فهرس
مقدمة
تقوم الألواح الكهروضوئية بتحويل طاقة الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية ولكن الكهرباء تنتج على شكل تيار مستمر. ولذلك يجب تحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب لنتمكن من استخدامه في تغذية التجهيزات الكهربائية أو عند الربط مع الشبكة الكهربائية. ولهذا الغرض نستخدم العواكس Inverters.
إن العاكس Inverter في الأنظمة الكهروضوئية هو ثاني أهم مكون ويعد القلب النابض للنظام فهو يحول التيار المستمر من الألواح الكهروضوئية إلى تيار متناوب متوافق مع الشبكة ويغذي الشبكة العامة. كما تقوم العواكس في الوقت نفسه بالتحكم والمراقبة للنظام الشمسي. وبهذه الطريقة فإن العواكس تضمن من ناحية أن الألواح الكهروضوئية تعمل دائمًا بالقدرة القصوى بظروف الإشعاع الشمسي والحرارة الواقعية، ومن ناحية أخرى فهي تراقب شبكة الكهرباء باستمرار وهي مسؤولة عن الالتزام بمعايير السلامة المختلفة.
يوجد عدة أنواع من العواكس المستخدمة في الأنظمة الكهروضوئية PV Solar Inverters وجميعها تعمل وفق نفس المبدأ ولكن الاختلاف يكمن في عوامل القدرة، التصميم في القسم المستمر من النظام الشمسي DC Design، وطوبولوجيا الدارة الكهربائية. و تقسم عواكس الأنظمة الشمسية بشكل عام إلى الأنواع التالية:
- العواكس المركزية – Central Inverters
- العواكس الموصولة مع سلسلة الألواح – String Inverters
- العواكس الميكروية – Microinverters
العواكس المركزية – Central Inverter
ينتشر استخدام هذا النوع من العواكس في محطات الطاقة الشمسية الكبيرة حيث يتم وصل أكثر من سلسلة ألواح إلى عاكس مركزي واحد عن طريق علب تجميع للوصلات Combiner Boxes التي تصلها الكابلات من أكثر من سلسلة ومنها إلى العاكس المركزي. وتتميز العواكس المركزية بكون استطاعتها أكبر من استطاعة العواكس التي توصل مع سلسلة الألواح String Inverter مما يوفر عدد العواكس المستخدمة ويمكن أن تتجاوز قدرة العاكس المركزي الواحد 4 ميجاواط.
من مساوئ هذه العواكس هو صعوبة صيانتها بالمقارنة مع العواكس الموصولة مع سلسلة الألواح String Inverters، بالإضافة إلى أن حدوث عطل في أحد العواكس المركزية المستخدمة بالمحطة الشمسية يؤدي إلى خروج أكثر من سلسلة من الألواح عن العمل لفترة طويلة بسبب عدم وجود عواكس مركزية إحتياطية في معظم المحطات. من المساوئ الأخرى هو عدم القدرة على مراقبة النظام الشمسي سوى على مستوى العاكس المركزي أي أن البحث عن المشاكل في النظام قد يستغرق وقتا مطولا ما لم تدعم علب التجميع المراقبة على مستوى السلسلة String.
العواكس الموصولة مع سلسلة الألواح – String Inverter
نعلم أن النظام الكهروضوئي يتألف من مجموعة من الألواح الموصولة مع بعضها في سلاسل Strings. ويتم وصل كل سلسلة ألواح String مع عاكس من نوع String Inverter والتي تقوم بدورها بتحويل الكهرباء إلى التيار المتناوب لتغذية الأجهزة أو الشبكة الكهربائية.
تتميز هذه العواكس بانخفاض سعرها بالمقارنة مع باقي أنواع العواكس كما أن تكاليف صيانتها منخفضة لكونها مركبة في مكان من السهل الوصول إليه. وتقنياً تسهل هذه العواكس مراقبة النظام الشمسي على مستوى السلسلة String مما يعطي تحكما أكبر مقارنة بالعواكس المركزية.
يعد من أهم مساوئ هذه العواكس هو أنه في حال تدهور إنتاجية لوح واحد من السلسلة فإن إنتاج السلسلة بأكملها يحدد بإنتاج اللوح المتضرر. و يرجح حدوث هذه الحالة في حال تظليل أحد ألواح السلسلة أو في حال تباين درجة و اتجاه ميلان الألواح في السلسلة الواحدة. و لذلك ينصح بإزالة سبب التظليل بشكل جذري و فصل السلاسل Strings بحيث لا يتم خلط ألواح مركبة بزوايا و اتجاهات تركيب مختلفة. أما في حال عدم التمكن من ذلك فيمكن ترقية النظام الشمسي باستخدام محسنات الطاقة.
العاكس الموصول مع سلسلة الألواح مع محسن الطاقة String Inverter with Power Optimizer
إن محسن الطاقة هو عبارة عن جهاز يركب على اللوح مباشرة، أو يكون مركبا على اللوح من قبل المصنع، ويقوم بتعديل قيمة الجهد الخارج من اللوح الموصول معه للمحافظة على قيمة ثابتة ورفع كفاءة الألواح ومن ثم نقل الجهد المستمر إلى العاكس الموصول مع سلسلة الألواح ليتم تحويله إلى جهد متناوب. إن محسنات الطاقة تساعد على التخفيف من أثر التظليل أو تباين الإنتاج بين ألواح السلسلة الواحدة.
إن النظام الكهروضوئي الذي يعتمد على محسنات الطاقة مع عواكس سلسلة الألواح ذو كفاءة تحويل طاقة أعلى بالمقارنة مع الأنظمة التي تعتمد على العواكس وحدها. رغم أن استخدام محسنات الطاقة أرخص من استخدام العواكس الميكروية، ولكن من الواضح أنها تزيد من تكلفة النظام الشمسي.
العاكس الهجين مع شحن البطاريات – Hybrid Inverter
يتم استخدام هذا النوع من العواكس الهجينة في الأنظمة الكهروضوئية المنفصلة عن الشبكة Off Grid PV System أو في الأنظمة الهجينة التي تحتوي على بطاريات حيث تحتوي على عدة مداخل ومخارج بالمقارنة مع العواكس العادية. ويقوم هذا النوع من العواكس بتغذية البطاريات وشحنها عند الحاجة بالتيار المستمر كما يقوم باستجرار الطاقة من البطاريات عند غياب الإشعاع الشمسي وتحويل الجهد المستمر إلى جهد متناوب لاستخدامه في التغذية.
العواكس الميكروية – Microinverter
تشبه هذه العواكس بالشكل محسن الطاقة الذي ذكرناه سابقاً وهي صغيرة الحجم ويتم وصلها مع اللوح الشمسي بشكل مباشر ولكنها تختلف عن محسن الطاقة بأنها تقوم بتحويل الجهد المستمر إلى جهد متناوب. تفيد هذه العواكس الميكروية بحماية سلسلة الألواح بشكل كامل من أن تؤثر الألواح على بعضها البعض في حال وجود تظليل أو عطل في أحد الألواح كما يمكننا مراقبة أداء كل لوح من الألواح بشكل منفصل.
بالرغم من أن العواكس الميكروية تغنينا عن العواكس الأخرى، لكنها تعد مكلفة نسبياً حيث نحتاج إلى عدد من العواكس الميكروية مساويا لعدد الألواح المستخدمة كما تشكل صيانتها صعوبات في بعض التصاميم على الأسطح كونها عادة ما تكون موجودة خلف اللوح بشكل مباشر.
اختيار العاكس المناسب
يمكن تلخيص أسس اختيار العاكس المناسب للمشروع بثلاثة أفكار رئيسية: حجم المشروع، التكاليف، موقع المشروع والظروف المحيطة به.
حجم المشروع
ونعني فيها قيمة الاستطاعة التي ستنتجها الألواح بشكل إجمالي، فمثلاً يكون استخدام العواكس الموصولة مع سلسلة الألواح String inverter هو الحل المناسب في المشاريع ذات الأحمال الصغيرة (مبنى مكاتب – منزل – وغيرها) حيث لا نحتاج إلى عاكس باستطاعة كبيرة. كما يمكن استخدام هذا النوع من العواكس مع تجهيزات محسن الطاقة Power Optimizers أو استخدام العواكس الميكروية Microinverters ولكن يترتب على ذلك تكاليف إضافية.
أما في المشاريع الكبرى على مستوى المرافق الخدمية Utility-Scale يعد استخدام العواكس المركزية أكثر شيوعا. لكن لا تعد هذه القاعدة العامة، حيث بدأت العواكس الموصولة مع سلسلة الألواح String Inverters بإزاحة العواكس المركزية من المحطات الشمسية حتى 20 ميجاواط تقريبا مدفوعة بانخفاض سعرها التدريجي و ميزاتها العملية مقارنة مع العواكس المركزية.
التكاليف
مهما كان نوع المشروع المراد تنفيذه فإن التكاليف تشكل عاملاً أساسياً في اختيار العناصر المستخدمة. إن استخدام العواكس الموصولة مع سلاسل الألواح المزودة بمحسن الطاقة يرفع من تكاليف المشروع بشكل لا يتم تعويضه بفرق الإنتاج المتوقع. كما أن هنالك العديد ال المستثمرين الذين يركزون على سعر النظام CAPEX بغض النظر عن الإنتاج مما يدفعهم لتفادي محسنات الطاقة أو العواكس الميكروية.
كما أن المشاريع الكبيرة التي يتم طرحها عبر المناقصات العامة تضع المطورين أمام ضغط مهول لتخفيض السعر قدر الإمكان من أجل الحصول على المشروع. إن هذا الضغط يدفع بالمطورين لإختيار العواكس المركزية للمشاريع الكبيرة لتخفيض التكلفة.
موقع المشروع والظروف المحيطة به
عند استخدام العاكس الموصول مع سلسلة الألواح String Inverters وفي حال تعرض أحد هذه الألواح في السلسلة إلى ظل أو عطل ما فإن العاكس سيستجر طاقة بقيمة الطاقة المنخفضة المنتجة من هذا اللوح وبالتالي ينخفض مردود السلسلة ككل، لذلك يعتبر مكان تواجد مصفوفة الألواح والظروف المحيطة بها عاملاً مهماً في اختيار العواكس. فإذا كان يتوقع أن تتعرض جميع الألواح الشمسية للإشعاع الشمسي بشكل كاف ومتساوٍ، يمكن استخدام العواكس الموصولة مع سلسلة الألواح String Inverters. أما في حال كان قسم من الألواح يتعرض للتظليل بشكل دوري وعدم القدرة على إزالة المسبب للظل فيعد استخدام العواكس مع محسن الطاقة أو العواكس الميكروية حلاً عملياً لهذه المشكلة حيث تقوم هذه التجهيزات بنقل الطاقة القصوى التي ينتجها اللوح الموصولة معه بالإضافة إلى إمكانية مراقبة إنتاج الألواح كل على حدى.
الشركات الرائدة في عالم العواكس Inverters
تعج الأسواق بمنتجات شركات عالمية عدة في مجال العواكس وتسعى هذه الشركات باستمرار لتطوير انتاجها وزيادة استطاعة العواكس مما يساهم في تخفيض تكلفة مشاريع الطاقة الشمسية ويبين الشكل التالي الحصة السوقية للشركات المصنعة بناء على مجموع قدرة AC العواكس التي قامت بشحنها من مصانعها خلال عام 2018 ونلاحظ أن شركة هواوي تملك الحصة الأكبر من السوق.
يجدر الذكر بأن شركة ABB كانت قد خرجت من هذا السوق سابقا هذا العام.
خلاصة
تشكل العواكس جزءاً رئيسياً من الأنظمة الكهروضوئية فهي العنصر الذي يقوم بتحويل الطاقة التي تنتجها الألواح إلى طاقة يمكن استخدامها في تغذية التجهيزات الكهربائية المختلفة.
تعمل الشركات اليوم على تطوير هذه العواكس وزيادة استطاعاتها فيوجد اليوم عواكس تتراوح استطاعتها من أقل من كيلوواط واحد العواكس الميكروية إلى 4.6 ميجاواط للعواكس المركزية كما يتم التواصل بين الشركات التي تصنع العواكس مع الشركات المصنعة للألواح لإنتاج ألواح كهروضوئية مزودة بعواكس ميكروية مدمجة مما يوفر في اليد العاملة ويخفض تكاليف التركيب فلا نحتاج إلى تركيب الألواح وتركيب العواكس بشكل منفصل.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المراجع
- Energy Sage.
- PV – magazine.
- Solar Power World Online.
- SMA
- Sungrow
- Enecsys Limited
