حساب تكاليف استخدام الطاقة الشمسية وتوفيرها (الولايات المتحدة فقط)

يوضّح هذا المستند كيف تحتسب Solar API القيم المختلفة التي تستخدمها لاقتراح تركيب ألواح شمسية وتقدير التكاليف ونِسب التوفير في العناوين في الولايات المتحدة.

إذا أدخلت عنوان سكن في منطقة مشمولة في الولايات المتحدة، سيعرض لك Solar API التقديرات التالية:

• مقدار أشعة الشمس التي يتلقّاها المنزل سنويًا
• مساحة السطح المتاحة لتركيب ألواح الطاقة الشمسية
• مقدار التوفير المتوقّع بالدولار الأمريكي على مدى 20 عامًا من استخدام نظام الطاقة الشمسية
• متوسط فاتورة الكهرباء الشهرية للمنازل في منطقتك، ويمكنك تعديلها لتناسب منزلك
• حجم مقترَح، يتم قياسه بالكيلوواط (kW)، لنظام الطاقة الشمسية على المنزل

على الرغم من أنّ Solar API يقدّم تقديرات لأي مبنى يتوفّر له بيانات، إلا أنّ التقديرات التي يقدّمها تكون الأنسب للمباني السكنية أو المباني التجارية الصغيرة. تقترح Solar API أحجامًا لتركيب الألواح الشمسية تساعد في تحقيق أقصى قدر من التوفير بدون إنتاج طاقة أكبر مما يمكن أن تستهلكه الأسرة في عام واحد. لا تحتسب Solar API القيم المرتبطة بإنتاج الطاقة الزائدة.

تقتصر أحجام التركيبات المقترَحة على الاستهلاك السنوي للطاقة لعدد من الأسباب، ولكن السبب الرئيسي هو أنّ الأسر الأمريكية لا تستفيد حاليًا بشكل كبير أو لا تستفيد على الإطلاق من إنتاج الطاقة الزائدة. في المواقع الجغرافية في الولايات المتحدة التي تتوفّر فيها خدمة القياس الصافي، تنتهي صلاحية الأرصدة المكتسبة من إنتاج الطاقة الزائدة عادةً بمرور الوقت.

القيم المطلوبة للتحليل المالي للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة

من كل مثيل SolarPanelConfig في استجابة واجهة برمجة التطبيقات، تحتاج إلى قيمتين لإجراء التحليل المالي لهذا المثيل:

• panelsCount: تمثّل عدد الألواح الشمسية في عملية التركيب. تستخدِم هذه القيمة في احتساب installationSize.
• yearlyEnergyDcKwh: مقدار طاقة أشعة الشمس التي يلتقطها تصميم معيّن على مدار عام، بالكيلوواط ساعة من التيار المباشر، مع الأخذ في الاعتبار panelsCount معيّن تستخدم هذه القيمة في احتساب إنتاج الطاقة الشمسية السنوي من التيار المتردد (initialAcKwhPerYear) لكل installationSize.

بالإضافة إلى ذلك، عليك جمع القيم الخاصة بالموقع الجغرافي للمتغيرات التالية التي ستستخدمها في العمليات الحسابية:

• billCostModel(): نموذجك لتحديد التكلفة بالعملة المحلية التي تدفعها الأسرة مقابل استخدام عدد معيّن من كيلوواط في الساعة. يمكن أن تختلف الرسوم التي تفرضها شركة الطاقة مقابل استهلاك الكهرباء من يوم إلى آخر أو من ساعة إلى أخرى، وذلك حسب عوامل مثل الطلب والوقت من اليوم وكمية الكهرباء التي يستهلكها المنزل. قد تحتاج إلى تقدير متوسط التكلفة.
• costIncreaseFactor: تستخدم Solar API القيمة 1.022 (زيادة سنوية بنسبة %2.2) للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة.
• dcToAcDerate: هي الكفاءة التي يحوّل بها المُحوّل التيار الكهربائي المستمر (DC) الذي تولّده الألواح الشمسية إلى تيار كهربائي متردد (AC) يُستخدم في المنازل. تستخدم Solar API نسبة %85 للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة.
• discountRate: تستخدم Solar API القيمة 1.04 (زيادة سنوية بنسبة %4) للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة.
• efficiencyDepreciationFactor: مقدار انخفاض كفاءة الألواح الشمسية كل عام تستخدم واجهة برمجة التطبيقات Solar API القيمة 0.995 (انخفاض سنوي بنسبة %0.5) للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة.
• الحوافز: أدرِج أي حوافز مالية تقدّمها الجهات الحكومية في منطقتك مقابل تركيب ألواح شمسية.
• installationCostModel(): طريقتك لتقدير تكلفة تركيب ألواح الطاقة الشمسية بالعملة المحلية لمنطقة installationSize عادةً ما يراعي نموذج التكلفة تكاليف العمالة والمواد المحلية الخاصة بـ installationSize معيّن.
• استبدِل installationLifeSpan: بمدة العمر المتوقّعة لمنظومة الطاقة الشمسية. تستخدم Solar API بيانات 20 عامًا. عدِّل هذه القيمة حسب الحاجة في منطقتك.
• kWhConsumptionModel(): نموذجك لتحديد مقدار الطاقة التي تستهلكها الأسر استنادًا إلى فاتورة شهرية. في أبسط أشكاله، يمكنك تقسيم فاتورة الكهرباء على متوسط تكلفة كيلوواط ساعة في موقع المنزل.
• يمثّل monthlyBill: متوسط فاتورة الكهرباء الشهرية لمنزل معيّن.
• monthlyKWhEnergyConsumption: تقدير لمتوسط كمية الكهرباء التي يستهلكها المنزل في موقع جغرافي معيّن خلال شهر، ويتم قياسها بالكيلوواط في الساعة.

باستخدام هذه القيم والمعلومات المقدَّمة من خلال ردّ واجهة برمجة التطبيقات، يمكنك إجراء العمليات الحسابية اللازمة لاقتراح أفضل installationSize للمواقع الجغرافية التي لا تغطيها Solar API.

آلية العمل

متوسط فاتورة الكهرباء الشهرية هو المفتاح لبقية العمليات الحسابية.

تستند Solar API في البداية إلى مبلغ فاتورة شهرية محدد مسبقًا عند إجراء عمليات الحساب. إذا لزم الأمر، يمكنك اختيار مبلغ مختلف يعكس بشكل أكثر دقة متوسط فاتورتك الشهرية.

من خلال معرفة مبلغ الفاتورة الشهرية وتكلفة الكهرباء الحالية في موقع جغرافي معيّن، يمكن لواجهة برمجة التطبيقات Solar API تقدير عدد كيلوواط/ساعة من الكهرباء التي تستهلكها الأسرة كل شهر. للحصول على التكلفة الحالية للكهرباء في جميع أنحاء الولايات المتحدة، ولتحديد عدد كيلوواط في الساعة من فاتورة شهرية، تستند واجهة برمجة التطبيقات Solar API إلى قواعد بيانات تحتفظ بها شركة Clean Power Research.

باستخدام عدد كيلوواط في الساعة التي يستهلكها المنزل والمساحة القابلة للاستخدام من سطح المنزل وإمكانية توليد الطاقة الشمسية في الموقع الجغرافي للمنزل، يقيّم Solar API حجمًا واحدًا أو أكثر من أحجام ألواح الطاقة الشمسية المحتملة ويقترح الحجم الذي يحقّق أكبر قدر من التوفير.

يتم قياس حجم ألواح الطاقة الشمسية المركَّبة حسب معدّل الكيلوواط. تعتمد قيمة الكيلوواط على عدد ألواح الطاقة الشمسية في الإعداد وقيمة الطاقة المقاسة بالواط لكل لوح.

لا يشير تقييم الكيلوواط الخاص بمنظومة الطاقة الشمسية إلى ناتج الطاقة الخاص بها، والذي يتم قياسه بالكيلوواط في الساعة وهو قيمة متغيرة. يعتمد إنتاج الطاقة بالكيلوواط في الساعة من أي عملية تركيب على عوامل مثل ما يلي:

• الوقت من اليوم
• الطقس
• اتجاه اللوحة بالنسبة إلى الشمس
• أي ظلال تلقيها الأجسام القريبة على الألواح
• إمكانية توليد الطاقة الشمسية في المنطقة
• عمر عملية التثبيت

تتضمّن Solar API عوامل، مثل إمكانات توليد الطاقة الشمسية في المنطقة وعمر التركيب، وذلك عند تقدير إنتاج الطاقة السنوي من ألواح الطاقة الشمسية.

لتحديد المساحة القابلة للاستخدام من السطح وتقدير حجم ألواح الطاقة الشمسية التي يمكن تركيبها، تستخدم Solar API صورًا جوية وتصاميم ثلاثية الأبعاد متطورة.

شرح تفصيلي للقيم والحسابات

توضّح الأقسام التالية كيف تحتسب Solar API التكاليف والوفورات وأحجام المنشآت الشمسية لمبنى معيّن في الولايات المتحدة.

تستخدِم شروحات العمليات الحسابية مصطلحات لتمثيل القيم في العمليات الحسابية. للحصول على شرح للمصطلحات، يُرجى الاطّلاع على "تعريف المصطلحات المستخدَمة في حساباتنا".

الاستهلاك السنوي للطاقة في الأسر

كما ذكرنا سابقًا، تحدّد Solar API الاستهلاك الشهري للكهرباء استنادًا إلى مبلغ الفاتورة الشهرية وتكلفة الكهرباء في المنطقة التي يقع فيها المنزل. بعد تحديد الاستهلاك الشهري للكهرباء في أحد المنازل، نحتسب الاستهلاك السنوي للطاقة بالكيلوواط في الساعة باستخدام الصيغة التالية:

annualKWhEnergyConsumption = monthlyKWhEnergyConsumption x 12

يُفترض أن يظل استهلاك الطاقة في المنزل كما هو من عام إلى آخر خلال عمر ألواح الطاقة الشمسية. يفترض Solar API أنّ عمر أنظمة الطاقة الشمسية هو 20 عامًا.

إنتاج الطاقة الشمسية السنوي

تقدّر Solar API إنتاج الطاقة السنوي لمنشأة الطاقة الشمسية من خلال أخذ عوامل في الاعتبار، مثل شدة أشعة الشمس وزاوية أشعة الشمس وعدد ساعات أشعة الشمس المناسبة لتوليد الكهرباء التي تتلقّاها المنطقة سنويًا.

تنتج المنشآت الشمسية تيارًا كهربائيًا مستمرًا (DC)، ويجب تحويله إلى تيار كهربائي متردد (AC) باستخدام مُحوّل قبل أن تتمكّن من استخدامه في منزلك. ويتم فقدان بعض الكهرباء أثناء عملية التحويل، وتحدّد كفاءة المحوّل مقدار الكهرباء المفقودة.

يُشار إلى كفاءة عملية التحويل باسم نسبة التخفيض من التيار المباشر إلى التيار المتردد. لتعويض هذا الفقدان، تضرب Solar API الناتج السنوي لمنشأة الطاقة الشمسية في عامل تخفيض من التيار المباشر إلى التيار المتردد يبلغ 0.85. والنتيجة هي الإنتاج السنوي من الكهرباء المترددة، كما هو موضّح في الصيغة التالية:

initialAcKwhPerYear = yearlyEnergyDcKwh x 0.85

يقل مقدار الطاقة التي تنتجها المنشأة بنسبة %0.5 تقريبًا كل عام على مدار عمرها الافتراضي. لمراعاة ذلك، بعد السنة الأولى، تضرب واجهة برمجة التطبيقات Solar API الناتج السنوي من التيار المتردد لمنشأة ما في %99.5 أو 0.995 كل عام على مدار العمر الافتراضي المقدّر للمنشأة البالغ 20 عامًا. يوضّح الجدول التالي هذا المفهوم.

بما أنّ كفاءة الألواح الشمسية تتدهور بمعدّل ثابت، فإنّها تشكّل في الأساس متسلسلة هندسية يكون فيها a = initialAcKwhPerYear وr = efficiencyDepreciationFactor. يمكننا استخدام المجموع الهندسي لحساب LifetimeProductionAcKwh:

LifetimeProductionAcKwh = (dcToAcDerate * initialAcKwhPerYear * (1 - pow(efficiencyDepreciationFactor, installationLifeSpan)) / (1 - efficiencyDepreciationFactor))

تكلفة الكهرباء مع الألواح الشمسية

إذا كان حجم ألواح الطاقة الشمسية محدودًا بسبب حجم السطح أو عوامل أخرى، قد تنتج ألواح الطاقة الشمسية كهرباء أقل من استهلاك المنزل. في هذه الحالات، من المرجّح أن تدفع الأسرة رسومًا مقابل استهلاك الكهرباء كل عام، كما هو موضّح في الصيغة التالية:

annualKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear = annualUtilityEnergyRequired

لاحتساب هذه التكلفة، تطبّق Solar API نموذج تكلفة فواتير على الكمية المقدّرة من الكهرباء بالكيلوواط في الساعة التي سيحتاج إليها المنزل من شركة المرافق خلال فترة صلاحية الألواح الشمسية. توضّح الصيغة التالية هذه العملية الحسابية:

annualUtilityBillEstimate = billCostModel(utilityEnergyRequired)

لمراعاة الزيادة السنوية في تكلفة الكهرباء، نطبّق costIncreaseFactor بقيمة %2.2 أو 0.22 سنويًا للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة:

costIncreaseFactor = 1 + 2.2% = 1.022

بسبب التضخم، علينا خفض قيمة العملة في تقديراتنا للتكاليف المستقبلية. لمراعاة ذلك، نطبّق سعر خصم بنسبة %4 على نموذجنا الخاص بالمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة:

discountRate = 1 + 4% = 1.04

يوضّح الجدول التالي كيفية احتساب فاتورة الخدمات لكل عام على مدار عمر نظام الطاقة الشمسية. remainingLifetimeUtilityBill هو إجمالي فواتير الخدمات لكل عام من الأعوام العشرين التي تلي تركيب ألواح الطاقة الشمسية.

تكلفة الكهرباء بدون الألواح الشمسية

لاحتساب المبلغ الذي يمكن أن يوفّره منزل معيّن في حال تركيب ألواح شمسية، علينا أيضًا احتساب المبلغ الذي قد يدفعه في حال عدم تركيبها.

علينا مرة أخرى احتساب الزيادة في تكلفة الكهرباء والتضخم من خلال تطبيق costIncreaseFactor بقيمة 1.022 وdiscountRate بقيمة 1.04 على عملية الاحتساب، كما فعلنا عند احتساب تكلفة الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية.

يوضّح الجدول التالي طريقة احتساب فاتورة الخدمات كل عام بدون الطاقة الشمسية على مدار عمر تركيب نظام الطاقة الشمسية. costOfElectricityWithoutSolar هو المبلغ الإجمالي لفواتير الكهرباء خلال فترة الـ 20 عامًا نفسها التي استخدمناها لاحتساب تكلفة الكهرباء مع الألواح الشمسية.

تكلفة تركيب الألواح الشمسية

تتضمّن Solar API تكلفة تركيب ألواح الطاقة الشمسية المقترَحة في التقديرات التي توفّرها. لتقدير تكلفة عملية التركيب، تستخدم Solar API نموذجًا محليًا لتكلفة التركيب وحجم عملية التركيب.

installationCost = InstallationCostModel (installationSize)

الحوافز

قد تقدّم الجهات الحكومية حوافز لتركيب ألواح الطاقة الشمسية. وتكون الحوافز غالبًا على شكل إعفاءات ضريبية. استنادًا إلى موقع الأسرة، تطرح واجهة Solar API أي حوافز متاحة حاليًا للأسرة من التقدير الخاص بالتكاليف الإجمالية.

إجمالي التكلفة مع تركيب الألواح الشمسية

تحتسب Solar API إجمالي التكلفة لمدة 20 عامًا لإعدادات الطاقة الشمسية باستخدام الصيغة التالية:

totalCostWithSolar = installationCost + remainingLifetimeUtilityBill - incentives

إجمالي المبلغ الذي تم توفيره

تحسب واجهة برمجة التطبيقات Solar API نسبة التوفير للأسرة باستخدام الصيغة التالية:

savings = costOfElectricityWithoutSolar - totalCostWithSolar

تُجري Solar API العمليات الحسابية المذكورة أعلاه لكل حجم تركيب محتمل، ثم تقترح حجم التركيب الذي يحقّق أكبر قدر من التوفير للمنزل. يتم عرض مبلغ التوفير المقدّر مع الاقتراح.