لومن (lm) هي الوحدة المستخدمة لقياس الكمية الإجمالية للضوء المنبعث من مصدر الضوء. يتم قياس فعالية المصباح بوحدة لومن لكل واط (lm/W)، أي مقدار الضوء المنبعث لكل واط من الكهرباء المستهلكة. كلما زاد مقدار لومن لكل واط (lm/W) للمصباح، قل مقدار الكهرباء التي يستهلكها لإنتاج لومن من الضوء.

عند تقييم المصباح، يجب التحقق من المواصفات. بشكل عام، كلما زاد حجم مصباح من نوع معين، زادت فعاليته. ثمة عامل آخر يجب أخذه بنظر الاعتبار وهو متوسط عمر الخدمة لتقنيات الإضاءة المختلفة.

يمكن أن تؤدي أجهزة التحكم التلقائي في الإضاءة واستشعار الضوء إلى تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة عن طريق:

  •  إطفاء الأنوار عند عدم وجود أحد في الغرفة (أجهزة استشعار التواجد/الحركة)
  • إطفاء الأنوار عند وجود مصدر ضوء طبيعي بإضاءة مناسبة (أجهزة استشعار الضوء)
  •  تشغيل أضواء خافتة عند توفر مقدار من الضوء الطبيعي (أجهزة استشعار الضوء، مخفّتات إضاءة)

يقترب من فعالية تقنيات الإضاءة للأغراض العامة المختلفة

نظام استشعار الضوء والتحكم الآلي.

توفير الطاقة من نظام استشعار الضوء.

يمكن أن تؤدي الممارسات الجيدة لتصميمات الإضاءة (مستويات الإضاءة الصحيحة، وتركيب المصابيح في الأماكن الأمثل، وتجنب الإضاءة الزائدة) إلى تقليل استهلاك الطاقة. عند تنفيذ مشاريع كبيرة، يوصى بتعيين مهندس إضاءة.

في المباني الإدارية، حيث يمكن أن تمثل الإضاءة أكثر من نصف استهلاك الكهرباء، يمكن تحقيق وفورات كبيرة. إن وجود مفاتيح بحيث يمكن تشغيل كل مصباح وإيقاف تشغيله بشكل منفصل، أو تقليل إضاءته، يمكنه أن يقلل أيضًا من استهلاك الطاقة.

إدارة الطاقة هي تدابير تطلعية وتنظيمية ومنهجية وتوافقية لعمليات شراء الطاقة وتحويلها وتوزيعها واستغلالها، من أجل تحديد مواطن توفير الطاقة واستغلالها، وتقليل تكاليف التشغيل.

إدارة الطاقة هي عملية مستمرة. تدقيق الطاقة هو جزء من عملية إدارة الطاقة.

تقدم المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO) والمعيار الدولي ISO 50001 (أنظمة إدارة الطاقة – المتطلبات اللازمة مع إرشادات للاستخدام) الإرشادات، وتنص على متطلبات نظام إدارة الطاقة (EMS). توفر إطارًا لإنشاء نظام إدارة الطاقة لجميع المنظمات باختلاف أنواعها وتنفيذه وتهيئته والعمل على تحسينه، بغض النظر عن حجم المنظمة أو موقعها أو نشاطها.

يجب تنفيذ نظام إدارة الطاقة (EMS)، من قبل موظفي الإدارة والتشغيل، ويشمل:

  • تعيين الموظفين المسؤولين عن تنفيذه.
  • إنشاء قائمة جرد بالأجهزة المُستهِلِكة للطاقة، وتحديد موقعها، بالإضافة إلى تحديد نوع الطاقة التي تستهلكها تلك الأجهزة ومقدار استهلاكها.
  • تحديد العوائق التي تمنع الوصول للمستوى المطلوب من كفاءة الطاقة، مثل:
    • تكاليف الطاقة ليست موضع تركيز الإدارة.
    • لا يوجد أحد مسؤول رسميًا عن إدارة الطاقة.
    • الافتقار للمعلومات.
    • عدم الرغبة في منح مدققي الطاقة الخارجيين حق الوصول إلى المرافق.
    • قلة الموارد للاستثمار في تدابير كفاءة الطاقة.
  • تدريبات التوعية بالطاقة.
  • المراقبة والقياس.
  • تنفيذ تدابير توفير الطاقة، والتي قد تكون تدابير منخفضة التكلفة وسهلة التنفيذ (“متيسرة”) أو تدابير ذات تكلفة أكبر.
    • تطوير أهداف استهلاك الطاقة.
  • إدارة مخاطر أمن الطاقة.
  • تقييم أداء الطاقة.
  • تحسين عمليات إدارة الطاقة.
  • إدارة الاستثمارات الخاصة بكفاءة الطاقة.

مراقبة استهلاك الطاقة هي الأداة الرئيسية لإدارة الطاقة. توفر معلومات أساسية حول مكان وزمان استهلاك الطاقة في جميع الأعمال والمؤسسات باختلاف أنواعها، وهي ضرورية لتحقيق أهداف كفاءة الطاقة.

يمكن تصنيف مراقبة استهلاك الطاقة على النحو التالي:

  •  المراقبة الأولية/جمع البيانات من أجل تحديد المناطق ذات الاستهلاك العالي للطاقة.
  •  المراقبة من أجل تحديد منحنيات تغير الحمل (أين ومتى يتم استهلاك الطاقة)،
    • يمكن أن يكون معرفة وقت استهلاك الكهرباء أمرًا مهمًا، حيث يمكن أن تختلف منحنيات الطاقة على مدار اليوم – هذه المعلومات مفيدة للتخطيط عند استخدام الطاقة و/أو تركيب النظام الكهروضوئي لتلبية بعض احتياجات الكهرباء.
  • المراقبة المستمرة من أجل تمكين الإدارة الفعالة لاستهلاك الطاقة:
    • يمكن لشاشات العرض المناسبة تزويد الموظفين ببيانات عن المعدات التي تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة، و وزيادة التوعية بالمشكلة.
    •  يمكن جمع البيانات وتحليلها باستخدام برنامج كمبيوتر.

مثال على نظام جمع بيانات استهلاك الطاقة مع واجهة كمبيوتر.

تتوفر معدات المراقبة للأجهزة التي تعمل بالكهرباء والغاز والوقود السائل وما إلى ذلك. يجب مراقبة جميع أشكال استهلاك الطاقة.

عمليات تدقيق الطاقة هي الخطوة الأولى في فهم كيفية استخدام الطاقة داخل المؤسسة، وأثناء تحديد سياسات إدارة الطاقة.

تقيّم عملية تدقيق الطاقة أشكال الطاقة المستخدمة، وتحدد كمية الطاقة المستخدمة لكل عملية محددة، وتحدد جوانب الاستخدام غير الفعالة/المُهِدرة للطاقة، ومدى إمكانية توفير الطاقة.

وتبدأ عملية التدقيق، عادةً، بإجراء فحص أولي وقائمة مراجعة لإجراء تقييمات أولية، تتبع ذلك عملية جمع بيانات أكثر تفصيلاً. ويتم إجراء ذلك عن طريق تركيب مقاييس لجمع البيانات حول استهلاك الطاقة لعمليات تشغيل محددة في الوقت الفعلي.

يتم تحديد التدابير التي تتضمن إمكانية توفير الطاقة، ويتم تقدير وفورات الطاقة المحتملة. ثم تُقدم التوصيات بشأن التدابير التي يجب تنفيذها أولًا، و التدابير طويلة الأمد الأكثر ملائمة للوضع الراهن، بالإضافة إلى تحديد الآلية الأفضل لتنفيذ سياسات إدارة الطاقة وكيفية تطبيق ذلك.

الخطوات الرئيسية في عملية تدقيق الطاقة.

عند إجراء تدقيق للطاقة، تشمل العناصر التي يجب تقييمها ما يلي:

  •  أنظمة تكييف الهواء.
  • خصائص البناء ومواد الهياكل- النوافذ، والاتجاه، والعزل.
  •  أنظمة الإنارة.
  •  أنظمة التبريد.
  •  العمليات الصناعية.
  •  أجهزة توليد الحرارة (مثل السخانات).
  •  أجهزة الهواء المضغوط.
  •  أجهزة الطاقة المتجددة.

يتم إجراء عمليات تدقيق الطاقة من قبل موظفين داخليين يمتلكون المؤهلات اللازمة، ولكن يتم تعيين متخصصين مهنيين لوظائف عمليات تدقيق الطاقة في العديد من البلدان.

يعتمد تحقيق مقدار كبير من كفاءة الطاقة على العديد من العوامل. على سبيل المثال، يعتمد على نوع المبنى وحالته، والمعدات المستخدمة وحالتها، والوضع المالي وغرض الاستخدام. ومع ذلك، يمكن تحقيق كفاءة الطاقة والتوفير المالي المرتبط بها، بشكل عام، من خلال ما يلي:

  • التدابير الفنية:
    • استخدام أجهزة كهربائية ذات مستوى أعلى من كفاءة الطاقة.
    • استخدام أجهزة غير كهربائية ذات مستوى أعلى من كفاءة الطاقة.
    • التحكم الفعال لعمليات تشغيل المعدات المستهلِكة للطاقة وتحسين استخدامها، مثل أدوات التحكم في الآلة، وأجهزة استشعار التواجد/ الحركة لتشغيل أنظمة الإضاءة وإيقافها، عند اللزوم.
    • تقليل متطلبات الطاقة في المباني (التبريد والتدفئة والإنارة).
    • قياس استهلاك الطاقة ومراقبته.
    • استخدام تكنولوجيا الطاقة الشمسية لتوليد الحرارة بدلاً من الكهرباء أو الوقود الأحفوري.
  • التدابير غير الفنية:
    • تحسين الهياكل التنظيمية والإدارية، وتغيير السلوكيات/العادات التي تؤثر على استخدام الطاقة (على سبيل المثال، إيقاف تشغيل الأجهزة عند عدم الحاجة إليها، أو عدم استخدامها).
    • التعريف والتثقيف وزيادة التوعية بكفاءة الطاقة وكيفية استخدام الأجهزة بكفاءة أعلى، وبالأخص، من خلال توفير معلومات عن كمية الطاقة التي تستهلكها الأجهزة.

تعتبر عملية تدقيق الطاقة من أفضل الطرق وأولها لتحديد مكان استخدام الطاقة وتوقيت ذلك والغرض منه والآلية التي يتم من خلالها. وبناءً على ذلك، يمكن تحديد فرص تحسين الكفاءة وخفض تكاليف الطاقة. تتطلب بعض تدابير توفير الطاقة نفقات قليلة (مثل تغيير مصابيح الإضاءة)، بينما تتطلب الأخرى تنفيذ استثمارات كبيرة.

إن لتحسين كفاءة الطاقة وترسيخ إدارة فعالة لاستهلاكها، مجموعة من الفوائد للقطاع المنزلي والشركات والمؤسسات والاقتصاد الوطني والبيئة.

  •  بالنسبة للقطاع المنزلي والشركات والمؤسسات العامة:
    •  توفير الإنفاق المرتبط بالاستهلاك الأقل للطاقة الكهربائية.
    •  توفير الإنفاق المرتبط بالاستهلاك الأقل للوقود.
  •  للاقتصاد الوطني:
    •  تحقيق إنتاج أكثر كفاءة في الصناعة والزراعة وقطاع الخدمات.
    •  انخفاض استيراد الطاقة مما يؤدي لتحقيق فائض في احتياطيات العملات الأجنبية
    •  قلة الحاجة إلى القدرة التوليدية التقليدية.
    •  تعزيز الأمن في مجال الطاقة والاستقلال المالي.
  •  بالنسبة للبيئة:
    •  الحد من انبعاثات الغازات الدفيئة.
    •  الحد من التلوث الناتج عن العمليات التقليدية لتوليد الطاقة والأنشطة المرتبطة بها.

الجوانب التي تأثرت بشكل إيجابي نتيجة لتحسين كفاءة الطاقة.

المصدر: IEA (2014) – Capturing the multiple benefits of energy efficiency; OECD/IEA, 2014

تحسين كفاءة الطاقة يجعل من نظام الطاقة القائم على مصادر الطاقة المتجددة أكثر نفعًا. نظرًا لأن الطاقة المطلوبة تكون أقل، يجب الاستعانة بقدرة توليد طاقة أقل لتكون قادرة على توفير نفس المستوى من خدمات الطاقة. ويمكن تلبية القسم الأكبر من متطلبات هذه السعة عبر مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية.

تمثل الكفاءة (ƞ) للآلة أو الجهاز الكهربائي النسبة المئوية لإجمالي الطاقة المستهلكة بواسطة الآلة أو الجهاز الكهربائي (المدخلات) والتي تمكنها من تأدية عمل ذو قيمة (المخرجات).
الكفاءة ƞ (%) = (مخرجات الطاقة بالواط ÷ مدخلات الطاقة بالواط) × 100.
عادةً ما تكون الطاقة المفقودة (المهدرة) أثناء العملية على شكل حرارة.
تشير كفاءة الطاقة إلى استخدام طاقة أقل (مدخلات) لتقديم نفس النتائج وإجراء نفس المهام (مخرجات).

جميع المحركات والآلات والأجهزة الكهربائية معرضة لفقدان في الطاقة. كلما قل فقدان الطاقة، ازدادت كفاءة استخدام الطاقة.

أحد الأمثلة البسيطة على ذلك يتمثل بالمقارنة بين مصباحين، مصباح متوهج غير مهلجن (من النوع القديم) ومصباح فلورسنت، وكلاهما يوفر نفس مستوى الإضاءة. تفقد المصابيح المتوهجة 90% من الطاقة التي تستهلكها على شكل حرارة، بينما تفقد مصابيح الفلورسنت 25% من الطاقة التي تستهلكها على شكل حرارة. وبالتالي، فإن مصباح الفلورسنت يستهلك طاقة أقل بحوالي 85% من المصباح المتوهج مع توفير نفس المستوى من الإضاءة.

مقارنة كفاءة الطاقة/فقدان الطاقة ما بين الإضاءة المتوهجة وإضاءة الفلورسنت.

مقارنة كفاءة الطاقة للمصابيح. الطاقة المستهلكة = القوة الكهربائية للمصباح × عدد المصابيح × عدد ساعات التشغيل.

مقارنة كفاءة الطاقة لأجهزة الكمبيوتر. الطاقة المستهلكة = القوة الكهربائية للكمبيوتر × عدد أجهزة الكمبيوتر × عدد ساعات التشغيل.

الشكل أعلاه أو الأمثلة فقط لأغراض التوضيح. تنطبق نفس المبادئ الأساسية على الأجهزة غير الكهربائية.

تصنف الوحدات الكهروضوئية بالواط – ذروة (Wp)، وهو القدرة التي يتوقع أن تنتجها الوحدات في ظروف الاختبار القياسية (STC). وتعرف ظروف الاختبار القياسية بأنها الإشعاع الشمسي لـ 1000 واط/متر2 ، ودرجة حرارة الوحدة 25 درجة مئوية وكتلة الهواء 1.5.

ويمكن حساب خرج الطاقة الكهربائية للوحدة الكهروضوئية تقريبيًا كما يلي:

خرج الطاقة للوحدة الكهروضوئية Wh)) ≈ تصنيف طاقة الوحدة الكهروضوئية Wp)) × ساعات ذروة الشمسPSH)) × نسبة الأداء (PR).

وتحسب نسبة الأداء كخسائر في النظام، وتختلف حسب نوع النظام، ودرجات الحرارة المحلية، وجودة التركيب. بالنسبة إلى النظام المتصل بالشبكة، يتوقع أن يكون 0.7 (70%) إذا كانت الوحدة قريبة من الاتجاه والزاوية المثاليين.

لذا؛ على سبيل المثال، ما الذي يتوقع أن تنتجه وحدة كهروضوئية بقدرة 100 واط – ذروة في موقع في العراق في يوم مع 4.5 ساعات ذروة للشمس (كيلو واط/ساعة/م2 في اليوم من الإشعاع الشمسي)؟

الإجابة: 100 Wp x 4.5 PSH x 0.7 ≈ 315 Wh

صيغة أساسية لتقدير خرج الطاقة الكهربائية للوحدة الكهروضوئية.

باستخدام نفس المثال، مع وحدات كهروضوئية بقدرة 5 × 100 Wp، يكون مجموع الطاقة القصوى للمصفوفة الكهروضوئية 500 Wp، وتحت نفس الظروف، سيكون خرج الطاقة الكهربائية حوالي 1,575 واط/ساعة يوميًا (أو 1.6 كيلو واط/ساعة). وخلال سنة سيكون الإنتاج 1.6 كيلو واط/ساعة × 365 يومًا ≈ 584 كيلو واط/ساعة.

متوسط خرج الطاقة بالكيلو واط/ساعة لكل كيلو واط- ذروة للوحدات الكهروضوئية في العراق. تتراوح القيم بين 1,600 كيلو واط/ساعة لكل كيلو واط – ذروة في الشرق و1,800 كيلو واط/ساعة لكل كيلو واط – ذورة في الغرب.

المصدر: © 2020 The World Bank، المصدر: Global Solar Atlas 2.0، بيانات موارد الطاقة الشمسية: Solargis

في المنظومات غير المتصلة بالشبكة، ستكون هناك أيضًا خسائر مرتبطة بالبطاريات والمعدات الأخرى.

قد يؤدي وجود عطل في البطارية إلى نشوب حريق أو انفجار (انطلاق الطاقة بطريقة غير متحكم بها). ففي بطاريات الرصاص-الحمض، يكمن الخطر في انسكاب الحمض وانفجار غاز الهيدروجين، كما أن بطاريات أيون الليثيوم التالفة أو غير المشغلة بصورة صحيحة قد تتسبب في خطر الحريق و/أو الانفجار. ومن الضروري الامتثال الصارم لتعليمات الشركات المصنعة عند التركيب والتشغيل والصيانة.

ويجب على مشتري المنظومات الكهروضوئية المزودة بالبطاريات مراعاة ما يلي:

  • ⦁ ما المكان الذي ستوضع به البطاريات بالمبنى؟
    • ⦁ البطاريات كبيرة الحجم وثقيلة وتحتوي على مواد خطرة.
    • ⦁ قد يتعين بناء غرفة خاصة للأنظمة الكبيرة.
  • ⦁ من سيقوم بصيانة البطاريات؟
    • ⦁ الأشخاص المدربون فقط هم من يمكنهم ذلك.
  • ⦁ كيف سيتم التخلص من البطاريات بعد انتهاء عمرها؟
    • ⦁ تعتبر البطاريات من المخلفات السامة.
    • ⦁ يوجد لدى بعض الشركات مخططات شاملة لإعادة تدوير المعدات.

بطاريات الرصاص-الحمض ذات الدورة العميقة بقدرة 2 فولت في غرفة بطارية. يبلغ ارتفاع كل خلية بطارية 0.5 متر. والخرج الاسمي للمصفوفة الكهروضوئية هو 2,000 Wp.

علامات تحذيرية تستخدم مع بطاريات الرصاص-الحمض.

توجد معايير دولية بخصوص متطلبات تركيب البطاريات، وحاويات البطاريات وغرف البطاريات. وتقوم شركات التصنيع حسنة السمعة بتضمينها في تعليمات/أدلة التركيب والتشغيل، والتي يجب الالتزام بها بدقة دائمًا. تختلف المتطلبات الخاصة ببطاريات الرصاص-الحمض عن بطاريات أيون الليثيوم.

وهناك أيضًا مشاكل بخصوص حرائق البطارية (وخاصة فيما يخص بطاريات أيون الليثيوم) التي يجب أن تكون خدمات مكافحة الحرائق على دراية بها.

تتوافر مجموعة من معدات المراقبة وأنظمة جمع البيانات للأنظمة الكهروضوئية المتصلة وغير المتصلة بالشبكة. وتعتبر مراقبة أداء المنظومة ذات قيمة لكشف الأداء الضعيف وأعطال المعدات. ففي الأنظمة الكبيرة، لا غنى عن المراقبة، حيث قد يؤدي فشل المنظومة غير المكتشف أو ضعف الأداء غير المكتشف إلى خسارة كبيرة في الأرباح.

وفي المنظومات الكهروضوئية المتصلة بالشبكة، يمكن فحص خرج الطاقة بانتظام بواسطة المقياس أو العاكس. ومع ذلك، يجب توافر معلومات أكثر تفصيلًا للمساعدة في إيجاد العطل.

تتضمن مؤشرات مراقبة الأداء النموذجية ما يلي:

  • ⦁ خرج الطاقة لمصفوفات الوحدات الكهروضوئية (مع الإشارة إلى مستويات الإشعاع الشمسي).
  • ⦁ حالة شحن البطارية بمرور الوقت في الأنظمة غير المتصلة بالشبكة والأنظمة الاحتياطية.

شاشة عاكس كهروضوئي تعرض خرج الطاقة، 1302 واط، وخرج الطاقة اليومي، 14.75 كيلو واط/ساعة، وخرج الطاقة الكلي منذ تركيب المنظومة 196.42 ميجا واط/ساعة.

مستشعر الإشعاع في محطة الطاقة الشمسية. المصدر: SMA Solar Technology AG.

تندرج أنظمة المراقبة تحت الفئات العامة التالية:

  • ⦁ مقاييس الطاقة
  • ⦁ المراقبة المدمجة في الجهاز كما في العواكس الكهروضوئية، والعواكس الأخرى، ومنظمات الشحن الشمسي.
  • ⦁ مراقبة خاصة بالمعدات، وتكون خاصة بعواكس كهروضوئية محددة، ومنظمات الشحن الشمسي وعواكس البطارية/الشواحن-العاكس، مع المراقبة عن بعد.
  • ⦁ أنظمة المراقبة التي يمكن استخدامها مع مجموعة من أنواع الأنظمة، وكذلك مع المراقبة عن بعد.

توفر العديد من الشركات خدمات المراقبة عن بعد عبر الإنترنت.