كيفية اختيار المحولات لمزارع الطاقة الكهروضوئية الموزعة؟

مطابقة سعة المحول مع إنتاج الطاقة الكهروضوئية الموزعة

تحديد التصنيف بالكيلوفولت أمبير (kVA) استنادًا إلى مخرج التيار المتناوب من العاكس، والزيادة المُخطَّطة في قدرة التيار المستمر، وتغيرات شدة الإشعاع الشمسي

يبدأ تحديد المحول المناسب من حيث السعة بالنظر إلى أقصى إنتاج كهربائي تيار متناوب يمكن أن يحققه العاكس، على سبيل المثال حوالي ١٠٠ كيلوواط. وتُراعي معظم التصاميم نسب زيادة الحجم في الجانب المستمر (DC) بين ١,٢ ضعف و١,٥ ضعف، لأن محطات الطاقة الشمسية غالبًا ما تتعرض لذروة في الإشعاع الشمسي تتجاوز ما تتنبأ به الاختبارات القياسية. فعلى سبيل المثال، خذ تركيبًا نموذجيًّا يتضمَّن صفيفًا شمسيًّا بقدرة ١٥٠ كيلوواط-ذروة (kWp) متصلًا بعاكس سعة ١٠٠ كيلوواط. وفي هذه الحالة، يكون من المنطقي اختيار محول سعته لا تقل عن ١٢٥ كيلوفولت أمبير (kVA) ليتعامل مع حالات القطع المؤقتة (clipping) التي تحدث حينما يتجاوز الإنتاج مؤقتًا السعة التصميمية. وهناك عدة عوامل تقنية يجب أخذها في الاعتبار. أولًا، تحقق من المدة التي يستطيع العاكس خلالها تحمل ظروف التحميل الزائد، والتي تكون عادةً حوالي ١١٠–١٢٠٪ من السعة الاسمية لمدة تصل إلى ساعة واحدة. ثم فكِّر في أنماط الطقس المحلية: فالمواقع الصحراوية تشهد تغيرات حادة في الإشعاع الشمسي بين النهار والليل مقارنةً بالمناطق الساحلية التي تبقى فيها أشعة الشمس أكثر اتساقًا طوال اليوم. ولا تنسَ أيضًا تدهور الألواح الشمسية: إذ تفقد الألواح نحو نصف بالمئة من كفاءتها سنويًّا، وهو ما يساعد في الواقع على تقليل الإجهاد الواقع على المعدات اللاحقة، نظرًا لأن التوافقيات (harmonics) والحرارة تزداد بشكل أقل تدريجيًّا مع مرور الزمن.

تحليل التخفيض الحراري وعامل التحميل للتركيبات على الأسطح

غالبًا ما تتجاوز درجات حرارة الجو على الأسطح ٤٠ درجة مئوية، مما يؤدي إلى خفض سعة المحولات بنسبة تتراوح بين ١٥ و٢٠ في المئة إذا لم تُتخذ أي إجراءات لمعالجتها. وعلى أي حال، فإن معظم أنظمة الطاقة الكهروضوئية التجارية تعمل بنسبة تحميل أقل من ٦٠٪، وبالتالي توجد هامشٌ كافٍ لتقليل الحجم بذكاء عند دمجه مع تقنيات فعّالة لإدارة الحرارة. وتُعد تبريد الهواء القسري حلاً فعّالاً، إلى جانب العزل غير القابل للاشتعال الذي يتوافق مع معايير IEEE C57.96، بالإضافة إلى إجراء فحوصات منتظمة لدرجة الحرارة طوال فترة التشغيل. كما أن الخصائص المحددة للموقع تؤثر تأثيرًا كبيرًا أيضًا. فقد تحتاج المحولات المركَّبة في أماكن مغلقة أو في مناطق ذات تهوية ضعيفة إلى تصنيفات أساسية تكون أعلى بنسبة تصل إلى ٢٥٪ مقارنةً بتلك المركَّبة في الأماكن الخارجية حيث يكون تدفق الهواء أفضل. وقد نشرت كل من منظمة ASHRAE والمعهد الأمريكي لمهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) إرشادات لنماذج المحاكاة الحرارية التي تدعم هذا النهج.

المحولات الجافة مقابل المحولات المغمورة بالزيت: السلامة، والكفاءة، ومدى ملاءمة الموقع

قيود السلامة من الحرائق، والتهوية، والتركيب الداخلي لأسطح المباني الحضرية والتجارية

بالنسبة لتركيبات الألواح الشمسية على أسطح المباني الحضرية والتجارية، أصبحت المحولات الجافة الخيار الأمثل بفضل ميزاتها التصميمية غير القابلة للاشتعال. وعادةً ما تتميز هذه المحولات بلفائف من راتنج الإيبوكسي المعالج بالفراغ والضغط، ما يجعلها أكثر أمانًا بكثير مقارنةً بالمحولات التقليدية المملوءة بالزيت. أما أنظمة التبريد بالزيت فهي تتضمن مجموعةً من المشكلات مثل وجود سائل تبريد قابل للاشتعال، واحتمال حدوث تسريبات، وتتطلب بنى تحتية خاصةً كغرف مقاومة للانفجار، وتدابير احتواء إضافية، فضلاً عن أنظمة تهوية مناسبة. ويمكن تركيب المحولات الجافة مباشرةً داخل المباني نفسها في الأماكن التي تكون فيها المساحة محدودة وتكتسب متطلبات السلامة أهمية قصوى، مثل ممرات المصاعد، أو مرائب السيارات، أو الأسطح المشتركة بين عدة مستأجرين. وقد بدأت مدنٌ مثل نيويورك وطوكيو حديثًا بإدراج ذكر المحولات الجافة صراحةً في أحدث لوائحها الخاصة بمكافحة الحرائق فيما يخص هذا النوع من التركيبات، وذلك لأن هذه المحولات تميل إلى إطفاء نفسها تلقائيًا إذا ما وقع عطلٌ ما أثناء التشغيل.

الامتثال لكفاءة التشغيل (وزارة الطاقة الأمريكية 2016، المواصفة القياسية الدولية IEC 60076-20) وانعكاسات ذلك على تكلفة دورة الحياة

تُحقِّق المحولات الجافة المُستخدمة حاليًّا معايير الكفاءة الأساسية التي حدَّدتها اللوائح التنظيمية مثل مواصفة وزارة الطاقة الأمريكية لعام 2016 (DOE 2016) والمواصفة القياسية الدولية IEC 60076-20 فيما يتعلَّق بتحمل التوافقيات. وبالفعل، تصل بعض أفضل النماذج إلى كفاءة تشغيل تبلغ نحو ٩٩,٣٪ عند العمل ضمن نطاق السعات من ٥٠٠ إلى ٢٥٠٠ كيلوفولت أمبير. أما في الماضي، فكانت المحولات المغمورة بالزيت تتمتَّع بميزة طفيفة من حيث كفاءة التحميل الأقصى. لكنَّ المحولات الجافة أصبحت اليوم أكثر جدوى اقتصاديًّا على المدى الطويل، لا سيما في محطات الطاقة الشمسية الموزَّعة عبر مواقع مختلفة. فهذه الأنظمة لا تتطلَّب عمليات الصيانة الدورية المرتبطة باختبار الزيت وتنقيته أو التعامل مع السوائل الخطرة التي يجب التخلُّص منها وفقًا للمعايير البيئية السليمة. وعلى مدى نحو ٢٥ عامًا، توفِّر هذه الميزة للشركات ما نسبته ٢٠٪ إلى ٣٠٪ تقريبًا من التكاليف التشغيلية، رغم أن تكلفة شراء هذه المحولات تكون عادةً أعلى بنسبة ١٥٪ تقريبًا عند الشراء الأولي. وبهذا، فإن النتيجة النهائية هي عوائد استثمارية أفضل وإدارة أصول أسهل بكثير على المدى البعيد.

ضمان توافق الشبكة باستخدام محولات مُصنَّفة للتوافقيات

الامتثال لحدود إجمالي التشويه التوافقي (THD) وفق معيار IEEE 1547-2018 باستخدام تصاميم المحولات ذات العامل K والمحولات المخفِّفة للتوافقيات

الطاقة التي تولّدها المحولات العكسية في أنظمة الطاقة الشمسية تُسبّب تشويهات توافقية غالبًا ما تتجاوز حد التشويه التوافقي الكلي (THD) المحدَّد بنسبة 5% بالنسبة للجهد، وفق معيار IEEE 1547-2018 عند نقاط الربط. وللتعامل مع هذه المشكلة، تُستخدم محولات خاصة تُسمى «محولات تخفيف التشويهات التوافقية»، والتي تعتمد في تصميمها على ترتيبات لفّات مزاحة في الطور لإلغاء أبرز التوافقيات مثل التوافقيين الخامس والسابع. وفي الوقت نفسه، صُمِّمت محولات تحمل تصنيف عامل K (K-Factor) يتراوح بين K4 وK20 خصيصًا لتحمل الحرارة الناتجة عن التشويهات التوافقية دون الإضرار بطبقات عزلها. ومع ذلك، فهذه المحولات ليست كالمحولات الاعتيادية. إذ تميل النماذج العادية إلى التقادم بشكل أسرع بكثير عند التعامل مع الأحمال غير الخطية، بينما تحافظ هذه النسخ المتخصصة على برودة التشغيل والامتثال للمعايير حتى أثناء العمليات الشمسية العادية. وتُظهر عمليات التصوير الحراري التي أُجريت في التركيبات الفعلية أن هذه المحولات المُحسَّنة تبقى أبرد بنحو ١٥ درجة مئوية مقارنةً بالمحولات العادية عند تعرضها لأحمال مشوَّهة مماثلة. وهذه الفروق في درجات الحرارة تعني عمرًا افتراضيًّا أطول للمعدات وحدوثًا أقل للمشاكل عند نقاط الربط في الظروف الواقعية.

الاستعداد للمستقبل من خلال مراقبة ذكية وصيانة تنبؤية

تكامل نظام التحكم الإشرافي والبيانات الاستكشافية (SCADA)، ومراقبة درجة الحرارة والتفريغ الجزئي لضمان موثوقية المحول

عند توصيل المحولات بأنظمة التحكم والإشراف الآلي (SCADA)، يمكن للمُشغِّلين مراقبة أداء هذه المحولات في الوقت الفعلي مباشرةً من موقع مركزي يشمل جميع صفوف الألواح الشمسية المتباعدة. كما تُكتشِف أجهزة استشعار درجة الحرارة المدمَّجة في أجزاء مختلفة مثل لفات المحول والقلب الحديدي، وكذلك داخل حجرات الزيت في الوحدات المملوءة بالزيت، أنماط ارتفاع الحرارة غير الطبيعية قبل أن تبدأ الأمور في الوصول إلى مستويات خطرةٍ من السخونة. وأداةٌ مهمةٌ أخرى هي مراقبة التفريغ الجزئي (PD)، التي تلتقط قمم التيار عالية التردد التي تشير إلى علامات مبكرة على مشاكل العزل — وهي إشارات قد تفوتها الاختبارات الروتينية تمامًا. وتؤدي هذه الميزات المتكاملة إلى تغيير جذري في طريقة إجراء الصيانة، حيث تنتقل من الاعتماد الحصري على الفحوصات الدورية المجدولة إلى إصلاح المشكلات فقط عند الحاجة إليها فعليًّا. وتبيّن الدراسات الميدانية التي أجراها معاهد مثل معهد أبحاث المرافق الكهربائية (EPRI) ومعهد الطاقة المتجددة الوطني (NREL) أن هذا النهج يقلل حالات الإيقاف المفاجئ غير المخطط لها بنسبة تقارب ٤٠٪. وتشكّل كل هذه البيانات البيئة المناسبة التي تتيح للشركات التنبؤ بعمر المعدات بدقة أكبر، وإدارة مخزون قطع الغيار بكفاءة أعلى، وتخطيط الاستثمارات بشكل استراتيجي، ما يجعل صيانة المحولات ليست مجرد رد فعل على الأعطال، بل نشاطًا يساهم فعليًّا في بناء موثوقية النظام على المدى الطويل.

الأسئلة الشائعة

ما أهمية زيادة حجم التيار المستمر (DC) في أنظمة الطاقة الشمسية؟

تتيح زيادة حجم التيار المستمر (DC) لأنظمة الطاقة الشمسية التعامل مع قمم الإشعاع التي تتجاوز ما تتوقعه الاختبارات القياسية، مما يضمن قدرة المحولات على استيعاب الأحمال الزائدة المؤقتة دون خسائر كبيرة في الكفاءة.

هل تتمتع المحولات الجافة بمزايا أكبر مقارنةً بالمحولات المغمورة بالزيت في التركيبات على أسطح المباني؟

نعم، غالبًا ما تكون المحولات الجافة أكثر ملاءمة للتركيبات على أسطح المباني نظرًا لتصميمها غير القابل للاشتعال، وسلامتها في المواقع الداخلية، وامتثالها لمعايير مكافحة الحرائق الحديثة.

كيف يمكن لشركات التوزيع ضمان توافق الشبكة مع التوافقيات الناتجة عن أنظمة الطاقة الشمسية؟

يمكن لشركات التوزيع استخدام محولات مضادة للتوافقيات والمحولات المصممة لتحمل عوامل K محددة لإدارة التوافقيات والحفاظ على توافق الشبكة وفقًا لمعايير معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE).

ما الدور الذي تؤديه دمج أنظمة التحكم والإشراف الآلي (SCADA) في صيانة المحولات؟

تتيح أنظمة التحكم والإشراف الصناعي (SCADA) مراقبة الأداء في الوقت الفعلي، مما يساعد على اكتشاف المشكلات المحتملة مبكرًا، وبالتالي تمكين الصيانة التنبؤية وتقليل حالات التوقف المفاجئة غير المتوقعة.