مواصفات الإنفيرتر ومنظّم الشحن في المحطات المنفصلة عن الشبكة

طلب صاحب محلّ أدوات كهربائية من فنّي تركيب أنظمة طاقة متجددة تحديد قيمة أجهزة طاقة شمسية، ومواصفاتها تحصَل عليها بمزاد علني.

• أناقش: تحتوي بعض السيارات الحديثة على مخرج كهرباء (AC)؟
• هل يمكن شحن بطارية مباشرة بشبكها على اللّوح الشمسي؟

في المواقف السابقة تعرفتُ إلى مواصفات الألواح الشمسية والبطاريات، وتعلمت كيفية حساب قدرة الألواح الشمسية، وسَعَة البطاريات. إلّا أنّه بقي توصيلها ببعضها بعضاً؛ للتمكّن من استخراج الطاقة استخراجاً ملائماً. وعند السعي لتوصيل اللّوحات بالبطاريات، فهناك اعتبارات تلزم لاختيارها، وترتيبها بشكل أو بآخر. إنّ مَهمة منظّم الشحن الرئيسة هي نقل القدرة الكهربائية من الألواح الشمسية إلى البطاريات. والقدرة الكهربائية تتمثّل بتيار وفرق جهد. وعليه فقيم التيار وفرق الجهد الناتجة من اللّوح الشمسي يجب أن تتلاءم مع بنك البطاريات، كما أنّها يجب أن تتلاءم مع منظّم الشحن نفسه، كما في الشكل (1) الآتي:

1. توصيل القدرة المحصّلة من الألواح الشمسية إلى البطارية ضمن مراحل الشحن المناسبة.
2. منع التيار العكسي (عودة القدرة من البطارية نحو الألواح الشمسية).

1. تنظيم عملية تزويد القدرة الثابتة للأحمال.
2. توفير حمايات إضافية ضدّ فروق الجهد والتيارات المرتفعة، وضدّ عملية قلب أقطاب فرق الجهد.

يعمل منظّم الشحن على جمع الطاقة الكهربائية المنتجة من الألواح الشمسية وَفق إحدى تكنولوجيتين، وهما:

1. منظّم الشحن من نوع (Pulse-Width Modulation) (PWM).
2. منظّم الشحن من نوع (Maximum Power Point Tracking) (MPPT)

1. هناك أنواع أخرى من منظّمات الشحن كانت مستخدمة قديماً وهي غير مستعملة حالياً. إلّا أنّ الطريقتين السابقتين هما الأكثر توفّراً حالياً، وهما ما يحكم مبدأ عمل منظّم الشحن من جهة الألواح الشمسية؛ بهدف جمع قدرتها.
2. وسوف تُدرَس تفاصيل عمل كلّ منها في المواقف اللاحقة. والشكل (2) يوضّح منظّم شحن من نوع PWM:

يعمل منظّم الشحن بتنظيم عملية الشحن من جهة البطاريات بما يحقّق أفضل عملية شحن لشحن البطارية، والحفاظ عليها من الشحن الزائد، وللقيام بعمليات شحن الصيانة، بصرف النظر عن نوع تكنولوجيا منظّم الشحن (MPPT, PWM)، حيث إنّ هناك أربعة مراحل للشحن تقوم بها جميع منظّمات الشحن، وستُشرَح هذه العمليات باعتماد فرق الجهد 12 فولت، ولبقية الجهود المعيارية تضاعَف الأرقام فحسب، وهي على النحو الآتي، كما في الشكل (3) الذي يوضّح مراحل شحن البطارية:

وفي هذه المرحلة يُضَخّ كامل القدرة الممكنة من الألواح الشمسية إلى البطاريات؛ ما يتسبّب في ارتفاع فرق جهد على أقطاب البطارية باستمرار، حتى يصل إلى قيمة محدّدة تختلف وَفق برنامج الشحن وَفق نوع البطارية (14 فولت عادة).

1. تعلمتُ سابقاً أنّ البطارية تكون ممتلئة عند فرق جهد تقريبي (⁦13V⁩)، وفي مرحلة الشحن السريع تُشحَن البطارية حتى مستوى (⁦14V⁩)، لكن هذا لا يعني أنّ البطارية قد امتلأت.
2. وعليه، وبعد توقّف عملية شحن البطارية، فإنّ فرق جهدها سينخفض تدريجياً (خلال 15 دقيقة من راحة البطارية)، وسيستقرّ فرق الجهد عند قيم عادة ما تكون أقلّ من (⁦13V⁩)، ولكي نتمكن من شحن البطارية شحناً كاملاً؛ يجب تثبيت فرق جهد الـ (⁦14V⁩) لمدة طويلة تختلف من برنامج لآخر وفي العادة تكون 3 ساعات، وخلال هذه الساعات تكون البطارية قد شُحِنَت.
3. وعند تركها بعد عملية الشحن، فإنّ فرق جهدها سيستقرّ عند قيمة الجهد المرجوّة، وهي في المثال (⁦13V⁩).

تبدأ مرحلة التعويم فور انتهاء مرحلة الامتصاص، حيث إنّ تثبيت فرق جهد عالٍ على البطارية باستمرار، سيتسبّب في التقليل من عمرها؛ بسبب استمرار التفاعلات الكيمائية والحرارة المرتفعة المصاحبة لها، لذلك يخفّف منظّم الشحن فرق الجهد عن البطارية إلى مستوى تقريبي (⁦13.5V⁩)؛ لتعويض الخسائر، والحفاظ على مستوى الشحن الكامل، فتصل البطارية إلى حالة شحن كامل دون الحاجة إلى تعريضها لضغط مستمرّ، وفي حال حدوث استهلاك كبير للبطارية، فإنّها ستعاود الانتقال للشحن السريع.

1. تبدأ هذه المرحلة فور الانتهاء من مرحلة شحن الامتصاص، وتدخل بدل شحن التعويم أو الامتصاص وَفق المنظّم المستخدم، لكنّها تحصل مرّة واحدة في الشهر؛ ما يعني أنّ هناك 27 يوم تعويم، ويوماً واحداً للتسوية، وهدف هذه المرحلة هي تسوية خلايا البطارية (Vn=⁦2V/Cell⁩) عند قيمة فرق الجهد نفسها من خلال تطبيق فرق جهد مرتفع جداً، لكن لمدة قصيرة؛ ساعة واحدة أو ساعتين مرّة في الشهر وَفق برنامج الشحن، وخلالها تتوحّد فروق جهد خلايا البطارية الأساسية، فتُحلَّل المترسّبات من السائل الكهروليكي في قاع البطارية، وعلى صفائح الرصاص الداخلية.
2. وتجدر الإشارة إلى أنّ مرحلة التسوية لا تناسب بعض البطاريات مطلقاً؛ لأنّها تعطبها، كبطاريات (Gel/AGM)، وقد يُستعاض عن هذه المرحلة بمرحلة وهمية، فرق جهدها أعلى بشكل طفيف عن الامتصاص.

يربط منظّم الشحن الألواح الشمسية ببنك البطاريات، وعليه يجب مراعاة مستويات الجهد والتيار عند مدخل منظّم الشحن، ومخرجه، والشكل (4) الآتي يوضّح مدخلات منظّم الشحن، ومخرجاته:

• تيار مدخل منظّم الشحن: يجب على منظّم الشحن أن يحتمل أعلى تيار صادر من الألواح الشمسية، وهو تيار دارة القصر (Isc)، مضافاً إليه معامل أمان بنسبة 25%؛ لأنّ قيمة التيار المكتوبة في نشرة بيانات اللّوح تكون عند الظروف المعيارية، لكن في بعض الظروف قد يتجاوز الإشعاع الشمسي ($1000W/m^2$)؛ ما يتسبّب طردياً بزيادة في قيمة التيار الكهربائي الناتج.
• فرق جهد مدخل منظّم الشحن: يجب على منظّم الشحن أن يحتمل فرق جهد الألواح الشمسية الأقصى، وهو الجهد في حالة الدارة المفتوحة (Voc)، مع مراعاة تأثُّر فرق الجهد بدرجة حرارة الجوّ، فكلّما قلّت درجة الحرارة زاد فرق الجهد.
• فرق جهد مخرج منظّم الشحن: يجب على منظّم الشحن أن يكون جهد مخرجه ملائماً للجهد المعياري لبنك البطاريات (12/24/48 فولت) في جميع الحالات، بغض النظر عن نوع منظّم الشحن. وتجدر الإشارة إلى أنّ هناك شواحن بإمكانها العمل على عدّة فروق جهد معيارية، كأن يكون الشاحن قادراً على التعامل مع بطاريات (⁦12Vn/24Vn⁩)، أو (⁦12Vn/24Vn/48Vn⁩)، ويُعَرَّف الشاحن بفرق الجهد المعياري للبطاريات، أو يمكنه التعرف عليها أوتوماتيكياً.
• تيار مخرج منظّم الشحن: يجب على منظّم الشحن أن يكون قادراً على تمرير التيار الوارد من الألواح الشمسية لبنك البطاريات دون أي تلف، أو عطب لجميع المكونات.

يكون المسار الطبيعي للتيار في منظّم الشحن من اللّوحات متجهاً إلى بنك البطاريات، علماً أنّ هناك ديودات منع مسار التيار العكسي من البطاريات إلى الشاحن واللّوحات؛ لتجنّب الأعطال في النظام. وتجدر الإشارة إلى أنّ البطاريات يمكنها تزويد تيارات عالية جداً، بغضّ النظر عن سَعَتها؛ لأنّ حدوث دارة قصر مثلاً على أقطاب بطارية يولّد تياراً مرتفعاً جداً؛ لذلك تُستخدَم حمايات إضافية للشاحن (قواطع، أو فيوزات)؛ لتجنّب التيارات المفرطة. وللمقارنة البسيطة بين منظّمات الشحن من نوع (PWM ،MPPT)، تكون المقارنة مبنيّة على قيم الجهود والتيارات على أطراف المنظّم، حيث تكون الجهود المعيارية بين اللّوحات والبطاريات متطابقة فقط في حال كون الشاحن من نوع (PWM)؛ لتجنّب الخسائر في المحطّة الشمسية، وكذلك فإنّ قيمة التيار الداخلة هي نفسها الخارجة تقريباً. أمّا في حال استخدام منظّم الشحن من نوع (MPPT)، فإنّ التيار الخارج من الشاحن قد يكون أضعاف التيار الوارد من الألواح الشمسية؛ لأنّ الشاحن قد يكون قلّل بالمقابل من قيمة فرق الجهد لعدّة مراحل، مع الحفاظ على القدرة نفسها.

نشاط عملي (1): أحضر منظّمَي شحن طاقة شمسية بتكنولوجيات مختلفة (MPPT, PWM) مع نشرة بياناتها، وأدرس القيم الموجودة في نشرة البيانات كافّة، ثمّ أفسّرها، وأناقشها مع زملائي.

يُعَدّ الإنفيرتر قلب النظام الشمسي المنفصل عن الشبكة، وهو الجهاز المسؤول عن تحويل قدرة البطارية الثابتة (DC) إلى قدرة متناوبة (AC) يمكنها تشغيل الأحمال المنزلية، كالتي تُزوَّد بها شركات التوزيع، علماً أنّه هناك فرق في مهامّ إنفيرترات المحطات الشمسية المتصلة والمنفصلة عن الشبكة، على الرغم من أنّه في الظاهر يقوم الجهازان بالوظيفة الأساسية نفسها، وهي التحويل من تيار ثابت إلى متناوب، حيث إنّ لكلٍّ منهما مَهامّ وطرق توصيل ومدخلات مختلفة تماماً. فالإنفيرتر المفصول عن الشبكة لا علاقة له بالألواح الشمسية أبداً، ويمكنه التواجد والعمل في أنظمة لا وجود للألواح الشمسية فيها مطلقاً، كأنظمة الـ (UPS)، بينما الإنفيرتر المتّصل بالشبكة يتّصل مباشرة بالألواح الشمسية، كما في الشكل (5) الآتي:

1. تحويل القدرة الثابتة إلى متناوبة.
2. منع تفريغ البطاريات لمستويات أدنى من المسموحة.
3. تزويد المستخدم بمعلومات حول حالة شحن البطارية، وحجم الأحمال الكهربائية.

يوجد عديد من خصائص إنفيرترات منفصلة عن الشبكة تكون مسجّلة في لوحة البيانات الخاصّة، وسنتناول منها الآتي:

• نوع الإشارة الكهربائية وجودتها من حيث من الإشارة الكهربائية، فتُصنَّف الإنفيرترات المنفصلة عن الشبكة وَفق الموجة المتولّدة على المخرج إلى ثلاثة أنواع؛ وهذا يؤثّر على ثمن الإنفيرتر في بعض الأحيان، وتُصنَّف على النحو الآتي: (إنفيرترات الموجة المربّعة، وإنفيرترات الموجة شبه الجيبية، وإنفيرترات الموجة الجيبية النقية)، إلّا أنّ إنفيرترات الموجة الجيبية النقية تكون هي الأفضل؛ لقلّة التشويشات على الإشارة التي تُقاس من المؤشر (THD) الذي يجب ألّا يتجاوز الـ (5%).
• القدرة الاسمية للإنفيرتر (Nominal Power): حيث إنّ قدرة الإنفيرتر غالباً ما توصَف بوحدة (KVA)، وهي متعلقة بمعامل القدرة (PF)، الذي غالباً ما يكون ($PF=0.8$)؛ ما يعني أنّ إنفيرتر قدرته (⁦5KVA⁩) يمكنه تزويد بـ (⁦4KW⁩) فقط، إلّا أنّ هذه القدرة الظاهرية لا يمكن الاستغناء عنها؛ ليتمكّن الإنفيرتر من تشغيل الأحمال الحثية، كالمحركات.

  للإنفيرتر قدرة معيارية؛ إذ يمكنه تزويد الأحمال بها باستمرار، إلّا أنّ للإنفيرتر القدرة على تزويد الأحمال بقدرات أعلى، قد تكون أضعاف القدرة المعيارية، لكن لفترة زمنية قصيرة، وتُسمّى هذه القدرة القدرة الاندفاعية (Surge power)، وهذه الخاصية مهمّة؛ ليتمكن الإنفيرتر من التعامل مع التيارات الابتدائية للأحمال دون الحاجة للاستثمار في إنفيرترات كبيرة جداً، ومكلفة.

• فرق الجهد المعياري على المدخل والمخرج: ينتج الإنفيرتر فرق جهد متناوب معياري إمّا أن يكون (⁦230V/50Hz⁩)، كما في أغلب دول العالم، أو أن يكون (⁦110V/60Hz⁩)، كما في عدد محدود من الدول. إلّا أنّ فرق جهد الإنفيرتر من جهة البطاريات يجب أن يتطابق معيارياً مع فرق جهد البطاريات المعياري؛ إذ لا يمكن لإنفيرتر فرق جهده ($Vn=48V$) أن يتعامل مع بطاريات فرق جهدها المعياري ($Vn=12V$)، وهكذا.
• كفاءة الإنفيرتر: وهي النسبة التي تعبّر عن مقدار القدرة الناتجة من الإنفيرتر إلى القدرة المسحوبة من البطارية (الداخلة له). وتُظهر الإنفيرترات هذه القيمة عند ظروف معينة أو مثالية، وفي بالغالب أكثر من 90%، إلّا أنّ الإنفيرتر غالباً لا يعمل عند الظروف المثالية؛ ما يعني أنّ كفاءته قد تكون أقلّ بكثير بالواقع عند ظروف العمل المختلفة.
• الحمايات المتوفّرة في الإنفيرتر، وخصائصه الميكانيكية: تشكّل هذه الحمايات إضافات مهمّة، كوجود قواطع، وفيوزات، وحارفات جهداً مرتفعاً ضمن الجهاز، أو كوجود حماية ضدّ انقلاب قطبية فرق جهد البطارية،

  أو اللّوح الشمسي، ووجود حماية ضدّ الأحمال الزائدة، أو تيارات دارة القصر، إضافة إلى المعطيات الميكانيكية، مثل حجمه، ووزنه، وأبعاده، أو حتى درجة حمايته من الماء (IP rating)، وهذه تحدّد إمكانية وضع الجهاز في الخارج، أو لزوم تركيبه في مكان محمي من الأمطار.

نشاط عملي (2): في ضوء نشرة البيانات المرفقة أدناه، أحضر إنفيرتر طاقة شمسية منفصل عن الشبكة مع نشرة البيانات، وأدرس القيم الموجودة في نشرة البيانات كافة، ثمّ أفسّرها، وأناقشها مع زملائي:

في كثير من الأحيان يضع المصنّعون منظّم الشحن والإنفيرتر في جهاز واحد (Inverter/Charger)، كما في الشكل (6) الآتي، لكن هذا لا يُلغي حقيقة أنّهما جهازان منفصلان، وإن تشاركا الإطار المعدني نفسه، لذلك يورِد المصنّعون مواصفات كلّ من الجهازين بالتفصيل، وعادة ما يُضاف لهما شاحن بطاريات من التيار المتناوب، يستطيع أخذ القدرة المتناوبة من الشبكة الكهربائية، أو مولد كهربائي، وشحن البطارية عند الحاجة:

1. ما المقصود بالأجهزة المدمجة؟
2. ما وظائف الشاحن الأساسية والإختيارية؟
3. ما مهامّ إنفيرتر الطاقة الشمسية المنفصل عن الشبكة؟
4. لماذا يجب على الشاحن تحمل قيمة تيار اللوحات الشمسية منضاف إليها 25%؟
5. هل يستحسن تركيب بنك بطاريات (⁦500Ah/48V⁩) لحمل يستهلك (⁦500A⁩) من البطاريات؟ ولماذا؟
6. لماذا لا يمكن إجراء عملية شحن تسوية لبطاريات ال (Gel)؟
7. إذا كان لدينا شاحن (MPPT) ودخله تيار بقيمة 10 أمبير وفرق جهد 120 فولت، فكم قيمة التيار الذي يخرج من الشاحن إذا كان موصولا ببطارية فرق جهدها 12 فولت؟ ملاحظة إعتبر كفاءة الشاحن 100%.