصي بما يلي:

1. قم بتركيب الألواح بزاوية 40-50 درجة كحد أدنى لتشجيع تساقط الثلوج الطبيعي.
2. استخدم ألواحًا بدون إطار أو ذات إطار منخفض - يمكن للإطارات السميكة من الألومنيوم عند الحافة السفلية أن تحبس الثلج.
3. أضف سعة بطارية إضافية - افترض 3-7 أيام من عدم وجود مدخلات شمسية خلال أحداث الثلوج الكثيفة.
4. فكر في توربين رياح صغير كمصدر شحن احتياطي. غالبًا ما تكون الرياح أقوى خلال العواصف الشتوية عندما تكون الطاقة الشمسية أضعف.

كيف تؤثر زاوية حامل الألواح الشمسية على إنتاج الأمبير-ساعة اليومي؟

أتلقى هذا السؤال كثيرًا من المثبتين الذين يريدون إجابة بسيطة. الحقيقة هي أن الزاوية “الأفضل” تتغير كل شهر. ولكن بالنسبة للتركيب الثابت، هناك نقطة مثالية.

تؤثر زاوية ميل لوحة الطاقة الشمسية الخاصة بك بشكل مباشر على كمية ضوء الشمس التي تضرب السطح. بالنسبة للتركيبات الثابتة في الولايات المتحدة، فإن زاوية الميل التي تساوي خط عرض موقعك (عادةً 25-50 درجة) تزيد من الطاقة السنوية. يمكن أن يؤدي تعديل الزاوية للشتاء (خط العرض + 15 درجة) إلى تعزيز إنتاج موسم البرد بنسبة 10-25٪، وهو أمر بالغ الأهمية لأنظمة المراقبة خارج الشبكة التي يجب أن تعمل على مدار العام.

زاوية تركيب الألواح الشمسية إنتاج الأمبير ساعة اليومي

لماذا الزاوية مهمة

يتغير موقع الشمس في السماء على مدار العام. في الصيف، تكون الشمس مرتفعة. في الشتاء، تكون منخفضة. اللوحة المائلة لتتناسب مع متوسط زاوية الشمس تلتقط أكبر قدر من ضوء الشمس المباشر.

عندما يضرب ضوء الشمس لوحة بزاوية عمودية (90 درجة)، تحصل على أقصى قدر من نقل الطاقة. مع زيادة زاوية السقوط (الضوء الذي يضرب بزاوية مائلة)، ينخفض الإشعاع الفعال. عند 60 درجة بعيدًا عن العمودي، تفقد حوالي 50٪ من الطاقة.

إرشادات زاوية الميل الثابتة للولايات المتحدة.

خط عرض الموقع	أفضل ميل ثابت على مدار العام	ميل مُحسَّن للشتاء	ميل مُحسَّن للصيف
25 درجة شمالاً (جنوب تكساس، فلوريدا)	20-25 درجة	35-40 درجة	10-15 درجة
35 درجة شمالاً (وسط تكساس، كارولينا الشمالية، أريزونا)	30-35 درجة	45-50 درجة	15-20 درجة
45 درجة شمالاً (مينيسوتا، واشنطن، أوريغون، نيويورك)	40-45 درجة	55-60 درجة	20-25 درجة

المصدر: مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) ⁴ توصيات ميل الألواح المستندة إلى خط العرض من حاسبة PVWatts.

على مدار العام مقابل التحسين لفصل الشتاء: المقايضة

إذا قمت بضبط الميل لفصل الشتاء (زاوية أكثر انحدارًا)، فإنك تلتقط المزيد من الطاقة في ديسمبر ويناير. ولكنك تفقد بعض الطاقة في يونيو ويوليو لأن اللوحة مائلة بشدة جدًا للشمس الصيفية المرتفعة.

بالنسبة لنظام سكني متصل بالشبكة، ستقوم بالتحسين للإجمالي السنوي. ولكن بالنسبة لنظام كاميرا PTZ تعمل بالجيل الرابع خارج الشبكة, ، الهدف مختلف. تحتاج إلى البقاء على قيد الحياة في فصل الشتاء. الفائض الصيفي لا يساعدك إذا كانت البطارية ممتلئة بحلول الساعة 10 صباحًا على أي حال.

لهذا السبب أوصي بـ تحسين الميل الثابت لفصل الشتاء ¹⁰ لجميع عمليات نشر المراقبة خارج الشبكة. المكسب الإضافي لفصل الشتاء بنسبة 10-25٪ أكثر قيمة بكثير من طاقة الصيف التي “تفقدها” (والتي لا يستطيع نظامك استخدامها حتى).

مكافأة التنظيف الذاتي

زاوية ميل أكثر انحدارًا تساعد أيضًا في الصيانة. يتدفق المطر بشكل أسرع، حاملاً معه الغبار وحبوب اللقاح. فضلات الطيور تنزلق بسهولة أكبر. في البيئات المتربة مثل مواقع البناء أو المزارع، يمكن أن تفقد اللوحة المسطحة 5-10٪ من الإنتاج بسبب تراكم الأوساخ في غضون أسابيع. تظل اللوحة بزاوية 40-45 درجة أنظف بكثير دون تدخل بشري.

التحويل إلى أمبير-ساعة

يفكر العديد من مُركِّبي الأنظمة خارج الشبكة بوحدات أمبير-ساعة (Ah) بدلاً من واط-ساعة. التحويل بسيط:

Ah = Wh ÷ جهد البطارية

لنظام 12 فولت مع لوحة 100 واط تنتج 375 واط-ساعة/يوم في الصيف:

375 واط-ساعة ÷ 12 فولت = 31.25 أمبير-ساعة/يوم

في الشتاء عند 113 واط/يوم:

113 واط ÷ 12 فولت = 9.4 أمبير/يوم

إذا كان نظام الكاميرا الخاص بك يسحب 1.25 أمبير (15 واط ÷ 12 فولت) باستمرار، فهذا يعادل 30 أمبير/يوم. في الصيف، لوح واحد بقدرة 100 واط بالكاد يكفي. في الشتاء، ينقصك 20 أمبير/يوم. لهذا السبب يعتبر لوحان أو ثلاثة ألواح هي الحد الأدنى لأي نشر جاد لكاميرات PTZ خارج الشبكة في النصف الشمالي من الولايات المتحدة.

الخاتمة

قم بقياس حجم نظامك الشمسي لأضعف شهر شتوي، وليس لأفضل يوم صيفي. استخدم وحدات تحكم MPPT، وزوايا ميل شديدة، وبطارية كافية لتحمل فترات الغيوم. هكذا يمكنك إبقاء كاميرا 4G PTZ متصلة بالإنترنت طوال العام.

---

1. وحدة تحكم شحن MPPT لحصاد الطاقة الشمسية في الإضاءة المنخفضة. ︎↩︎ 2. عمق تفريغ وعمر دورة بطاريات LiFePO₄. ︎↩︎ 3. وظيفة الصمام الثنائي للتجاوز في الألواح الشمسية المعرضة لظل جزئي. ︎↩︎ 4. بيانات الإشعاع الشمسي PVWatts من NREL حسب منطقة الولايات المتحدة. ︎↩︎ 5. تعريف ساعات ذروة الشمس (PSH) لتحديد حجم الأنظمة الشمسية خارج الشبكة. ︎↩︎ 6. مقارنة كفاءة PWM مقابل MPPT في الإشعاع المنخفض. ︎↩︎ 7. معامل درجة حرارة الألواح الشمسية والأداء في الشتاء. ︎↩︎ 8. زاوية تساقط الثلوج للوحدات الكهروضوئية. ︎↩︎ 9. تكوين النقاط الساخنة وحماية الصمام الثنائي للتجاوز. ︎↩︎ 10. تحسين الشتاء بالميل الثابت للأنظمة خارج الشبكة. ︎↩︎