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، ستعرض لك واجهة برمجة التطبيقات 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 مناسبة لأنظمة الألواح الشمسية تساعد في تحقيق أقصى قدر من التوفير بدون إنتاج طاقة أكثر 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 إلا بشكل بسيط أو لا تستفيد على الإطلاق من إنتاج الطاقة الزائدة. في المواقع الجغرافية في الولايات المتحدة التي يتوفّر فيها خيار قياس صافي الطاقة، تنتهي صلاحية الرصيد المكتسب من إنتاج الطاقة الزائدة عادةً بمرور الوقت.

القيم المطلوبة للتحليل المالي للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة

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

• استبدِل panelsCount بعدد 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 قيمة panelsCount معيّنة. يمكنك استخدام هذه القيمة في احتساب إنتاج الطاقة الشمسية السنوي من التيار المتردد (initialAcKwhPerYear) لكل installationSize.

بالإضافة إلى ذلك، عليك جمع قيم خاصة 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 شركات الطاقة مقابل استهلاك الكهرباء من يوم إلى آخر أو من ساعة إلى أخرى، وذلك استنادًا إلى عوامل مثل الطلب ووقت اليوم وكمية الكهرباء التي تستهلكها الأسرة. 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 المحوّل التيار الكهربائي المستمر الذي تولّده الألواح الشمسية إلى تيار كهربائي متردد يُستخدم في المنزل. تستخدم واجهة 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 تستخدِم 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 لقيمة installationSize معيّنة عادةً ما يأخذ نموذج التكلفة في الاعتبار تكاليف العمالة والمواد المحلية الخاصة بـ installationSize معيّن.
• استبدِل installationLifeSpan: بعمر ألواح الطاقة الشمسية المتوقّع. تستخدم واجهة برمجة التطبيقات Solar API بيانات على مدار 20 عامًا. عدِّل هذه القيمة حسب الحاجة في منطقتك.
• kWhConsumptionModel(): نموذجك لتحديد مقدار الطاقة التي تستهلكها أسرة استنادًا إلى فاتورة شهرية. في أبسط أشكالها، 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 استجابة 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 واجهة برمجة التطبيقات Solar API في البداية إلى مبلغ فاتورة شهرية محدد مسبقًا. يمكنك، إذا لزم الأمر، 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 الولايات المتحدة وتحديد 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 موقع المنزل، 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 بالكيلوواط. تعتمد قيمة الكيلوواط على عدد ألواح الطاقة الشمسية في الإعداد وقيمة الطاقة المقاسة بالواط لكل لوح.

لا يتطابق تقييم الكيلوواط الخاص بعملية التركيب مع ناتج الطاقة الخاص بها، والذي يتم قياسه بالكيلوواط في الساعة وهو متغير. 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 الطاقة الشمسية الإقليمية وعمر ألواح الطاقة الشمسية في تقديرها لإنتاج الطاقة السنوي.

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 وعمليات الحساب

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

تستخدم 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 المنازل

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 الألواح الشمسية. يفترض Solar API أنّ عمر أنظمة الطاقة الشمسية يبلغ 20 عامًا.

إنتاج الطاقة الشمسية السنوي

تقدّر واجهة برمجة التطبيقات Solar API إنتاج الطاقة السنوي لمنشأة طاقة شمسية من خلال مراعاة عوامل 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 خفض الجهد من التيار المباشر إلى التيار المتردد. ولتعويض 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 موضح في الصيغة التالية:

initialAcKwhPerYear = yearlyEnergyDcKwh x 0.85

ينخفض مقدار الطاقة التي تنتجها المنشأة بنسبة %0.5 تقريبًا كل عام على مدار عمرها الافتراضي. لمراعاة ذلك، بعد السنة الأولى، تضرب 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 اللوح الشمسي تتدهور بمعدّل ثابت، فإنّها في الأساس عبارة عن سلسلة هندسية حيث a = initialAcKwhPerYear وr = efficiencyDepreciationFactor. يمكننا استخدام مجموع هندسي لحساب LifetimeProductionAcKwh:

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

تكلفة الكهرباء مع الطاقة الشمسية

إذا كان حجم الألواح الشمسية التي يتم تركيبها محدودًا بسبب حجم السطح أو عوامل أخرى، قد تنتج الألواح كمية كهرباء أقل من التي يستهلكها المنزل. في هذه الحالات، من المرجّح أن تدفع الأسرة فاتورة خدمات بمبلغ معيّن من الكهرباء كل عام، كما هو موضّح في الصيغة التالية:

annualKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear = annualUtilityEnergyRequired

لاحتساب هذه التكلفة، تستخدم Solar API نموذج تكلفة فواتير لتحديد المبلغ المقدَّر من الكهرباء بالكيلوواط في الساعة الذي ستحتاج إليه الأسرة 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 بنسبة %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 معدّل خصم بنسبة %4 على نموذجنا للمواقع الجغرافية في الولايات المتحدة:

discountRate = 1 + 4% = 1.04

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

تكلفة الكهرباء بدون الطاقة الشمسية

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

علينا مرة أخرى احتساب التكلفة المتزايدة للكهرباء 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 كيفية احتساب فاتورة الخدمات كل عام بدون الطاقة الشمسية على مدار عمر نظام الطاقة الشمسية. costOfElectricityWithoutSolar هي إجمالي فواتير الكهرباء خلال فترة الـ 20 عامًا نفسها التي استخدمناها لاحتساب تكلفة الكهرباء مع الطاقة الشمسية.

تكلفة تركيب الألواح الشمسية

تتضمّن واجهة 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 الألواح الشمسية. وغالبًا ما تكون الحوافز على شكل إعفاءات ضريبية. استنادًا إلى موقع المنزل، تطرح Solar API أي حوافز متاحة حاليًا للمنزل من التقدير الخاص بالتكاليف الإجمالية.

التكلفة الإجمالية مع تركيب الألواح الشمسية

تحتسب Solar API التكلفة الإجمالية لتصميم الطاقة الشمسية على مدار 20 عامًا باستخدام الصيغة التالية:

totalCostWithSolar = installationCost + remainingLifetimeUtilityBill - incentives

إجمالي المبلغ الذي تم توفيره

تحسب واجهة Solar API نسبة التوفير للأسرة باستخدام الصيغة التالية:

savings = costOfElectricityWithoutSolar - totalCostWithSolar

تجري واجهة برمجة التطبيقات 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.