اعتبارات تصميم الإنفيرترات ومنظّمات الشحن في النظام الشمسي المنفصل عن الشبكة

طلب صاحب منزل من فنّي تركيب أنظمة طاقة متجددة اختيار شاحن، وإنفيرتر ذي مواصفات عالية ومناسبة للنظام الشمسي الذي يحتاجه.

• مواصفات الأجهزة المتوفرة في السوق.
• أي الأجهزة أكثر ملاءمة لتلبية احتياجات النظام (خلايا، وبطاريات). | • مجموعات عمل.
• نتائج التجارب السابقة المدونة في جداول. |

• تفريغ جميع النتائج على دفتر التدريب العملي.
• تقديم تقرير مفصل عن النتائج، مع استعراض المقارنة.
• عرض كل مجموعة عمل ما أُنجز على الجميع. | • مجموعات عمل.
• النقاش الجماعي. | • جهاز عرض (LCD).
• دفتر التدريب العملي. |

• تكليف الخبراء بتقديم التغذية الراجعة.
• المقارنة بين نتائج الحالة المثالية ونتائج الحالة قيد الدراسة. | • النقاش الجماعي. | • نماذج التقويم. |

الأسئلة:

• هل يمكن تركيب أي منظم شحن لأي نظام طاقة شمسية؟ ولماذا؟
• لماذا تتعرض بعض أنظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة للتلف بعد فترة من تركيبها؟

أبحث عن بعض الأعطال في أنظمة الطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة، وأُعد عرض شرائح عنها.

1. تعرّفتُ في المواقف السابقة إلى كيفية حساب حجم بنك البطاريات، وحجم حقل توليد الطاقة الشمسية، وفي هذه المرحلة سأتطرّق إلى اختيار البطاريات واللوحات التي تحقق هذه القيم، ثم العمل على توصيلها معاً بطريقة ملائمة باستخدام منظمات الشحن والإنفيرترات المناسبة؛ لتكوين محطة شمسية منفصلة عن الشبكة، ومتكاملة.
2. وتجدر الإشارة إلى أن عملية اختيار البطاريات وتوصيلها تحتمل أكثر من سيناريو؛ نظراً لتعدّد البطاريات المتوفرة في السوق، لذلك يمكن التصميم، ثم إعادة فحص النتائج.

تصميم المحطّة الشمسية المنفصلة عن الشبكة:

تصميم بنك البطاريات:

• تحديد حجم بنك البطاريات ($W_h$) بناءً على الحمل.
• اختيار فرق الجهد المعياري ($V_n$)؛ لتحديد سعة بنك البطاريات ($A_h$).
• اختيار البطاريات التي تحقق السِّعة، وتحافظ على فرق الجهد المعياري.
• تعديل فرق الجهد المعياري إن لزم الأمر، أو تعديل نوع البطارية عند الحاجة.

ويوضّح الجدول (1) الآتي مفهوم فرق الجهد المعياري لبنك البطاريات:

الجدول (1): تقديم مقارنة لمعنى فرق الجهد المعياري في البطاريات

تصميم حقل التوليد (الألواح الشمسية):

• تحديد حجم الألواح الشمسية ($W_p$) بناءً على حجم بنك البطاريات.
• اختيار فرق الجهد المعياري ($V_n$) إن كان الشاحن (PWM).
• اختيار ألواح شمسية تحقق القدرة المطلوبة للمحطة الشمسية.
• تعديل فرق الجهد المعياري، أو تعديل اللّوح الشمسي المختار إن لزم الأمر.

تُصنّف الألواح الشمسية بناءً على الجهد المعياري إلى (12 / 24 / 48)، علماً أن هذا التصنيف يكون مبنياً على عدد الخلايا المكوّنة للّوحة الشمسية، حيث إن الألواح الشمسية المكوّنة 36 خلية، فرق جهدها المعياري 12 فولت، والألواح الشمسية المكوّنة 72 خلية، فرق جهدها المعياري 24 فولت، حيث إن هذه اللّوحات هي الأكثر شيوعاً واستخداماً في المحطات الاستثمارية، علماً أن هناك ألواح شمسية فروق جهدها لا تناسب أي فرق جهد معياري؛ فإمّا أن فرق جهدها أقل من المطلوب، أو أكثر بكثير من المطلوب، كما في الجدول (2) الآتي؛ للتوضيح:

الجدول (2): تصنيف الجهود المعيارية ومواءمتها مع فروق جهد اللّوحات

بعد تحديد عدد الألواح الشمسية وفرق جهدها المعياري، وحجم بنك البطاريات وفرق جهده المعياري، إذا كان فرق الجهد المعياري للّوحات والبطاريات متساوياً، فيمكن وضع منظّم شحن (MPPT أو PWM)، أمّا إذا كان فرق الجهد المعياري مختلفاً، فيجب استخدام منظّم شحن من نوع (MPPT)، وكما ذكرنا سابقاً، فإن مواصفات منظّم الشحن متعلقة بقيم التيار وفرق الجهد من جهة الألواح الشمسية، ومن جهة البطاريات.

يكون التصميم بالنسبة لمنظّم الشحن باختيار منظّم شحن يتحمّل التيارات عبر المدخل والمخرج عند الظروف كافة، إضافة إلى معامل أمان، وكذلك فرق الجهد بالنسبة للمنظّم من مدخله؛ أي طرف الألواح الشمسية، ومخرجه طرف البطاريات، والشكل (1) الآتي يوضح اعتبارات تصميم منظّم الشحن من نوع (PWM):

نفس التيار الكهربائي $I_{in} = I_{out}$ $V_{in} = V_{out}$ الشكل (1): منظّم الشحن (PWM)

1. حساب التيار عند مدخل المنظّم (بين اللّوحات والمنظّم): يتمّ في هذه المرحلة احتساب قيمة تيار دارة القصر لكل إسترينج (أو لوحة)، مع إضافة معامل أمان بنسبة 25%، وبعدها جمع كل الإسترنجات:

ملاحظة: يرتفع تيار اللّوحات مع درجة الحرارة ارتفاعاً طفيفاً، لكن تُهمل هذه الزيادة؛ بسبب هوامش الأمان، كما في الشكل (2) الآتي:

الشكل (2): تأثير الحرارة على الألواح الشمسية مثال: أحسب قيمة التيار عند مدخل منظّم الشحن، إذا علمت أنّه يتغذّى من 9 ألواح شمسية مجموعة في 3 إسترنجات، وكان ($I_{sc} = 13.2A/325Wp$) لكل لوحة. الحل: كل ثلاثة لوحات مجموعة على التوالي؛ ما يعني أن تيار اللوحات الثلاث في كل إسترينج هو تيار أي لوحة منفردة نفسه ($I_{sc} = 13.2A$)، ونطبّق القانون:

$I_{in} = I_{sc} \times 1.25 \times \text{number of strings}$ $I_{in} = 13.2 \times 1.25 \times 3 = 49.5A$ ما يعني أن على الشاحن والقواطع والحمايات تحمّل ⁦50A⁩.

2. حساب الجهد عند مدخل المنظّم (بين اللّوحات والمنظّم): يجب أن يكون فرق جهد الشاحن واللّوحات معيارياً وبالقيمة المعيارية نفسها؛ وهذا لا يعني أن فرق الجهد سيكون متطابقاً، لكن يجب أن يكون في المجال المعياري نفسه؛ لأن أيّة زيادة في فرق جهد الألواح الشمسية سيتسبّب بخسائر إضافية في النظام، وبالتالي فعلى الشاحن ذي فرق جهد معياري محدّد تحمّل أعلى فرق جهد يمكن للوحة الشمسية إنتاجه (في أقل درجة حرارة ممكنة):

3. حساب التيار عند مخرج المنظّم (بين المنظّم والبطاريات): يكون التيار الداخل للشاحن هو ذاته الخارج منه في منظّمات الشحن من نوع (PWM):

4. حساب الجهد عند مخرج المنظّم (بين المنظّم والبطاريات): يكون الجهد المعياري لمدخل الشاحن هو ذاته للمخرج في منظّمات الشحن من نوع (PWM):

يكون التصميم بالنسبة لمنظّم الشحن باختيار منظّم شحن يتحمّل التيارات عبر المدخل والمخرج عند الظروف كافة، إضافة إلى معامل أمان، وكذلك فرق الجهد بالنسبة للمنظّم من مدخله؛ أي طرف الألواح الشمسية، ومخرجه طرف البطاريات، والشكل (3) الآتي يوضح اعتبارات تصميم منظّم الشحن من نوع (MPPT):

$P_{in} \approx P_{out}$ $I_{in} \neq I_{out}$ $V_{in} \neq V_{out}$ الشكل (3): منظّم الشحن (MPPT)

$I_{in} = I_{sc} \times 1.25 \times \text{number of strings}$ (تيار مدخل)

2. حساب الجهد عند مدخل المنظّم (بين اللّوحات والمنظّم): عند استخدام منظّم شحن من نوع (MPPT)، فإن فرق جهد الشاحن واللّوحات لا يُشترط أن يكون معيارياً وبالقيمة المعيارية نفسها، وأي فرق في الجهد بين اللّوحات والبطاريات سيُعوّض من خلال زيادة التيار الكهربائي الصادر من الشاحن، لكن يجب مراعاة الأمور الآتية:

• فرق جهد اللّوحات (Voc) يجب ألا يتجاوز فرق جهد الشاحن الأقصى عند أبرد درجات حرارة.
• على فرق جهد اللّوحات أن يكون دائماً أعلى من فرق جهد البطاريات، وإلا لن يسير التيار:

3. حساب التيار عند مخرج المنظّم (بين المنظّم والبطاريات): في منظّمات الشحن من نوع (MPPT)، يكون التيار الداخل للشاحن ليس الخارج نفسه، حيث ينقل المنظّم القدرة على فروق جهد مختلفة؛ ما ينتج عنه تيارات مختلفة، علماً أن القدرة الخارجة ليست مساوية تماماً للقدرة الداخلة؛ بسبب الخسائر في القدرة؛ نتيجة كفاءة الشاحن، والمعادلة الآتية تمثّل قيمة التيار الخارج من منظّم الشحن، علماً أنّه لا داعي لتطبيق معامل أمان 25% على المخرج؛ لأنّه عند اشتداد أشعة الشمس يرتفع التيار، لكن القدرة لا ترتفع بالقدر ذاته؛ لأن فرق الجهد في الوضع الطبيعي سينخفض؛ نتيجة الحرارة:

مثال: أحسب قيمة التيار الصادر من منظّم شحن شمسي، إذا علمت أنّه يتغذّى من 9 ألواح شمسية مجموعة في 3 إسترنجات، وكان ($I_{sc} = 13.2A/325Wp$) لكل لوحة، وكان الشاحن من نوع (MPPT)، وكفاءته ($\eta = 98\%$)، إذا كان فرق الجهد المعياري المختار على النحو الآتي:

1. فرق جهد البطارية المعياري (⁦12V⁩).
2. فرق جهد البطارية المعياري (⁦24V⁩).
3. فرق جهد البطارية المعياري (⁦48V⁩).

   الحل: قدرة اللّوحات تساوي مجموع قدرات جميع اللّوحات؛ أي أن:

$P_{\text{panels}} = 9 \times P_{\text{panel}}$ $P_{\text{panels}} = 9 \times 325 = 2925W_p$

• أ. عند الجهد المعياري (⁦12V⁩):

$I_{out} = \frac{P_{\text{panels}} \times \eta_{\text{charger}}}{V_{n\text{(Battery)}}}$ $I_{out} = \frac{2925 \times 0.98}{12} = 238.9 A$ وهذه قيمة تيار مرتفعة جداً، وتكون مُكلفة فنياً واقتصادياً في محطة شمسية بهذا الحجم.

• ب. عند الجهد المعياري (⁦24V⁩):

$I_{out} = \frac{2925 \times 0.98}{24} = 119.4 A$ وهذه قيمة تيار مرتفعة نسبياً، ويجب تبريرها لمحطّة شمسية بهذا الحجم.

• ج. عند الجهد المعياري (⁦48V⁩):

$I_{out} = \frac{2925 \times 0.98}{48} = 59.4 A$ وهذه قيمة تيار معتدلة معقولة على الصعيدين الفني، والمالي، وهذا هو التصميم السليم لمحطّة شمسية بهذا الحجم.

مثال: شاحن (MPPT) موصول بين لوح شمسي قدرته (⁦550Wp⁩)، وبطارية فرق جهدها المعياري (⁦12V⁩)، أحسب قيمة التيار الداخل والخارج للمنظّم، إذا علمت أن تيار دارة القصر للّوحة هو ($I_{sc} = 13.5A$)؟ ملاحظة: إذا لم تُزوّد كفاءة الشاحن فأهملها من الحسابات. الحل:

• تيار مدخل المنظّم:

$I_{in} = I_{sc} \times 1.25$ $I_{in} = 13.5 \times 1.25 = 16.875A$

• التيار الخارج من الشاحن:

$I_{out} = \frac{P_{\text{panels}} \times \eta_{\text{charger}}}{V_{n\text{(Battery)}}} = \frac{550 \times 1}{12} = 45.8 A$ ألاحظ كيف ارتفعت قيمة التيار الخارج من الشاحن؛ لأنّه من نوع (MPPT).

4. حساب الجهد عند مخرج المنظّم (بين المنظّم والبطاريات): يكون الجهد المعياري لمدخل الشاحن ملائماً لجهد بنك البطاريات في منظّمات الشحن، سواء أكانت من نوع (PWM) أو (MPPT)، فإذا كان فرق الجهد المعياري للبطارية (⁦48V⁩)، فعلى الشاحن أن يكون مخرجه من ناحية البطارية ذا فرق جهد معياري (⁦48V⁩)، حيث إنّه إذا كان لدي شاحن (MPPT/⁦24V⁩)، فلا يمكنني وصله ببنك بطاريات (⁦48V⁩)، على الرغم من أنني أستطيع وصله بألواح شمسية (⁦48V⁩) إذا سمح فرق جهده الأقصى بذلك.

ترتبط الإنفيرترات المنفصلة عن الشبكة بمدخلها بالبطاريات كمدخل جهد ثابت (DC)، والتيار الخارج منها يكون متناوباً (AC) يعمل على تغذية الأحمال، ولمواءمة البطاريات مع الإنفيرتر يجب تحديد فرق الجهد المعياري للمحطّة الشمسية، كما في الشكل (4) الآتي:

اعتبارات تصميم الإنفيرتر المنفصل عن الشبكة:

وعند تحديد قيمة فرق الجهد المعياري، يجب اتباع الإرشادات الآتية في حجم النظام، وفرق الجهد المعياري:

• ($V_n = 12V$) للأنظمة الصغيرة التي تقلّ فيها قدرة الإنفيرتر عن ($P_n = 2000W$).
• ($V_n = 24V$) للأنظمة المتوسطة التي تقارب فيها قدرة الإنفيرتر الـ ($P_n = 3000W$).
• ($V_n = 48V$) للأنظمة الكبيرة التي تزيد فيها قدرة الإنفيرتر عن ($P_n = 5000W$).

1. على الإنفيرتر أن يتمكّن من تشغيل جميع الأحمال المرغوبة بالتوازي، وهذا يحدّد القدرة المعيارية له؛ أي القدرة التي يمكن له تزويدها باستمرار، وهذا بدوره لا يشير إلى كمية الطاقة المستهلكة.
2. وفي بعض الحالات يتعذّر إيجاد إنفيرتر بقدرة الأحمال، فيتمّ تركيب إنفيرتر أكبر، ولهذا أثر على حجم القواطع والكوابل التي يتمّ تركيب الحمايات فيها بناءً على الإنفيرتر، وليس على الأحمال.

تُختار الكوابل والقواطع والحمايات بناءً على قيمة فرق الجهد وقيمة التيار في كامل أجزاء المحطّة الشمسية:

يشير فرق الجهد المقرر عند كل نقطة في النظام إلى عازلية الكوابل والحمايات المطلوبة في تلك النقطة؛ حيث إنّ على الكوابل والحمايات تحمّل أعلى فرق جهد ممكن للنظام توليده، وعليها أن تتحمّل فرق الجهد الثابت في الأجزاء التي تتعرّض لفرق الجهد الثابت، وفقط بُعد الإنفيرتر على الكوابل والقواطع أن تكون بمواصفات فرق جهد متناوب، ويؤدي عدم التطابق بين الجهود والتيارات في النظام إلى حدوث حروق، وتلف، كما في الشكل (5) الآتي:

وتكون كوابل الطاقة الشمسية عازلة لفرق الجهد لدرجة (عزل جهد 1000 فولت ثابت، أو 1500 فولت ثابت). والأنظمة المفصولة عن الشبكة هي فروق الجهد المنخفضة ذاتها التي لا تصل هذه القيم. أمّا كوابل التمديدات الكهربائية الاعتيادية فتعزل لحدّ 600 فولت متناوب. أمّا بالنسبة للقواطع في طرف التيار الثابت، فعليها تحمّل فروق جهد مرتفعة وأكثر قيم فروق الجهد المنتشرة هي (600-800-1000-1200-1500 فولت ثابت)، وهذه القواطع مرتفعة الثمن بالمقارنة مع القواطع المتناوبة التي تكون مصمّمة بجهد مقرر (⁦400VAC⁩).

يحدّد التيار الكهربائي المارّ في الكوابل مساحة المقطع المناسبة، والسِّعة الأمبيرية للقواطع، حيث إنّ الكابل يجب أن يتحمّل مرور التيار الثابت باستمرار، ومن دون تلف، إضافة إلى تجنّب حدوث هبوط بالجهد أعلى من نسبة محدّدة؛ حيث إنّه كلّما زاد طول الكابل وقيمة التيار المارّ فيه تزداد قيمة الخسائر في الكابل، التي قد تتمثّل في شكل حرارة زائدة على الكابل. وتتغيّر السِّعة الأمبيرية للكابل وفق نوع الموصل، ونوع العازل ومكان تمديد الكابل، وحرارة المحيط، والجدول (3) الآتي يمثّل السِّعة الأمبيرية للكوابل، وبالتالي يمكن استخدامه للمحطات الشمسية المفصولة عن الشبكة:

تعمل الكوابل على وصل جميع مكونات النظام الشمسي؛ لذلك فهي عصب المحطة الشمسية، ويمكن أن أجدها في خمسة مواقع ربط رئيسة، هي:

1. بين الألواح الشمسية والشاحن.
2. بين الشاحن والبطارية.
3. بين البطارية والإنفيرتر.
4. بين الإنفيرتر وأحمال التيار المتناوب.
5. بين الشاحن وأحمال التيار المستمر.

   وتكون نسبة الفاقد في التيار الكهربائي في الكوابل الكهربائية؛ نتيجة هبوط فرق الجهد، لذلك يجب اختيار مقاطع الكوابل، بحيث لا أتجاوز المعايير المبينة في الجدول الآتي:

لأنّ المحطات الشمسية المفصولة عن الشبكة تعمل على فرق جهد منخفض وتيارات كهربائية عالية؛ فإنني بحاجة إلى حساب مقاطع الكوابل القادرة على تحمّل هذه التيارات العالية، مع الحفاظ على مستويات هبوط فرق الجهد المشار إليها في الجدول السابق، وفق العلاقة الآتية:

(S): مساحة مقطع الكابل. (L): طول الكابل. (i): التيار المارّ في الكابل. ($\Delta V$): هبوط الجهد المسموح. مثال: أحسب مساحة مقطع كابل محطّة شمسية إذا كان طوله 15 متراً يصل اللّوحات الشمسية بمنظّم الشحن ويمر فيه تيار 36 أمبير بنظام جهد 48 فولت. الحل: نسبة الهبوط المسموحة في الكابل بين اللّوحات والمنظّم 3%.

• نسبة الهبوط المسموحة في الجهد:

• حساب مساحة مقطع الكابل:

أسئلة الدرس:

1. لماذا ألجأ إلى تحويل الأنظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة ذات القدرة العالية إلى أنظمة تعمل بجهد معياري 48 فولت؟
2. ما أقصى نسبة هبوط في الجهد بين الشاحن والبطارية؟
3. أحسب مساحة مقطع كابل محطّة شمسية إذا كان طوله 10 أمتار يصل البطاريات بالإنفيرتر، ويمرّ فيه تيار 45 أمبير بنظام جهد 24 فولت.