تركيب محطّة منفصلة عن الشبكة بجهد معياري 24 فولت، والمفاضلة بين منظمات الشحن (PWM) و (MPPT)

ذكرتُ سابقاً أن هناك نوعين من منظّمات الشحن الشمسية، هما (MPPT)، أو (PWM).

وفي بعض الحالات، يُلجأ إلى تركيب أحد الأنواع دون الآخر، لكن في أحيان كثيرة يكون الخيار للمصمّم، فعلى أي أساس يمكن المفاضلة؟ وهل دائماً النتيجة واحدة؟

تتصف هذه المنظّمات بأنها رخيصة الثمن، وتتمتلك كفاءة منخفضة في جمع القدرة الكهربائية من الألواح الشمسية، وهذا ما يجعلها مناسبة فقط للأنظمة البدائية والرخيصة والصغيرة، والتي لا تتأثر من انخفاض الكفاءة.

توصّل هذه الشواحن بالألواح الشمسية مع البطارية على شكل نبضات، وكلّما كانت حاجة أكبر لنقل القدرة من الألواح الشمسية إلى البطارية (بطارية فارغة) كانت النبضات أطول؛ أي توصّل اللّوحات بالبطارية مباشرة لمدة أطول، وعندما لا تعود حاجة للشحن (بطارية ممتلئة) تصبح النبضات قصيرة، والبطارية مفصولة على اللّوحة لمدة أطول، كما في الشكل (1) الآتي: شاحن (PWM)، ولتوضيح تأثير تعديل النبضة على الجهد الخارج:

واللّوح الشمسي لا يمكنه تثبيت فرق جهده، إلا فرق جهد الدارة المفتوحة، وعند وصله بالبطارية، فإن فرق الجهد سينخفض إلى مستوى فرق جهد البطارية، وهي قيمة أقل من قيمة فرق جهد (Vmpp) التي عندها يُنتج اللّوح أكبر قدرة ممكنة؛ ما يعني أنّه سيعمل على فرق جهد لا يحقق شروط أفضل إنتاج. وسيعمل اللّوح الشمسي باستمرار على رفع قيمة فرق جهد البطارية إلى أعلى مستوى ممكن، وهذا قد يُضرّ بالبطارية؛ لذلك يعمل الشاحن على الحدّ من قيمة فرق جهد البطارية، وبالتالي يثبت اللّوح الشمسي عند فرق جهد لا يحقق أفضل قدرة إنتاجية لديه، وهذا من مآخذ منظّم الشحن (PWM). وتجدر الإشارة إلى أنّه خلال جميع مراحل الشحن هذه يبقى التيار الكهربائي المنتج من اللّوح الشمسي هو أقصى ما يمكن، إلا أن اللّوح الشمسي لا يمكنه تعويض الخسارة بفرق الجهد إلا من خلال رفع التيار إلا بشكل طفيف جداً، والتيار الذي ينتج من اللّوحة هو التيار الذي يصل البطارية نفسه. مثال: الأشكال الآتية ستوضّح آلية شحن بطارية من اللّوح الشمسي باستخدام منظّم شحن (PWM):

هي منظمات شحن تعمل على الحصول على أفضل قدرة من الألواح الشمسية وبأعلى كفاءة، إضافة إلى أنّها لا تتقيد بفرق الجهد المعياري لبنك البطاريات، حيث تعتمد على فصل فرق جهد البطاريات ومراحلها عن فرق جهد الألواح الشمسية، وتعمل الألواح عند أفضل فرق جهد يحقق أعلى إنتاج للوح الشمسي، وعند ظروف الـ (STC) تكون هذه القيمة هي (Vmp) المشار إليها في نشرة بيانات اللوح الشمسي. وتجدر الإشارة إلى أنّ منظمات الشحن من نوع (MPPT) لا تنقل فرق جهد البطاريات إلى اللوحات، ولا يمر تيار اللوحات بالبطاريات بالقيمة نفسها، إنّما تُنقل قدرة اللوحات إلى البطاريات، مع اختلاف قيمة فرق الجهد والتيار من قيمها عند اللوحات إلى قيم مختلفة عند البطاريات، علماً أنّه هناك خسائر في التوصيلات، وكفاءة التحويل، وهذا اختلافها الجوهري عن المنظمات من نوع (PWM).

مثال: الأشكال الآتية ستوضح آلية شحن بطارية من اللوح الشمسي باستخدام منظم شحن (PWM):

كفاءة الشاحن هي العلاقة بين القدرة الخارجية منه إلى الداخلية وفق المعادلة الآتية: $\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \times 100\%$

وفي حال شواحن الـ (MPPT)، فإن المعادلة تكون كالآتي: $\eta_{mppt} = \frac{V_{out} \times I_{out}}{V_{in} \times I_{in}} \times 100\%$

وفي شواحن الـ (PWM)، فإن التيار الداخل والخارج هو نفسه؛ لذلك يمكن اختصار المعادلة الآتية بالتخلص من قيمة التيار: $\eta_{pwm} = \frac{V_{out}}{V_{in}} \times 100\%$

وعند حساب كفاءة الشاحن، يجب أخذ ما يأتي بعين الاعتبار:

• قراءات فرق الجهد الداخل والخارج من الشاحن من أقرب نقطة للشاحن؛ لتجنب شمل خسائر التوصيل.
• يتوقف الشاحن عن الشحن عندما تمتلئ البطارية، وينتقل لمرحلة التعويم والقياس، وفي أثناء هذه المرحلة لن يعطي نتائج صحيحة؛ لذلك يُفضل دائماً قياس كفاءة الشاحن عندما يكون في مرحلة الشحن السريع.

  إذا قورن بين شاحنين من نوعين مختلفين، فيجب أن تتم عملية القياس بسرعة ضمن الشروط الجوية نفسها للمنظم، واللوحات، والإشعاع، والميل.

1. لماذا لا يتأثّر نظام طاقة شمسية منفصل عن الشبكة يستخدم تكنولوجيا شحن (MPPT) كثيراً بارتفاع درجة حرارة الألواح؟
2. ما ميزات شاحن (PWM)، ومساوئه؟
3. ما ميزات شاحن (MPPT)، ومساوئه؟

   109

1. مرحلة الشحن التي تُعوّض فيها الخسائر من مراحل شحن البطارية هي مرحلة __:

• أ. الشحن السريع.
• ب. التعويم.
• ج. التسوية.
• د. الشحن البطيء.

2. إنفيرتر شمسي، قدرته الاسمية ⁦3.6 KW⁩، وكفاءته تساوي 92%، فإن قيمة الفاقد داخل الإنفيرتر هي: ____ واط:

• أ. 3312
• ب. 8
• ج. 288
• د. 250

3. مفهوم الشهر الأسوأ هو ذلك الشهر الذي تكون فيه (H/E):

• أ. أكبر ما يمكن.
• ب. أقل ما يمكن.
• ج. تساوي واحداً.
• د. قيمة الخلايا نفسها.

4. كمية الطاقة الكهربائية الواصلة إلى الحمل تكون ___ من كمية الطاقة المسحوبة من البطارية.

• أ. أكبر، أو تساوي.
• ب. أكبر.
• ج. أقل، أو تساوي.
• د. أقل.

5. كمية الطاقة المولَّدة من الألواح الشمسية تكون _____ من كمية الطاقة الداخلة إلى بنك البطاريات.

6. ميل الألواح الشمسية المثالي للمحطة المنفصلة عن الشبكة المحلية في فلسطين _ درجة:

• أ. (0-90).
• ب. (5-15).
• ج. (42-47).
• د. (22-27).

7. منظم الشحن القادر على التوفيق بين الألواح الشمسية والبطاريات التي تمتلك جهوداً معيارية مختلفة هو __:

• أ. PWM.
• ب. MPPT.
• ج. Inverter.
• د. Series.

8. على منظم الشحن أن يكون قادراً على تحمل تيار مصدر التوليد، مضافاً إليه __:

• أ. 35%.
• ب. 25%.
• ج. 15%.
• د. 10%.

1. أقارن بين منظمات الشحن من نوع (PWM) ومنظمات من نوع (MPPT).
2. أوضح الفرق بين القدرة الاسمية والقدرة الاندفاعية للإنفيرتر.
3. أوضح لماذا لا تُركّب الألواح الشمسية أفقياً.

السؤال الثالث: أحسب حجم بنك البطاريات الذي أحتاجه لتغذية منزل من خلال محطة شمسية منفصلة عن الشبكة، علماً أنّ متوسط الاستهلاك اليومي للمنزل هو 160 واط. ساعة؛ إذا علمت أنّ الإنفيرتر المراد استخدامه، كفاءته 97%، والجهد المعياري لمدخله 12 فولت، مع مراعاة ألا يتجاوز عمق التفريغ 60%، وعدد أيام الاستقلالية هو (3).