ان النظام الشمسي خارج الشبكة هي أكثر من مجرد مجموعة من الألواح الشمسية متصلة ببطارية. يعتمد النظام الموثوق على أربعة مكونات أساسية تعمل معًا: الألواح الشمسية, جهاز تحكم بالشحن, بنك البطارية, والعاكس. تولد الألواح كهرباء DC, تدير وحدة التحكم كيفية وصول تلك الطاقة إلى البطاريات, تقوم البطاريات بتخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا, ويقوم العاكس بتحويل طاقة التيار المستمر إلى كهرباء تيار متردد قابلة للاستخدام.
يعد فهم دور كل مكون أمرًا ضروريًا عند تصميم حل للطاقة الشمسية خارج الشبكة. قد يواجه النظام ذو الألواح كبيرة الحجم ولكن مساحة التخزين غير الكافية صعوبة في الليل, في حين أن البطارية الكبيرة المقترنة بمصفوفة شمسية صغيرة الحجم قد لا تستعيد طاقتها بكفاءة. لمشاريع B2B, وبالتالي فإن المفتاح لا يكمن في مجرد اختيار أربعة منتجات, لكن مطابقة المكونات الأربعة حسب الحمل, مناخ, ظروف التشغيل, والموثوقية المطلوبة.
ما هي المكونات الأربعة الرئيسية للنظام الشمسي خارج الشبكة؟?
يمكن فهم مسار الطاقة الأساسي على أنه:
ضوء الشمس ← الألواح الشمسية ← جهاز التحكم بالشحن ← البطارية ← العاكس ← أحمال التيار المتردد
كل مكون يؤدي وظيفة مختلفة.
| عنصر | الدور الرئيسي | عوامل الاختيار الرئيسية |
|---|---|---|
| الألواح الشمسية | توليد كهرباء التيار المستمر | تصنيف القوة, كفاءة, الجهد االكهربى, ظروف الموقع |
| جهاز التحكم بالشحن | تنظيم الشحن من الطاقة الكهروضوئية إلى البطارية | MPPT/PWM, الجهد االكهربى, حاضِر, تعويض درجة الحرارة |
| بطارية | تخزين الكهرباء | سعة, كيمياء, طاقة قابلة للاستخدام, دورة الحياة |
| العاكس خارج الشبكة | تحويل العاصمة إلى تيار متردد | قوة مستمرة, قوة الطفرة, الجهد الناتج, القدرة خارج الشبكة |
يعمل النظام بشكل صحيح فقط عندما يتم تصميم هذه المكونات كنظام متكامل وليس كمنتجات مختارة بشكل مستقل.
1. الألواح الشمسية: محرك توليد الطاقة
الألواح الشمسية هي نقطة البداية للنظام الشمسي خارج الشبكة.
تقوم الوحدات الكهروضوئية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء ذات تيار مباشر. تعتمد كمية الكهرباء المتاحة لبقية النظام على عوامل مثل الإشعاع الشمسي, خصائص الوحدة, درجة حرارة, توجيه, تظليل, وتكوين المصفوفة. تشير وزارة الطاقة إلى أن أداء الطاقة الكهروضوئية يتأثر بعوامل تشمل درجة الحرارة والخصائص الكهربائية للخلايا والوحدات النمطية.
ماذا تفعل الألواح الشمسية في نظام خارج الشبكة؟?
الوظيفة الأساسية بسيطة:
ضوء الشمس ← التحويل الكهروضوئي ← كهرباء التيار المستمر
لكن, ويتمثل التحدي في التصميم في تحديد كمية الكهرباء التي يحتاجها المصفوفة لإنتاجها.
يحتاج مصمم النظام عادة إلى النظر فيه:
- استهلاك الطاقة اليومي
- حمل الذروة
- الموارد الشمسية المحلية
- الاختلاف الموسمي
- جهد تشغيل اللوحة
- متطلبات شحن البطارية
- منطقة التثبيت المتاحة
- خسائر النظام المتوقعة
على سبيل المثال, قد يكون لمحطة المراقبة عن بعد استهلاك منخفض نسبيًا ولكن مستمر للطاقة, في حين أن المنزل خارج الشبكة قد يكون به أحمال مسائية عالية من الإضاءة, تبريد, مضخات, وغيرها من الأجهزة.
لذلك يجب أن تعتمد المجموعة الكهروضوئية المطلوبة على ملف تعريف الحمل الفعلي بدلاً من مجرد اختيار أكبر لوحة متاحة.
لماذا يهم جهد اللوحة
تعمل الألواح الشمسية عبر مجموعة من الجهد والظروف الحالية. يتغير إنتاجها أيضًا مع درجة الحرارة والإشعاع.
يصبح هذا مهمًا بشكل خاص عند اختيار وحدة التحكم بالشحن لأن وحدة التحكم يجب أن تكون متوافقة مع تشغيل المصفوفة الكهروضوئية والحد الأقصى للجهد.
للمنشآت الكبيرة خارج الشبكة, يمكن تكوين سلاسل اللوحة لتحقيق جهد تيار مستمر مناسب قبل وصول الطاقة إلى وحدة التحكم في الشحن.
2. جهاز التحكم بالشحن: مدير حركة الطاقة
ال جهاز التحكم بالشحن بالطاقة الشمسية يقع بين المصفوفة الكهروضوئية وبنك البطارية.
ويتمثل دورها الرئيسي في تنظيم الشحن بحيث تتلقى البطارية الجهد والتيار المناسبين في ظل ظروف التشغيل المختلفة.
تساعد وحدة التحكم في الشحن أيضًا على منع ظروف الشحن غير المناسبة التي قد تقلل من أداء البطارية أو عمر الخدمة. تستخدم الأنظمة النموذجية خارج الشبكة أيضًا وحدات التحكم بالشحن PWM أو MPPT.
ماذا يتحكم جهاز التحكم بالشحن بالطاقة الشمسية?
اعتمادا على تصميم النظام ووحدة التحكم, فإنه قد إدارة:
- شحن الجهد
- الشحن الحالي
- مراحل شحن البطارية
- حماية فاحش
- ظروف الجهد المنخفض
- تعويض درجة الحرارة
- نقطة التشغيل الكهروضوئية
- حالة البطارية ومراقبة النظام
للمنشآت المعرضة لتغيرات كبيرة في درجات الحرارة الموسمية أو اليومية, يمكن أن يكون تعويض درجة الحرارة أحد الاعتبارات المهمة لأن متطلبات شحن البطارية تختلف باختلاف درجة الحرارة.
MPPT مقابل PWM: لماذا يهم؟?
يعد هذا أحد أهم الخيارات في النظام الشمسي خارج الشبكة.
وحدة التحكم بالشحن PWM
PWM تعني تعديل عرض النبض.
تنظم وحدة التحكم PWM الاتصال بين المصفوفة الكهروضوئية والبطارية عن طريق تبديل مسار الشحن بسرعة. أسلوب التشغيل الخاص بها بسيط نسبيًا ويمكن أن يكون مناسبًا للأصغر, أنظمة حساسة للتكلفة حيث يتطابق جهد اللوحة والبطارية بشكل وثيق.
لكن, لا يبحث PWM بشكل نشط عن أقصى نقطة طاقة للصفيف الكهروضوئي.
وحدة التحكم بالشحن MPPT
يعنيMPPT الحد الأقصى لتتبع نقطة الطاقة.
تقوم وحدة التحكم MPPT بضبط نقطة التشغيل للمصفوفة الكهروضوئية بشكل مستمر لالتقاط الطاقة المتاحة بشكل أكثر فعالية وتحويل مجموعة الجهد/التيار الكهروضوئي إلى مجموعة مناسبة لشحن البطارية.
وهذا يسمح للصفيف الكهروضوئي بالعمل بجهد يمكن أن يختلف عن جهد البطارية, تخضع لمواصفات وحدة التحكم.
الفائدة العملية ذات أهمية خاصة عندما:
- الجهد الكهروضوئي أعلى بكثير من جهد البطارية
- المصفوفة كبيرة نسبيا
- تختلف الظروف الجوية بشكل كبير
- تشغيل الكابلات أطول
- إن تعظيم الحصاد الشمسي المتاح أمر مهم
لهذا السبب, يعد MPPT بشكل عام الخيار الأكثر ملاءمة للعديد من الأنظمة الأكبر حجمًا أو الموجهة نحو الأداء خارج الشبكة, على الرغم من أن كسب الطاقة الفعلي يعتمد على تكوين النظام وظروف التشغيل.
3. بطارية: مخزن الطاقة العازلة
تقوم الألواح الشمسية بتوليد الكهرباء عند توفر ضوء الشمس الكافي. لكن الحمل خارج الشبكة لا يستهلك بالضرورة الكهرباء في نفس الوقت.
وهذا يجعل البطارية واحدة من أهم المكونات في النظام خارج الشبكة.
توضح وزارة الطاقة أن البطاريات تسمح بتخزين الطاقة المولدة من الطاقة الكهروضوئية لاستخدامها في الليل أو عندما تقلل الظروف الجوية من وصول ضوء الشمس إلى الألواح.
لماذا تحدد سعة البطارية الموثوقية؟
النظر في دورة يومية بسيطة:
النهار → توليد الطاقة الشمسية + شحن البطارية
ليلا → تفريغ البطارية + إمدادات التحميل
خلال فترات الغيوم, قد تحتاج البطارية أيضًا إلى تعويض انخفاض توليد الطاقة الشمسية.
لذلك, يمكن أن تؤدي سعة البطارية غير الكافية إلى وصول النظام إلى حالة شحن منخفضة قبل استئناف توليد الطاقة الشمسية.
ينبغي النظر في حجم البطارية:
- استهلاك الطاقة اليومي
- مدة النسخ الاحتياطي المطلوبة
- عمق التفريغ
- كيمياء البطارية
- درجة حرارة
- كفاءة الشحن والتفريغ
- الحد الأقصى للتيار المستمر
- متطلبات الحمل الذروة
- تردد الدورة المتوقع
سعة الطاقة ليست هي نفس سعة الطاقة
هذا التمييز مهم بشكل خاص لتصميم نظام B2B.
قد تتمتع البطارية بقدرة طاقة كافية بالكيلوواط ساعة ولكنها تظل غير مناسبة إذا لم تتمكن من توفير الطاقة اللحظية المطلوبة.
على سبيل المثال, قد يحتاج النظام إلى تشغيل مضخة أو محرك يتطلب طلبًا مرتفعًا نسبيًا. يجب أن تكون البطارية والعاكس قادرين على التعامل مع متطلبات الطاقة المرتبطة بها.
ولهذا السبب لا ينبغي أن يعتمد اختيار البطارية على كيلوواط ساعة فقط.
4. العاكس خارج الشبكة: من تخزين التيار المستمر إلى طاقة التيار المتردد القابلة للاستخدام
ال العاكس خارج الشبكة يحول كهرباء التيار المستمر من البطارية و/أو ناقل التيار المستمر إلى كهرباء تيار متردد للأحمال المتوافقة.
في تطبيق سكني أو تجاري نموذجي, قد تشمل أحمال التيار المتردد:
- إضاءة
- ثلاجات
- مضخات
- أجهزة الكمبيوتر
- معدات الاتصالات
- معدات تكييف الهواء
- المعدات الصناعية الصغيرة
تصف وزارة الطاقة الوظيفة الأساسية للعاكس بأنها تحويل كهرباء التيار المستمر إلى كهرباء تيار متردد. يمكن لأنظمة العاكس المتقدمة أيضًا أن تشتمل على وظائف تحكم واتصالات إضافية.
لماذا يختلف العاكس خارج الشبكة
يعمل العاكس المرتبط بالشبكة عادةً بالرجوع إلى شبكة مرافق موجودة.
العاكس خارج الشبكة, على النقيض من ذلك, يجب أن تكون قادرة على تشكيل وصيانة مخرجات التيار المتردد الخاصة بها للأحمال المتصلة في حالة عدم توفر شبكة المرافق.
وهذا يعني أن التشغيل خارج الشبكة يتطلب أكثر من مجرد تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد.
يحتاج العاكس لإدارة العلاقة بين:
البطارية ← العاكس ← أحمال التيار المتردد
مع الحفاظ على الجهد الناتج والتردد المناسب ضمن نطاق التشغيل المحدد.
القوة المستمرة مقابل القوة المفاجئة
عند اختيار العاكس خارج الشبكة, شخصيتان قويتان لهما أهمية خاصة.
قوة مستمرة يشير إلى الطاقة التي يمكن أن يوفرها العاكس أثناء التشغيل العادي.
قوة الطفرة يشير إلى الطاقة الأعلى المؤقتة التي قد تكون مطلوبة عند بدء أحمال معينة.
المحركات, الضواغط, يمكن أن يكون للمضخات والأحمال الحثية الأخرى متطلبات بداية كبيرة. إن العاكس الذي يبدو ملائمًا فقط على الحمل المستمر قد يكون غير مناسب لنظام ذي تيارات بدء عالية.
كيف تعمل المكونات الأربعة معًا?
تشكل المكونات الأربعة سلسلة تحويل وتخزين الطاقة.
خطوة 1: الألواح الشمسية تولد طاقة التيار المستمر
تلتقط المجموعة الكهروضوئية ضوء الشمس المتوفر وتنتج الكهرباء بالتيار المستمر.
خطوة 2: وحدة التحكم تنظم الشحن
تحدد وحدة التحكم في الشحن كيفية توصيل الطاقة الشمسية المتوفرة إلى البطارية.
مع تقنية MPPT, يمكن لوحدة التحكم تتبع أقصى نقطة طاقة للصفيف الكهروضوئي لتحسين حصاد الطاقة في ظل ظروف التشغيل المتغيرة.
خطوة 3: البطارية تخزن الطاقة
يمكن تخزين الطاقة الزائدة المتاحة لفترات عندما يكون توليد الطاقة الكهروضوئية غير كاف.
خطوة 4: العاكس يوفر أحمال التيار المتردد
عندما تحتاج أجهزة التيار المتردد إلى الكهرباء, يقوم العاكس بتحويل طاقة التيار المستمر من نظام البطارية إلى مخرج تيار متردد.
وبالتالي يمكن تلخيص البنية الشاملة على النحو التالي:
توليد الطاقة الكهروضوئية ← إدارة الشحن ← تخزين الطاقة ← تحويل التيار المستمر/التيار المتردد ← التحميل
يمكن أن يؤثر الضعف في أي مرحلة على أداء النظام بأكمله.
لماذا تعتبر مطابقة المكونات أكثر أهمية من المواصفات الفردية
أحد الأخطاء الشائعة في تصميم الأنظمة خارج الشبكة هو اختيار كل مكون بشكل مستقل.
على سبيل المثال:
"نحن بحاجة 10 كيلوواط من الألواح الشمسية, أ 20 بطارية كيلووات ساعة, و أ 10 العاكس كيلوواط.
هذه الأرقام وحدها لا تثبت أن النظام مصمم بشكل صحيح.
يجب أن تكون المكونات متوافقة كهربائياً وتشغيلياً.
يجب أن تتطابق المصفوفة الكهروضوئية مع وحدة التحكم
يجب أن تدعم وحدة التحكم الحد الأقصى للجهد والتيار للمصفوفة الكهروضوئية.
يجب أن تتطابق وحدة التحكم مع البطارية
الملف الشخصي للشحن, نطاق الجهد, ويجب أن تكون القدرة الحالية متوافقة مع كيمياء البطارية وتكوينها.
يجب أن تتطابق البطارية مع العاكس
تحتاج البطارية إلى توفير الجهد الكافي, الطاقة القابلة للاستخدام وطاقة التفريغ للعاكس.
يجب أن يتطابق العاكس مع الحمل
يحتاج العاكس إلى قدرة مستمرة ومتصاعدة كافية, وكذلك خصائص خرج التيار المتردد الصحيحة للأحمال المقصودة.
ولهذا السبب يجب تصميم حل للطاقة الشمسية خارج الشبكة حول نظام الطاقة كله, وليس أربعة مواصفات المنتج المعزولة.
كيف يتغير المناخ اختيار المكونات
المناخ هو متغير آخر يمكن التغاضي عنه بسهولة.
المناخات الحارة
يمكن أن تؤثر درجات الحرارة المرتفعة على أداء الطاقة الكهروضوئية وظروف تشغيل البطارية. تلاحظ وزارة الطاقة أن زيادة درجة حرارة الخلية الكهروضوئية تقلل الجهد بشكل عام ويمكن أن تقلل من أداء الوحدة.
ينبغي أيضًا مراعاة الإدارة الحرارية للبطارية وظروف التثبيت.
المناخات الباردة
يمكن أن تؤثر درجات الحرارة المنخفضة على سلوك شحن البطارية, وخاصة بالنسبة لبعض كيمياء البطارية.
يصبح تعويض درجة الحرارة والإدارة المناسبة للبطارية أكثر أهمية عندما تكون التغيرات في درجات الحرارة اليومية والموسمية كبيرة.
المناطق الغائمة أو الموسمية
إذا كان توافر الطاقة الشمسية يختلف بشكل كبير على مدار العام, قد يتطلب النظام:
- قدرة كهروضوئية أكبر
- استقلالية أكبر للبطارية
- إدارة أكثر تطوراً للطاقة
- إنشاء النسخ الاحتياطية في بعض التطبيقات
ويعتمد الحل الصحيح على مستوى الموثوقية المطلوب وليس مجرد متوسط موارد الطاقة الشمسية السنوية.
ما الذي يجب على المشترين في مجال B2B مراعاته عند تحديد نظام خارج الشبكة?
للحصول على حل مخصص للطاقة, يجب على المشترين تقديم معلومات أكثر من مجرد القدرة الشمسية المطلوبة.
وينبغي النظر في تصميم النظام المهني:
| مدخلات التصميم | لماذا يهم؟ |
|---|---|
| استهلاك الطاقة اليومي | تحديد التوليد والتخزين المطلوب |
| حمل الذروة | يؤثر على العاكس وطاقة البطارية |
| نوع التحميل | قد تتطلب المحركات والضواغط قدرة زيادة |
| مدة النسخ الاحتياطي المطلوبة | يحدد سعة طاقة البطارية |
| الموارد الشمسية | يحدد الحجم الكهروضوئي العملي |
| درجة الحرارة المحيطة | يؤثر على أداء الطاقة الكهروضوئية والبطارية |
| كيمياء البطارية | تحديد متطلبات الشحن والتشغيل |
| إخراج التيار المتردد | يجب أن تتطابق مع الأحمال المقصودة |
| بيئة التثبيت | يؤثر على الضميمة, تبريد, والحماية |
| التوسع المستقبلي | يحدد ما إذا كانت المكونات تحتاج إلى سعة إضافية |
تسمح هذه المعلومات للمورد بالانتقال من اختيار المنتج إلى هندسة النظام الفعلية.
النظام الشمسي خارج الشبكة: المكونات الأربعة هي النظام, ليس أربعة منتجات منفصلة
ولكل من المكونات الأربعة الأساسية دور واضح:
- تولد الألواح الشمسية كهرباء.
- ينظم جهاز التحكم بالشحن كيف تشحن الطاقة الشمسية البطارية.
- مخازن البطارية الطاقة لفترات عدم كفاية توليد الطاقة الشمسية.
- يقوم العاكس خارج الشبكة بالتحويل والإمداد طاقة التيار المتردد قابلة للاستخدام للأحمال.
لكن التحدي الهندسي الحقيقي يكمن في كيفية تفاعل هذه المكونات.
لذلك يبدأ النظام عالي الجودة خارج الشبكة بملف تعريف الحمل, مناخ, الحكم الذاتي وظروف التشغيل المطلوبة, ثم يعمل بشكل عكسي لتحديد المصفوفة الكهروضوئية المناسبة, وحدة تحكم MPPT, بنك البطارية, والعاكس.
لمشاريع B2B, يعد نهج مطابقة المكونات هذا أكثر قيمة من مجرد الجمع بين المنتجات القياسية. فهو يساعد على ضمان هذا الجيل, تخزين, تتم موازنة متطلبات التحويل والتحميل كحل واحد متكامل للطاقة.
خاتمة: بناء النظام حول متطلبات الطاقة
توفر "المكونات الأربعة الكبيرة" طريقة بسيطة لفهم النظام الشمسي خارج الشبكة, لكن التشغيل الموثوق يعتمد على أكثر من مجرد معرفة ما يفعله كل مكون.
تحدد اللوحة الشمسية مقدار الطاقة التي يمكن توليدها. تحدد وحدة التحكم مدى كفاءة إدارة هذه الطاقة. تحدد البطارية مقدار الطاقة التي يمكن حملها خلال الفترات التي لا يتوفر فيها ضوء الشمس الكافي. يحدد العاكس مدى فعالية توصيل طاقة التيار المستمر المخزنة كطاقة تيار متردد قابلة للاستخدام.
للأنظمة الأصغر, قد تكون التكوينات القياسية كافية. للسكن الأكبر, تجاري, الزراعية, أو التطبيقات عن بعد, يجب أن يعتمد اختيار المكونات على الحمل الفعلي, الظروف البيئية, متطلبات الحكم الذاتي, وخطط التوسع المستقبلية.
هذا هو الفرق بين تجميع أربعة منتجات للطاقة الشمسية وهندسة حل كامل للطاقة خارج الشبكة.
أضف تعليقا