من الألواح الكهروضوئية إلى المحولات: شرح مفصل لتكوين نظام توليد الطاقة الشمسية الكامل

على خلفية الدعوة العالمية للطاقة المستدامة ، فإن الطاقة الشمسية ، كمصدر للطاقة النظيفة والمتجددة ، تدخل حياتنا تدريجياً. اجتذبت أنظمة توليد الطاقة الشمسية المزيد والمزيد من الاهتمام لحماية البيئة وتوفير الطاقة والعديد من المزايا الأخرى. لذا ، كيف يتكون نظام توليد الطاقة الشمسية الكامل؟ لنبدأ مع الألواح الأساسية - الألواح الكهروضوئية.

تعد الألواح الكهروضوئية ، المعروفة أيضًا باسم الألواح الشمسية ، واحدة من المكونات الأساسية لأنظمة توليد الطاقة الشمسية. إنها تتصرف مثل "التقاط" الفعال المسؤولة عن تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. ويستند مبدأ العمل على "التأثير الكهروضوئي" الشهير. عندما تضيء أشعة الشمس على لوحة كهروضوئية ، تتفاعل الفوتونات مع مادة أشباه الموصلات في اللوحة الكهروضوئية لتحفيز أزواج فتحة الإلكترون. تتحرك هذه الإلكترونات والثقوب في اتجاهات مختلفة تحت عمل الحقل الكهربائي داخل مادة أشباه الموصلات ، وتشكيل تيار كهربائي.

عادة ما تتكون الألواح الكهروضوئية من وحدات خلايا شمسية متعددة. معظم وحدات الخلايا هذه مصنوعة من مواد السيليكون ، منها خلايا السيليكون أحادية البلورة وخلايا السيليكون متعدد البلورات هي الأكثر شيوعًا. تتمتع خلايا السيليكون أحادية البلورة بكفاءة عالية في التحويل ، حيث تصل عمومًا إلى 20 ٪ - 25 ٪ ، مما يعني أنه يمكن أن يحول 20 ٪ - 25 ٪ من الطاقة الشمسية إلى الطاقة الكهربائية. عملية التصنيع الخاصة بها معقدة نسبيًا والتكلفة مرتفعة نسبيًا ، ولكنها تحتوي على أداء مستقر لتوليد الطاقة وعمر خدمة طويل يصل إلى {4}}. كفاءة التحويل لخلايا السيليكون متعدد الكريستالات أقل قليلاً ، حوالي 15 ٪ - 20 ، ولكن تكلفة إنتاجها منخفضة نسبيًا ، ولديها مزايا فعالة من حيث التكلفة في التطبيقات واسعة النطاق ، ويمكن أن تصل حياة الخدمة أيضًا إلى حوالي {9}}.

بالإضافة إلى السيليكون أحادي البلورة وخلايا السيليكون متعدد البلورات ، هناك أنواع أخرى من الألواح الكهروضوئية مثل السيليكون غير المتبلور ، تيلوريد الكادميوم ، والسيلينيد النحاس الإنديوم. لوحات السيليكون الكهروضوئية غير المتبلورة لها مزايا المرونة الجيدة ويمكن تحويلها إلى أفلام رقيقة. غالبًا ما يتم استخدامها في بعض المشاهد مع متطلبات خاصة لمظهر أو مساحة التثبيت ، ولكن كفاءة التحويل الخاصة بها منخفضة نسبيًا ، عمومًا 6 ٪ - 12 ٪. تتمتع ألواح الكادميوم تيلورايد ونحاس الإنديوم غاليوم سيلينيد السيلينيد الكهروضوئيات بإمكانات معينة في كفاءة التحويل والتكلفة ، وتطورت بسرعة في السنوات الأخيرة ، لكن حصتها في السوق لا تزال أقل من أحادي البلورة السيليكون والسيليكون الكريستالي الكريستالي.

الطاقة الناتجة عن الألواح الكهروضوئية هي DC ، في حين أن معظم الأجهزة الكهربائية التي نستخدمها في حياتنا اليومية تتطلب AC العمل بشكل صحيح. في هذا الوقت ، يلعب العاكس دورًا رئيسيًا. يشبه "المحول" السحري المسؤول عن تحويل ناتج DC للألواح الكهروضوئية إلى التيار المتردد لتلبية احتياجات الطاقة من مستخدمين مختلفين مثل العائلات والمؤسسات.

هناك العديد من الأنواع من المحولات ، والأنواع الشائعة هي العاكسات المركزية ، ومزولات السلسلة والمزولات الصغيرة. يتمتع المحولات المركزية طاقة عالية وهي مناسبة بشكل عام لمحطات الطاقة الشمسية الكبيرة. يجمع التيار المستمر الناتج عن مجموعات ألواح الكهروضوئية المتعددة ويحولها. الميزة هي أن التكلفة منخفضة نسبيًا ومن السهل إدارة وصيانة مركزيًا ، ولكن بمجرد حدوث خطأ ، قد يؤثر ذلك على تشغيل نظام توليد الطاقة بأكمله. يحول العاكس السلسلة DC إلى AC بشكل منفصل لمجموعات ألواح الكهروضوئية المختلفة ، ثم يجمع هذه التيار المتردد. لديها مرونة أعلى. حتى لو كانت سلسلة معينة تعاني من مشاكل ، فلن تؤثر على التشغيل العادي للسلاسل الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يلعب بشكل أفضل مزايا أدائها في سيناريوهات التثبيت للألواح الكهروضوئية ذات التدريع الجزئي أو التوجهات المختلفة. يستخدم حاليًا على نطاق واسع في مشاريع توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة. يتم تثبيت العاكس الدقيق مباشرة على الجزء الخلفي من كل لوحة كهروضوئية لتحويل خرج طاقة التيار المستمر لكل لوحة كهروضوئية بشكل منفصل. أكبر ميزة لها هي أنه يمكنه تحقيق مراقبة مستقلة وتتبع أقصى نقاط للطاقة لكل لوحة كهروضوئية. حتى إذا تم حظر لوحة الكهروضوئية أو فشلها ، فإن الألواح الكهروضوئية الأخرى لا تزال تعمل بشكل طبيعي ، مما يحسن إلى حد كبير كفاءة توليد الطاقة واستقرار نظام توليد الطاقة بأكمله. ومع ذلك ، نظرًا لأن كل العاكس الصغير يتوافق فقط مع لوحة كهروضوئية واحدة ، فإن تكلفته مرتفعة نسبيًا.

في عملية تحويل الطاقة الكهربائية ، يحتوي العاكس أيضًا على بعض الوظائف المهمة الأخرى. على سبيل المثال ، يمكن لدالة تتبع نقاط الطاقة القصوى (MPPT) مراقبة طاقة الإخراج للوحة الكهروضوئية في الوقت الفعلي وتعديل معلمات العمل تلقائيًا بحيث تعمل اللوحة الكهروضوئية دائمًا بالقرب من نقطة الطاقة القصوى ، وبالتالي تحسين كفاءة توليد الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي العاكس أيضًا على وظائف حماية السلامة مثل حماية الجهد الزائد ، والحماية الزائدة ، وحماية التسرب لضمان التشغيل المستقر لنظام توليد الطاقة وسلامة الموظفين والمعدات.

من أجل الحصول على ألواح الكهروضوئية لتلقي أشعة الشمس بشكل أفضل ، هناك حاجة إلى هيكل دعم مستقر ، وهو نظام قوسين. يشبه نظام الأقواس "الدعم الصلب" للألواح الكهروضوئية. لا يحمل وزن الألواح الكهروضوئية نفسها فحسب ، بل إنه يقاوم أيضًا العديد من العوامل البيئية الطبيعية ، مثل الرياح والمطر والثلوج ، إلخ.

يمكن تقسيم أنظمة الأقواس إلى نوعين: ثابت وتتبع. الأقواس الثابتة بسيطة للتثبيت وخفض التكلفة. أنها تعمل على إصلاح الألواح الكهروضوئية على الأرض أو السقف أو المباني الأخرى بزاوية واتجاه معين. عادةً ما يتم تحسين زاوية التثبيت في هذه القوس وفقًا لظروف خط العرض المحلية والطاقة الشمسية لضمان أن تتمكن الألواح الكهروضوئية من الحصول على أشعة الشمس الكافية لمعظم العام. أقواس تتبع أكثر ذكاء. يمكنهم تلقائيًا ضبط زاوية الألواح الكهروضوئية وفقًا للتغييرات في موضع الشمس ، بحيث تظل الألواح الكهروضوئية دائمًا عموديًا أو عموديًا تقريبًا على أشعة الشمس ، وبالتالي زيادة كفاءة الألواح الكهروضوئية التي تتلقى ضوء الشمس. يتم تقسيم أقواس التتبع عمومًا إلى نوعين: تتبع المحور الفردي وتتبع المحور المزدوج. يمكن أن تدور أقواس تتبع المحور أحادي المحور على طول محور واحد (عادةً ما يكون المحور الأفقي في الاتجاه الشرقي والغرب أو المحور المائل في الاتجاه إلى الشمال والجنوب) ، في حين أن أقواس التتبع ثنائية المحور يمكن تدويرها في وقت واحد في محورين ، مع دقة تتبع أعلى ، ولكن تكاليف أعلى نسبيًا.

عند اختيار نظام قوسين ، يجب النظر في العديد من العوامل بشكل شامل. على سبيل المثال ، تضاريس موقع التثبيت ، والمنطقة المتاحة ، وظروف المناخ المحلي ، والميزانية. بالنسبة لمشاريع توليد الطاقة الكهروضوئية الصغيرة الموزعة ، مثل أنظمة الكهروضوئية على السطح المنزلي ، عادة ما يتم اختيار أقواس ثابتة بسبب محدودية مساحة التثبيت وحساسية التكلفة. في محطات الطاقة الكهروضوئية الكبيرة ، إذا سمحت ظروف الموقع وتجاوز كفاءة توليد الطاقة ، قد يكون تتبع قوسين خيارًا أفضل.

في أنظمة توليد الطاقة الشمسية ، تلعب حزم البطارية دور "مستودع التخزين" للطاقة الكهربائية. عندما يكون هناك أشعة الشمس الكافية ، يمكن استخدام الكهرباء التي تم إنشاؤها بواسطة الألواح الكهروضوئية من قبل المستخدمين على الفور ، ويمكن تخزين الكهرباء الزائدة في حزمة البطارية. في حالة عدم وجود أشعة الشمس غير الكافية في الليل أو في الأيام الغائمة ، تطلق حزمة البطارية الكهرباء المخزنة لتزويد المستخدمين بمصدر طاقة مستمر ومستقر.

تشمل الأنواع الشائعة من البطاريات بطاريات حمض الرصاص ، وبطاريات هيدريد النيكل المعدنية ، وبطاريات الليثيوم أيون. تعد بطاريات حمض الرصاص واحدة من أكثر بطاريات تخزين الطاقة استخدامًا على نطاق واسع. لديهم مزايا التكلفة المنخفضة ، والتكنولوجيا الناضجة ، وسهولة الصيانة. ومع ذلك ، فإن كثافة الطاقة الخاصة بها منخفضة نسبيًا ، وحجمها ووزنها كبيران ، وعمر شحنها ودورة التفريغ تكون عمومًا حول {4}}. أداء بطاريات الهيدريد المعدنية النيكل أفضل من أداء بطاريات الحموضة الرصاص. لديهم كثافة طاقة أعلى ، حياة أطول ودورة التفريغ (تصل إلى حوالي 1 ، 000 مرات) ، وهي صديقة للبيئة ، ولكن تكلفتها مرتفعة نسبيًا. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بمزايا كبيرة مثل كثافة الطاقة العالية ، والحجم الصغير ، والوزن الخفيف ، وكفاءة الشحن والتفريغ العالية ، وحياة دورة طويلة (عادة ما يصل إلى 1 ، 500-3 ، 000 مرة) ، ولكن تكلفتها مرتفعة نسبيًا في الوقت الحاضر. في بعض سيناريوهات التطبيق الحساسة للتكلفة ، يخضع الترويج لقيود معينة.

عند تصميم وتكوين حزم البطارية ، من الضروري النظر بشكل شامل في العوامل مثل الطلب الفعلي للطاقة لنظام توليد الطاقة الشمسية ، وسعة توليد الطاقة في الألواح الكهروضوئية ، وظروف الإضاءة المحلية. على سبيل المثال ، من الضروري تحديد سعة البطارية المناسبة للتأكد من أن الطلب الأساسي للكهرباء على المستخدمين يمكن تلبية في حالة الأيام المغلفة المستمرة. في الوقت نفسه ، من الضروري أيضًا الانتباه إلى إدارة الشحن والتفريغ للبطارية ، واعتماد استراتيجية شحن وتفريغ معقولة ، وتمديد عمر خدمة البطارية ، وتقليل تكلفة تخزين الطاقة.

وحدة التحكم هي "مدبرة المنزل الذكية" لنظام توليد الطاقة الشمسية. إنها مسؤولة عن مراقبة نظام توليد الطاقة والتحكم فيه لضمان تشغيل النظام الآمن والمستقر. تحتوي وحدة التحكم بشكل أساسي على الوظائف المهمة التالية:

الأول هو وظيفة التحكم في الشحن والتفريغ. يمكنه مراقبة الجهد والمعلمات الحالية وغيرها من المعلمات البطارية في الوقت الفعلي ، والتحكم تلقائيًا في عملية الشحن للوحة الكهروضوئية للبطارية وفقًا لحالة الشحن للبطارية وظروف عمل نظام توليد الطاقة لمنع البطارية من الشحن المفرط في الشحن. عندما يتم شحن البطارية بالكامل ، ستقطع وحدة التحكم تلقائيًا دائرة الشحن لتجنب تلف البطارية الناتجة عن الشحن المفرط ؛ وعندما تكون طاقة البطارية منخفضة للغاية ، ستتحكم وحدة التحكم في التوقف عن التفريغ لحماية عمر خدمة البطارية.

والثاني هو الحد الأقصى لوظيفة التحكم في تتبع نقطة الطاقة. يمكن لوحدة التحكم ضبط الحالة العاملة للوحة الكهروضوئية في الوقت الفعلي من خلال العمل بالاقتران مع العاكس ، بحيث يتم تشغيلها دائمًا بالقرب من الحد الأقصى لنقطة الطاقة ، وبالتالي تحسين كفاءة توليد الطاقة للوحة الكهروضوئية.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن وحدة التحكم لديها أيضًا وظائف تشخيص وحماية صدع النظام. يمكنه مراقبة كل مكون في نظام توليد الطاقة في الوقت الفعلي. بمجرد اكتشاف خطأ ، مثل الدائرة القصيرة في اللوحة الكهروضوئية ، ارتفاع درجة حرارة العاكس ، وتسرب البطارية ، وما إلى ذلك ، فإن وحدة التحكم ستتخذ على الفور تدابير الحماية المقابلة ، مثل قطع دائرة الصدع وإصدار إشارة إنذار ، لضمان التشغيل الآمن لنظام توليد الطاقة بأكمله وتسهيل موظفي الصيانة لإصلاحها وإصلاح أخطاء الإصلاح في الوقت المناسب.

تختلف وحدات التحكم المستخدمة في أنظمة توليد الطاقة الشمسية بأنواع وأحجام مختلفة أيضًا. في أنظمة توليد الطاقة الشمسية الصغيرة ، عادة ما يتم استخدام وحدة تحكم متكاملة بسيطة نسبيًا. إنه يدمج الوظائف الأساسية مثل التحكم في الشحن والتفريغ والحد الأقصى للتحكم في تتبع نقاط الطاقة. إنه صغير الحجم ومنخفض التكلفة ، وهو مناسب لسيناريوهات التطبيق الصغيرة مثل أنظمة الكهروضوئية على السطح المنزلي. في محطات الطاقة الشمسية الكبيرة ، يلزم وجود وحدة تحكم مركزية أكثر قوة وذكية. يمكنه مراقبة وإدارة العديد من الألواح الكهروضوئية والمزولات وحزم البطاريات والمعدات الأخرى في محطة الطاقة بأكملها لتحقيق تحكم أكثر كفاءة ودقة في النظام.

يتكون نظام توليد الطاقة الشمسية الكامل من مكونات متعددة مثل الألواح الكهروضوئية والمزولات وأنظمة قوسين وحزم البطارية وأجهزة التحكم التي تعمل معًا. يلعب كل مكون دورًا لا غنى عنه. إنها تعمل معًا لتحويل الطاقة الشمسية إلى الكهرباء التي يمكننا استخدامها ، والمساهمة في تحقيق تنمية الطاقة المستدامة. مع التقدم المستمر للتكنولوجيا والحد التدريجي للتكاليف ، ستكون آفاق تطبيق أنظمة توليد الطاقة الشمسية أوسع ومن المتوقع أن تشغل موقفًا أكثر أهمية في مجال الطاقة المستقبلي.