البطارية الشمسية: حلول تخزين الطاقة

لماذا تجهز نفسك ببطارية شمسية؟

هناك عدد من الأسباب التي تجعلك ترغب في إضافة بطارية شمسية إلى نظامك. سواء كان ذلك في موقع معزول، أو هجين، أو تجاري وصناعي، لدينا بطارية يمكن تكييفها وفقًا لاحتياجاتك، ومربحة ومتينة، من 2 إلى عدة مئات كيلووات في الساعة.

تعظيم استخدام الطاقة من الألواح الشمسية  : البطاريات تتيح لك تخزين الطاقة الشمسية لاستخدامها في المساء والليل. مع تركيب بطارية شمسية، سوف تستورد طاقة أقل من EDF، وسوف توفر فواتير الكهرباء الخاصة بك. لذلك يمكننا أن نتحدث هنا عن تحسين الاستهلاك الذاتي (الهجين)، إلى جانب الألواح الشمسية الخاصة بك.

إجراء التحكيم HP/HC: إذا لم يكن لديك بطارية شمسية، فقد تؤدي معدلات وقت الاستخدام إلى زيادة فواتير الكهرباء بشكل كبير. لكن البطارية التي تحتوي على "مخزون" من الطاقة (السعة) بالكيلوواط ساعة، وما يكفي من الألواح الشمسية يمكنها تزويدك بالطاقة خلال فترات الذروة هذه عندما يكون سعر الكهرباء أعلى.

بعض أنظمة البطاريات (على سبيل المثال. سيجينرجي) قادرون على صنع هذا النوع من المراجحة الذكية، لإعادة شحن الكهرباء من الشبكة خارج ساعات الذروة عندما يكون ذلك منطقيًا. على سبيل المثال، إذا بدا أنه لن يكون هناك ما يكفي من الشمس لإعادة شحن البطاريات في اليوم التالي عبر الألواح، عن طريق اقتران توقعات الطقس.

الاكتفاء الذاتي من الطاقة الشمسية بفضل البطاريات (الاحتياطية): جميع مجموعات البطاريات المتوفرة لدينا قادرة على العمل بمعزل عن غيرها، أي بدون وجود EDF. وبالتالي، يمكنك الاستفادة من وظيفة "الطوارئ" (= النسخ الاحتياطي) جزئيًا أو كليًا لتأمين رسومك في المنزل. خلال النهار، إذا حدث انقطاع في EDF، يمكنك الاستمرار في الاستفادة من الطاقة الشمسية، عبر الألواح الخاصة بك.

ما هي الأنواع المختلفة للبطاريات الشمسية؟

تطور البطاريات الشمسية: تراجع بطاريات الجيل وبطاريات الرصاص:

شهدت البطاريات الشمسية تطورًا كبيرًا، تميز بتراجع التقنيات القديمة مثل بطاريات GEL وبطاريات الرصاص (ماركة Hoppecke، وVictron، وEnersys، وما إلى ذلك). كانت بطاريات GEL ذات شعبية كبيرة، مع إلكتروليتاتها في شكل هلام، وبطاريات AGM (حصيرة زجاجية ممتصة)، على الرغم من أنها تتطلب القليل من الصيانة وتوفر عمرًا طويلًا نسبيًا، إلا أنها أصبحت الآن قديمة. أداءها وعمرها، بشكل عام بين 800 و 900 دورة لـ GEL وما يصل إلى 10 سنوات لـ AGM، يتضاءل مقارنة بالتقدم في بطاريات الليثيوم. وبالمثل، فإن بطاريات الرصاص المفتوحة، على الرغم من تكلفتها الاقتصادية، تتطلب صيانة كبيرة ومحدودة بتصميمها غير المانع للماء. واليوم، لا تزال تُباع في مجموعات طاقة شمسية للمبتدئين، حيث تتيح بطاريات AGM، نظرًا لسعرها المنخفض للغاية، الحصول على تركيبات منخفضة التكلفة، خاصة لعربات الكارافانات.

التفوق التقني لبطاريات الليثيوم أيون الشمسية:

لقد أثبتت بطاريات الليثيوم أيون الشمسية، بفضل صغر حجمها وعمرها الطويل، نفسها بسرعة باعتبارها التكنولوجيا المفضلة لتخزين الطاقة الشمسية. إنها توفر كفاءة أعلى في استخدام الطاقة وعمرًا أطول بكثير من بطاريات GEL وبطاريات الرصاص، مما يمثل نقطة تحول في تخزين الطاقة الشمسية. تم تجهيز بطاريات الليثيوم بنظام إدارة داخلي إلكتروني، BMS، والذي سيعمل على تحسين التفريغ والشحن وفقًا لجهود الألواح الشمسية والشاحن العاكس المستخدم. تتراوح السعات بين 2 إلى 10 كيلووات في الساعة لكل عنصر، اعتمادًا على ماركات البطاريات. يمكن أن تصل قوة التفريغ إلى 5000 واط في بعض الموديلات. ستؤثر جودة نظام إدارة المباني أيضًا على عمر بطارية الليثيوم وقدرتها على التفريغ وبالتالي إرجاع الطاقة.

ما يسمى بتقنيات البطاريات "البديلة": النيكل والحديد، وتيتات الليثيوم، وأيونات الصوديوم:

وفي الوقت نفسه، ظهرت تقنيات ناشئة أخرى، مثل بطاريات النيكل والحديد، وتيتانيت الليثيوم، وبطاريات أيونات الصوديوم. وتتميز بطاريات النيكل والحديد، المعروفة بمتانتها وطول عمرها، بقدرتها على تحمل دورات الشحن والتفريغ العميقة دون تدهور كبير، مع ضمان التفريغ السريع إذا لزم الأمر. إنها مثالية لأنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة. يمكنهم تقديم ما يصل إلى 8000 دورة، ويمكن تجديد إلكتروليتاتهم. ويمكن تفريغها إلى 0% دون مخاطر. السعر حوالي 600 يورو للكيلوواط ساعة.

من ناحية أخرى، توفر تقنية البطاريات الشمسية Lithium Titanate شحنًا سريعًا للغاية وعمرًا أطول، حتى في الظروف الجوية القاسية. على الرغم من أن بطاريات الليثيوم تيتانات الشمسية باهظة الثمن، إلا أنها تتمتع بأفضل ضمان في السوق (20 عامًا لـ Zenaji)، أو 10 أضعاف ضمان بطارية الرصاص Hoppecke أو Victron AGM! ومن ناحية أخرى، فإن السعر أعلى بحوالي 3 مرات من بطارية الليثيوم التقليدية.

وأخيرا، تظهر بطاريات أيونات الصوديوم كبديل واعد، حيث توفر حلا مستداما بيئيا وبأسعار معقولة. على الرغم من أنها لا تزال في مرحلة التطوير، إلا أنه يتم النظر في استخدام هذه البطاريات على نطاق واسع، وذلك بسبب انخفاض تكلفة إنتاجها ووفرة الصوديوم. قدرتها على الطاقة أقل قليلاً من بطاريات الليثيوم الشمسية، وذلك بسبب كثافة الطاقة التي تبلغ حوالي 130 واط ساعة/كجم، مقارنة بـ 160 لبطاريات LiFePO.

ويعكس الانتقال إلى تقنيات البطاريات الأكثر تقدما، بما في ذلك بطاريات الليثيوم أيون، والنيكل والحديد، وتيتانيت الليثيوم، وأيونات الصوديوم، التقدم المستمر في مجال تخزين الطاقة الشمسية. يعد هذا التطور بزيادة الكفاءة واستدامة أفضل وتقليل البصمة البيئية، مما يمهد الطريق لعصر جديد وأكثر استدامة للطاقة الشمسية.

لماذا تتفوق بطاريات الليثيوم الشمسية على بطاريات الرصاص (AGM، OPZs)؟

يكمن الاختلاف الأكثر وضوحًا بين تقنية الليثيوم (LIFEPO على سبيل المثال) وبطاريات AGM/GEL مثل Hoppecke أو Enersys في قدرة الشحن/التفريغ. يوضح الرسم البياني أدناه السعة كنسبة مئوية من السعة المقدرة مقابل معدل التفريغ (أو السرعة) (في الطاقة). مع معدلات تفريغ البطارية العالية جدًا، تبلغ سعة بطارية الرصاص الحمضية AGM/GEL 60% فقط من سعتها المقدرة:

لذلك، في أنظمة الطاقة الشمسية حيث يتم تحميل البطارية بشكل كبير أو بشكل منتظم مع ذروة التفريغ، فإن بطارية الليثيوم ذات السعة الأقل سيكون لها قدرة قابلة للاستخدام أكبر من بطارية الرصاص الحمضية ذات السعة المماثلة. بمعنى آخر، مع سعة مماثلة، ستكلف بطارية الليثيوم بالتأكيد أكثر، لكنك ستتمكن من استخدام سعة أقل لأنه ليس من الضروري زيادة حجمها لاستيعاب قمم التفريغ.

الميزة الأخرى لبطاريات الليثيوم LIFEPO، مقارنة ببطاريات الرصاص AGM/GEL، تكمن في سعة الدورة (العمر الافتراضي). تتميز تقنية LIFEPO بقدرة دورة أكبر بمقدار 10 مرات تقريبًا مقارنة بأفضل بطاريات OPZs. وهذا يجعل تكلفة الكيلوواط ساعة المخزنة أقل بكثير من تكلفة الرصاص، مما يعني أن بطارية الليثيوم لن تحتاج إلى الاستبدال طوال عمر النظام الشمسي:

كيف تعمل البطارية الشمسية؟

يمكن تصور البطارية الشمسية كنوع من "الساندويتش" الكهروكيميائي المستخدم لتخزين الطاقة. على جانب واحد لديك الأنود، وعلى الجانب الآخر لديك الكاثود. بين الاثنين، هناك واجهة موصلة أيونية، تسمى المنحل بالكهرباء، وفاصل.

تتركز الإلكترونات سالبة الشحنة من البطارية عند القطب الموجب. عندما تتجاذب الأضداد، فإنها تريد التوجه نحو الكاثود المشحون بالكهرباء بشكل إيجابي في البطارية. يعمل الإلكتروليت كمخزن مؤقت، حيث يمنع الإلكترونات من اتخاذ أقصر مسار من البطارية (مما قد يتسبب في حدوث ماس كهربائي!).

إن توصيل الأنود والكاثود باستخدام سلك خارجي يسمح بتدفق الإلكترونات الموجودة في البطارية. هذا التدفق من الإلكترونات هو ما نسميه الكهرباء.

مخطط المبدأ (المصدر: www.solarquotes.com)

في البطاريات الشمسية القابلة لإعادة الشحن (تسمى تقنيًا البطاريات "الثانوية"، بدلاً من البطاريات ذات الاستخدام الواحد)، يتم استخدام مصدر طاقة خارجي لعكس تدفق التيار (عبر الألواح الشمسية على سبيل المثال). وبالتالي يتم تخزين الطاقة (نتحدث عن كيلوواط ساعة)، لاستخدامها لاحقًا، أو إعادة شحنها عبر الألواح الشمسية.

هناك طرق عديدة لترتيب الكاثود والأنود والصفائح الفاصلة في بطارية ليثيوم أيون الشمسية الحديثة.

وعادة ما يتم بناؤها على شكل أسطوانة داخل أسطوانات معدنية تسمى الخلايا. يمكن أن يحتوي نظام تخزين الطاقة المنزلي على آلاف من خلايا البطارية الأسطوانية. يمكننا أيضًا العثور على بناء من النوع المستطيل يسمى المنشوري. أخيرًا، هناك تصميمات منشورات "الخلية الجيبية" الموجودة في Pylontech على وجه الخصوص:

طاقة البطارية والطاقة! لكي لا يكون محيرا …

في دليلنا للاستقلالية الشمسية، لقد شرحنا الفرق بين الطاقة وكثافة الطاقة (أو السعة). فيما يلي مخطط حوض الاستحمام الذي يسهل فهمه:

عندما يتعلق الأمر بالبطاريات، فإن القياس المفيد هو تدفق الماء عبر أنبوب إلى حاوية، باستثناء أن الماء سيكون كهرباء، والطاقة ستكون معدل التدفق:

• الطاقة (كيلوواط)، أو "الطاقة" باللغة الإنجليزية، هي السرعة التي يتدفق بها الماء عبر الأنبوب، داخل أو خارج الحاوية.
• الطاقة (كيلوواط ساعة) أو السعة هي كمية المياه التي يمكن أن تحتويها الحاوية.

تتمتع معظم بطاريات الليثيوم أيون الشمسية بأقصى إنتاج مستمر بين 3 و 5 كيلو واط. على سبيل المثال، يتمتع جهاز Pylontech US5000 بقدرة تبلغ 2.4 كيلووات متواصلة، وتصل إلى 5 كيلووات في الذروة. إذا كنت أرغب في الحصول على 10 كيلو واط من الطاقة من نظام البطارية الخاص بي، فسوف أحتاج إلى إضافة بطارية ثانية.

النيكل والحديد، NIFE، الليثيوم LFP، NMC، الصوديوم؟ ماذا تختار ؟

قبل بضع سنوات، عندما تحدثنا عن تخزين البطارية، كان من المؤكد أنك في موقع منعزل (خارج الشبكة). ولسبب وجيه، كان سعر بطاريات الليثيوم أيون على وجه الخصوص أعلى بـ 4 إلى 6 مرات مما هو عليه اليوم:

كانت التكنولوجيا السائدة منذ حوالي عشر سنوات هي حمض الرصاص (مناطق OPZ على وجه الخصوص من العلامة التجارية Victron، Hoppecke). كانت هناك أيضًا بطاريات AGM أو GEL، دائمًا في التكنولوجيا الرائدة. كانت لتكنولوجيا الرصاص الحمضية عيوب (الحجم المرهق، والعمر المحدود، وانبعاث الغاز، وعدم تحمل التدوير العميق، وما إلى ذلك) وتتطلب صيانة منتظمة، وهو أمر معقد. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من سعرها المنخفض إلى حد ما للوهلة الأولى، كان من الضروري مراعاة انخفاض السعة المتاحة لأن الحد الأقصى للتفريغ يقتصر على 30٪، من أجل الحفاظ على العمر الافتراضي الصحيح!

ولذلك انخفض سعر بطاريات الليثيوم بشكل كبير، حيث وصل إلى 139 دولارًا أمريكيًا لكل كيلووات في الساعة (مقال بلومبرج.) 

تقنيتا الليثيوم الرئيسيتان هما النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) والليثيوم والحديد والفوسفات (LifePO). تيسفولت HV على سبيل المثال، تستخدم خلايا NMC Samsung SDI، بينما تستخدم البطاريات المخصصة للاستخدام السكني مثل Pylontech أو BYD LifePO حصريًا.

وتجدر الإشارة إلى أن كل بطارية لها خصائصها الخاصة، إلا أن LifePo هي المتفوقة في عدد الدورات والثبات الحراري والعمر الافتراضي.

بطارية LiFePO: قيمة لا تقبل المنافسة مقابل المال:

البطاريات الشمسية المعتمدة على كيمياء LFP خالية من الكوبالت والمعادن الاستراتيجية، وبالتالي فهي أكثر فاضلة من وجهة نظر بيئية ومن وجهة نظر C2G ("من المهد إلى البوابة = دورة حياة البطارية من استخراجها إلى إعادة تدويرها).

بطارية النيكل والحديد: الأولوية للمتانة:

توجد تقنيات أخرى، مثل بطارية النيكل والحديد الذي نبيعه منذ عام 2018، والذي يجمع بين المتانة والصلابة التي لا تضاهى للتطبيقات "المتخصصة" (خاصة المواقع المعزولة). هذه بطاريات خاصة جدًا وهي بالتأكيد ضخمة الحجم وتتطلب الصيانة، ولكن لها عمر افتراضي غير محدود تقريبًا. كما أنها لا تتطلب نظام إدارة المباني، وهو ما يعد ميزة لأولئك الذين يقدرون التصميمات "منخفضة التقنية".

هناك أيضا بطاريات تيتانات الليثيوم (LTO)، التي نقدمها عبر العلامة التجارية الأسترالية Zenaji منذ 3 سنوات. تقنية عالية الأداء، مع دورات مذهلة (20000 دورة) ولكن بسعر باهظ.

بطاريات أيون الصوديوم وأخيرا، بدأت تصل إلى السوق. وسنقدمه في عام 2024، لا سيما من خلال شراكتنا مع BIWATT وحلها المتكامل تمامًا. وتتمتع الأخيرة بمزايا فريدة من حيث تحمل درجات الحرارة القصوى، وغياب استخدام معادن عالية الحرجية (= بكميات محدودة). ومع ذلك، فإن أسعارها حاليًا مماثلة أو حتى أعلى قليلاً من أسعار بطاريات LIFEPO الشمسية، ويجب أن يكون لدينا منظور حول الاستخدام للتأكد من أن عمرها الافتراضي مثير للاهتمام مقارنة بالبطاريات الناضجة تقنيًا.

تحقق بعناية من شروط ضمان البطارية!

يمكن أن تكون قراءة عقود ضمان البطارية مملة. فيما يلي النقاط الأساسية التي يجب فهمها حول أي نظام لتخزين الطاقة تفكر في شرائه.

تدهور البطارية ("EOL")، معيار أساسي لتقييم عدد الدورات المتاحة! 

ما هي سعة البطارية الشمسية في نهاية ضمانها؟ 70% بعد 10 سنوات هي قيمة نموذجية. هذه هي "EOL" الشهيرة. توفر الشركات المصنعة مخططات تحدد عدد الدورات التي يمكن للبطارية تحقيقها قبل أن تتجاوز قدرتها المتبقية عتبة "EOL" الشهيرة (= نهاية العمر). على سبيل المثال، مع بطارية TESVOLT الشمسية، نرى أن البطاريات مضمونة 6500 دورة عند تفريغ 100%، لمدة 10 سنوات. بمعنى آخر، يمكنك تدويرها 6500 مرة بنسبة 100% لمدة 10 سنوات ويجب ألا تقل السعة المتبقية عن 70% في نهاية هذه الدورات!

هناك طريقة أخرى لتفسير ذلك وهي القول أنه في الاستخدام القياسي، يتم تدوير البطارية السكنية حوالي 280 دورة سنويًا بما يعادل "دورة كاملة" (= 100% DOD). يتم تفسير ذلك بالموسمية (في الواقع، في الصيف، ستكون البطارية أقل استخدامًا منها في الشتاء!) وبالتالي، فإن 6500 دورة مضمونة من TESVOLT ستسمح لك في الواقع باستخراج 6500/280 = ما يقرب من 23 عامًا من التشغيل قبل التدهور الكبير.

صحة البطارية الشمسية الخاصة بك، SOH!

المفهوم المهم الآخر الذي يجب تذكره هو مفهوم SOH، الذي يعني "الحالة الصحية" للبطارية، ويشير إلى قدرتها المتبقية. يشير SOH بنسبة 98% إلى أن موسوعة الحياة الخاصة به كذلك

يجب عليك أيضًا أن تضع في اعتبارك أن جودة تصنيع خلية الليثيوم ستؤثر على عمرها التقويمي، أي عمرها باستثناء التآكل (سواء تم استخدامها أم لا). في TESVOLT على سبيل المثال، يكون التحلل المستقر منخفضًا جدًا، حوالي 70% بعد 16 عامًا من الاستخدام المكثف بنسبة 100% DOD. تم تأكيد ذلك من خلال خبرتنا الميدانية حيث أن إحدى منشآتنا في موقع معزول لمدة 4 سنوات باستخدام TESVOLT لا تزال تُظهر حالة سليمة من SOH ("الحالة الصحية")!

على العكس من ذلك، تم استبدال SOH بأحد منتجاتنا الأنظمة الذاتية (ستودر) مع البطاريات، في الخدمة لمدة 4 سنوات. هذه بطارية TESVOLT TS48V مزودة بخلايا Samsung SDI. القدرة دائما 100٪، مما يشير إلى عمر طويل جدًا قادم.

بل مشجع بعد 4 سنوات من الخدمة في موقع معزول!

في المقابل، يوجد SOH لبطارية Pylontech، وهي أيضًا في الخدمة لمدة 4 سنوات. نرى أن SOH أقل بكثير، وأن البطاريات فقدت 8% من سعتها. وبالتالي فإن التدهور أكبر بكثير.

في الختام، من المهم أن نفهم تمامًا المشكلات المتعلقة بالاختيار الفني الذي تقوم به للبطارية الشمسية الخاصة بك. سيكون لهذا تأثير على الأمان، ولكن أيضًا على الربحية والتشغيل السلس لمشروعك على المدى الطويل. ليست كل البطاريات متساوية!