هل يمكن لنظام الطاقة الشمسية أن يعمل أثناء انقطاع التيار الكهربائي؟

لماذا تُغلق معظم أنظمة الطاقة الشمسية أثناء انقطاع التيار الكهربائي

كيف تعتمد أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة على شبكة المرافق العامة

تحتاج الألواح الشمسية المتصلة بشبكة الكهرباء إلى مطابقة تردد الشبكة ومستويات الجهد للعمل بشكل صحيح. لا تحتوي هذه الأنظمة على بطاريات مدمجة مثل الأنظمة المستقلة، وبالتالي فهي تعتمد كليًا على استمرار عمل الشبكة. إذا حدث انقطاع في التيار في مكان ما، فإن أنظمة الطاقة الشمسية المرتبطة بالشبكة تتوقف تلقائيًا عن العمل. هذا ليس بسبب عطل فني، بل هو في الواقع إجراء أمان مهم جدًا. حيث يتوقف النظام عن إرسال الكهرباء عائدًا إلى خطوط النقل التي لم تعد نشطة، مما يمنع المخاطر المحتملة بالنسبة لعمال الصيانة والآخرين الذين قد يعملون على الشبكة أثناء الانقطاع.

آليات السلامة: لماذا تتوقف العواكس تلقائيًا أثناء انقطاع التيار

عند حدوث انقطاع في التيار الكهربائي، تتوقف أجهزة العاكس الشمسية تلقائيًا باستخدام ما يُعرف بحماية منع العزلة (anti-islanding protection). هذه التدابير الأمنية المهمة تمنع تدفق الكهرباء إلى خطوط الطاقة التي يتم إصلاحها حاليًا. وتشترط لائحة NEC (الكود الوطني للطاقة) تفعيل هذا النظام فورًا تقريبًا بمجرد اكتشاف أي خلل في استقرار الشبكة. تشير الأبحاث عبر قطاعات الطاقة المختلفة إلى أن هذه البروتوكولات تمنع حوالي 90 بالمئة من الحالات الخطرة التي قد تتسبب فيها الكهرباء بالعودة العرضية إلى الشبكة أثناء قيام عمال الصيانة بأعمال الإصلاح. تعتمد معظم أجهزة العاكس الحديثة في الواقع على تلقي إشارات جهد من الشبكة الرئيسية حتى تعمل أساسًا. وهذا يعني أن النماذج العادية لن تعمل ببساطة عند انقطاع التيار، إلا إذا قام شخص بتثبيت معدات خاصة تتيح القدرة على التشغيل في وضع العزلة.

الأثر العملي: دراسة حالة لأنظمة الطاقة الشمسية المنزلية خلال انقطاعات كهربائية إقليمية

عندما اجتاحت حرائق الغابات ولاية كاليفورنيا في عام 2020 وتسببت في انقطاعات كهربائية واسعة النطاق، فقد بقيت جميع المنازل تقريبًا التي تتصل بالشبكة من خلال الألواح الشمسية بدون كهرباء، حتى مع وضوح السماء تمامًا. ووفقًا لتقارير شركات المرافق، فإن معظم هذه الأنظمة الشمسية لا يمكنها إعادة التشغيل إلا بعد أن تظل جهد الشبكة مستقرًا على الأقل خمس دقائق كاملة. وهذا يعني أن الناس عانوا من عدم وجود ثلاجات تعمل للحفاظ على الطعام من التلف، والأمر أسوأ بالنسبة لأولئك الذين يعتمدون على أجهزة طبية مثل أجهزة الأكسجين، حيث لم يكن لديهم مصدر احتياطي للطاقة. ما يُظهره هذا الوضع ببساطة هو أن الأنظمة الشمسية التقليدية مُصممة أولًا وأخيرًا لحماية الشبكة الكهربائية العامة، وليس لضمان توفر طاقة موثوقة للأفراد أثناء حالات الطوارئ.

تخزين البطاريات: تمكين تشغيل أنظمة الطاقة الشمسية أثناء الانقطاعات

محدودية الأنظمة الشمسية فقط دون تخزين الطاقة

تُوقف معظم أنظمة الطاقة الشمسية المرتبطة بالشبكة الكهربائية تشغيلها تلقائيًا أثناء انقطاع التيار بسبب بروتوكولات السلامة التي تحمي عمال الصيانة. وجدت دراسة أجرتها NREL في عام 2023 أن 94٪ من تركيبات الألواح الشمسية السكنية التي لا تحتوي على بطاريات تنفصل خلال ثانيتين من فشل الشبكة. ويترك هذا الميزة المعروفة بـ"منع العزل" أصحاب المنازل بدون طاقة بشكل مفاجئ، رغم امتلاكهم ألواحًا شمسية تعمل بكفاءة.

كيف توفر البطاريات الشمسية طاقة احتياطية أثناء أعطال الشبكة الكهربائية

بطاريات الليثيوم-ايون الشمسية تعالج هذه المشكلة بشكل جيد جداً لأنها تخزن طاقة إضافية يتم توليدها خلال النهار حتى تتمكن من استخدامها في الليل أو عندما يكون هناك انقطاع. إذا انقطعت إمدادات الكهرباء الرئيسية، فإن أنظمة البطارية هذه تدخل لتبقي الأشياء المهمة تعمل أولاً. فكروا في أشياء مثل وحدات الثلاجة التي تحتاج حوالي 1.5 كيلوواط ساعة يومياً، والمعدات الطبية التي تحتاج حوالي 0.3 كيلوواط ساعة يومياً، ومركبات الإنترنت التي تستخدم حوالي 10 واطات باستمرار. النظام يتحول إلى طاقة احتياطية على الفور تقريباً، عادةً في جزء من الثانية. تشير الأبحاث حول مرونة الطاقة إلى أنه عندما يتم تحديد حجم البطاريات بشكل صحيح، يمكن لمعظم المنازل التي تحتوي على إعدادات شمسية قياسية بقوة 5 كيلوواط الحفاظ على الوظائف الأساسية لمدة ثلاثة أيام أو أكثر دون اتصال بالشبكة.

حلول رائدة: Tesla Powerwall وغيرها من أنظمة التخزين الشمسية بالإضافة

لا يزال Powerwall من Tesla يهيمن على السوق مع تخزين 13.5 كيلوواط في الساعة و 5 كيلوواط من الطاقة المستمرة ، على الرغم من أن الخيارات الجديدة مثل LG RESU Prime (التي تقدم 16 كيلوواط في الساعة) متوفرة الآن بعد تمريرها معايير شهادة بالنظر إلى أرقام الصناعة، أنظمة التخزين الشمسي اليوم تتعامل مع التوقف التلقائي عن التشغيل بنسبة 98% من الوقت، أفضل بكثير من بطاريات الرصاص الحمضي القديمة التي لا تصل إلا إلى 72%. تظهر الاختبارات التي أجريت مؤخرا أن معظم الأنظمة تعيد حوالي 90% من احتياجات الطاقة الأساسية خلال 15 ثانية فقط عندما تنقطع الشبكة الرئيسية. هذا النوع من الموثوقية يجعل فرقا كبيرا لأصحاب المنازل الذين يقلقون من انقطاع الكهرباء.

تقنية عاكس متطورة لأداء نظام الطاقة الشمسية المستمر

عاكسات قياسية مقابل عاكسات تشكيل الشبكة في أنظمة الطاقة الشمسية

العاكسات العادية المستخدمة في أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة تعتمد اعتمادًا كبيرًا على الشبكة الكهربائية الرئيسية للحفاظ على سير العمل بسلاسة مع مستويات جهد وتردد مناسبة. وعند حدوث انقطاع في التيار في مكان ما، فإن هذه الوحدات القياسية تُطفئ نفسها تلقائيًا كإجراء أمان لمنع الإضرار بعمال الصيانة الذين قد يعملون على البنية التحتية التالفة. ويجب أن تمتثل هذه الأجهزة لقواعد أمان محددة مثل تلك الموضحة في معايير UL 1741 التي تنص بشكل أساسي على قطع جميع الاتصالات إذا انطفأت الشبكة الرئيسية. من ناحية أخرى، تعمل العاكسات المولِّدة للشبكة بشكل مختلف تمامًا. فهذه الأجهزة تصبح عمليًا مولدات طاقة صغيرة خاصة بها، حيث تقوم بإنشاء ما يُعرف بالشبكة الدقيقة (Microgrid) من خلال خدع برمجية ذكية تتيح لها التحكم بشكل مستقل بكل من الجهد والتردد دون الحاجة إلى أي إشارات خارجية. ووفقًا لدراسات حديثة نُشرت في العديد من المجلات التقنية المتخصصة في الطاقة الشمسية، فإن الإصدارات الأحدث من هذه الأنظمة المولِّدة للشبكة تتمكن فعليًا من بدء التشغيل تلقائيًا مباشرة بعد وقوع الانقطاع، ثم تتصل بسلاسة مع أنظمة البطاريات الاحتياطية الحالية. وبينما يجعل هذا بالتأكيد المنازل أكثر مرونة في مواجهة انقطاعات التيار، فإنه يأتي بتكلفة، إذ لا تزال معظم الألواح الشمسية المنزلية اليوم تفتقر إلى هذه القدرة. وتشير إحصائيات صادرة عن وزارة الطاقة العام الماضي إلى أن نحو 85 بالمئة من المنازل المزودة بالطاقة الشمسية ما زالت تفتقر إلى هذه الميزة الأساسية لتحقيق الاستقلال التام في مجال الطاقة.

الأنظمة العازلة: كيف يمكن للطاقة الشمسية أن تعمل بشكل مستقل أثناء الانقطاعات

تُمكّن أنظمة الطاقة الشمسية التي يمكنها العمل بشكل مستقل عن شبكة الكهرباء الرئيسية من خلال دمج عواكس خاصة مع تخزين البطاريات، بحيث يمكنها الانفصال عند حدوث انقطاع في التيار مع الاستمرار في تزويد الأجهزة الضرورية بالطاقة. وعندما تكتشف هذه الأنظمة خللاً في اتصال الشبكة، فإن المفاتيح الكهربائية (Relays) تعمل فوراً لفصل المنزل عن خطوط المرافق. ثم تقوم النظام بتوجيه الكهرباء الناتجة من الألواح الشمسية عبر عواكس هجينة متطورة لشحن البطاريات وتغذية الأجهزة الضرورية. ولتحقيق نتائج جيدة، يجب موازنة كمية الطاقة التي يولدها الشمس مع الكمية المخزنة. ويجد معظم الناس أن بطارية سعة 10 كيلوواط ساعة تعمل بكفاءة مع حوالي 5 كيلوواط من الألواح الشمسية، مما يكفي عادةً لتلبية الاحتياجات الأساسية لمدة تتراوح بين 12 إلى 24 ساعة حتى في الأيام الغائمة. ومع تزايد حرائق الغابات والعواصف كمشاكل شائعة، نشهد قفزة كبيرة في اعتماد هذه الأنظمة. إذ يُلاحظ حالياً أن نحو 42% من جميع أنظمة الطاقة الشمسية الجديدة المثبتة في المناطق المعرّضة لانقطاعات الكهرباء تحتوي الآن على ميزة التشغيل المعزول (islanding)، مقارنة بـ 18% فقط في عام 2020 وفقاً لبيانات مختبر الطاقة المتجددة للعام الماضي.

أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة: التصميم من أجل الموثوقية والاستقلال عن الشبكة الكهربائية

دمج الاتصال بالشبكة مع بنية نظام الطاقة الشمسية الجاهز للانقطاعات

تجمع أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة بين الاتصال العادي بالشبكة الكهربائية وتخزين البطاريات بالإضافة إلى عناصر تحكم ذكية، بحيث تستمر في العمل عند حدوث انقطاع في التيار. هذه الأنظمة تختلف عن الأنظمة الشبكية القياسية المنتشرة في كل مكان. فهي تحتوي فعليًا على ما يُعرف بنظام إدارة الطاقة (EMS) الذي يتنقل تلقائيًا بين الكهرباء العادية وأي طاقة شمسية يتم توليدها في اللحظة الحالية، والطاقة المخزنة في البطاريات. على سبيل المثال، يمكن لشخصٍ يقوم بتركيب ألواح شمسية إلى جانب بطاريات ليثيوم أيون والحصول على أحد أجهزة العاكس الخاصة المعتمدة وفق معايير UL 1741، أن يفصل النظام تلقائيًا عن الشبكة الرئيسية أثناء انقطاع التيار، ومع ذلك يستمر في تشغيل الأجهزة الأساسية. أظهر تقرير حديث حول اتجاهات الطاقة المتجددة من العام الماضي أنه إذا تم إعداد النظام بشكل صحيح، فإن هذه الأنظمة الهجينة تقلل من احتمال فقدان المنزل للطاقة بالكامل بنسبة 92 بالمئة تقريبًا مقارنةً باستخدام الألواح الشمسية فقط دون وجود نظام احتياطي. الأجزاء الرئيسية المطلوبة لهذا النوع من التركيب تكون عادةً:

• عاكسات ثنائية الاتجاه تمكين الانتقال السلس بين مصادر الطاقة
• إدارة البطارية الذكية إعطاء الأولوية للدوائر الأساسية أثناء انقطاع التيار الكهربائي المطول
• قدرات تشكيل الشبكة التي تُثبت الجهد دون دعم من الشبكة الكهربائية

دراسة حالة: التركيبات الشمسية الهجينة في المناطق العرضة لحرائق الغابات في كاليفورنيا

أصبحت مقاطعة سونوما نوعًا من الحالات التجريبية لصمود الطاقة بعد أن تسببت حرائق الغابات في انقطاع التيار الكهربائي لأكثر من 14,000 ساعة عبر المقاطعة في العام الماضي وحده. وفقًا للبيانات الصادرة عن لجنة طاقة كاليفورنيا في وقت سابق من هذا العام، شهدت الأسر التي قامت بتركيب أنظمة شمسية هجينة انخفاضًا في أوقات الانقطاع بنسبة حوالي 83٪ سنويًا مقارنةً بتلك التي ما زالت تعتمد فقط على الشبكة الكهربائية. خذ على سبيل المثال منزلًا معينًا درسوا حالته هناك - كان لديه بطارية بسعة 15 كيلوواط ساعة متصلة بألواح شمسية بقدرة 10 كيلوواط. عندما حدثت عمليات إيقاف التيار الكهربائي لأسباب تتعلق بالسلامة العامة، استمر هذا النظام في تشغيل الثلاجة، وتشغيل الأجهزة الطبية الضرورية، بل وحافظ أيضًا على قدرات التواصل الأساسية لمدة ثلاثة أيام كاملة متواصلة. والأرقام تروي قصة مثيرة للاهتمام أيضًا: فهذه الأنظمة الهجينة أصبحت الآن تمثل ما يقارب النصف (حوالي 41٪) من جميع تركيبات الألواح الشمسية الجديدة في المناطق ذات الخطورة العالية من الحرائق. وقد دفعت الحكومات المحلية بتحديث معايير البناء، في حين تقدم شركات التأمين معدلات أفضل للممتلكات التي تمتلك خيارات طاقة احتياطية، مما يخلق ما يراه الكثيرون موقفًا مربحًا للجميع من حيث السلامة والادخار على المدى الطويل.

الأسئلة الشائعة

لماذا تتوقف أنظمة الطاقة الشمسية عن العمل أثناء انقطاع التيار الكهربائي؟

تتوقف أنظمة الطاقة الشمسية المرتبطة بالشبكة الكهربائية خلال انقطاع التيار لمنع تدفق الكهرباء عائدًا إلى خطوط النقل غير النشطة، مما يضمن سلامة عمال الصيانة. ويتم ذلك من خلال آلية أمان تُعرف بحماية من العزلة (anti-islanding protection).

هل يمكن لأنظمة الطاقة الشمسية أن تعمل بشكل مستقل أثناء الانقطاعات؟

نعم، يمكن للأنظمة الشمسية المزودة بعاكسات شكل شبكة وبطاريات تخزين أن تعمل بشكل مستقل أثناء الانقطاعات. ويمكن لهذه الأنظمة إنشاء شبكة صغيرة (ميكروغريد)، مما يسمح لها بتزويد الأجهزة الأساسية بالطاقة حتى عندما تكون الشبكة الرئيسية معطلة.

ما ميزة الأنظمة الشمسية الهجينة؟

تجمع الأنظمة الشمسية الهجينة بين الاتصال بالشبكة وتخزين البطاريات وأجهزة تحكم ذكية، ما يتيح لها الحفاظ على التيار الكهربائي أثناء الانقطاعات. وتوفر هذه الأنظمة موثوقية واستقلالية أكبر مقارنةً بالأنظمة الشمسية التقليدية المرتبطة بالشبكة.

كيف توفر البطاريات الشمسية طاقة احتياطية؟

تخزن بطاريات الطاقة الشمسية الطاقة الزائدة التي يتم توليدها خلال النهار لاستخدامها في الليل أو أثناء انقطاع التيار. وتدخل حيز العمل تلقائيًا عند انقطاع التغذية الكهربائية الرئيسية، مما يتيح تشغيل الأجهزة الأساسية مثل الثلاجات والمعدات الطبية.