هل يمكن للطاقة الشمسية أن تلبّي بشكل كامل احتياجات الأسرة من الكهرباء؟

تقييم إمكانية الانفصال الكامل عن الشبكة باستخدام الطاقة الشمسية

التغطية السنوية للطلب على الكهرباء بواسطة أنظمة الفوتوفولتيك الشمسية في مناخات مختلفة

إن النظر إلى أنظمة الطاقة الشمسية الكاملة المستقلة عن الشبكة الكهربائية بحلول عام 2025 يُظهر كيف تؤثر الظروف الجوية فعليًا على أدائها في المناطق المختلفة. خذ على سبيل المثال مواقع الحزام الشمسي. عندما يقوم شخص ما بتثبيت نظام بقدرة حوالي 9.72 كيلوواط مع بطاريات تحتفظ بحوالي 28.6 كيلوواط ساعة، فإنهم عادةً يتمكنون من تلبية نحو 92 بالمئة من احتياجاتهم السنوية من الكهرباء إذا كانت منازلهم فعالة بالفعل. لكن الأمور تصبح أكثر تعقيدًا في الشمال حيث لا تتجاوز عدد الأيام المشمسة 200 يوم في السنة. يحتاج السكان هناك عمومًا إلى ألواح شمسية أكبر بنسبة 35 إلى 40 بالمئة بالإضافة إلى سعة تخزين بطاريات أكبر بكثير فقط لمجاراة الأداء الذي يحصل عليه السكان في الولايات الجنوبية تلقائيًا. إن انخفاض كمية أشعة الشمس التي تصل إلى الألواح مقترنًا بأيام أقصر يعني أن هذه التثبيتات الشمالية يجب أن تعمل بجهد أكبر لضمان موثوقيتها طوال العام.

تقييم الإمكانات والقيود الشمسية لتحقيق الاستقلال التام في مجال الطاقة

توفر البطاريات الليثيومية الحديثة 90–95%وتتراجع فعاليتها خلال فترات غيمة طويلة، وهو عائق رئيسي تم تسليط الضوء عليه في أبحاث الطاقة المتجددة. القيود الحرجة تشمل:

• محدودة في فصل الشتاء إلى ست ساعات، مما يقلل من الطاقة الناتجة بنسبة تصل إلى 58٪ مقارنة مع ذروة الصيف
• التوجه دون الحد الأقصى للسقف يقلل من الإنتاج المحتمل بنسبة 12 18 ٪
• الحاجة إلى 25-30٪ من فائض الطاقة في النظام للحفاظ على المرونة عبر أنماط الطقس المتغيرة

هذه العوامل تجعل استقلالية الشبكة الحقيقية تعتمد بشكل كبير على التصميم المحدد للموقع واستراتيجيات إدارة الطاقة.

الاكتفاء الذاتي بالطاقة في المباني السكنية: الحدود التكنولوجية الحالية

ووفقاً لتقرير الطاقة الشمسية لعام 2024، 41%منازل العائلة الواحدة في المناطق المعتدلة تحقيق الاستقلال الكامل للطاقة دون النسخة الاحتياطية من الشبكة. حتى الألواح الشمسية المتقدمة بقدرة 15 كيلوواط مقترنة بمحولات هجينة تواجه قيود متأصلة:

1. أنظمة البطارية عادة ما تدعم الأحمال الضرورية لمدة تصل إلى 72 ساعة في حالات الطقس القاسية
2. تتسبب عملية التحويل من التيار المستمر إلى التيار المتردد في خسائر في الكفاءة تتراوح بين 18٪ و22٪
3. تبلغ تكاليف الصيانة أكثر بـ 45٪ مقارنة بالأنظمة المتصلة بالشبكة

لا يمكن للأنظمة الأصغر من 8 كيلوواط عادةً تلبية احتياجات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والأجهزة القياسية على مدار السنة، مما يستدعي إما الحفاظ الشديد على الطاقة—والذي قد يوفر 740 دولارًا شهريًا—أو استخدام مصادر طاقة تكميلية خلال الفترات الطويلة ذات الإنتاج المنخفض

تعزيز الموثوقية مع حلول تخزين البطاريات الشمسية

كيف تسد أنظمة الطاقة الشمسية مع البطاريات الفجوة خلال فترات الإنتاج المنخفض

تساعد أنظمة البطاريات الشمسية في أوقات عدم توفر أشعة شمس كافية، مثل الليل أو الأيام الغائمة أو الفترات من السنة التي لا يكون فيها ضوء الشمس قويًا. وفقًا لدراسات حديثة من NREL في عام 2023، تحتفظ بطاريات الليثيوم أيون بنسبة تتراوح بين 90 و95 بالمئة من شحنتها في كل مرة تُستخدم فيها. وهذا يعني أن المنازل العادية يمكنها تغطية ما يقارب 60 إلى 80 بالمئة من احتياجاتها في المساء باستخدام الكهرباء المخزنة. لا تكفي الألواح الشمسية التقليدية وحدها بعد غروب الشمس لأنها تعتمد حينها على الشبكة الكهربائية. لكن هذه الأنظمة المدمجة تعمل بشكل مختلف. فهي تتحول تلقائيًا إلى طاقة البطارية عندما يبدأ الناس في استهلاك كمية أكبر من الكهرباء في وقت العشاء أو غيره، مما يساعد العائلات على استخدام جزء أكبر من الطاقة التي ولّدوها بأنفسهم بدل الاعتماد الكبير على مصادر خارجية لتلبية احتياجاتهم من الطاقة.

قدرة أنظمة الطاقة الشمسية والبطاريات على التعامل مع انقطاع التيار وضمان المرونة

عندما تنقطع شبكة الكهرباء، تنشط أنظمة البطاريات الشمسية على الفور تقريباً، أسرع بكثير من مولدات الديزل القديمة التي نعرفها ونحبها جميعاً. بعض البحوث من العام الماضي نظرت إلى الأماكن التي تضررت من الأعاصير واكتشفت شيئاً مثيراً للاهتمام: المنازل المجهزة بتخزين الطاقة الشمسية أبقت الأشياء الأساسية تعمل لمدة تتراوح بين ثلاثة إلى سبعة أيام بعد إطفاء الأضواء. هذا أفضل بكثير من 12 ساعة عادةً يحصل عليها معظم الناس عندما يعتمدون على المولدات النسخ الجديدة من هذه الأنظمة أصبحت ذكية جداً أيضاً في الواقع، يتحققون من توقعات الطقس و يبدأون في التشغيل قبل أن تصيب العاصفة، والتي يمكن أن تقلل من المشاكل خلال انقطاع التيار بنحو 40 في المئة وفقا لما يقوله الخبراء.

توفير تكاليف الكهرباء المنزلية مع تخزين الطاقة الشمسية بالإضافة

عندما تعمل الألواح الشمسية بالتعاون مع أنظمة تخزين البطاريات، فإنها تقلل من كمية الطاقة المستمدة من الشبكة خلال الساعات الذروة المرتفعة التكلفة بنسبة تتراوح بين النصف وثلاثة أرباع. ويعود ذلك إلى إمكانية تخزين الكهرباء الأرخص سعرًا عند انخفاض الأسعار واستخدامها لاحقًا عندما ترتفع الأسعار. على سبيل المثال، نظام نموذجي يتكون من 10 كيلوواط من الطاقة الشمسية بالإضافة إلى بطارية بسعة 15 كيلوواط في الساعة. ووفقًا لأبحاث وزارة الطاقة لعام 2023، توفر هذه الأنظمة للأسر ما بين 1200 و1800 دولارًا سنويًا في المناطق التي تكون فيها تكاليف الكهرباء مرتفعة بشكل خاص. ولكن العامل الأهم في تحقيق الادخار هو وحدات التحكم المتقدمة في البطاريات، التي تحدد بدقة متى وبأي عمق يتم شحن البطاريات. وترفع هذه الأنظمة الذكية من إجمالي الادخار بنسبة تقارب 20% على مدى 15 عامًا مقارنةً بالاعتماد فقط على أنظمة بطاريات أساسية دون البرمجة المعقدة.

المُنحى: الزيادة في اعتماد حلول الطاقة الهجينة المدمجة للطاقة الشمسية وتخزين البطاريات في المنازل الخارجية

ارتفع عدد المنازل الضواحي التي تثبّت تخزين الطاقة الشمسية بنحو 120% كل عام منذ عام 2021 وفقًا لأحدث تقرير لـ SEIA من عام 2024. هذا النمو يعود إلى حد كبير إلى تلك الإعفاءات الضريبية الفيدرالية التي تغطي حوالي 30٪ من ما يدفعه الناس لتنظيم النظام الكامل. الآن هناك هذه البطاريات المنسقة في السوق التي تسمح للناس بإضافتها إلى الألواح الشمسية الحالية دون الحاجة إلى استبدال كل شيء في وقت واحد. يمكن لأصحاب المنازل توفير حوالي 35% عندما يقومون بتحديث هذه الطريقة بدلاً من شراء معدات جديدة. العديد من المجتمعات في جميع أنحاء أمريكا بدأت مبادرات شراء جماعي أيضا. وبسبب هذه البرامج، تعمل حلول الطاقة الشمسية المختلطة بالإضافة إلى التخزين في الواقع أرخص من الاعتماد فقط على شبكة الكهرباء في ما لا يقل عن 22 ولاية مختلفة في جميع أنحاء البلاد. نحن بالتأكيد نرى المزيد من الناس يتحركون بعيدا عن مصادر الطاقة المركزية نحو شيء أكثر ذكاءً و مقاومةً للتعطيل.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء الطاقة الشمسية؟

تشمل العوامل الرئيسية الموقع الجغرافي وظروف المناخ، وكمية أشعة الشمس المتاحة، وحجم وتوجيه نظام الألواح الشمسية، وقدرة تخزين البطارية.

هل يمكن لأنظمة بطاريات الطاقة الشمسية العمل بشكل كامل خارج الشبكة؟

رغم إمكانية عمل أنظمة بطاريات الطاقة الشمسية خارج الشبكة، فإن الاستقلال التام في مجال الطاقة يعتمد بشكل كبير على تصميم مخصص حسب الموقع واستراتيجيات إدارة الطاقة.

كيف يمكن لأنظمة الطاقة الشمسية مع حلول التخزين توفير المال؟

تقلل هذه الأنظمة من الاعتماد على الكهرباء من الشبكة خلال ساعات الذروة من خلال تخزين الكهرباء الأرخص عندما تكون الأسعار منخفضة واستخدامها لاحقًا عندما ترتفع الأسعار، مما يؤدي إلى توفير سنوي في فواتير الكهرباء.

ما هي الاتجاهات التي تُلاحظ في اعتماد حلول التخزين الشمسي؟

يتم اعتماد حلول التخزين الشمسي بشكل متزايد في المنازل الواقعة في الضواحي، مدفوعةً بإعفاءات ضريبية اتحادية، وخيارات بطاريات وحدوية، ومبادرات شراء جماعية تعتمد على المجتمع المحلي، مما يحقق ميزات تكلفة مقارنة بمصادر الطاقة التقليدية.