العاكس للطاقة الشمسية

العاكس الشمسي أو العاكس الكهروضوئى ، هو نوع من المحولات الكهربائية التي تقوم بتحويل خرج التيار المباشر المتغير (DC) من الألواح الشمسية الكهروضوئية إلى تيار متناوب للتردد (AC) يمكن إدخاله في شبكة كهربائية تجارية أو تستخدمها شبكة كهربائية محلية وخارج الشبكة. إنه توازن حرج للنظام (BOS) – مكوّن في نظام كهروضوئي ، مما يسمح باستخدام معدات تعمل بالطاقة العادية. تتميز محولات الطاقة الشمسية بوظائف خاصة معدلة للاستخدام مع الصفيفات الضوئية ، بما في ذلك الحد الأقصى لتتبع نقاط القدرة والحماية المضادة للجزرية.

تصنيف
يمكن تصنيف العواكس الشمسية إلى ثلاثة أنواع عريضة:

عاكسات قائمة بذاتها ، تُستخدم في الأنظمة المعزولة حيث يستخرج العاكس طاقة تيار مستمر من بطاريات مشحونة بواسطة صفيفات ضوئية.تشتمل العديد من العواكس المستقلة أيضًا على شواحن بطارية متكاملة لتجديد البطارية من مصدر التيار المتردد ، عند توفرها. عادة هذه لا تتفاعل بأي شكل من الأشكال مع شبكة المرافق ، وعلى هذا النحو ، ليست هناك حاجة إلى الحماية المضادة للجزرية.
محولات الشبكة التعادل ، والتي تطابق مرحلة مع موجة جيبية الموفرة من قبل الأداة. تم تصميم عاكسات شبكة الربط لإيقاف التشغيل تلقائيًا عند فقدان مورد الخدمة ، لأسباب تتعلق بالسلامة. أنها لا توفر الطاقة الاحتياطية أثناء انقطاع المرافق.
عاكسات النسخ الاحتياطي للبطارية ، عبارة عن محولات خاصة تم تصميمها لسحب الطاقة من بطارية ، وإدارة شحن البطارية عبر شاحن داخلي ، وتصدير الطاقة الزائدة إلى شبكة المرافق. هذه العاكسات قادرة على توفير طاقة التيار المتردد إلى الأحمال المختارة خلال انقطاع الخدمة ، وهناك حاجة إلى الحماية المضادة للجزر.

أنواع الأجهزة
العاكس وحدات (الجزئي العاكس)
كل وحدة شمسية واحدة لها عاكس أحادي الطور الخاص بها ، والذي يمكن دمجه في صندوق التوصيل.
هذا محول DC-DC الغرض منه لتعيين الجهد بحيث يتم تشغيل الوحدة النمطية المتصلة في أقصى نقطة الطاقة الخاصة به (MPP).
يمكن أن يكون هذا مفيدًا في الأنظمة الكهروضوئية ، التي تتكون من حقول فرعية موجهة بشكل مختلف أو مظللة بشكل مختلف ، على سبيل المثال ، مغلفة بسيارات أو سيارات تعمل بالطاقة الشمسية.

محولات سلسلة (العاكس سلسلة الإنجليزية)
عاكس أحادي الطور في الغالب والذي يغذي طاقة أحد الخيوط أو بضعة فروع من الوحدات الشمسية في شبكة الطاقة.

محولات متعددة السلاسل
عاكس أحادي أو ثلاثي الطور مزود بأكثر من جهاز تعقب MPP لسلاسل متعددة (حتى مختلفة) من الألواح الشمسية.

العاكس المركزي
نظام كهربي كبير ، غالباً في شكل خزانة تحكم ، ولكن أيضاً كمحطة في تصميم الحاوية ، والتي تستخدم عادةً من ذروة القدرة فوق 100 كيلو واط. يبسط التصميم المعياري الإصلاحات الضرورية.

العاكس الهجين
الجمع بين العاكس وبطاريات التخزين الداخلية أو الخارجية. وينتج عن ذلك إمكانات إمدادات الطاقة غير المنقطعة ، فضلاً عن تحسين الاستهلاك الذاتي في وضع التغذية.

الدارة والكفاءة
في الأساس ، يمكنك التمييز بين نوعين من العواكس الشمسية:

الأجهزة مع محول
هنا يأخذ المحول العزلة كلفاني بين العاصمة وجدول التيار المتردد. نظرًا للعزل الكلفاني ، يمكن تثبيط مولد PV في عمود واحد – لا توجد إمكانات تيار متردد في النظام. وهو إلزامي أيضًا في بعض البلدان.

أجهزة محولة
هنا ، يتم توصيل جانب المدخلات وجانب المخارج كهربائيًا ببعضهما. في تصميم الدوائر هذا ، لا يتم استخدام أي محول ، وبالتالي فإن هذه الأجهزة عادة ما تكون ذات كفاءة أعلى. غير أن الافتقار إلى العزل الكهربائي يتطلب مفهومًا مختلفًا للسلامة الكهربائية. في جزء منه ، تتناوب الفولتية من وحدات الطاقة الشمسية إلى الأرض ، والتي يمكن أن تؤدي إلى خسائر ومع وحدات الغشاء الرقيق للتدهور. لزيادة كفاءة وتجنب التيارات التسرب ، تم تطوير تقنيات الدوائر H5 أو الطوبولوجيا Heric.
في مدخلات العاصمة العاكس للطاقة الشمسية عادة ما يكون محول الإدخال. هذا المحول غالباً ما يكون محول ذو كفاءة عالية جداً. يجب أن يكون لدائرة الخرج كفاءة عالية على مدى نطاق تحميل واسع.

لتحسين العاكس مع المحولات ، غالباً ما يستولي العاكس على وظيفة محول الإدخال ، بحيث يتم القضاء على الدائرة الوسيطة. وهذا ما يسمى تغذية مباشرة أو محول مباشر. تحسن الكفاءة ، حيث هناك حاجة إلى محول واحد فقط. ومع ذلك ، فإن هذه الأجهزة لديها نطاق أصغر مع كفاءة مثلى ، بحيث تكون نسبية خاصة في الأنظمة ذات ميزة التظليل الجزئي بسرعة.

إن كفاءة العواكس الشمسية قابلة للمقارنة من خلال كفاءة اليورو ، والتي تقوم بتقييم حالات الحمل الجزئي بشكل خاص.

في صناعة الطاقة الشمسية ، أصبح مصطلح kWp يستخدم للإشارة إلى ذروة القدرة بدلاً من kW. ومع ذلك ، فإن هذا لا يتوافق مع قواعد النظام الدولي للوحدات التي بموجبها لا يتم استكمال تسميات الوحدات. انظر أيضًا: تدقيق إملائي لشخصيات الوحدة.

أقصى نقطة قوة تتبع
تستخدم العواكس الشمسية التعقب الأقصى للطاقة الكهربائية (MPPT) للحصول على أقصى طاقة ممكنة من المصفوفة الكهروضوئية. الخلايا الشمسية لها علاقة معقدة بين الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة والمقاومة الكلية التي تنتج كفاءة خرج غير خطية تعرف باسم المنحنى الرابع.إن الغرض من نظام MPPT هو اختبار ناتج الخلايا وتحديد مقاومة (تحميل) للحصول على أقصى قدرة لأي ظروف بيئية معينة.

عامل التعبئة ، الأكثر شيوعًا باختصار FF الخاص به ، هو عبارة عن معلمة ، بالاقتران مع جهد الدائرة المفتوحة (Voc) و تيار الدارة القصيرة (Isc) للوحة ، تحدد الحد الأقصى للطاقة من خلية شمسية. يتم تعريف عامل التعبئة على أنه نسبة الطاقة القصوى من الخلية الشمسية إلى منتج Voc و Isc.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من خوارزميات MPPT: perturb-and-observ ، والتوصيل التدريجي والجهد الثابت. الطرق الأولى والثانية يشار إليها في كثير من الأحيان باسم طرق تسلق التل. يعتمدون على منحنى القوة المرسومة ضد الجهد الذي يرتفع إلى يسار نقطة الطاقة القصوى ، ويسقطون على اليمين.

عملية
في بعض الدول الأوروبية ، مطلوب ما يسمى جهاز مراقبة الشبكة مع أجهزة التبديل المرتبطة (ENS) على جانب الشبكة ، والذي يوقف تشغيل العاكس في حالة وجود الجزر غير المرغوب فيها. بالنسبة للأنظمة ذات الطاقة المركبة فوق 30 كيلوواط ، يمكن الاستغناء عن ENS.يوجد ما يكفي من مراقبة التردد والجهد مع إيقاف التشغيل بالكامل لضمان العزل الآمن من الشبكة ، إذا تم إيقاف تشغيله أو فشل.

غالبا ما يتم الإعلان عنها بكفاءة عالية من العاكس. في نطاق الحمل الجزئي ، يكون أقل قليلاً وبالتالي يتم حسابه ثم يشار إليه بـ “الكفاءة الأوروبية”. ومع ذلك ، فإن كفاءة العاكس لا تحدد وحدها الكفاءة الكلية للنظام الكهروضوئي.

منذ يناير 2009 ، يجب أن يكون لدى أنظمة الخلايا الضوئية في ألمانيا التي تبلغ سعتها المركبة أكثر من 100 كيلو واط خيار تقليلها من قبل مشغل الشبكة في الطاقة النشطة المحقونة (البند 6.1 EEG). علاوة على ذلك ، هناك احتمال أن يتم توفير قدر معين من الطاقة التفاعلية. من الناحية العملية ، تتحقق هذه المواصفات بشكل ديناميكي من خلال مستقبل التحكم في التموج ، والذي يمكن أن يشير إلى خفض فعال في الطاقة على أربع مراحل أو يحدد الانحراف عن عامل واحد فعال ، على سبيل المثال cos φ = 0.95 (استقرائي). من خلال توفير الطاقة الاستقرائية الاستقرائية يمكن تجاوز الجهد الزائد.

ابتداءً من يوليو 2011 ، سيكون على الأنظمة الأصغر في شبكة الجهد المنخفض توفير وظائف تحكم مماثلة. تؤدي اللوائح الإضافية الخاصة بكل بلد إلى اختناقات العرض وارتفاع تكاليف الإنتاج. تتبع المفاهيم المضادة مثل القياس الصافي نهجًا أكثر وضوحًا وتحول المشكلة إلى مشغل الشبكة.

في حالة الأنظمة الأكبر ، والتي ، في جملة أمور ، تمتثل لتوجيهات الجهد المتوسط ​​، يلزم اتخاذ تدابير إضافية لتثبيت الشبكة الديناميكية ، مثل القدرة على ركوب منخفض الجهد. وتهدف هذه التدابير إلى تجنب الإغلاق غير المرغوب فيه والمتزامن للعديد من الأنظمة مع انخفاض الجهد المحلي قصير الأجل ، حيث تحدث في سياق الدوائر القصيرة أو أخطاء أخرى في الأنظمة ثلاثية الطور.

قد تتغذى أنظمة أحادية الطور فقط على شبكة الطاقة في ألمانيا حتى تصل إلى طاقة قصوى تبلغ 5 كيلووات (قدرة مستمرة 4،6 كيلو واط).هذا التقييد هو استقرار الشبكة وتجنب الأحمال غير المتوازنة. بالإضافة إلى الوظيفة الأساسية لتحويل الطاقة ، يمتلك العاكس الشمسي الحصول على بيانات مكثفة ، وفي بعض الحالات ، خيارات الصيانة عن بُعد.

تردد الرئيسية
لا يمكن تخزين الطاقة الكهربائية في شبكة الطاقة بكميات كبيرة على المدى القصير. لذلك من الضروري دائمًا إقامة توازن في الطاقة بين الإنتاج والاستهلاك. للتأكد من أن هذا هو تردد التيار الكهربائي كمتغير تحكم في الطاقة الكهربائية المشحونة بالتيار المتردد. في أوروبا يتم تعريف هذا على أنه 50.0 هرتز. يشير الانحراف من القيمة الاسمية إلى فائض في الطاقة (زيادة تردد التيار الكهربائي) أو نقص في الطاقة (انخفاض التيار الكهربائي الأساسي). من أجل تجنب زيادة العرض في الطاقة في شبكة الطاقة ، يجب على المحولات مراقبة تردد الشبكة بشكل مستمر وقطع الاتصال من الشبكة عند تجاوز حد خاص بالبلد (في ألمانيا 50.2 هرتز). وحيث أن جزءًا سائدًا من الطاقة الكهربائية المولدة يأتي في الوقت الحالي من أنظمة كهروضوئية في ألمانيا ، فإن إيقاف تشغيل جميع الأنظمة الصلبة سيؤدي إلى تأثير معاكس لهذه القيمة الحدية ويتسبب بدوره في عدم استقرار الشبكة. لذلك ، بالنسبة للتركيبات التي تزيد على 10 كيلوواط ، تم زيادة هذا الحد لاحقاً إلى قيمة عشوائية.يجب أن تحتوي النباتات الحديثة على تدرجات طاقة بين 50.2 و 51.5 هرتز ، مما يقلل أو يزيد من طاقة التغذية حسب تردد الشبكة الحالي وبالتالي يساهم بشكل فعال في تثبيت الشبكة.

عملية الجزيرة
في أنظمة التشغيل المعزولة ، تمكّن أجهزة منع انغلاق الجزر الخاصة من استخدام المستهلكين التقليديين لـ 230 V AC. العامل الحاسم هو الطاقة القصوى المقدمة. لهذا الغرض ، يمكن توصيل المحولات الفردية بالتوازي ، ولكن اعتمادًا على حجم الشبكة ولكن تحتاج إلى أجهزة تحكم إضافية للتنسيق مع المولدات الأخرى وتخزين الطاقة. يتم في بعض الأحيان توفير أنظمة صغيرة مع أنظمة بطاريات مدمجة ، ولكن لا يوجد لديك تزامن للشبكة لأن الافتراضي الخاص بها بواسطة مولدات الطاقة الأخرى مفقود.

محولات الطاقة الشمسية الصغيرة
العاكس الصغير للطاقة الشمسية هو العاكس مصممة للعمل مع وحدة الكهروضوئية واحد. يقوم العاكس الصغير بتحويل الإخراج الحالي المباشر من كل لوحة إلى تيار متناوب. يسمح تصميمه بالاتصال المتوازي لوحدات متعددة ومستقلة بطريقة معيارية.

تتضمن مزايا المحول الصغير إمكانية تحسين طاقة اللوحة الواحدة ، والتشغيل المستقل لكل لوحة ، وتركيب التوصيل والتشغيل ، والتركيب المحسن والسلامة من الحرائق ، والتكاليف المصغرة مع تصميم النظام وتقليل المخزون.

وقد أفادت دراسة أجريت في عام 2011 في جامعة ولاية آبلاشان أن إعداد العاكس المدمج الفردي ينتج طاقة أكثر بنسبة 20٪ في ظروف غير محجوبة و 27٪ من الطاقة في ظروف مظللة مقارنة مع الإعداد المتسلسل للخيوط باستخدام عاكس واحد. كلا الاجهزة تستخدم ألواح شمسية متطابقة.

تعادل شبكة الطاقة الشمسية العاكسة
تم تصميم عواكس الشبكة الشمسية لتقطع الاتصال بسرعة من الشبكة في حالة انخفاض شبكة المرافق. هذا هو مطلب NEC الذي يضمن أنه في حالة انقطاع التيار الكهربائي ، سيتم إيقاف عاكس الربط الشبكي لمنع الطاقة التي ينتجها من إلحاق الضرر بأي عمال خط يتم إرسالهم لإصلاح شبكة الطاقة.

تستخدم عاكسات الشبكة المتوفرة في السوق اليوم عددًا من التقنيات المختلفة. قد تستخدم العاكسون المحولات الحديثة ذات التردد العالي أو المحولات التقليدية ذات التردد المنخفض أو بدون محول. بدلاً من تحويل التيار المباشر مباشرة إلى 120 أو 240 فولت ، تستخدم المحولات عالية التردد عملية متعددة الخطوات محوسبة تتضمن تحويل القدرة إلى تيار متردد عالي التردد ومن ثم العودة إلى التيار المستمر ومن ثم إلى التيار الكهربائي الناتج النهائي للتيار المتردد.

تاريخياً ، كانت هناك مخاوف من وجود أنظمة كهربائية غير قابلة للتحويل تغذي شبكة المرافق العامة. تنبع المخاوف من حقيقة أن هناك نقصًا في العزل الكهلي بين دائرتي DC و AC ، مما قد يسمح بمرور أخطاء DC خطيرة إلى جانب التيار المتردد. منذ عام 2005 ، تتيح NEC NFPA محولات أقل من المحولات (أو غير المجلفنة). تم تعديل VDE 0126-1-1 و IEC 6210 أيضًا للسماح بتعريف آليات السلامة اللازمة لمثل هذه الأنظمة وتعريفها. في المقام الأول ، يتم استخدام كشف التيار المتبقي أو الأرض للكشف عن حالات الخطأ المحتملة. كما يتم إجراء اختبارات العزل لضمان DC إلى فصل التيار المتردد.

تم تصميم العديد من العواكس الشمسية لتوصيلها بشبكة مرافق ، ولن تعمل عندما لا تكتشف وجود الشبكة. وهي تحتوي على دارات خاصة لتتناسب بدقة مع الجهد والتردد والمرحلة في الشبكة.

العاكس ضخ الطاقة الشمسية
تقوم عاكسات ضخ الطاقة الشمسية المتقدمة بتحويل جهد التيار المستمر من المجموعة الشمسية إلى تيار متردد لتشغيل المضخات الغاطسة مباشرة دون الحاجة إلى بطاريات أو أجهزة تخزين طاقة أخرى. من خلال استخدام MPPT (الحد الأقصى لتتبع نقطة القدرة) ، تقوم محولات الضخ الشمسية بتنظيم تردد الإخراج للتحكم في سرعة المضخات من أجل إنقاذ محرك المضخة من التلف.

ﻋﺎدةً ﻣﺎ ﺗﻜﻮن ﻣﻨﺎﻓﺬ اﻟﻀﺦ ﺑﺎﻟﻄﺎﻗﺔ اﻟﺸﻤﺴﻴﺔ ذات ﻣﻨﺎﻓﺬ ﻣﺘﻌﺪدة ﺗﺴﻤﺢ ﺑﺈدﺧﺎل اﻟﺘﻴﺎر اﻟﻜﻬﺮﺑﺎﺋﻲ اﻟﻜﻬﺮﺑﺎﺋﻲ اﻟﻤﺘﻮﻟﺪ ﻋﻦ ﻃﺮﻳﻖ اﻟﻤﺼﻔﻮﻓﺎت اﻟﻔﻠﻮروﻳﺔ اﻟﻜﻬﺮﺑﺎﺋﻴﺔ ، وﻣﻨﻔﺬ واﺣﺪ ﻳﺴﻤﺢ ﺑﺈﻧﺘﺎج ﺟﻬﺪ اﻟﺘﻴﺎر اﻟﻤﺘﺮدد ، وﻣﻨﻔﺬاً ﺁﺧﺮ ﻟﻠﻤﺪﺧﻼت ﻣﻦ ﻣﺴﺘﺸﻌﺮ ﻣﺴﺘﻮى اﻟﻤﺎء.

سوق
اعتبارا من عام 2014 ، وصلت كفاءة التحويل لمحول الطاقة الشمسية الأكثر حداثة إلى أكثر من 98 في المائة. في حين يتم استخدام محولات الأوتار في الأنظمة الكهروضوئية التجارية السكنية إلى متوسطة الحجم ، فإن العاكسات المركزية تغطي السوق التجارية الكبيرة والمرافق العامة. وتبلغ حصة السوق للمحول المركزي والأوتوماتيكي حوالي 50 في المائة و 48 في المائة على التوالي ، تاركة أقل من 2 في المائة إلى العاكسات الدقيقة.

العاكس / محول السوق في عام 2014