حساب تكاليف استخدام الطاقة الشمسية وتوفيرها (الولايات المتحدة فقط)

يوضّح هذا المستند كيفية احتساب واجهة برمجة التطبيقات Solar API للقيم المختلفة التي تستخدِمها لاقتراح عمليات تركيب الألواح الشمسية وتقدير التكاليف وتوفير التكاليف للعناوين في الولايات المتحدة.

إذا أدخلت عنوان محل إقامة في منطقة مشمولة في الولايات المتحدة، تعرض لك واجهة برمجة التطبيقات Solar API التقديرات التالية:

• مقدار ضوء الشمس الذي يتلقّاه المنزل سنويًا
• مساحة السطح المتاحة لتركيب أنظمة الطاقة الشمسية
• مقدار التوفير الذي يمكن أن يتوقعه المنزل، بالدولار الأمريكي، على مدار 20 عامًا من عمر نظام الطاقة الشمسية
• متوسط فاتورة الكهرباء الشهرية للمنازل في منطقتك، ويمكنك تعديلها لمنزلك
• الحجم المقترَح، الذي يُقاس بالكيلوواط (kW)، لنظام الطاقة الشمسية على المنزل

على الرغم من أنّ Solar API تقدّم تقديرات لأيّ بنية متوفّرة لها بيانات، فإنّ التقديرات التي تقدّمها هي الأنسب للمساكن أو المباني التجارية الصغيرة. تقترح Solar API أحجام تركيب الألواح الشمسية التي تحقّق أكبر قدر من التوفير بدون إنتاج طاقة في السنة تتجاوز ما يمكن أن يستهلكه المنزل. لا تحتسب واجهة برمجة التطبيقات Solar API القيم المرتبطة بإنتاج طاقة زائدة.

تقتصر أحجام التركيب المقترَحة على استهلاك الطاقة السنوي لعدة أسباب، ولكن السبب الرئيسي هو أنّ المنازل الأمريكية لا تستفيد حاليًا من إنتاج الطاقة الزائدة إلا بشكلٍ بسيط أو غير ذي صلة. في المواقع الجغرافية في الولايات المتحدة التي توفّر ميزة المحاسبة الصافية، تنتهي صلاحية الأرصدة التي يتم اكتسابها عادةً من إنتاج الطاقة الزائدة بمرور الوقت.

القيم المطلوبة للتحليل المالي للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة

من كل مثيل SolarPanelConfig في استجابة واجهة برمجة التطبيقات، تحتاج إلى قيمتَين للقيام بالتحليل المالي لذلك المثيل:

• ‫panelsCount: عدد الألواح الشمسية في عملية التركيب ويمكنك استخدام هذه القيمة في احتساب installationSize.
• yearlyEnergyDcKwh: كمية طاقة الشمس التي يجمعها التصميم على مدار العام، بالكيلوواط ساعة من التيار المباشر، استنادًا إلى panelsCount محدّد يمكنك استخدام هذه القيمة في احتساب الإنتاج السنوي للطاقة الشمسية من التيار المتردد (initialAcKwhPerYear) لكل installationSize.

بالإضافة إلى ذلك، عليك جمع قيم خاصة بالموقع الجغرافي للمتغيّرات التالية التي ستستخدمها في العمليات الحسابية:

• billCostModel(): نموذجك لتحديد التكلفة، بالعملة المحلية، التي تدفعها الأسرة مقابل استخدام عدد معيّن من كيلوواط ساعة. يمكن أن تختلف رسوم استهلاك الكهرباء التي تفرضها شركة الخدمات من يوم لآخر أو من ساعة لأخرى، وذلك استنادًا إلى عوامل مثل الطلب ووقت اليوم وكمية الكهرباء التي يستهلكها المنزل. قد تحتاج إلى تقدير متوسط التكلفة.
• ‫costIncreaseFactor: تستخدِم Solar API القيمة 1.022 (زيادة سنوية بنسبة ‎2.2%) لمواقع الولايات المتحدة الجغرافية.
• ‫dcToAcDerate: كفاءة محوِّل التيار الكهربائي في تحويل تيار التحويل المباشر الذي تنتجه الألواح الشمسية إلى تيار متناوب يُستخدَم في المنزل تستخدِم واجهة برمجة التطبيقات Solar API نسبة %85 لمواقع الولايات المتحدة.
• ‫discountRate: تستخدِم Solar API القيمة 1.04 (زيادة سنوية تبلغ ‎4%) للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة.
• ‫efficiencyDepreciationFactor: مقدار انخفاض كفاءة الألواح الشمسية كل عام تستخدِم واجهة برمجة التطبيقات Solar API قيمة 0.995 (انخفاض سنوي بنسبة ‎0.5%) للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة.
• الحوافز: أدرِج أي حوافز مالية تمنحها الجهات الحكومية في منطقتك لتثبيت ألواح الطاقة الشمسية.
• ‫installationCostModel(): طريقة تقدير تكلفة تركيب الألواح الشمسية بالعملة المحلية لنظام installationSize معيّن. عادةً ما يأخذ نموذج التكلفة في الاعتبار تكاليف العمالة والمواد المحلية لinstallationSize معيّن.
• ‫installationLifeSpan: العمر المتوقّع لنظام الطاقة الشمسية. تستخدِم واجهة برمجة التطبيقات Solar API فترة 20 عامًا. عدِّل هذه القيمة حسب الحاجة لمنطقة الاستهداف.
• ‫kWhConsumptionModel(): نموذجك لتحديد كمية الطاقة التي يستهلكها المنزل استنادًا إلى الفاتورة الشهرية في أبسط صورها، عليك تقسيم الفاتورة على متوسط تكلفة كيلوواط ساعة في موقع المنزل.
• ‫monthlyBill: متوسط فاتورة الكهرباء الشهرية لمنزل تابع لموضوع الدراسة
• ‫monthlyKWhEnergyConsumption: تقدير لمتوسط كمية الكهرباء التي تستهلكها الأسرة في موقع جغرافي معيّن خلال شهر، ويتم قياسه بالكيلوواط في الساعة.

باستخدام هذه القيم والمعلومات المقدَّمة في ردّ واجهة برمجة التطبيقات، يمكنك إجراء العمليات الحسابية اللازمة لاقتراح أفضل installationSize ل المواقع الجغرافية التي لا تغطّيها واجهة برمجة التطبيقات Solar API.

آلية العمل

يُعدّ متوسط فاتورة الكهرباء الشهرية مفتاحًا لبقية العمليات الحسابية.

تستند Solar API في البداية إلى مبلغ محدد مسبقًا للفاتورة الشهرية. إذا لزم الأمر، يمكنك اختيار مبلغ مختلف يعكس بشكل أدق متوسط فاتورتك الشهرية.

من خلال معرفة قيمة الفاتورة الشهرية والتكلفة الحالية للكهرباء في موقع جغرافي معيّن، يمكن لواجهة برمجة التطبيقات Solar API تقدير عدد كيلوواط ساعة (kWh) من الكهرباء التي يستهلكها منزل كل شهر. للاطّلاع على التكلفة الحالية ل الكهرباء في جميع أنحاء الولايات المتحدة، وتحديد الكيلوواط في الساعة من فاتورة شهرية، تشير واجهة برمجة التطبيقات Solar API إلى قواعد بيانات تديرها Clean Power Research.

باستخدام عدد الكيلوواط في الساعة الذي يستهلكه المنزل، ومساحته القابلة للاستخدام، وإمكانية توليد الطاقة الشمسية في موقع المنزل، تقيِّم Solar API حجمًا واحدًا أو أكثر من أحجام تركيب الألواح الشمسية المقترحة وتقترح الحجم الذي يحقّق أكبر قدر من التوفير.

يتم قياس حجم تركيب الألواح الشمسية حسب تقييم الكيلوواط. يعتمد تقييم الكيلوواط على عدد الألواح الشمسية في الإعداد وتقييم القوة ، الذي يتم قياسه بالواط، لكل لوح.

لا يتطابق تقييم الكيلوواط لأحد أنظمة الطاقة الشمسية مع ناتج الطاقة الذي ينتج عنه، والذي يتم قياسه بوحدة كيلوواط ساعة وهو متغيّر. تعتمد كمية كيلوواط ساعة التي ينتجها أحد المنشآت على عوامل مثل ما يلي:

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

تتضمّن Solar API عوامل مثل الإمكانات الإقليمية لتوليد الطاقة الشمسية وسنوات التركيب في تقديرها لإنتاج الطاقة السنوي لنظام توليد الطاقة الشمسية.

لتحديد المساحة القابلة للاستخدام من سطح المنزل وتقدير حجم تركيب الألواح الشمسية الذي يمكن أن يستوعبه، تستخدِم Solar API الصور الجوية والتصاميم الثلاثية الأبعاد المتقدمة.

شرح مفصّل للقيم والحسابات

توضّح الأقسام التالية كيفية احتساب واجهة برمجة التطبيقات Solar API لتكاليف أنظمة الطاقة الشمسية ومقدار التوفير الناتج عنها وأحجامها لبنية معيّنة في الولايات المتحدة.

تستخدِم شرح العمليات الحسابية عبارات لتمثيل القيم في العمليات الحسابية. للحصول على شرح للمصطلحات، يُرجى الاطّلاع على تعريف المصطلحات المستخدَمة في عمليات الحساب.

الاستهلاك السنوي للطاقة في المنازل

كما ذكرنا سابقًا، تحدِّد واجهة برمجة التطبيقات Solar API استهلاك الكهرباء الشهري استنادًا إلى مبلغ الفاتورة الشهرية وتكلفة الكهرباء في مكان إقامة المنزل. بعد تحديد الاستهلاك الشهري للكهرباء في إحدى المنازل، نحسب استهلاك الطاقة السنوي بالكيلوواط ساعة باستخدام الصيغة التالية:

annualKWhEnergyConsumption = monthlyKWhEnergyConsumption x 12

من المفترض أن يظل استهلاك الطاقة في المنزل كما هو من عام إلى آخر على مدار فترة استخدام منظومة الطاقة الشمسية. تفترض واجهة برمجة التطبيقات Solar API أنّ عمر أنظمة الطاقة الشمسية هو 20 عامًا.

الإنتاج السنوي للطاقة الشمسية

تقدِّر واجهة برمجة التطبيقات Solar API إنتاج الطاقة السنوي لعملية تركيب منظومة شمسية، وذلك من خلال مراعاة عوامل مثل كثافة ضوء الشمس وزاوية ضوء الشمس وعدد ساعات ضوء الشمس الصالحة لتوليد الكهرباء التي تحصل عليها المنطقة سنويًا.

تُنتج أنظمة الطاقة الشمسية كهرباءً بالتيار المباشر (DC)، ويجب تحويلها إلى كهرباء بالتيار المتناوب (AC) باستخدام محوِّل قبل استخدامها في منزلك. يتم فقدان بعض الكهرباء أثناء عملية التحويل، ويحدِّد محوِّل الجهد مقدار الكهرباء المفقودة.

ويُشار إلى كفاءة عملية التحويل باسم تخفيض التيار الثابت إلى تيار متردد. لاحتساب الخسارة، تُضاعِف Solar API القيمة السنوية للطاقة الناتجة عن تركيب الطاقة الشمسية بمعامل خفض من التيار المباشر إلى التيار المتردد يبلغ 0.85. وتكون النتيجة هي الإنتاج السنوي للكهرباء بالتيار المتناوب، كما هو موضّح في الصيغة التالية:

initialAcKwhPerYear = yearlyEnergyDcKwh x 0.85

تنخفض كمية الطاقة التي ينتجها نظام الطاقة الشمسية بنسبة %0.5 تقريبًا كل عام على مدار عمر النظام. ولأخذ ذلك في الاعتبار، بعد السنة الأولى، تُضاعِف واجهة برمجة التطبيقات Solar API الطاقة السنوية للتيار المتّصل الناتجة عن عملية التركيب بنسبة ‎99.5% أو ‎0.995 كل عام على مدار عمر التركيب المقدَّر الذي يبلغ 20 عامًا. توضِّح هذه الميزة في الجدول التالي.

سنة	الإنتاج السنوي للطاقة الشمسية (بالكيلوواط ساعة)
1	initialAcKwhPerYear
2	initialAcKwhPerYear x ‏0.995
:	:
20	initialAcKwhPerYear x 0.99519

بما أنّ كفاءة الألواح الشمسية تنخفض بمعدّل ثابت، فإنّها تشكل أساسًا سلسلة هندسية حيث أ = القيمة الأولية لـ AcKwhPerYear ور = معامل الاستهلاك. يمكننا استخدام مجموع هندسي لاحتساب LifetimeProductionAcKwh:

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

تكلفة الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية

إذا كان حجم عملية التركيب محدودًا بحجم السطح أو عوامل أخرى، قد ينتج عن عملية التركيب الشمسية كمية كهرباء أقل من تلك التي تستهلكها الأسرة. في هذه الحالات، من المرجّح أن تدفع الأسرة رسومًا مقابل استخدام كمية معيّنة من الكهرباء كل عام، كما هو موضّح في الصيغة التالية:

annualKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear = annualUtilityEnergyRequired

لاحتساب هذه التكلفة، تطبّق Solar API نموذج تكلفة فاتورة على الكمية المقدَّرة من الكهرباء، بالكيلوواط ساعة، التي ستحتاجها الأسرة من شركة الخدمات خلال فترة تركيب الألواح الشمسية. توضِّح الصيغة التالية عملية حسابية:

annualUtilityBillEstimate = billCostModel(utilityEnergyRequired)

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

costIncreaseFactor = 1 + 2.2% = 1.022

بسبب التضخّم، علينا خصم قيمة العملة في تقديراتنا للتكاليف المستقبلية. ولتجنّب ذلك، نطبّق معدّل خصم بنسبة %4 على نموذجنا الخاص بمناطق الولايات المتحدة:

discountRate = 1 + 4% = 1.04

يوضّح الجدول التالي كيفية احتساب فاتورة الخدمات السنوية على مدار فترة تركيب نظام الطاقة الشمسية. remainingLifetimeUtilityBill هو مجموع فواتير الخدمات لكل عام من الأعوام العشرين المتعلّقة بفترة استخدام تركيب الطاقة الشمسية.

سنة	فاتورة الخدمات السنوية بقيمة العملة المحلية الحالية (بالدولار الأمريكي) (annualUtilityBillEstimate)
1	billCostModel (yearlyKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear) = annualUtilityBillEstimateYear1
2	billCostModel (yearlyKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear x 0.995) x 1.022 / 1.04 = annualUtilityBillEstimateYear2
:	:
20	billCostModel (yearlyKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear x 0.99519) x 1.02219 / 1.0419 = annualUtilityBillEstimateYear2
المجموع	remainingLifetimeUtilityBill = annualUtilityBillEstimateYear1 + annualUtilityBillEstimateYear2 + …. + annualUtilityBillEstimateYear20

تكلفة الكهرباء بدون الطاقة الشمسية

لاحتساب المبلغ الذي قد يُوفّره المنزل في حال تركيب أنظمة الطاقة الشمسية، علينا أيضًا احتساب المبلغ الذي قد يدفعه المنزل في حال عدم تركيب هذه الأنظمة.

علينا مرة أخرى مراعاة التكلفة المتزايدة للكهرباء والتضخّم من خلال تطبيق مُعدّل زيادة التكلفة الذي يبلغ 1.022 ومعدّل الخصم الذي يبلغ 1.04 على حساب التكلفة، كما فعلنا عند احتساب تكلفة الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية.

يوضّح الجدول التالي كيفية حساب فاتورة الخدمات السنوية بدون الطاقة الشمسية على مدار فترة تركيب الطاقة الشمسية. تمثل قيمة costOfElectricityWithoutSolar إجمالي فواتير الخدمات خلال المدّة نفسها التي تبلغ 20 عامًا والتي استخدمناها لتكلفة الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية.

سنة	فاتورة الخدمات السنوية (بالدولار الأمريكي)
1	monthlyBill x 12
2	monthlyBill x 12 x 1.022 / 1.04
:	:
20	monthlyBill x 12 x 1.02219 / 1.0419
المجموع	مجموع كل الفواتير السنوية، ويمكن أيضًا التعبير عنها على النحو التالي: costOfElectricityWithoutSolar = 204.35 x monthlyBill

تكلفة تركيب ألواح الطاقة الشمسية

تتضمّن واجهة برمجة التطبيقات Solar API تكلفة تركيب الإعدادات المُقترَحة للطاقة الشمسية في التقديرات التي تقدّمها. لتقدير تكلفة التثبيت، تستخدِم واجهة برمجة التطبيقات Solar API نموذجًا مترجَمًا لتكلفة التثبيت و حجم عملية التثبيت.

installationCost = InstallationCostModel (installationSize)

الحوافز

قد تقدّم الجهات الحكومية حوافز لتركيب أنظمة الطاقة الشمسية. وغالبًا ما تكون المكافآت على شكل أرصدة ضريبية. استنادًا إلى الموقع الجغرافي للعائلة، تطرح واجهة برمجة التطبيقات Solar API أي حوافز متاحة حاليًا للعائلة من التقدير الإجمالي للتكاليف.

التكلفة الإجمالية لتركيب الألواح الشمسية

تحتسب Solar API إجمالي تكلفة تركيب نظام طاقة شمسية على مدار 20 عامًا باستخدام الصيغة التالية:

totalCostWithSolar = installationCost + remainingLifetimeUtilityBill - incentives

إجمالي المبالغ التي تم توفيرها

تحسب واجهة برمجة التطبيقات Solar API التوفير الذي يحقّقه المنزل باستخدام الصيغة التالية:

savings = costOfElectricityWithoutSolar - totalCostWithSolar

تُجري واجهة برمجة التطبيقات Solar API العمليات الحسابية أعلاه لكل حجم تركيب ممكن، ثم تقترح حجم التركيب الذي يحقّق الحد الأقصى من التوفير للمنزل. يتم عرض مبلغ التوفير المقدَّر مع الاقتراح.