مبدأ عمل وخصائص العاكس الكهروضوئي

مبدأ عمل العاكس:

جوهر جهاز العاكس هو دائرة مفتاح العاكس، والتي تُعرف اختصارًا بدائرة العاكس. تُكمل هذه الدائرة وظيفة العاكس بتشغيل وإيقاف مفتاح الطاقة الإلكتروني.

سمات:

(1) مطلوب كفاءة عالية.

نظرًا لارتفاع سعر الخلايا الشمسية في الوقت الحاضر، ومن أجل تحقيق أقصى استفادة من الخلايا الشمسية وتحسين كفاءة النظام، يجب أن نحاول تحسين كفاءة العاكس.

(2) مطلوب درجة عالية من الموثوقية.

في الوقت الحاضر، يتم استخدام نظام محطة الطاقة الكهروضوئية بشكل أساسي في المناطق النائية، والعديد من محطات الطاقة غير مراقبة أو صيانة، مما يتطلب من العاكس أن يكون له هيكل دائرة معقول، واختيار مكونات صارم، ويتطلب من العاكس أن يكون لديه وظائف حماية مختلفة، مثل: حماية عكس قطبية التيار المستمر المدخلة، وحماية ماس كهربائى لمخرج التيار المتردد، والسخونة الزائدة، وحماية الحمل الزائد، إلخ.

(3) يجب أن يكون لجهد الإدخال نطاق أوسع من التكيف.

لأن الجهد الطرفي للخلية الشمسية يتغير باختلاف الحمل وشدّة ضوء الشمس. خاصةً مع تقادم البطارية، يتغير جهدها الطرفي بشكل كبير. على سبيل المثال، بالنسبة لبطارية 12 فولت، قد يتراوح جهدها الطرفي بين 10 و16 فولت، مما يتطلب من العاكس العمل بشكل طبيعي ضمن نطاق جهد دخل تيار مستمر كبير.

تصنيف العاكس الكهروضوئي:

هناك طرق عديدة لتصنيف العاكسات. على سبيل المثال، وفقًا لعدد أطوار جهد التيار المتردد الخارج من العاكس، يمكن تقسيمه إلى عاكسات أحادية الطور وثلاثية الطور؛ كما يُقسم إلى عاكسات ترانزستورية، عاكسات ثايرستورية، عاكسات ثايرستورية قابلة للفصل. ووفقًا لمبدأ دائرة العاكس، يمكن أيضًا تقسيمه إلى عاكس تذبذب ذاتي الإثارة، عاكس تراكب الموجة المتدرجة، عاكس تعديل عرض النبضة. ووفقًا لتطبيقه في الأنظمة المتصلة بالشبكة أو غير المتصلة بها، يمكن تقسيمه إلى عاكس متصل بالشبكة وعاكس غير متصل بها. ولتسهيل اختيار مستخدمي الإلكترونيات الضوئية، تم هنا تصنيف العاكسات فقط وفقًا للمناسبات المختلفة.

1. العاكس المركزي

تعتمد تقنية العاكس المركزي على توصيل عدة سلاسل كهروضوئية متوازية بمدخل التيار المستمر للعاكس المركزي نفسه. تُستخدم عادةً وحدات طاقة IGBT ثلاثية الطور للطاقة العالية، بينما تُستخدم ترانزستورات تأثير المجال للطاقة المنخفضة. يُحوّل مُعالج الإشارة الرقمية (DSP) وحدة التحكم لتحسين جودة الطاقة المُولّدة، مما يجعلها قريبة جدًا من تيار الموجة الجيبية، والذي يُستخدم عادةً في أنظمة محطات الطاقة الكهروضوئية الكبيرة (>10 كيلوواط). تكمن الميزة الرئيسية في ارتفاع طاقة النظام وانخفاض تكلفته، ولكن نظرًا لعدم تطابق جهد وتيار الخرج لسلاسل الطاقة الكهروضوئية المختلفة تمامًا (خاصةً عندما تكون سلاسل الطاقة الكهروضوئية مسدودة جزئيًا بسبب الغيوم أو الظل أو البقع، إلخ)، يتم اعتماد العاكس المركزي. سيؤدي تغيير الطريقة إلى تقليل كفاءة عملية العاكس وتقليل طاقة مستخدمي الكهرباء. في الوقت نفسه، تتأثر موثوقية توليد الطاقة في النظام الكهروضوئي بأكمله بسوء حالة تشغيل مجموعة الوحدات الكهروضوئية. يتمثل أحدث توجه بحثي في ​​استخدام التحكم بتعديل متجه الفضاء وتطوير توصيلات طوبولوجية جديدة للمحولات لتحقيق كفاءة عالية في ظل ظروف الحمل الجزئي.

2. عاكس السلسلة

يعتمد محول الطاقة الكهروضوئي التسلسلي على مفهوم الوحدات النمطية. تمر كل سلسلة من الخلايا الشمسية (1-5 كيلو وات) عبر محول، ويتتبع ذروة الطاقة القصوى في جانب التيار المستمر، ويتصل بالتوازي في جانب التيار المتردد. وهو أكثر محولات الطاقة شيوعًا في السوق.

تستخدم العديد من محطات الطاقة الكهروضوئية الكبيرة محولات تسلسلية. وتكمن ميزة هذه المحولات في عدم تأثرها باختلافات الوحدات والتظليل بين السلاسل، وفي الوقت نفسه، تُقلل من عدم التوافق بين نقطة التشغيل المثلى للوحدات الكهروضوئية والعاكس، مما يزيد من توليد الطاقة. ولا تقتصر هذه المزايا التقنية على خفض تكلفة النظام فحسب، بل تزيد أيضًا من موثوقيته. وفي الوقت نفسه، يُطبّق مفهوم "السيد والتابع" بين السلاسل، بحيث يمكن للنظام ربط عدة مجموعات من السلاسل الكهروضوئية معًا وتشغيل واحدة أو أكثر منها، شريطة ألا تتمكن سلسلة طاقة واحدة من تشغيل عاكس واحد، مما يُنتج المزيد من الكهرباء.

المفهوم الأحدث هو أن عدة محولات تُشكّل "فريقًا" بدلًا من مفهوم "الرئيس والتابع"، مما يُحسّن موثوقية النظام. حاليًا، تُهيمن محولات السلسلة الخالية من المحولات على السوق.

3. العاكس الصغير

في نظام الطاقة الكهروضوئية التقليدي، يتم توصيل طرف دخل التيار المستمر لكل عاكس سلسلة على التوالي بحوالي 10 ألواح كهروضوئية. عند توصيل 10 ألواح على التوالي، إذا لم يعمل أحدها بشكل جيد، سيتأثر هذا التسلسل. عند استخدام نفس MPPT لعدة مدخلات للعاكس، ستتأثر جميع المدخلات أيضًا، مما يقلل بشكل كبير من كفاءة توليد الطاقة. في التطبيقات العملية، تُسبب عوامل الانسداد المختلفة، مثل السحب والأشجار والمداخن والحيوانات والغبار والجليد والثلج، العوامل المذكورة أعلاه، وهو أمر شائع جدًا. في نظام الطاقة الكهروضوئية للعاكس الصغير، يتم توصيل كل لوحة بعاكس صغير. عندما يتعطل أحد الألواح، يتأثر هذا اللوح فقط. تعمل جميع الألواح الكهروضوئية الأخرى بشكل مثالي، مما يزيد من كفاءة النظام ككل ويولد المزيد من الطاقة. في التطبيقات العملية، في حالة تعطل العاكس السلسلة، سيؤدي ذلك إلى توقف عدة كيلووات من الألواح الشمسية عن العمل، بينما يكون تأثير تعطل العاكس الصغير ضئيلًا جدًا.

4. مُحسِّن الطاقة

يُحسّن تركيب مُحسِّن الطاقة في نظام توليد الطاقة الشمسية كفاءة التحويل بشكل كبير، ويُبسّط وظائف العاكس، مما يُخفّض التكاليف. لتحقيق نظام توليد طاقة شمسية ذكي، يُمكن لمُحسِّن الطاقة أن يُحسّن أداء كل خلية شمسية، ويُراقب استهلاك البطارية في أي وقت. يُمثّل مُحسِّن الطاقة جهازًا بين نظام توليد الطاقة والعاكس، وتتمثل مهمته الرئيسية في استبدال وظيفة تتبع نقطة الطاقة المُثلى الأصلية للعاكس. يُجري مُحسِّن الطاقة مسحًا سريعًا للغاية لتتبع نقطة الطاقة المُثلى، وذلك عن طريق تبسيط الدائرة، وتُطابق خلية شمسية واحدة مُحسِّن الطاقة، بحيث تُحقق كل خلية شمسية تتبعًا مثاليًا لنقطة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن مراقبة حالة البطارية في أي وقت وفي أي مكان عن طريق إدخال شريحة اتصال، ويمكن الإبلاغ عن المشكلة فورًا ليتمكن الموظفون المعنيون من إصلاحها في أسرع وقت ممكن.

وظيفة العاكس الكهروضوئي

لا يقتصر عمل العاكس على تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد فحسب، بل يُحسّن أيضًا أداء الخلية الشمسية ويحمي النظام من الأعطال. باختصار، يتضمن وظائف التشغيل والإيقاف التلقائي، ووظيفة التحكم في تتبع الطاقة القصوى، ووظيفة التشغيل غير المستقل (للأنظمة المتصلة بالشبكة)، ووظيفة ضبط الجهد التلقائي (للأنظمة المتصلة بالشبكة)، ووظيفة كشف التيار المستمر (للأنظمة المتصلة بالشبكة)، ووظيفة كشف تأريض التيار المستمر (للأنظمة المتصلة بالشبكة). فيما يلي مقدمة موجزة عن وظائف التشغيل والإيقاف التلقائي ووظيفة التحكم في تتبع الطاقة القصوى.

(1) التشغيل التلقائي ووظيفة الإيقاف

بعد شروق الشمس، تزداد شدة الإشعاع الشمسي تدريجيًا، ويزداد أيضًا خرج الخلية الشمسية. عند الوصول إلى طاقة الخرج المطلوبة من العاكس، يبدأ العاكس العمل تلقائيًا. بعد بدء التشغيل، يراقب العاكس خرج وحدة الخلية الشمسية باستمرار. طالما أن طاقة الخرج لوحدة الخلية الشمسية أكبر من طاقة الخرج المطلوبة لتشغيل العاكس، سيستمر العاكس في العمل؛ ويتوقف عند غروب الشمس، حتى في حالة الغيوم أو الأمطار. يمكن للعاكس أيضًا العمل. عندما يصبح خرج وحدة الخلية الشمسية أصغر ويكون خرج العاكس قريبًا من الصفر، سيشكل العاكس حالة استعداد.

(2) وظيفة التحكم في تتبع الطاقة القصوى

يختلف خرج وحدة الخلايا الشمسية باختلاف شدة الإشعاع الشمسي ودرجة حرارة وحدة الخلايا الشمسية نفسها (درجة حرارة الشريحة). بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا لانخفاض الجهد مع زيادة التيار، توجد نقطة تشغيل مثالية يمكن عندها الحصول على أقصى طاقة. تتغير شدة الإشعاع الشمسي، ومن الواضح أن نقطة التشغيل المثالية تتغير أيضًا. ونظرًا لهذه التغيرات، تكون نقطة تشغيل وحدة الخلايا الشمسية دائمًا عند أقصى نقطة قدرة، ويحصل النظام دائمًا على أقصى طاقة خرج منها. هذا التحكم هو التحكم في تتبع أقصى طاقة. ومن أهم ميزات عاكسات أنظمة الطاقة الشمسية أنها تتضمن وظيفة تتبع أقصى نقطة قدرة (MPPT).