ما هو العاكس الشمسي؟

مع تقدّم العالم في سعيه نحو حلول طاقة مستدامة ونظيفة، برزت الطاقة الشمسية كقوة رائدة في سباق نحو مستقبل أكثر اخضرارًا. وبتسخيرها طاقة الشمس الوفيرة والمتجددة، اكتسبت أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) شعبية واسعة، ممهدة الطريق لتحول ملحوظ في طريقة توليد الكهرباء. في قلب كل نظام للطاقة الشمسية الكهروضوئية يوجد مكون أساسي يمكّن من تحويل ضوء الشمس إلى طاقة قابلة للاستخدام:عاكس الطاقة الشمسيةتُعدّ عاكسات الطاقة الشمسية بمثابة حلقة الوصل بين الألواح الشمسية والشبكة الكهربائية، وتلعب دورًا حيويًا في الاستخدام الأمثل للطاقة الشمسية. يُعدّ فهم مبدأ عملها واستكشاف أنواعها المختلفة أمرًا أساسيًا لفهم الآليات الدقيقة لتحويل الطاقة الشمسية. Hكيف يفعل أSأولارIمحولWأورك? العاكس الشمسي هو جهاز إلكتروني يحوّل التيار المستمر (DC) الناتج عن الألواح الشمسية إلى تيار متردد (AC) يُستخدم لتشغيل الأجهزة المنزلية وتزويد الشبكة الكهربائية. ينقسم مبدأ عمل العاكس الشمسي إلى ثلاث مراحل رئيسية: التحويل، والتحكم، والإخراج. تحويل: يستقبل عاكس الطاقة الشمسية أولاً الكهرباء المستمرة المُولّدة من الألواح الشمسية. عادةً ما تكون هذه الكهرباء المستمرة على شكل جهد متذبذب يتغير بتغير شدة ضوء الشمس. وتتمثل المهمة الرئيسية للعاكس في تحويل هذا الجهد المستمر المتغير إلى جهد تيار متردد مستقر ومناسب للاستهلاك. تتضمن عملية التحويل مكونين رئيسيين: مجموعة من مفاتيح إلكترونيات الطاقة (عادةً ما تكون ترانزستورات ثنائية القطب ذات بوابة معزولة أو IGBT) ومحول عالي التردد. تتولى هذه المفاتيح تشغيل وإيقاف جهد التيار المستمر بسرعة، مما يُنتج إشارة نبضية عالية التردد. ثم يرفع المحول الجهد إلى مستوى جهد التيار المتردد المطلوب. يتحكم: تضمن مرحلة التحكم في العاكس الشمسي كفاءة عملية التحويل وأمانها. وتتضمن استخدام خوارزميات تحكم وأجهزة استشعار متطورة لمراقبة وتنظيم مختلف المعلمات. ومن وظائف التحكم المهمة ما يلي: أ. تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT): تتميز الألواح الشمسية بنقطة تشغيل مثالية تُسمى نقطة القدرة القصوى (MPP)، حيث تُنتج أقصى طاقة عند شدة ضوء شمس مُحددة. تُعدّل خوارزمية MPPT باستمرار نقطة تشغيل الألواح الشمسية لتحقيق أقصى إنتاج للطاقة من خلال تتبع نقطة القدرة القصوى. ب. تنظيم الجهد والتردد: يحافظ نظام التحكم في العاكس على استقرار جهد وتردد خرج التيار المتردد، بما يتوافق عادةً مع معايير شبكة الكهرباء العامة. هذا يضمن التوافق مع الأجهزة الكهربائية الأخرى ويسمح بالتكامل السلس مع الشبكة. ج. مزامنة الشبكة: تُزامن محولات الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة طور وتردد خرج التيار المتردد مع شبكة الكهرباء. تُمكّن هذه المزامنة المحول من إعادة الطاقة الفائضة إلى الشبكة أو سحبها منها عند نقص إنتاج الطاقة الشمسية. المخرجات: في المرحلة النهائية، ينقل العاكس الشمسي الكهرباء المترددة المُحوّلة إلى الأحمال الكهربائية أو الشبكة. يمكن الاستفادة من هذه الطاقة بطريقتين: أ. الأنظمة المتصلة بالشبكة أو المتصلة بها: في هذه الأنظمة، يُغذي عاكس الطاقة الشمسية التيار المتردد مباشرةً إلى شبكة الكهرباء العامة. يُقلل هذا الاعتماد على محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري، ويتيح استخدام نظام القياس الصافي، حيث يُمكن احتساب فائض الكهرباء المُولّدة خلال النهار واستخدامه خلال فترات انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية. ب. الأنظمة المستقلة عن الشبكة: في هذه الأنظمة، يشحن عاكس الطاقة الشمسية مجموعة بطاريات بالإضافة إلى تزويد الأحمال الكهربائية بالطاقة. تخزن البطاريات الطاقة الشمسية الزائدة، والتي يمكن استخدامها في أوقات انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية أو في الليل عندما لا تُنتج الألواح الشمسية الكهرباء. خصائص العاكسات الشمسية: كفاءة: صُممت محولات الطاقة الشمسية للعمل بكفاءة عالية لتحقيق أقصى استفادة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية. وتؤدي الكفاءة العالية إلى تقليل هدر الطاقة أثناء عملية التحويل، مما يضمن استغلال نسبة أكبر من الطاقة الشمسية بفعالية. انتاج الطاقة: تتوفر محولات الطاقة الشمسية بتصنيفات طاقة متنوعة، بدءًا من الأنظمة السكنية الصغيرة وصولًا إلى المنشآت التجارية واسعة النطاق. يجب أن يتناسب خرج الطاقة من المحول مع سعة الألواح الشمسية لتحقيق الأداء الأمثل. المتانة والموثوقية: تتعرض محولات الطاقة الشمسية لظروف بيئية متفاوتة، بما في ذلك تقلبات درجات الحرارة والرطوبة والارتفاعات الكهربائية المحتملة. لذلك، يجب تصنيع المحولات من مواد متينة ومصممة لتحمل هذه الظروف، مما يضمن موثوقيتها على المدى الطويل. المراقبة والتواصل: العديد من محولات الطاقة الشمسية الحديثة مُجهزة بأنظمة مراقبة تُمكّن المستخدمين من تتبع أداء نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الخاص بهم. كما يُمكن لبعض المحولات التواصل مع أجهزة خارجية ومنصات برمجية، مما يُوفر بيانات آنية، ويُتيح المراقبة والتحكم عن بُعد. ميزات السلامة: تتضمن محولات الطاقة الشمسية مزايا أمان متعددة لحماية النظام والعاملين عليه. تشمل هذه المزايا الحماية من الجهد الزائد والتيار الزائد، وكشف الأعطال الأرضية، والحماية من الجزر الكهربائية، التي تمنع العاكس من تغذية الشبكة بالطاقة أثناء انقطاع التيار الكهربائي. تصنيف العاكس الشمسي حسب تصنيف الطاقة يمكن تصنيف محولات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV Inverters)، المعروفة أيضًا باسم محولات الطاقة الشمسية، إلى أنواع مختلفة بناءً على تصميمها ووظائفها وتطبيقاتها. يساعد فهم هذه التصنيفات في اختيار المحول الأنسب لنظام طاقة شمسية كهروضوئية محدد. فيما يلي الأنواع الرئيسية لمحولات الطاقة الكهروضوئية مصنفة حسب مستوى الطاقة: العاكس حسب مستوى الطاقة: ينقسم بشكل أساسي إلى عاكس موزع (عاكس سلسلة وعاكس صغير)، وعاكس مركزي عكس السلسلةإرس: محولات الطاقة الشمسية السلسلة هي النوع الأكثر شيوعًا في أنظمة الطاقة الشمسية المنزلية والتجارية، وهي مصممة للتعامل مع عدة ألواح شمسية متصلة على التوالي، لتشكل سلسلة. أصبحت سلسلة الألواح الشمسية (1-5 كيلو وات) أكثر محولات الطاقة شيوعًا في السوق العالمية اليوم، بفضل قدرتها على تتبع ذروة الطاقة القصوى في جانب التيار المستمر، وتوصيلها بالشبكة بالتوازي في جانب التيار المتردد. تُغذّى الكهرباء المستمرة المُولّدة من الألواح الشمسية إلى عاكس الطاقة الشمسية، الذي يُحوّلها بدوره إلى كهرباء مترددة للاستخدام الفوري أو لتصديرها إلى الشبكة. تُعرف عاكسات الطاقة الشمسية ببساطتها وفعاليتها من حيث التكلفة وسهولة تركيبها. مع ذلك، يعتمد أداء السلسلة بأكملها على اللوحة الأقل أداءً، مما قد يؤثر على كفاءة النظام الإجمالية. العاكسات الدقيقة: المحولات الدقيقة هي محولات صغيرة تُركّب على كل لوح شمسي في نظام الطاقة الكهروضوئية. بخلاف المحولات السلسلة، تُحوّل المحولات الدقيقة التيار المستمر إلى تيار متردد مباشرةً على مستوى اللوح. يسمح هذا التصميم لكل لوح بالعمل بشكل مستقل، مما يُحسّن إجمالي إنتاج الطاقة للنظام. تُقدّم المحولات الدقيقة العديد من المزايا، بما في ذلك تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) على مستوى اللوح، وتحسين أداء النظام في الألواح المظللة أو غير المتطابقة، وزيادة السلامة بفضل انخفاض جهد التيار المستمر، والمراقبة الدقيقة لأداء كل لوح على حدة. مع ذلك، تُعدّ التكلفة الأولية المرتفعة والتعقيد المحتمل للتركيب من العوامل التي يجب مراعاتها. العاكسات المركزية: تُستخدم المحولات المركزية، المعروفة أيضًا باسم المحولات الكبيرة أو المحولات الخدمية (>10 كيلوواط)، بشكل شائع في محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية واسعة النطاق، مثل مزارع الطاقة الشمسية أو مشاريع الطاقة الشمسية التجارية. صُممت هذه المحولات للتعامل مع مدخلات الطاقة المستمرة العالية من سلاسل أو صفوف متعددة من الألواح الشمسية، وتحويلها إلى طاقة مترددة لتوصيلها بالشبكة. الميزة الأكبر هي الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة للنظام، ولكن نظرًا لأن جهد الخرج والتيار لسلاسل الطاقة الشمسية المختلفة غالبًا ما لا يتطابقان تمامًا (خاصةً عندما تكون سلاسل الطاقة الشمسية مظللة جزئيًا بسبب الغيوم والظل والبقع وما إلى ذلك)، فإن استخدام العاكس المركزي سيؤدي إلى انخفاض كفاءة عملية العاكس وانخفاض الطاقة الكهربائية المنزلية. تتميز العاكسات المركزية عادةً بسعة طاقة أعلى مقارنةً بالأنواع الأخرى، تتراوح بين عدة كيلوواط وعدة ميغاواط. تُركّب في موقع مركزي أو محطة عاكس، وتُوصل بها عدة سلاسل أو صفوف من الألواح الشمسية على التوازي. ماذا يفعل العاكس الشمسي؟ تؤدي محولات الطاقة الكهروضوئية وظائف متعددة، بما في ذلك تحويل التيار المتردد، وتحسين أداء الخلايا الشمسية، وحماية النظام. تشمل هذه الوظائف التشغيل والإيقاف التلقائي، والتحكم في تتبع الطاقة القصوى، ومنع الانقطاع (للأنظمة المتصلة بالشبكة)، والتعديل التلقائي للجهد (للأنظمة المتصلة بالشبكة)، وكشف التيار المستمر (للأنظمة المتصلة بالشبكة)، وكشف التيار الأرضي المستمر (للأنظمة المتصلة بالشبكة). دعونا نستكشف بإيجاز وظيفة التشغيل والإيقاف التلقائي ووظيفة التحكم في تتبع الطاقة القصوى. 1) وظيفة التشغيل والإيقاف التلقائي بعد شروق الشمس في الصباح، تزداد شدة الإشعاع الشمسي تدريجيًا، ويزداد ناتج الخلايا الشمسية وفقًا لذلك. عندما يتم الوصول إلى طاقة الخرج المطلوبة من العاكس، يبدأ العاكس في العمل تلقائيًا. بعد بدء التشغيل، سيراقب العاكس خرج مكونات الخلية الشمسية طوال الوقت، طالما أن طاقة الخرج لمكونات الخلية الشمسية أكبر من طاقة الخرج المطلوبة من العاكس، سيستمر العاكس في العمل؛ حتى يتوقف غروب الشمس، حتى لو كان ممطرًا. يعمل العاكس أيضًا. عندما يصبح خرج وحدة الخلية الشمسية أصغر ويكون خرج العاكس قريبًا من 0، سيشكل العاكس حالة استعداد. 2) وظيفة التحكم في تتبع الحد الأقصى للطاقة يختلف خرج وحدة الخلايا الشمسية باختلاف شدة الإشعاع الشمسي ودرجة حرارة وحدة الخلايا الشمسية نفسها (درجة حرارة الشريحة). بالإضافة إلى ذلك، ولأن وحدة الخلايا الشمسية تتميز بانخفاض الجهد مع زيادة التيار، توجد نقطة تشغيل مثالية للحصول على أقصى طاقة. تتغير شدة الإشعاع الشمسي، ومن الواضح أن أفضل نقطة عمل تتغير أيضًا. بالنسبة لهذه التغييرات، تكون نقطة تشغيل وحدة الخلايا الشمسية دائمًا عند أقصى نقطة طاقة، ويحصل النظام دائمًا على أقصى طاقة خرج من وحدة الخلايا الشمسية. هذا النوع من التحكم هو التحكم في تتبع أقصى طاقة. أهم ميزة للعاكس المستخدم في نظام توليد الطاقة الشمسية هي وظيفة تتبع أقصى نقطة طاقة (MPPT). المؤشرات الفنية الرئيسية للمحول الكهروضوئي 1. استقرار جهد الخرج في نظام الطاقة الكهروضوئية، تُخزَّن الطاقة الكهربائية المُولَّدة من الخلية الشمسية أولًا في البطارية، ثم تُحوَّل إلى تيار متردد بجهد 220 فولت أو 380 فولت عبر العاكس. ومع ذلك، تتأثر البطارية بشحنها وتفريغها، ويتفاوت جهد خرجها في نطاق واسع. على سبيل المثال، تتراوح قيمة جهد بطارية 12 فولت الاسمية بين 10.8 و14.4 فولت (قد يُؤدي تجاوز هذا النطاق إلى تلف البطارية). بالنسبة للعاكس المؤهل، عندما يتغير جهد طرف الدخل ضمن هذا النطاق، يجب ألا يتجاوز انحراف جهد خرج الحالة المستقرة 5% من القيمة الاسمية. وفي الوقت نفسه، عند حدوث تغير مفاجئ في الحمل، يجب ألا يتجاوز انحراف جهد خرجه ±10% عن القيمة الاسمية. 2. تشوه شكل موجة جهد الخرج بالنسبة لمحولات الموجة الجيبية، يجب تحديد أقصى تشوه موجي مسموح به (أو محتوى التوافقيات). يُعبَّر عنه عادةً بالتشوه الموجي الكلي لجهد الخرج، ويجب ألا تتجاوز قيمته 5% (10% مسموح به لمحول أحادي الطور). نظرًا لأن التيار التوافقي عالي الدرجة الصادر من المحول سيُولِّد خسائر إضافية، مثل التيارات الدوامية على الحمل الحثي، فإن زيادة التشوه الموجي للمحول ستؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة مكونات الحمل، مما يُضر بسلامة المعدات الكهربائية ويؤثر سلبًا على كفاءة تشغيل النظام. 3. تردد الإخراج المقدر بالنسبة للأحمال بما في ذلك المحركات، مثل الغسالات والثلاجات وما إلى ذلك، نظرًا لأن نقطة تشغيل التردد الأمثل للمحركات هي 50 هرتز، فإن الترددات العالية جدًا أو المنخفضة جدًا ستؤدي إلى تسخين الجهاز، مما يقلل من كفاءة تشغيل النظام وعمر الخدمة، لذلك يجب أن يكون تردد خرج العاكس قيمة مستقرة نسبيًا، وعادةً ما يكون تردد الطاقة 50 هرتز، ويجب أن يكون انحرافه في حدود Plusmn؛ 1٪ في ظل ظروف العمل العادية. 4. معامل قدرة الحمل صف قدرة العاكس عند الحمل الحثي أو السعوي. يتراوح معامل قدرة الحمل لعاكس الموجة الجيبية بين 0.7 و0.9، والقيمة الاسمية 0.9. عند قدرة حمل معينة، إذا كان معامل قدرة العاكس منخفضًا، فستزداد سعة العاكس المطلوبة. من جهة، ستزداد التكلفة، وفي الوقت نفسه، ستزداد القدرة الظاهرية لدائرة التيار المتردد للنظام الكهروضوئي. مع زيادة التيار، سيزداد الفقد حتمًا، وستنخفض كفاءة النظام. 5. كفاءة العاكس تشير كفاءة العاكس إلى نسبة طاقة الخرج إلى طاقة الدخل في ظل ظروف عمل محددة، معبرًا عنها كنسبة مئوية. بشكل عام، تشير الكفاءة الاسمية للعاكس الكهروضوئي إلى حمل مقاومة نقي. في ظل حالة كفاءة الحمل بنسبة 80٪. نظرًا لارتفاع التكلفة الإجمالية لنظام الطاقة الكهروضوئية، يجب تعظيم كفاءة العاكس الكهروضوئي لتقليل تكلفة النظام وتحسين أداء تكلفة النظام الكهروضوئي. في الوقت الحالي، تتراوح الكفاءة الاسمية للعاكسات السائدة بين 80٪ و 95٪، ويجب ألا تقل كفاءة العاكسات منخفضة الطاقة عن 85٪. في عملية التصميم الفعلية لنظام الطاقة الكهروضوئية، يجب ألا يقتصر الأمر على اختيار عاكس عالي الكفاءة فحسب، بل يجب أيضًا استخدام تكوين معقول للنظام لجعل حمل نظام الطاقة الكهروضوئية يعمل بالقرب من أفضل نقطة كفاءة قدر الإمكان. 6. تيار الخرج المقدر (أو سعة الخرج المقدر) يشير إلى تيار الخرج المُصنّف للعاكس ضمن نطاق معامل قدرة الحمل المُحدّد. تُعطي بعض منتجات العاكس سعة الخرج المُصنّفة، وتُقاس وحدتها بـ VA أو kVA. تُحسب سعة العاكس المُصنّفة على أنها حاصل ضرب جهد الخرج المُصنّف في تيار الخرج المُصنّف عندما يكون معامل قدرة الخرج 1 (أي حمل مقاوم بحت). 7. تدابير الحماية يجب أن يتمتع العاكس ذو الأداء الممتاز أيضًا بوظائف حماية كاملة أو تدابير للتعامل مع المواقف غير الطبيعية المختلفة التي تحدث أثناء الاستخدام الفعلي، وذلك لحماية العاكس نفسه والمكونات الأخرى للنظام من التلف. 1) أدخل حساب التأمين ضد انخفاض الجهد: عندما يكون جهد الطرف الداخل أقل من 85% من الجهد المقدر، يجب أن يكون العاكس مزودًا بالحماية والشاشة. 2) حماية الجهد الزائد للإدخال: عندما يكون جهد الطرف المدخل أعلى من 130% من الجهد المقدر، يجب أن يكون العاكس محميًا وشاشة. 3) حماية التيار الزائد: يجب أن تضمن حماية العاكس من التيار الزائد اتخاذ الإجراءات اللازمة في الوقت المناسب عند حدوث قصر في دائرة الحمل أو تجاوز التيار القيمة المسموح بها، وذلك لمنع تلفه بسبب التيار الزائد. عندما يتجاوز تيار التشغيل 150% من القيمة الاسمية، يجب أن يكون العاكس قادرًا على الحماية تلقائيًا. 4) حماية الدائرة القصيرة للإخراج لا ينبغي أن يتجاوز وقت عمل حماية الدائرة القصيرة للعاكس 0.5 ثانية. 5) حماية القطبية العكسية للمدخلات: عندما يتم عكس الأقطاب الموجبة والسالبة لطرف الإدخال، يجب أن يحتوي العاكس على وظيفة حماية وشاشة. 6) الحماية من الصواعق: يجب أن يكون العاكس مزودًا بحماية من الصواعق. 7) الحماية من درجة الحرارة الزائدة، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للمحولات التي لا تحتوي على تدابير تثبيت الجهد، يجب أن يحتوي المحول أيضًا على تدابير حماية من الجهد الزائد للإخراج لحماية الحمل من أضرار الجهد الزائد. 8. خصائص البداية لتحديد قدرة العاكس على بدء التشغيل مع الحمل وأدائه أثناء التشغيل الديناميكي. يجب أن يضمن العاكس بدء تشغيل موثوقًا تحت الحمل المُصنّف. 9. الضوضاء تُصدر مكونات مثل المحولات، ومُحَثات الترشيح، والمفاتيح الكهرومغناطيسية، والمراوح في الأجهزة الإلكترونية الكهربائية ضوضاء. عند تشغيل العاكس بشكل طبيعي، يجب ألا يتجاوز ضجيجه 80 ديسيبل، ويجب ألا يتجاوز ضجيج العاكس الصغير 65 ديسيبل. مهارات اختيار العاكسات الشمسية