EN
قامت شركة تركيب أنظمة الطاقة الشمسية في جنوب أوروبا بتثبيت نظام كهروضوئي على سطح المبنى بقدرة ١٠٠ كيلوواط، ثم اكتشفت لاحقًا أن العاكس يحد من الإنتاج عند ٨٢ كيلوواط خلال ساعات الذروة للإضاءة الشمسية. وكان العاكس صغير السعة نسبيًّا، ما أدّى إلى إهدار ما يقارب ٢٠ في المئة من القدرة التوليدية المحتملة للنظام — وهي غلطة كان يمكن تجنُّبها لو فُهِمَت عملية التحويل من التيار المستمر إلى التيار المتناوب بشكلٍ كافٍ، ووُفِقَ بين سعة العاكس وخصائص النظام الكهروضوئي بدقة. فالعاكس هو مركز الذكاء في أي تركيب كهروضوئي، وتُحدِّد تقنية تحويله كمّ الطاقة الشمسية التي تلتقطها الألواح والتي تصل فعليًّا إلى النظام الكهربائي للمبنى أو إلى شبكة المرافق العامة.
عملية التحويل من التيار المستمر إلى التيار المتناوب
تتبع نقطة الطاقة القصوى
تُنتج الألواح الكهروضوئية تيارًا مباشرًا بجهدٍ وتيارٍ يتغيران باستمرار تبعًا لشدة الإشعاع الشمسي ودرجة حرارة الخلايا. وفي أي مجموعة معطاة من الظروف، يوجد نقطة تشغيل واحدة فقط — تُسمى «نقطة القدرة القصوى» — حيث يكون حاصل ضرب الجهد في التيار في أقصى قيمة ممكنة. وتقوم خوارزمية تتبع نقطة القدرة القصوى، المدمجة في نظام تحكُّم العاكس، بضبط مقاومة الإدخال التي يراها صفّ الألواح الكهروضوئية بشكلٍ مستمرٍ للعمل عند هذه النقطة المثلى. وتُعد خوارزمية «الاضطراب والمراقبة» (Perturb-and-observe) أكثر خوارزميات تتبع نقطة القدرة القصوى انتشارًا: إذ يقوم وحدة التحكم بإجراء تعديل طفيف على جهد التشغيل، ثم تقيس ما إذا كانت القدرة الخارجة قد زادت أم نقصت، وتتحرك في الاتجاه الذي أدى إلى تحسُّن الأداء. وتضم العواكس الحديثة من نوع «سترينج» (string inverters) عدة قنوات مستقلة لتتبع نقطة القدرة القصوى، وكل قناة متصلة بسلسلة منفصلة من وحدات الألواح الكهروضوئية — وهذه البنية تمنع تأثير التظليل الواقع على سلسلة واحدة في خفض أداء السلاسل غير المظللة التي تشاركها نفس قناة التتبع. أما كفاءة تتبع نقطة القدرة القصوى — وهي النسبة المئوية من القدرة المتاحة في صف الألواح التي تلتقطها الخوارزمية فعليًّا — فهي تتجاوز عادةً ٩٩٪ في الأنظمة المصمَّمة جيدًا تحت ظروف إشعاع شمسي مستقرة.
تحويل الطاقة وتوليد أشكال الموجات
تتدفّق طاقة التيار المستمر التي يلتقطها مرحلة التعقب الأقصى للطاقة (MPPT) إلى مرحلة تحويل الطاقة في العاكس، حيث تقوم مفاتيح أشباه الموصلات — وعادةً ما تكون ترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة المُصنَّفة لجهود تتراوح بين ٦٠٠ و١٢٠٠ فولت — بتحويل مدخل التيار المستمر إلى إخراج نبضي يُقلِّد موجة جيبية تيار متناوب. وتتحكم تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) في تسلسل التشغيل والإيقاف: إذ يتم تنظيم عرض كل نبضة جهد وفقًا لموجة جيب مرجعية، بحيث يتطابق متوسط جهد الإخراج عند كل نقطة في الدورة مع القيمة الجيبية المرغوبة. أما تردد التشغيل والإيقاف، الذي يتراوح عادةً بين ١٦ و٢٠ كيلوهرتز في العواكس الحديثة، فهو مرتفعٌ بما يكفي ليسمح لمرشح الإخراج — الذي يتكوّن من مجموعة من المحاثات والمكثفات — بتهدئة الموجة النبضية وتحويلها إلى موجة جيبية نقية، مع نسبة تشويه توافقي كلي تقلّ عن ٣٪. وتكتسب هذه المرحلة الترشيحية أهميةً بالغة، لأن احتواء إخراج العاكس على توافقيات زائدة قد يؤدي إلى ارتفاع حرارة المحركات المتصلة، أو التداخل مع المعدات الإلكترونية الحساسة، أو رفض التغذية من قِبل ريلاي حماية الشبكة الكهربائية في حال كان العاكس يصدّر طاقةً إليها.
مزامنة الشبكة وخيارات المحول
يجب على المحولات المتصلة بالشبكة مزامنة الجهد الخارجي والتردد و زاوية المرحلة مع مصدر الطاقة قبل الاتصال. يراقب نظام التحكم في المحول جهد الشبكة من خلال دوائر الاستشعار ويقوم بتعديل نمط التبديل ليتوافق مع معانات ضيقة عادة ± 0.1 هرتز للتردد وفي غضون درجات قليلة لزاوية المرحلة. تستخدم المحولات القائمة على المحول محولات منخفضة التردد لتوفير عزل غالفاني بين الجانبين المتردد والمتردد ، مما يوفر حماية متأصلة ضد حقن تيار متردد في الشبكة وتبسيط تصميم نظام الأرض. المحولات بدون محولات تُزيل المحولات الحديدية، مما يقلل من الوزن والحجم المادي والتكلفة مع تحسين كفاءة التحويل بنسبة 1 إلى 2 في المائة. الموازنة هي أن التصاميم بدون محول تتطلب دوائر اكتشاف وتقليص سائل التيار المستمر المتزايد الأكثر تطورًا لتلبية معايير اتصال الشبكة ، وتقتصر عادةً على تكوينات صفوف الطاقة الكهروضوئية غير المترسخة لمنع
الكفاءة والعوامل البيئية
تبلغ كفاءة الذروة للعاكس الحديث ٩٧ إلى ٩٩ في المئة في الظروف المثلى، لكن تقييم الكفاءة الأوروبي — وهو متوسط مرجّح يعكس ظروف التشغيل الفعلية — يوفّر مؤشّر أداءٍ أكثر واقعية. وتُطبّق صيغة الكفاءة الأوروبية أوزانًا لكفاءة التحويل عند مستويات حمل مختلفة: وزن ٣ في المئة عند حمل ٥ في المئة، ووزن ٦ في المئة عند حمل ١٠ في المئة، ووزن ١٣ في المئة عند حمل ٢٠ في المئة، وأوزان متزايدة تدريجيًّا حتى الحمل الكامل، تعبّر عن التوزيع الفعلي لظروف التشغيل خلال يوم شمسي نموذجي. وتنخفض الكفاءة عند الأحمال المنخفضة لأن استهلاك العاكس الداخلي للطاقة — المطلوبة لإلكترونيات التحكّم ومراوح التبريد وخسائر التبديل — يصبح كبيرًا نسبيًّا مقارنةً بالطاقة الخارجة. ولتحقيق أقصى إنتاج سنوي للطاقة، يُفضَّل اختيار عاكسٍ بقدرة مناسبة بحيث يقع نطاق تشغيل المصفوفة النموذجي ضمن نطاق كفاءة الذروة للعاكس — الذي يتراوح عادةً بين ٣٠ و٧٠ في المئة من قدرته الاسمية.
الأسئلة الشائعة
ما الفرق بين المحولات السلسلية والمحولات الميكروية؟
تتصل المحولات السلسلية بعدة وحدات كهروضوئية على التوالي بوحدة محول واحدة، وغالبًا ما تكون قدرتها من ١ إلى ١٠٠ كيلوواط. أما المحولات الميكروية فتُركَّب وحدة صغيرة منها على كل وحدة كهروضوئية على حدة، وتقوم بتحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب عند مستوى اللوحة نفسها. وتلغي المحولات الميكروية خطر العطل في نقطة واحدة، وتقلِّل من الخسائر الناجمة عن الظلال، لكنها تكلِّف أكثر لكل واط مركَّب.
كيف تتعامل وظيفة تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) مع التغيرات السريعة في الغيوم؟
تضم خوارزميات تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) المتقدمة وظيفة تتبع تنبؤية تتنبأ بتغيرات الإشعاع استنادًا إلى اتجاهات القدرة الأخيرة، بدلًا من اعتماد أسلوب التحريض العشوائي والمراقبة. وفي الظروف الجزئيَّة الغائمة، حيث قد يتغير الإشعاع بنسبة ٥٠٪ خلال ثوانٍ، تحافظ هذه الخوارزميات على دقة التتبع بأكثر من ٩٨٪.
لماذا تشترط شروط الشبكة الكهربائية أن يحتوي المحول على حماية ضد العزل الجزئي (anti-islanding)؟
تَضمن حماية مكافحة العزل أن ينفصل المحول عن الشبكة خلال ثانيتين من انقطاع التيار الكهربائي، ما يمنع نظام الألواح الشمسية من تغذية جزءٍ من الشبكة يفترض عمال شركة التوزيع أنه غير مشحون. وهذه متطلّب أمان إلزامي في جميع معايير الاتصال بالشبكة، ومنها IEEE 1547 وIEC 62116.
ما السبب في قصّ الإخراج من المحول وكيف يُجنَّب؟
يحدث القصّ عندما يتجاوز القدرة المستمرة الداخلة إلى المحول، القادمة من مصفوفة الألواح الشمسية، الحدّ الأقصى للقدرة المُخرَجة المتناوبة التي يسمح بها المحول. وفي هذه الحالة، يحدّ المحول من طاقته المخرَجة لتتوافق مع سعته الاسمية، ويُهمِل الطاقة الزائدة. أما التصميم الصحيح فيتمّ بتناسُب سعة المصفوفة القصوى من القدرة المستمرة — والتي تكون عادةً ما بين ١,١ و١,٣ ضعف القدرة الاسمية المتناوبة للمحول — مع سعة المحول، مع قبول حدوث قصّ طفيف في ظروف الذروة النادرة لتفادي زيادة سعة المحول بشكل مفرط.
كيف تؤثر درجة حرارة الجو على أداء المحول؟
تقل كفاءة العاكس مع ارتفاع درجة حرارة المكونات الداخلية، وعادةً ما يخفض العاكس قدرته الخارجة عندما تتجاوز درجة حرارة الجو المحيط نطاق ٤٠ إلى ٤٥ مئوية. ويُمكن خفض درجة حرارة التشغيل بمقدار ١٠ إلى ١٥ مئوية وتحسين العائد السنوي للطاقة بنسبة ٢ إلى ٤ في المئة عبر تركيب العاكسات في أماكن مظللة وجيدة التهوية بدلًا من التعرض المباشر لأشعة الشمس على الأسطح.
هل يمكن للعاكسات تقديم دعم القدرة التفاعلية للشبكة؟
يمكن للعاكسات الحديثة المتصلة بالشبكة أن تعمل عند عوامل قدرة غير مساوية للواحد، بحيث تحقن أو تمتص القدرة التفاعلية وفقًا للأمر الصادر من مشغل الشبكة أو وحدة التحكم في الموقع. وهذه القدرة، التي فرضتها تعديلات رموز الشبكة في كثير من الولايات القضائية، تتيح لأنظمة الطاقة الكهروضوئية أن تسهم في تنظيم جهد الشبكة بدلًا من مجرد تصدير القدرة الفعالة.