نظام الطاقة الكهروضوئية

تُقسّم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية عمومًا إلى أنظمة مستقلة، وأنظمة متصلة بالشبكة، وأنظمة هجينة. ووفقًا لشكل التطبيق، ونطاق التطبيق، ونوع الحمل، يُمكن تقسيم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية إلى ستة أنواع.

مقدمة عن النظام

وفقًا لنموذج الطلب، وحجم الطلب، ونوع حمل نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، يُقسّم نظام إمداد الطاقة الكهروضوئية إلى فئات أكثر تفصيلًا. كما يُمكن تقسيم أنظمة الطاقة الكهروضوئية إلى ستة أنواع فرعية: نظام إمداد الطاقة الشمسية الصغيرة (تيار مستمر صغير)؛ نظام تيار مستمر بسيط (تيار مستمر بسيط)؛ نظام إمداد الطاقة الشمسية الكبيرة (تيار مستمر كبير)؛ نظام إمداد الطاقة بالتيار المتردد والتيار المستمر (تيار متردد/مستمر)؛ نظام متصل بالشبكة (ربط شبكة المرافق)؛ نظام إمداد الطاقة الهجين (هجين)؛ نظام هجين متصل بالشبكة. يرد أدناه وصف لمبدأ عمل كل نظام وخصائصه.

نظام إمداد الطاقة

يتميز نظام إمداد الطاقة الشمسية الصغير بأنه يعتمد على حمل تيار مستمر فقط، وطاقة حمل صغيرة نسبيًا، ويتميز بهيكل بسيط وسهل التشغيل. تُستخدم بشكل رئيسي في الأنظمة المنزلية العامة، ومنتجات التيار المستمر المدنية المتنوعة، ومعدات الترفيه ذات الصلة. على سبيل المثال، في المنطقة الغربية من بلدي، يُستخدم هذا النوع من الأنظمة الكهروضوئية على نطاق واسع، وحمله هو مصابيح التيار المستمر، التي تُستخدم لحل مشكلة الإضاءة المنزلية في المناطق التي لا تتوفر فيها الكهرباء.

نظام التيار المستمر

يتميز هذا النظام بأن حمله يعمل بالتيار المستمر، ولا يتطلب مدة استخدام محددة. يُستخدم هذا الحمل بشكل رئيسي خلال النهار، لذا لا حاجة لبطارية أو وحدة تحكم. يتميز النظام بهيكل بسيط، ويمكن استخدامه مباشرةً. تُزود الوحدة الكهروضوئية الحمل بالطاقة، مما يُغني عن تخزين الطاقة وإطلاقها في البطارية، ويقلّل من فقدان الطاقة في وحدة التحكم، ويحسّن كفاءة استخدام الطاقة. يُستخدم هذا النظام بشكل شائع في أنظمة مضخات المياه الكهروضوئية، وبعض معدات الطاقة المؤقتة خلال النهار، وبعض المرافق السياحية. يوضح الشكل 1 نظام مضخات كهروضوئية بسيط يعمل بالتيار المستمر. وقد استُخدم هذا النظام على نطاق واسع في الدول النامية التي لا تتوفر فيها مياه شرب نقية، وقد حقق فوائد اجتماعية جيدة.

نظام الطاقة الشمسية واسع النطاق

بالمقارنة مع نظامي الطاقة الكهروضوئية المذكورين أعلاه، لا يزال نظام الطاقة الكهروضوئية الذي يعمل بالطاقة الشمسية واسع النطاق مناسبًا لنظام طاقة التيار المستمر، ولكن هذا النوع من نظام الطاقة الكهروضوئية الشمسية عادةً ما يكون لديه طاقة حمل كبيرة. من أجل ضمان إمداد طاقة مستقر للحمل، فإن حجم النظام كبير أيضًا، ويجب أن يكون مجهزًا بمجموعة أكبر من الوحدات الكهروضوئية وحزمة بطارية أكبر. تشمل أشكال التطبيق الشائعة الخاصة به الاتصالات والقياس عن بعد وإمدادات طاقة معدات المراقبة وإمدادات الطاقة المركزية في المناطق الريفية ومنارات المنارات وأعمدة الإنارة وما إلى ذلك. يُستخدم هذا النموذج في بعض محطات الطاقة الكهروضوئية الريفية التي تم بناؤها في بعض المناطق التي لا تحتوي على كهرباء في غرب بلدي، كما تستخدم محطات الاتصالات الأساسية التي بنتها China Mobile وChina Unicom في المناطق النائية التي لا تحتوي على شبكات كهرباء هذا النظام الكهروضوئي لتزويد الطاقة. مثل مشروع محطة الاتصالات الأساسية في Wanjiazhai، Shanxi.

نظام إمداد الطاقة بالتيار المتردد والتيار المستمر

يختلف هذا النظام الكهروضوئي عن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الثلاثة المذكورة أعلاه، إذ يوفر الطاقة لأحمال التيار المستمر والمتردد في آنٍ واحد، ويحتوي على عدد أكبر من العاكسات مقارنةً بالأنظمة الثلاثة المذكورة من حيث هيكل النظام، والتي تُستخدم لتحويل الطاقة المستمرة إلى طاقة مترددة لتلبية متطلبات أحمال التيار المتردد. عادةً ما يكون استهلاك طاقة الحمل في هذا النظام كبيرًا نسبيًا، وبالتالي يكون حجمه كبيرًا نسبيًا. يُستخدم هذا النظام في بعض محطات الاتصالات الأساسية ذات أحمال التيار المتردد والمستمر، وفي محطات الطاقة الكهروضوئية الأخرى ذات أحمال التيار المتردد والمستمر.

نظام متصل بالشبكة

الميزة الأبرز لهذا النظام الشمسي الكهروضوئي هي تحويل التيار المستمر الناتج عن مصفوفة الألواح الكهروضوئية إلى تيار متردد يلبي متطلبات الشبكة الرئيسية عبر عاكس كهربائي متصل بالشبكة، ثم يُوصل مباشرةً بالشبكة الرئيسية. خارج الحمل، تُعاد الطاقة الزائدة إلى الشبكة. في الأيام الممطرة أو ليلاً، عندما لا تُنتج مصفوفة الألواح الكهروضوئية الكهرباء أو لا تُلبي الكهرباء المُولدة احتياجات الحمل، تُغذى من الشبكة. ولأن الطاقة الكهربائية تُدخل مباشرةً إلى الشبكة، يُلغى إعداد البطارية، ويُحفظ تخزينها وتفريغها. مع ذلك، يلزم وجود عاكس كهربائي مُخصص متصل بالشبكة في النظام لضمان تلبية طاقة الخرج لمتطلبات طاقة الشبكة من حيث الجهد والتردد وغيرها من المؤشرات. بسبب مشكلة كفاءة العاكس، سيظل هناك بعض الفقد في الطاقة. غالبًا ما تتمكن هذه الأنظمة من استخدام طاقة المرافق ومجموعة من وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية بالتوازي كمصادر طاقة لأحمال التيار المتردد المحلية. يُقلل هذا من معدل نقص طاقة الحمل للنظام بأكمله. علاوة على ذلك، يُمكن لنظام الطاقة الكهروضوئية المتصل بالشبكة أن يلعب دورًا في تنظيم ذروة استهلاك الطاقة في شبكة الكهرباء العامة. ووفقًا لخصائص هذا النظام، نجحت شركة Soying Electric قبل عدة سنوات في تطوير عاكس شمسي متصل بالشبكة، وهو مصمم خصيصًا لإعادة تدوير الطاقة الكهربائية مع تحقيق مكاسب وخسائر متفاوتة. وقد أُحرز تقدم كبير في هذا النظام، وتم التغلب على العديد من الصعوبات التقنية.

نظام الإمداد المختلط

بالإضافة إلى مجموعة وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية المستخدمة في هذا النظام، يُستخدم مولد زيت أيضًا كمصدر طاقة احتياطي. يهدف استخدام نظام إمداد طاقة هجين إلى الاستفادة الشاملة من مزايا تقنيات توليد الطاقة المختلفة وتجنب عيوبها. على سبيل المثال، تتميز أنظمة الطاقة الكهروضوئية المستقلة المذكورة أعلاه بقلة الصيانة، بينما يعيبها اعتماد إنتاج الطاقة على عوامل الطقس وعدم استقراره.

يمكن لنظام إمداد الطاقة الهجين الذي يستخدم مزيجًا من مولدات الديزل والمصفوفات الكهروضوئية أن يوفر طاقة مستقلة عن الطقس مقارنة بنظام مستقل يعمل بطاقة واحدة.

نظام إمداد مختلط متصل بالشبكة

مع تطور صناعة الإلكترونيات الضوئية الشمسية، ظهر نظام إمداد طاقة هجين متصل بالشبكة، قادر على الاستفادة بشكل شامل من مصفوفات وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وطاقة المرافق، ومولدات الزيت الاحتياطية. يدمج هذا النوع من الأنظمة عادةً وحدة التحكم والعاكس، باستخدام شريحة حاسوبية للتحكم الكامل في تشغيل النظام بأكمله، مع استخدام مصادر طاقة متنوعة بشكل شامل لتحقيق أفضل حالة تشغيل، ويمكنه أيضًا استخدام البطاريات لتحسين معدل ضمان إمداد طاقة الحمل، مثل نظام العاكس SMD من AES. يوفر النظام طاقة مناسبة للأحمال المحلية، ويمكنه العمل كوحدة تزويد طاقة غير منقطعة (UPS) متصلة بالإنترنت. يمكن أيضًا إمداد الطاقة إلى الشبكة أو الحصول عليها منها. يعمل النظام عادةً بالتوازي مع الطاقة التجارية والطاقة الشمسية. بالنسبة للحمل المحلي، إذا كانت الطاقة المولدة من الوحدات الكهروضوئية كافية للاستخدام، فسيتم استخدام الطاقة المولدة من الوحدات الكهروضوئية مباشرةً لتلبية احتياجات الحمل. إذا تجاوزت الطاقة المولدة من الوحدات الكهروضوئية طلب الحمل الفوري، يمكن أيضًا إعادة الطاقة الزائدة إلى الشبكة؛ إذا كانت الطاقة المولدة من الوحدات الكهروضوئية غير كافية، فسيتم تمكين طاقة المرافق تلقائيًا، وسيتم استخدام طاقة المرافق لتوفير طلب الحمل المحلي. عندما يكون استهلاك الطاقة للحمل أقل من 60٪ من سعة التيار الكهربائي المقدرة لعاكس SMD، فإن التيار الكهربائي سيشحن البطارية تلقائيًا لضمان بقاء البطارية في حالة عائمة لفترة طويلة؛ في حالة فشل التيار الكهربائي، أي فشل التيار الكهربائي الرئيسي أو التيار الكهربائي الرئيسي. إذا لم تكن الجودة مطابقة للمعايير، فسيفصل النظام تلقائيًا طاقة التيار الكهربائي ويتحول إلى وضع العمل المستقل، وسيتم توفير طاقة التيار المتردد المطلوبة للحمل من البطارية والعاكس. بمجرد عودة التيار الكهربائي إلى الوضع الطبيعي، أي عودة الجهد والتردد إلى الحالة الطبيعية المذكورة أعلاه، سيقوم النظام بفصل البطارية، والتغيير إلى وضع الاتصال بالشبكة، وتوفير الطاقة من التيار الكهربائي. في بعض أنظمة إمداد الطاقة الهجينة المتصلة بالشبكة، يُمكن أيضًا دمج وظائف مراقبة النظام والتحكم فيه وجمع البيانات في شريحة التحكم. المكونان الأساسيان لهذا النظام هما وحدة التحكم والعاكس.

نظام الطاقة الكهروضوئية خارج الشبكة

يُعد نظام توليد الطاقة الكهروضوئية المستقل عن الشبكة نوعًا جديدًا من مصادر الطاقة، يُولّد الكهرباء من وحدات كهروضوئية، ويُدير شحن وتفريغ البطارية من خلال وحدة التحكم، ويُوفّر الطاقة الكهربائية لحمل التيار المستمر أو لحمل التيار المتردد من خلال العاكس. يُستخدم هذا النظام على نطاق واسع في الهضاب والجزر والمناطق الجبلية النائية والعمليات الميدانية ذات البيئات القاسية. كما يُمكن استخدامه كمصدر طاقة لمحطات الاتصالات الأساسية، وصناديق الإضاءة الإعلانية، وأعمدة إنارة الشوارع، وغيرها. يعتمد نظام توليد الطاقة الكهروضوئية على طاقة طبيعية لا تنضب، مما يُخفف بفعالية من تضارب الطلب في المناطق التي تعاني من نقص الطاقة، ويُحلّ مشاكل الحياة والاتصالات في المناطق النائية. يُحسّن النظام البيئة العالمية ويُعزز التنمية البشرية المستدامة.

وظائف النظام

الألواح الكهروضوئية هي مكونات لتوليد الطاقة. يضبط جهاز التحكم الكهروضوئي الطاقة الكهربائية المولدة ويتحكم فيها. من ناحية، تُرسل الطاقة المعدلة إلى حمل التيار المستمر أو حمل التيار المتردد، ومن ناحية أخرى، تُرسل الطاقة الزائدة إلى حزمة البطارية للتخزين. عندما لا تلبي الكهرباء المولدة احتياجات الحمل، يرسل جهاز التحكم طاقة البطارية إلى الحمل. بعد شحن البطارية بالكامل، يجب أن يتحكم جهاز التحكم في البطارية حتى لا يتم شحنها بشكل زائد. عند تفريغ الطاقة الكهربائية المخزنة في البطارية، يجب أن يتحكم جهاز التحكم في البطارية حتى لا يتم تفريغها بشكل زائد لحمايتها. عندما يكون أداء جهاز التحكم غير جيد، سيؤثر ذلك بشكل كبير على عمر خدمة البطارية ويؤثر في النهاية على موثوقية النظام. مهمة البطارية هي تخزين الطاقة بحيث يمكن تشغيل الحمل ليلاً أو في الأيام الممطرة. العاكس مسؤول عن تحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة تيار متردد لاستخدامها بواسطة أحمال التيار المتردد.