إلكترونيات الخلية الشمسية

إلكترونيات الخلية الشمسية

ينتج المجال الكهروستاتيكي في وصلة PN لخلية شمسية بواسطة الفوتونات المؤثرة التي تخلق 0.5 فولت من طاقة الجهد، التي تميز معظم وصلات PN وكل الخلايا الشمسية. هذا الجهد البسيط يشبه في عمله بطارية صغيرة بأقطاب موجبة وسالبة. ثم ترتبط الأقطاب على التوالي للحصول على جهد أعلى.

مثلا، 48 خلية شمسية موصلة على التوالي تعطي 24 فولت. زيادة عدد الخلايا الشمسية في بنك الخلايا الشمسية سينتج عنه جهد أعلى. يستخدم هذا الجهد لإدارة المحولات التي تحول التيار المستمر إلى تيار متردد (Inverters).

بالإضافة لجهاز وصلة PN، تحوي الخلايا الشمسية مكونات إنشائية لأغراض التجميع الميكانيكي – توضع فوق سطح تجميع جاسئ أو مرن أو مجموعة طبقات – مثل الزجاج أو مرنة- وتتصل فيما بينها بمعادن عالية التوصيل بمسك عدة ميكرونات. اللوح الشمسي النمطي المستخدم في توليد القدرة الفلتائية ينشأ من لوح زجاجي داعم يؤوي الوحدات الشمسية الفلتائية، التي يتكون كل منها من عدة مئات من أجهزة PN المتصلة. بحسب ما يتطلبه الاستعمال، تنتج معظم الألواح الشمسية المصغرة اليوم خرجا قدره 6، 12، 24، 48 فولت تيار مستمر. كمية الطاقة التي ينتجها لوح شمسي – بالوات- تمثل إجمالي خرج كل أجهزة PN الشمسية. مثلا، سيعبر المصنع عن خصائص الألواح العديدة بالجهد، القدرة، ومساحة السطح.

مكونات نظام القدرة الشمسية

تمثل الوحدات الفلتائية العنصر الأساسي لنظام القدرة الشمسية. إنها تعمل فقط بالربط مع مكونات تكميلية، مثل البطاريات، المحولات، محولات التيار المستمر للمتردد (Inverters). قياسات وألواح توزيع القدرة تكمل عملية تحويل الطاقة.

بطاريات التخزين

كما ذكرنا سابقا فإن الخلايا الشمسية هي أجهزة تحول الطاقة الشمسية إلى تيار مستمر. الخلايا الشمسية لا تخزن الطاقة. لتخزين الطاقة بعد نهاية ضوء النهار، يستخدم التيار المستمر لشحن مجموعة مناسبة من البطاريات. يشار إلى سعة تخزين البطاريات باستقلالية النظام system autonomy. تتباين السعة طبقا لمتطلبات التطبيقات. في التطبيقات التي تتطلب استقلالية، تشكل البطاريات جزءا هاما من نظام القدرة الشمسية. بنوك البطاريات في التطبيقات الفلتائية مصممة للعمل بمعدلات تفريغ دوائر عميقة وهي لا تحتاج لصيانة.

كمية وقت الاستقلال المطلوب تعتمد على التطبيق. أحمال الدوائر – مثل الاتصالات ومحطات القياس البعيدة – قد تتطلب أسبوعين من الاستقلالية، بينما لا تحتاج الوحدات السكنية أكثر من 12 ساعة. عند حساب سعة التخزين والأمبير- ساعة للبطارية، يجب أخذ العوامل المخفضة في الاعتبار : مثل الغيوم أو احتجاب الشمس تماما.

منظمات الشحن

أجهزة إلكترونية مصممة لحماية البطاريات من الشحن الزائد. إنها مركبة بين البطاريات والصناديق الطرفية للمصفوفة الشمسية.

محولات التيار المستمر INVERTERS

كما وصفنا سابقا، فإن الألواح الفلتائية تولد تيارا مستمرا، يمكن استخدامه فقط بواسطة عدد محدد من الأجهزة. معظم المعدات والأجهزة الكهربية والمنزلية، التجارية، والصناعية مصممة للعمل بتيار متردد. رغم أن محولات التيار المستمر مصممة لمتطلبات تطبيق معينة، فإن مبادئ التحويل الأساسية تبقى كما هي. أساسا تتكون عملية تحويل التيار المستمر من التالي.

عملية تكوين الموجة. يقطع التيار المستمر – المميز بجهد مستمر من المرجعيات السالبة والموجبة ( انحراف) – إلى أجزاء متساوية، يتم بعدها معالجتها خلال الدائرة التي تلغي الأجزاء الموجبة والسالبة، مما ينتج عنه شكل موجب يسمى الموجة المربعة. شكل 8-1 يبين مخطط لمحول جهد مستمر فردي الخط.

عملية تشكيل الموجة أو الترشيح. تتكون الموجة المربعة – عند تحليلها رياضيا    ( بتحليل متسلسلة فوريير ) – من مجموعة كبيرة جدا من الموجات الجيبية         ( المتبادلة) تسمى المتناغمات. كل متناغمة موجة لها عدد مميز من الدورات       ( هبوط وصعود في فترة زمنية).

هناك جهاز إلكتروني يسمى مرشحات ( أو المغلفات المغناطيسية) الاختناق، يميز حالات العبور خلال متناغمات دورات – 60 التي تشكل أساس التيار الجيبي. محولات الجهد المستمر الإلكترونية تستخدم أسلوب تحويل مرتفع الكفاءة يعرف بإنشاء الغلاف. يقطع التيار المستمر إلى أجزاء دقيقة، تحول بعدها إلى ارتفاع    ( موجب) وهبوط ( سالب) متتالي من أنماط الموجات الجيبية لدورات -60. تمرر هذه الموجة المقطعة عبر سلسلة من  المرشحات الإلكترونية التي تنتج تيار خرج له منحنى جيبي.

نظم المرحلات الوقائية

بصفة عامة، تبنى معظم محولات الجهد المستمر – المستخدمة في التطبيقات الفلتائية – من أجهز إلكترونية معرضة للقفزات الضالة في التيار، قصر الداوئر، والجهد والتيار الزائدين. لحماية المعدات من الأذى، يجب أن تشمل محولات التيار المستمر عددا من الدوائر الإلكترونية:

-         مرحل تزامن.

-         مرحل جهد منخفض.

-         مرحل تيار مرتفع.

-         فخ أرضي أو مرحل تيار زائد.

-         مرحل جهد زائد.

-         مرحل تردد زائد.

-         مرحل تردد منخفض.

تصمم معظم محولات التيار المستمر الخاصة بالتطبيقات الفلتائية لتسمح بالتوازي المتزامن للوحدات المتعددة. مثلا، لحمل قدره 60 كيلووات، يمكن ربط خرج ثلاثة محولات 20 كيلووات على التوازي. بحسب متطلبات نظام القدرة، يمكن للمحولات إنتاج قدرة ثلاثية أو فردية الأوجه بأي جهد أو سعة تيار مطلوبة. الخرج القياسي المتاح هو تيار متردد فردي الوجه 120 فولت (single phase)، وتيار مترد ثلاثي الأوجه (3-phase) لتحويل خرج محولات 120/208 تيار تيار متردد إلى جهد أعلى.

توزيع خرج ودخل القدرة

لحماية المحولات من القفزات الضالة الناتجة من ضربات البرق أو الطاقة العالية، فإن دخل التيار المستمر من مصفوفات PV يحمى بالفيوزات، الموضوعة في صندوق وصل يقع بالقرب من المحولات. بالإضافة، أماكن دخول التيار المستمر للمحول تحميها أنواع متعددة من أشباه الموصلات التي تسيطر على الجهد الفائق الناتج من البرق.

لمنع الدمار الناتج من عكس الجهد، فإن كل قطب خرج موجب في خلية PV يتصل بمقوم، عنصر غير اتجاهي ( يميل للأمام). قدرة خرج التيار المتردد من المحولات تتصل بالأحمال عن طريق قواطع دوائر مغناطيسية أو إلكترونية. إنها تعمل على حماية الوحدة من التيار الخارجي الزائد وقصر الدوائر.

محولات التيار المستمر المرتبطة بالشبكة

وصفنا سابقا الوظيفة العامة للمحولات. هنا سنستعرض ارتباطها بالشبكة، الأمر الذي يتطلب فهما شاملا لقواعد الأمان التي تفرضها أجهزة الدولة المختلفة. الغرض الأساسي من معايير أمان تلك المحولات المرتبطة بالشبكة هو أن تكون هناك مجموعة موحدة من الإرشادات والمعايير للدولة كلها. القواعد المنظمة لتصنيع المحولات تتعامل مع مواضيع خواص الأداء وممارسات ربط الشبكة توصي بها عدد من معامل الاختبار الوطنية والهيئات المنظمة.

معامل Underwriters

لأمان المنتج، فإن الصناعة في الولايات المتحدة عملت مع معامل underwriters لتطوير UL1741 ومعيار المحول الاستاتيكي وحاكم الشحنة للاستخدام في نظم الطاقة المستقلة، الذي أصبح معيار أمان للمحولات المستخدمة في الولايات المتحدة. مواصفات UL1741 تغطي عدة نواحي في تصميم المحول وتشمل الغلاف، الدوائر المطبوعة، متطلبات الربط البيني مثل كمية التيار المستمر الذي يمكن للمحولات وضعه في الشبكة، أحمال التشوه التوافقي (THD) لتيار الخرج، تفاعل المحول مع قفزات وتباينات جهد المحطة، إعادة التشغيل والعودة من الظروف الغير عادية، والتفاعل مع ظروف العزل عندما تفصل كهرباء المرفق.

العزل هو حالة تحدث عندما يستمر المحول في إنتاج قدرة أثناء خروج المرفق. تحت تل كالظروف فإن القدرة التي ينتجها النظام الفلتائي تصبح خطرة على أمن عمال المرفق الذين قد يتعرضون لتيارات كهربية خطيرة، وبهذا تحتاج المحولات لأن تضم دائرة تحكم ضد العزل لقطع الطاقة عن المحول وفصله من الشبكة. أيضا تمنع قدرة خرج المحول من الخروج عن الطور من الشبكة عندما تعيد (مغلقات) قاطع الأمان الآلي ربط المحول بالشبكة، مما قد يؤدي لقفزات مفاجئة في الجهد يمكن أن تدمر معدات التحويل والمرفق.

مهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) يقدم اقتراحات للعملاء والشبكات على حد سواء بخصوص التحكم في القدرة التوافقية ومفاجئات الجهد التي تحدث كثيرا في روابط المرفق، في دليل IEEE ( لا يعد مواصفة)، الممارسات المقترحة لواجهة المرفق من النظم الفلتائية. القدرة التوافقية الزائدة وتباين القدرة من روابط المرفق يمكن أن تدمر معدات العميل، لذلك فإن عددا من الولايات – منها كاليفورنيا، ديلاور، نيويورك، وأوهايو – تتطلب تحديدا أن تصمم المحولات للعمل تحت ظروف القدرة الغير عادية للمحول.

ظروف حد القدرة

أقصر حجم لنظام توليد (cogeneration) القدرة الفلتائية ( تحويل طاقة الشمس الحرارية إلى طاقة كهربية) عرضة لقيود تفرضها الولايات المختلفة. أساسا معظم المرافق تهتم بالمصادر الضخمة للتوليد الخاص للكهرباء المرتبط بالشبكة، حيث أن معظم نظم التوزيع مصممة لتدفق القدرة أحادية الاتجاه. إضافة نظام cogeneration، من ناحية أخرى يخلق تيار ثنائي الاتجاه في الشبكة مما قد يقلل من إمكانية الاعتماد على شبكة المرفق في بعض الأحوال. عموما، معروف جيدا أنه – في الواقع العملي – لا تخلق كميات صغيرة من الطاقة المولدة إزعاجا كبيرا للشبكة بما يجعلها مصدرا للقلق. لتنظيم أكبر حجم لنظام التوليد cogeneration فإن عددا من الولايات وضعت عدة قيود وحدود للنظم التي تولد أكثر من 100 كيلووات قدرة.

الفصل من جانب الشبكة ومحولات العزل

في بعض الولايات مثل كاليفورنيا، ديلاور، فلوريدا، نيو هامبشيار، أوهايو، وفرجينيا، تتطلب مرافق الكهرباء تركيب مفاتيح فصل مرئية وفي المتناول بالخرج لخدمة عزل الشبكة. يجب ملاحظة أن الولايات المتعددة مثل كاليفورنيا تتطلب أن يفتح العملاء مفاتيح الفصل مرة كل أربعة أعوام للتأكد أن محولات الجهد المستمر تؤدي العمل المضاد للعزل.

في الولايات ألأخرى مثل نيومكسيكو ونيويورك فإن محولات عزل الشبكة مطلوبة لتخفيض الضوضاء التي يخلقها العميل الخاص والتي قد تتراكب على الشبكة. هذا الأمر ليس قاعدة ولا يفرضه UL أو أية هيئة اتصال فيدرالية (Fcc).

سعة توليد القدرة الفلتائية

لحماية معدل تشغيل شركات المرافق، فإن عددا من الولايات فرضت سقفا على أعلى حد لأكبر كمية طاقة تولد بالنظم الفلتائية. مثلا، تقيدها نيوهامبشير ب 5% حد أقصى وكولورادو ب 1% من أقصى معدل شهري للطب على الشبكة.

قدرة محول التيار المستمر على احتمال الموجات القوية:-

في معظم الحالات يتم توزيع القدرة خلال شبكة خطوط فوقية معرضة دوما لتقلبات المناخ مثل البرق، الذي يؤدي لموجات قدرة مفاجئة. الموجات المفاجئة الأخرى قد تنتج من فتح بنوك المكثفات المستخدمة لتصحيح معامل القدرة ومن معدات تحويل القدرة أو خلال تسريب الحمل والفتح. إذا لم تتم السيطرة على موجات القدرة، فإنها قد تدمر معدات محول التيار المستمر عن طريق تحطيم عزل الموصل والأجهزة الإلكترونية. لمنع الدمار الذي يحدثه التيار المفاجئ في المرفق، طورت IEEE إرشادات وطنية لمصنعي محولات الجهد المستمر من أجل توفير الحماية الملائمة ضد التيارات الكبيرة. هناك مجموعة من الاختبارات طورتها IEEE للتصديق على الحماية ضد موجات التيار الكبيرة. تؤدى هذه الاختبارات بواسطة UL كجزء من الموافقة على المعدات.

سجل اختبار وصيانة النظام الفلتائي

بعض الولايات – مثل كاليفورنيا، فيرمونت، وتكساس – تتطلب أن تؤدى اختبارات التشغيل الشاقة على مدمجات النظام الفلتائي للتصديق على أن النظام يعمل بالتوافق مع ظروف التصميم والأداء المتوقعة. من المهم أن نلاحظ أنه بالنسبة لنظم PV المركبة في ولاية تكساس يجب الاحتفاظ بسجل للصيانة المؤداة.

مثال على محول التيار المستمر UL1741

التالي هو مثال لمحول تيار مستمر مصدق من قبل UL1741 من تصنيع StatCon ، كندا.

صندوق تجميع اختبار، يشمل مجموعة من فيوزات الحماية الخاصة ضد التيار الزائد، يعطي خرج تيار مستمر متراكم لمحول التيار المستمر. عند مدخل التيار المستمر المحول مزود بدائرة عزل آلية للتيار الخطأ، واقي ضد موجات التيار المستمر المرتفعة، وقاطع حماية تغذية ارتجاعية للتيار المستمر. بالإضافة للسابق، بالمحول دائرة إلكترونية خاصة تراقب الأخطاء الأرضية وتوفر عزل خطأ ثابت. عند تحويل التيار المستمر إلى تيار متغير، فإن الإلكترونيات الداخلية للمحول توفر جهدا دقيقا وتوافق تردد مع الشبكة. شكل 1-9 يصف شكل إلكترونيات المحول.

محول العزل المدمج داخل محول التيار المستمر يوفر عزل ضوضاء كامل وترشيح لقدرة خرج التيار المتغير. هناك كونتاكتور تيار متردد يفصل المحول ليلا وأثناء الغيوم الكثيفة. خرج المحول يشمل أيضا عازل موجات تيار متردد وقاطع دائرة يدوي يفصل المعدات من الشبكة.

هناك نظام تحكم بمعالج صغير (microprocessor) داخل المحول ويشمل – بالإضافة لغلاف الموجة ولوغاريتمات الترشيح- عددا من البرامج الفرعية التي تتحكم في مضادات العزل، الجهد، والتردد.