عاكسات شمسية: الفرق بين النسختين

تم حذف المحتوى تمت إضافة المحتوى

مضمن

نسخة 15:00، 12 أكتوبر 2018

العاكسات الشمسية solar inverter

العاكسات الشمسية (solar inverter) او العاكسات الضوئية (photovoltaic inverter) هي نوع من الاجهزة الكهربائية التي تحول التيار المستمر (DC) الذي يتولد من الالواح الشمسية (photovoltaic solar panel) الى تيار متردد (AC) الذي يمكن تغذيته الى الشبكة الكهربائية (Electrical Grid) او استخدامه بشكل محلي لتغذية حمل كهربائي منفصل عن الشبكة (مثال: المنازل او المزارع او آبار المياه في المناطق النائية التي لا تصلها الشبكة الكهربائية). تعتبر العاكسات الشمسية (solar inverters) من المكونات المهمة لاستقرار انظمة الطاقة الشمسية الكهربائية حيث يسمح بتشغيل الاحمال الكهربائية التي تعمل بنظام التيار المتردد (AC)، وله أيضاً دور مهم في الحماية من ظاهرة التجزير (Islanding) في انظمة الألواح الشمسية المتصلة بالشبكة الكهربائية، ودور آخر في تتبع نقطة القدرة القصوة (Maximum Power Point Tracking).

الأصناف Classifications

رسم مبسط لنظام الواح شمسية متصل بالشبكة^[1]

العاكسات الشمسية يمكن تصنيفها الى ثلاثة أنواع رئيسية:^[2]

1.العاكس المستقل (stand-alone inverter)

يستخدم في الأنظمة المفصولة عن الشبكة (Off Grid) بحيث يقوم بتحويل التيار المستمر (DC) الخارج من البطاريات (التي يتم شحنها من الالواح الشمسية) الى تيار متردد (AC). العديد من هذه العاكسات تحتوي شاحن للبطاريات للتمكن من شحن البطاريات في حال توفر التيار المتردد. عادةً لا يتصل هذا النوع مع الشبكة الكهربائية لذلك لا يحتاج ان يكون مصمم للحماية من ظاهرة التجزير (islanding).

2.العاكس المرتبط بالشبكة (Grid-Tie Inverter)

يقوم هذا النوع بمطابقة الطور (Phase) للتيار الكهربائي الخارج منه مع الموجة الجيبية (Sine wave) القادمة من الشبكة الكهربائية. العاكسات المرتبطة بالشبكة (Grid-Tie Inverter) مصممة للتوقف عن تزويد الطاقة للشبكة الكهربائية بشكل آلي في حال انقطاع تيار الشبكة وذلك للحماية من ظاهرة التجزير (islanding) أي لمنع تدفق تيار كهربائي من نظام الالواح الشمسية الى الشبكة خلال حدوث عطل لحماية العاملين على صيانة الشبكة من التعرض لصعقة كهربائية

3.عاكس البطاريات الاحتياطية (Battery Backup Inverter)

نوع من العاكسات الكهربائية مصمم لتحويل التيار الخارج من البطاريات من مستمر (DC) الى متردد (AC)، وكذلك تنظيم شحن البطاريات وتصدير الطاقة الزائدة بعد اكتمال شحن البطاريات الى الشبكة الكهربائية، ويحتوي ايضاً حماية من ظاهرة التجزير (islanding).

التجزير (Islanding)

هي ظاهرة استمرار تزويد الطاقة الكهربائية من أنظمة التوليد اللامركزية (distributed generators) مثل انظمة الالواح الشمسية الى الشبكة الكهربائية في حال انقطاع التيار من المزود الرئيسي للشبكة بسبب عطل أو لاعمال صيانة او توسعة للشبكة الكهربائية. هذه الظاهرة تشكل خطراً على فنيي الصيانة عند العمل على الشبكة وذلك ظناً منهم أن الشبكة ليست مزودة بالكهرباء وذلك لانقطاع التيار من المصدر الرئيسي المغذي للشبكة بينما انظمة التوليد اللامركزية مستمرة في تزويد الشبكة بالطاقة الكهربائية.

تتبع نقطة القدرة القصوى (Maximum Power Point Tracking)

تستخدم العاكسات الكهربائية نقطة القدرة القصوى ( (Maximum Power Point) أو (MPPT) ) للحصول على أقصى طاقة كهربائية ممكنة من مصفوفة الالواح الشمسية (Photovoltaic Array). ^[3] الخلايا الشمسية (Solar Cells) ترتبط بعلاقة معقدة بين الاشعاع الشمسي (solar irradiation) والحرارة (Temperature) والحمل الكهربائي (Electrical Load) الكلي مما يقود لعلاقة غير خطية (non-linear) لكفاءة الخرج (output efficiency) تعرف بمنحنى الجهد-التيار (I-V Curve). الهدف من نظام تتبع نقطة القدرة القصوى (Maximum Power Point Tracking) هو مراقبة خرج الخلايا الشمسية لتحديد الحمل الكهربائي الذي يحقق أقصى قدرة في جميع الظروف البيئية.^[4]

عامل التعبئة (Fill Factor) أو اختصارا (FF)، هو معامل يربط بين جهد الدارة المفتوحة (Voc) وتيار دارة القصور (Isc) للوح الشمسي (solar panel) محدداً القدرة القصوى للخلية الشمسية. ويعرف أيضاً بأنه النسبة بين أقصى قدرة للخلية الشمسية وحاصل ضرب جهد الدارة المفتوحة (Voc) وتيار دارة القصور (Isc) للخلية الشمسية.^[5]

FF={\frac {P_{m}}{V_{OC}\times I_{SC}}}.

هناك ثلاثة خوارزميات لتتبع نقطة القدرة القصوى: تشويش ومراقبة (perturb and observe)، والموصلية المتزايدة (incremental conductance)، والفولتية الثابتة (constant voltage).^[6] الخوارزمية الاولى والثانية تعرفان بخوارزميات تسلق التّل (Hill Climbing)، ويعتمدان على منحنى القدرة ضد الفولتية بحيث يتصاعد المنحنى على يسار نقطة القدرة القصوى (MPPT) ويهبط على يمينها.^[7]

العاكسات الشمسية الصغيرة (Micro Solar Inverter)

هذا النوع من العاكسات مصمم للعمل مع لوح شمسي (solar panel) واحد بحيث تحول التيار المستمر (DC) الى متردد (AC) من كل لوح بشكل مستقل عن الألواح الأخرى في المنظومة الشمسية، تصميمها يسمح بتوصيل العديدد من الوحدات المستقلة على التوازي بطريقة بنائية (Modular Way).^[8]

باللإضافة الى تحسين قدرة اللوح الواحد بشكل مستقل، من مزاياها التوصيل بطريقة سهلة وسريعة كتوصيل أي قابس (socket) كهربائي عادي، وتحقق مستوى أعلى من السلامة للنظام في حالات الحريق حيث الذي يتضرر الجزء الذي يطاله الحريق من النظام وليس النظام بشكل كامل وذلك لأن كل لوح يعمل بشكل مستقل داخل النظام، ومن المزايا أيضاً تكلفة أقل لتصميم النظام.

أظهرت نتائج دراسة في جامعة Appalachian State University عام 2011 أن الأنظمة التي تستخدم تصميم بعاكسات شمسية صغيرة (Micro Solar inverter) أعطت 20% قدرة كهربائية أكثر في حالة الظل و 27% قدرة أعلى في حالة عدم وجود ظل من الأنظمة المصممة باستخدام عاكس شمسي واحد، علماً أن كلا التصميمين استخدم ألواح شمسية متماثلة.^[9]

العاكسات المرتبطة بالشبكة (Grid-Tie Inverter)

العاكسات المرتبطة بالشبكة مصممة لتوقف تغذية الشبكة بالطاقة الكهربائية في حال انقطاع التيار عن الشبكة. هذا الاجراء من متطلبات الكود الكهربائي الوطني (NEC)، وذلك لمنع العاكس من تغذية الشبكة بالتيار الكهربائي أثناء أعمال الصيانة لحماية العاملين.

العاكسات المتوفرة في السوق تعتمد على عدة أنواع من التكنولوجيا في عملها، إما أن تستخدم محولات ذات تردد مرتفع (high-frequency transformers) أو محولات ذات تردد منخفض (low-frequency transformers) أو بدون محول. بدلاً من التحويل الى 120 أو 240 فولت متردد مباشرة تقوم العاكسات التي تستخدم محولات ذات التردد المرتفع بعملية محوسبة من عدة خطوات بالتحويل الى جهد متردد بتردد عالٍ ثم الى جهد مستمر وأخيراً إلى الخرج المتردد بقيمة 120 أو 240 فولت.^[10]

تاريخياً كان هناك مخاوف من تغذية الشبكة الكهربائية عن طريق أنظمة لا تستخدم محولات كهربائية، تلك المخاوف ظهرت بسبب نقص العزل الغلفاني (galvanic isolation) بين دوائر التيار المستمر (DC) والتيار المتردد (AC) مما يسمح بمرور أعطال التيار المستمر إلى جهر التيار المتردد الذي يغذي الشبكة.^[11]

منذ العام 2005 الكود الكهربائي الوطني (NEC) التابع لمنظمة National fire protection association (NFPA) الامريكية سمح باستخدام العاكسات التي تعمل بدون محول، كذلك الأكواد VDE0126-1-1 و IEC6210 عدلت لتضع تعريفاً لآليات السلامة المتبعة في تصميم وصناعة هذه الأنظمة. بشكل أساسي يتم التبين من الأعطال المتوقعة بالكشف عن التسريب في التيار الأرضي، كذلك تتم اختبارات للتأكد من العزل بين جانبي التيار المتردد والتيار المستمر.

الكثير من العاكسات الشمسية تصمم لتتصل بالشبكة الكهربائية ولن تزود الشبكة بالتيار الكهربائي في حال انقطاع التيار لحماية العاملين من التجزير (islanding)، وتحتوي العاكسات على دارات خاصة لمطابقة التردد (Frequency) والفولتية (Voltage) والطور (Phase) مع الشبكة الكهربائية.

عاكسات الضخ الشمسية (Solar Pumping Inverters)

عاكسات الضخ الشمسية تقوم بتحويل التيار المستمر القادم من الالواح الشمسية مباشرة إلى تيار متردد لتشغيل المضخات الغاطسة (Submersible pump) دون الحاجة إلى بطاريات. بالإعتماد على نقطة القدرة القصوى (MPPT) تقوم هذه العاكسات بمعايرة تردد الخرج (Output Frequency) للتحكم بسرعة المضخة لحماية محرك المضخة من التلف.

تحتوي عاكسات الضخ الشمسية على عدة منافذ (ports) منها لتيار الدخول القادم من الألواح الشمسية وآخر مخرج للتيار المتردد المتصل بالحمل وآخر لحساس قياس مستوى الماء

^ Solar Cells and their Applications Second Edition, Lewis Fraas, Larry Partain, Wiley, 2010, (ردمك 978-0-470-44633-1) , Section10.2.
^ "3 Types of Solar Inverters Explained". do it yourself. اطلع عليه بتاريخ 2017-02-15.
^ "Invert your thinking: Squeezing more power out of your solar panels". scientificamerican.com. اطلع عليه بتاريخ 2011-06-09.
^ Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques نسخة محفوظة 2010-07-09 على موقع واي باك مشين.
^ Benanti، Travis L.؛ Venkataraman, D. (25 أبريل 2005). "Organic Solar Cells: An Overview Focusing on Active Layer Morphology" (PDF). Photosynthesis Research. ج. 87 ع. 1: 77. DOI:10.1007/s11120-005-6397-9. اطلع عليه بتاريخ 2013-08-27.
^ "Evaluation of Micro Controller Based Maximum Power Point Tracking Methods Using dSPACE Platform" (PDF). itee.uq.edu.au. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2011-07-26. اطلع عليه بتاريخ 2011-06-14. {{استشهاد ويب}}: الوسيط غير المعروف |deadurl= تم تجاهله (مساعدة)
^ "Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms". DOI:10.1002/pip.459. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الاستشهاد بدورية محكمة يطلب |دورية محكمة= (مساعدة)
^ "Archived copy" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2014-07-15. اطلع عليه بتاريخ 2013-08-27. {{استشهاد ويب}}: الوسيط غير المعروف |deadurl= تم تجاهله (مساعدة)صيانة الاستشهاد: الأرشيف كعنوان (link)
^ "A SIDE-BY-SIDE COMPARISON OF MICRO AND CENTRAL INVERTERS IN SHADED AND UNSHADED CONDITIONS" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2014-07-14. اطلع عليه بتاريخ 2013-08-27. {{استشهاد ويب}}: الوسيط غير المعروف |deadurl= تم تجاهله (مساعدة)
^ Photovoltaics: Design and Installation Manual. Newsociety Publishers. 2004. ص. 80.
^ "Summary Report on the DOE High-tech Inverter Workshop" (PDF). Sponsored by the US Department of Energy, prepared by McNeil Technologies. eere.energy.gov. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2012-02-27. اطلع عليه بتاريخ 2011-06-10. {{استشهاد ويب}}: الوسيط غير المعروف |deadurl= تم تجاهله (مساعدة)

[SolarCells_Section10_2-1] Solar Cells and their Applications Second Edition, Lewis Fraas, Larry Partain, Wiley, 2010, (ردمك 978-0-470-44633-1) , Section10.2.

[2] "3 Types of Solar Inverters Explained". do it yourself. اطلع عليه بتاريخ 2017-02-15.

[3] "Invert your thinking: Squeezing more power out of your solar panels". scientificamerican.com. اطلع عليه بتاريخ 2011-06-09.

[4] Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques نسخة محفوظة 2010-07-09 على موقع واي باك مشين.

[5] Benanti، Travis L.؛ Venkataraman, D. (25 أبريل 2005). "Organic Solar Cells: An Overview Focusing on Active Layer Morphology" (PDF). Photosynthesis Research. ج. 87 ع. 1: 77. DOI:10.1007/s11120-005-6397-9. اطلع عليه بتاريخ 2013-08-27.

[6] "Evaluation of Micro Controller Based Maximum Power Point Tracking Methods Using dSPACE Platform" (PDF). itee.uq.edu.au. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2011-07-26. اطلع عليه بتاريخ 2011-06-14. {{استشهاد ويب}}: الوسيط غير المعروف |deadurl= تم تجاهله (مساعدة)

[7] "Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms". DOI:10.1002/pip.459. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الاستشهاد بدورية محكمة يطلب |دورية محكمة= (مساعدة)

[8] "Archived copy" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2014-07-15. اطلع عليه بتاريخ 2013-08-27. {{استشهاد ويب}}: الوسيط غير المعروف |deadurl= تم تجاهله (مساعدة)صيانة الاستشهاد: الأرشيف كعنوان (link)

[9] "A SIDE-BY-SIDE COMPARISON OF MICRO AND CENTRAL INVERTERS IN SHADED AND UNSHADED CONDITIONS" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2014-07-14. اطلع عليه بتاريخ 2013-08-27. {{استشهاد ويب}}: الوسيط غير المعروف |deadurl= تم تجاهله (مساعدة)

[10] Photovoltaics: Design and Installation Manual. Newsociety Publishers. 2004. ص. 80.

[11] "Summary Report on the DOE High-tech Inverter Workshop" (PDF). Sponsored by the US Department of Energy, prepared by McNeil Technologies. eere.energy.gov. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2012-02-27. اطلع عليه بتاريخ 2011-06-10. {{استشهاد ويب}}: الوسيط غير المعروف |deadurl= تم تجاهله (مساعدة)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]