تخزين الطاقة الكهربية من الخلايا الشمسية Energy Storage Systems

تخزين الطاقة الكهربية من الخلايا الشمسية  Energy Storage Systems (ESS)

يعيب نظم الطاقة المتجددة تذبذب كميات الطاقة المنتجة منها على مدار اليوم وعدم استطاعة التحكم في كميات الطاقة المنتجة منها أو في أوقات إنتاجها بما يتلائم مع الأحمال المطلوبة. فمثلا في نظم الطاقة الشمسية يكون إنتاج الطاقة منها نهاراً فقط وفي ساعات سطوع الشمس وبالكميات التي تتيحها درجة سطوع الشمس ودرجات الحرارة في مكان التركيب. أما الأحمال الكهربية فتكون على مدار اليوم الكامل وإن كان هناك ساعات للذروة تزداد فيها الأحمال لأقصى قيمة.

وأفضل استغلال لنظم الطاقة المتجددة أن يتوافق الإنتاج مع الأحمال وهذا مستحيل في معظم الأحوال. ولذلك نلجأ إلى تخزين الطاقة الكهربائية المنتجة من هذه المصادر والزائدة عن حاجة الأحمال في أوقات انخفاض الطلب على الكهرباء بطرق متعددة للإستفادة منها في أوقات عدم توفره هذه المصادر أو في أوقات الذروة وللتخفيف من حدة تذبذب الإنتاج. ويتم تخزين الطاقة الكهربائية بطرق متعددة نذكر منها البطاريات الكهربائية والنظم الهيدروليكية ونظم الحدافات الميكانيكية والمكثفات فائقة السعة ونظم السيارات الكهربائية.

البطاريات الكهربائية:

البطاريات :

إن الانظمة الشمسية المتصلة بشبكة الكهرباء لا تحتاج البطاريات ذلك نظرا لأن شبكة الكهرباء تمثل لنا المخزن الدائم للكهرباء في حالات غياب الشمس. أما الانظمة الشمسية التي لا تتصل بالشبكة فهي تحتاج البطاريات لتخزين الطاقة في حالات عدم توفر الاشعاع الشمسي اللازم. و خاصة في حالة التطبيقات التي لا يجب إطلاقا أن تنقطع عنها الكهرباء مثل الساعة التي تعمل بالطاقة الشمسية. بل أكثر من ذلك, فان هذا النوع من التطبيقات يستوجب بطاريات بسعة كبيرة جدا تكفيها لأيام كثيرة من العمل دون اشعاع شمسي. و في الانظمة المستقلة يوجد حالات لا تستوجب استعمال بطاريات ومن ذلك:

– في حالة استعمال الآلات أثناء وجود اشعاع شمسي فقط. في هذه الحالة لا حاجة لنا الى تخزين الطاقة بما أننا نستعمل الطاقة الشمسية مباشرة من الالواح فقط مثل ري المزروعات في فترة النهار او مثل والنوافير المباشرة التي تعمل من الالواح الشمسية بشكل مباشر . او في حالة وجود وسيلة أخرى لتخزين الطاقة مثل نظام مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية. ففي هذه الحالة يمكن تخزين المياه في مخزن مائي بعد ضخها اثناء تواجد اشعاع شمسي كاف. و في حالة غياب الشمس نستعمل خزان الماء بدل المضخة.

تكمن اهمية البطاريات في الانظمة الشمسية اهمية كبيرة في حال الرغبة في الحصول على مصدر للكهرباء في الليل او في الأيام الممطرة ذات الغيوم المستمرة لساعات طويلة من النهار. ولأهمية هذا الجزء في بعض الانظمة الشمسية التي تم شرحها سابقا خصوصا في الانظمة المعزولة او المستقلة OFF GRID  فسوف يتم تخصيص الجزء القادم للحديث عن البطاريات من حيث التركيب والانواع وغيرها من المفاهيم والمواضيع المتعلقة.

بطاريات الدورة العميقة deep cycle battery

لبطارية الشمسية هي خزان للكهرباء تماما مثل خزان الماء في أنظمة ضخ المياه. السعة التخزينية للبطارية تقاس بالأمبير ساعة. هناك ثلاث أنواع رئيسية من البطاريات التي تستخدم في نظم الطاقة الشمسية وهي: البطاريات السائلة والهلامية والعميقة. لجميع هذه الأنواع ميزة واحدة هي أنها عميقة الخزن.

البطاريات السائلة تتطلب تجديد مستمر للماء والحامض كل ستة أشهر تقريبا، وإذا تمت صيانتها بعناية فهي تدوم عمرا أطول، وهذه أنسب سعراً من الأنواع الأخرى.

البطاريات الهلامية تتميز بالعديد من المزايا أكثر من البطاريات السائلة، وهي بطاريات مغلقة لا تحتاج الى تعبئة ولا تحتاج الى أي صيانة.

البطاريات العميقة  هي من أفضل البطاريات لاستخدامات الأنظمة الشمسية. وهي بطاريات مغلقة وخالية من المتاعب ولا تحتاج لأي صيانة

بطاريات الشحن العميق تستخدم في انظمة الطاقة الشمسية غير المتصلة بالشبكة وكذلك انظمة طاقة الرياح وتطبيقات صناعية وبحرية متعددة. و بطاريات الطاقة الشمسية هي من هذا النوع حيث ان هذه البطاريات تسطيع ان تقوم بعملية الشحن في وقت طويل وبتيار منخفض وكذلك تستطيع تفريغ الشحنة في وقت طويل. كما ان كفاءة الشحن والتفريغ بها قد تصل الي 90% او حتي 95% وهذا رقم كبير جدا ويجعلها مميزة.

تتميز بطاريات الطاقة الشمسية  ان حجم وسمك صفائح الرصاص التي بداخلها كبير حتي يتحمل الحمل الواقع عليها اثناء الشحن الكامل أو التفريغ الكامل. وهذا ما يرفع ثمنها نظرا لأن الرصاص سعره مرتفع.

انواع البطاريات المستخدمة في الانظمة الشمسية والصناعة:

يوجد نوعان رئيسيان من البطاريات المستخدمة في انظمة الطاقة الشمسية والصناعة عموما وهما :

– بطاريات الرصاص المغمورة FLA – Flooded Lead Acid

كما هو واضح من اسمها فالواح الرصاص بها تكون مغمورة تماما بسائل قابل للتأين الكهربي. وعليك جيدا ان تأخذ في اعتبارك ان هذا النوع اثناء عمله يقوم بإطلاق غاز الهيدروجين القابل للانفجار فعليك ان تكون حذر جدا الا يتواجد بجانبها اي نوع من اللهب او الشرارة اثناء عملها.

– بطاريات الرصاص الغير مغمورة VRLA Valve Regulated Lead Acid

فهي تقريبا لا تحتاج الي صيانة كما انها تطلق كمية مهملة من غاز الهيدروجين ما يجعلها اسهل في النقل وفي التركيب ولا يعتبر التعامل معها فيه شيء من الخطورة.
وهذا النوع يوجد منه ثلاثة انواع رئيسية 

وهي  Wet و AGM و Gel .

ال AGM فهو أختصار Absorbed Glass Mat وهو يعني السائل القابل للتأين الكهربي تم امتصاصه في حصيرة اسفنجية.

اما الGel فهو من اسمه واضح ان السائل تم تحويله الي ما يشبه الجيلي اي انه اصبح أقل ميوعة وأكثر تماسك.

تركيب البطاريات

1- الغلاف أو الجسم الخارجي:- يصنع من المطاط المضغوط أو البلاستيك, و يقسم من الداخل إلى غرف لاحتواء الصفائح و تسمى هذه الغرف بالخلايا. ويكون عادة جهد كل خلية نحو 2 فولت.

2- الغطاء العلوي:- يصنع من نفس مادة الغلاف الخارجي, و يعمل على حماية الأجزاء الداخلية للبطارية من العوامل الخارجية, و يوجد في الغطاء فتحات بعدد خلايا البطارية و ذلك لملء البطارية بالمحلول المائي الحمضي من خلالها.

3- الصفائح:- و هي عبارة عن ألواح على شكل شبكة تحتوي على فراغات تملئ بأول أكسيد الرصاص أو عنصر الرصاص، حسب نوع الصفائح, و تقسم الصفائح إلى نوعين رئيسيين.

أ ) الصفائح الموجبة: تملئ فراغات الألواح الموجبة بمادة أول أكسيد الرصاص و تتميز بلونها البني الغامق.

ب) الصفائح السالبة:- تملئ فراغات الألواح السالبة بمادة الرصاص , وتمييز بلونها الرمادي, و يزيد عدد الألواح السالبة عن الألواح الموجبة بلوح واحد.

مما يجب ملاحظته أن كل خلية من خلايا البطارية تحتوي على مجموعة من الصفائح الموجبة و السالبة تفصل بينها ألواح عازلة, و وكما قلنا فان جهد كل خلية 2 فولت و للحصول من ذلك على بطارية 12 فانه يتم توصيل عدد 6 خلايا على التوالي.