كيفية مطابقة العاكس الشمسي مع الألواح الشمسية؟

ما هو تحديد حجم العاكس الشمسي ولماذا يُعد أمرًا مهمًا

عندما يتعلق الأمر بتحديد حجم العاكس الشمسي، فإن الفكرة الأساسية هي مطابقة تصنيف قدرة العاكس المقاسة بوحدة الكيلوواط مع ما يمكن أن تنتجه الألواح الشمسية فعليًا. إن إجراء هذه المطابقة بشكل صحيح يعني أن النظام سيعمل بأفضل حالاته عند تحويل التيار المستمر الناتج عن الألواح إلى تيار متناوب يمكن استخدامه في المنزل. إذا كان العاكس صغيرًا جدًا، يحدث ما يُعرف بظاهرة القَص (clipping) خلال الأيام المشمسة عندما تصل الإنتاجية إلى ذروتها، وقد يفقد أصحاب المنازل ما بين 3 إلى 8 بالمئة من إنتاجهم السنوي للطاقة وفقًا لأبحاث Aforenergy الصادرة العام الماضي. وعلى الجانب الآخر، فإن اختيار عاكس كبير جدًا يؤدي فقط إلى زيادة التكلفة الأولية دون داعٍ، كما يجعل العاكس يعمل بكفاءة أقل عندما لا يكون محملًا بالكامل. يتبع معظم المُثبّتين إرشادات مشابهة للمعيار NEC 705.12(D)(2) الذي يوصي باختيار عاكس يمكنه التعامل مع حوالي 120% من القدرة المصنفة للألواح. هذا الأسلوب يُحدث توازنًا جيدًا بين ضمان السلامة، والحفاظ على أداء ممتاز حاليًا، وتوفير مجال للتوسع في النظام مستقبلًا.

مطابقة جهد ولوحة الطاقة الشمسية مع متطلبات دخل العاكس

تأتي معظم العواكس مع نطاقات دخل محددة بالنسبة للفولت (V) والأمبير (A) كي تعمل بأمان وكفاءة. عندما تتجاوز الأنظمة هذه الحدود، فإن العاكس يتوقف تمامًا عن العمل. وإذا كانت المدخلات منخفضة جدًا، فإما أن لا يحدث شيء على الإطلاق أو ينتج النظام طاقة أقل بكثير مما هو متوقع. خذ وحدة قياسية بقدرة 400 فولت كمثال، فهي عمومًا تحتاج إلى سلاسل لوحات توفر ما بين 330 و480 فولت. كما أن الظروف الجوية مهمة أيضًا، لأن الألواح الشمسية تميل إلى انخفاض إنتاجها بنسبة 0.3 إلى 0.5 بالمئة لكل درجة مئوية ارتفاع في درجة الحرارة. وهذا يعني أن المُثبِّتين غالبًا يحتاجون إلى توصيل ألواح إضافية على التوالي أثناء التركيب في المناطق الباردة حيث قد تمنع درجات حرارة الشتاء النظام من التشغيل بشكل صحيح منذ البداية.

دور نسبة التيار المستمر إلى التيار المتردد في تصميم النظام

عند النظر إلى تركيبات الألواح الشمسية، فإن نسبة التيار المستمر إلى التيار المتردد تُظهر بشكل أساسي كمية الطاقة الناتجة من الألواح بالمقارنة مع ما يمكن للمحوّل التعامل معه. معظم الأنظمة تتبع نسبة حوالي 1.2 إلى 1، مما يقلل من فقدان إنتاج الألواح كثيرًا (حوالي 2-5٪ سنويًا) مع الاستفادة في الوقت نفسه من معظم طاقة أشعة الشمس المتاحة. يدفع بعض الأشخاص هذه النسبة لأعلى، وغالبًا ما تصل إلى 1.4 إلى 1، خاصةً في الأماكن التي لا تحظى بكمية كبيرة من أشعة الشمس لفترات طويلة. في الواقع، تعمل هذه الأنظمة بشكل أفضل اقتصاديًا في بعض المناطق لأنها تُنتج كهرباء أكثر في الصباح الباكر وفي أواخر بعد الظهر، حتى لو كانت تُقص جزءًا من الإنتاج الذروة عند الظهيرة. ولكن يجب الحذر عندما تتجاوز النسب 1.55 إلى 1. فقد وجدت دراسة أجرتها NREL في عام 2023 أن هذه النسب العالية جدًا بدأت تسبب مشكلات بسبب القَص المستمر الذي يؤثر سلبًا على الأرباح بدلًا من دعم نموها.

تحسين نسبة المصفوفة إلى المحول لتحقيق أقصى كفاءة

ما هي النسبة المثالية بين المصفوفة والمحوّل؟

تعمل معظم الأنظمة بشكل أفضل عندما يكون نسبة التيار المستمر إلى التيار المتردد حوالي 1.15 إلى 1.25. وهذا يوفر توازنًا جيدًا بين التقاط طاقة كافية والحفاظ على تشغيل العاكس بكفاءة. إن السعة الإضافية القليلة تساعد في التعويض عن تلك العوامل الصغيرة التي تحدث في التركيبات الواقعية مثل تآكل الألواح مع مرور الوقت، أو تراكم الغبار، أو الأيام التي لا تكون فيها أشعة الشمس مثالية تمامًا. وعندما يتحدث المُركّبون عن هذا الأمر، فإنهم ببساطة يحرصون على أن يظل العاكس مشغولاً معظم الوقت بدلاً من أن يكون خاملاً. فعلى سبيل المثال، في تركيبة شائعة يقوم فيها شخص بتركيب صف شمسي بقدرة 6 كيلوواط، ولكن يُدخل عاكسًا بقدرة 5 كيلوواط فقط. هذا يُنشئ نسبة 1.2، والتي تميل إلى إعطاء نتائج أفضل على مدار السنة مقارنة بالتطابق الدقيق بين القدرات. نعم، هناك بعض الحَصر (Clipping) المعني، لكنه يستحق ذلك من حيث التحسن الكلي في الناتج.

كيف يؤثر حصر العاكس على إنتاج الطاقة

عندما تتجاوز إدخال التيار المستمر ما يمكن للمحول تحويله إلى طاقة تيار متردد، نحصل على ما يُعرف بظاهرة قَصّ المحول. بالتأكيد، فإن هذا يحد من الإنتاج الأقصى في بعض الأحيان، لكن العديد من المُثبِّتين يخططون فعليًا لهذا العامل كجزء من استراتيجية تصميم النظام. خذ على سبيل المثال الأنظمة التي تمتلك نسبة 1.3 من التيار المستمر إلى التيار المتردد؛ عادةً ما تُنتج هذه الأنظمة حوالي 4 إلى 7 بالمئة طاقة إضافية خلال السنة مقارنةً بالتوصيلات القياسية بنسبة 1:1. وتفعل ذلك من خلال الحفاظ على أداء أفضل خلال فترات الصباح الباكر والمغرب عندما تكون أشعة الشمس غير قوية، حتى لو خسرت القليل من الطاقة حول منتصف النهار. بالنسبة للأشخاص الذين يعيشون في مناطق تتغير فيها أسعار الكهرباء خلال اليوم أو في أماكن لا تتلقى ضوء شمس شديد طوال فترة ما بعد الظهر، فإن هذا النوع من التصميم المُبالغ في حجمه يُحقق فوائد كبيرة على المدى الطويل.

موازنة الإنتاج الزائد وقيود المحول

تؤدي النسب فوق 1.4 إلى زيادة تكرار القطع، لكنها تظل قابلة للتطبيق في بعض السيناريوهات، خاصةً عندما تتغير أسعار الكهرباء حسب وقت اليوم أو عندما تمتص أنظمة تخزين البطاريات الإنتاج الزائد. وتشمل العوامل الرئيسية ما يلي:

• اتجاه الألواح (مثلاً، الأنظمة الموجهة شرق-غرب تُنتج منحنيات يومية أكثر تسطحاً)
• المناخ المحلي (التغطية السحابية، وتقلبات درجة الحرارة)
• بنى أسعار المرافق

قد تدعم المناطق ذات أشعة الشمس العالية نسباً تصل إلى 1.35، في حين تعمل المواقع المظللة أو الواقعة في الشمال بشكل أفضل عند 1.1–1.2.

استغلال تقنية التعقب النقطي للقدرة القصوى لتحقيق مطابقة مثلى بين الألواح والعاكس

كيف تحسّن تقنية التعقب النقطي للقدرة القصوى (MPPT) الكفاءة

تعمل تقنية MPPT من خلال تعديل مستويات الجهد والتيار باستمرار، بحيث تستخلص أقصى قدر ممكن من الطاقة من الألواح الشمسية بغض النظر عن الظروف المحيطة بها. ويواصل النظام البحث عن النقطة المثالية التي تبلغ فيها الأداء ذروته، ما يعني أن الأشخاص الذين ي 설치ون أنظمة MPPT غالبًا ما يلاحظون زيادة في كمية الطاقة المستخرجة تصل إلى نحو 30 بالمئة مقارنةً بالأنظمة العادية، خاصةً عندما تتغير أشعة الشمس خلال اليوم أو تتقلب درجات الحرارة. وميزة كبيرة أخرى؟ عندما تُظلَّل أجزاء من المصفوفة، تساعد تقنية MPPT في الحد من انخفاض الإنتاج الكهربائي من خلال عزل الروابط الضعيفة في السلسلة بشكل فعّال، مما يحافظ على تشغيل معظم النظام بكامل طاقته حتى لو لم تكن بعض الألواح تعمل بأداء جيد.

تقييم نوافذ جهد MPPT وتأثيرها على تشكيل الألواح

عادةً ما تكون مدخلات MPPT في أفضل أداء لها عندما تتغذى ضمن نطاقات جهد معينة، وغالبًا ما يكون ذلك بين 150 و850 فولت تيار مستمر بالنسبة لمعظم الأنظمة المنزلية. عند إعداد صفائف الألواح الشمسية، يجب على المهندسين التأكد من أن سلاسل الألواح لا تخرج عن هذه الحدود بغض النظر عن الظروف الجوية. خذ على سبيل المثال لوحة قياسية مكونة من 72 خلية. عند درجة حرارة الغرفة حوالي 25 درجة مئوية، فإنها تُنتج نحو 40 فولتًا، ولكن هذا الرقم ينخفض إلى حوالي 36 فولتًا عندما تنخفض درجات الحرارة بالخارج بشكل كبير. إذا تم توصيل عدد قليل جدًا من الألواح معًا على التوالي أثناء التركيب، فهناك احتمال كبير ألا يبدأ النظام بالعمل بشكل صحيح في الصباحات المتجمدة لأن الجهد سيكون أقل من الحد الأدنى المطلوب للمحول كي يبدأ التشغيل.

ضمان التوافق بين تكوينات السلاسل ومدخلات MPPT

تتيح العواكس متعددة الـ MPPT لأشرطة الألواح الشمسية المختلفة العمل بشكل منفصل بأفضل أداء، مما يُعد مفيدًا عندما تكون الألواح تواجه اتجاهات مختلفة أو عند خلط ألواح قديمة بأخرى جديدة. على سبيل المثال، في تركيب نظام بقدرة 10 كيلوواط، غالبًا ما يتم تقسيم الطاقة بين دائرتين من دوائر الـ MPPT، بحيث تمر نحو 5 كيلوواط عبر كل واحدة. يعمل هذا الترتيب بشكل جيد على الأسطح التي تكون فيها الألواح مثبتة بزاويتين مختلفتين. ولكن يجب الحذر إذا تجاوز التيار الحد الذي يمكن أن تتحمله دائرة الـ MPPT، عادةً ما بين 15 إلى 25 أمبير، حيث تقوم النظام بتفعيل ميزات الأمان والإغلاق التام. إن تحديد حجم الشريط (String) بدقة أمر بالغ الأهمية لأنه يمنع ارتفاع الجهد والتيار بشكل غير مضبوط خارج النطاقات الآمنة التشغيلية التي حددها المصنعون. يعرف معظم المركبين ذلك من خلال خبرة مريرة بعد مشاهدتهم لأعطال الأنظمة خلال ساعات الذروة للإنتاج.

تحليل الجدل: تضخيم سعة الأنظمة الشمسية على مدخلات الـ MPPT — هل هو خطر أم فرصة؟

لا تزال تدور مناقشات بين المتخصصين في مجال الطاقة الشمسية حول استخدام مصفوفات تيار مستمر (DC) أكبر من قدرة العاكس على التعامل معها (بمقدار 1.2 إلى 1.4 مرة تقريبًا). يشير المؤيدون لهذا الأسلوب إلى أن ذلك يساعد في تحسين أداء الأنظمة خلال الأيام الغائمة، ويقلل من تكرار تشغيل العاكس وإيقافه، ما يؤدي في الواقع إلى إطالة عمره الافتراضي بمرور الوقت. من ناحية أخرى، توجد مخاوف بشأن فقدان كمية كبيرة من الطاقة الزائدة، خاصةً في المناطق التي تتمتع بشمس قوية طوال العام. قد تفقد بعض التثبيتات أكثر من 5٪ من الكفاءة كل عام بسبب هذه المشكلة. لكن تحليل الأرقام يروي قصة مختلفة. عند دمج هذا التصميم مع أسعار الكهرباء الذكية التي تتغير حسب وقت الاستخدام، أو عندما يحصل أصحاب المنازل على ائتمان مقابل الطاقة الإضافية التي يعيدونها إلى الشبكة، فإن زيادة حجم المصفوفة قليلًا تكون عادةً مجدية من الناحية المالية. وبالتالي، بينما يعتبر البعض هذا الأسلوب محفوفًا بالمخاطر، يراه آخرون خطوة استراتيجية جديرة بالنظر، وفقًا للظروف المحلية واللوائح السائدة.

تكوينات الأسلاك: التوصيل على التوالي مقابل التوازي لتوافق العاكس الشمسي

كيف يؤثر التوصيل على التوالي والتوازي على جهد ومخرجات التيار

يؤثر تكوين التوصيل بشكل مباشر على التوافق مع متطلبات دخل العاكس. فالتوصيلات المتسلسلة تجمع جهود الألواح مع الحفاظ على ثبات التيار، وهي مثالية للعاكسات التي تحتاج إلى جهد تيار مستمر أعلى. أما التوصيلات الموازية فتجمع التيارات مع الحفاظ على الجهد، وتناسب العاكسات ذات التحمل العالي على التيار الكهربائي.

على سبيل المثال، ثلاث ألواح بقدرة 20 فولت/5 أمبير متصلة على التوالي تعطي 60 فولت/5 أمبير؛ أما عند التوصيل على التوازي، فإنها تنتج 20 فولت/15 أمبير.

موازنة التوصيلات لتحقيق أداء عاكس مثالي

تساعد التكوينات الهجينة—التي تجمع بين التوصيل المتسلسل والتوازي—في تلبية قيود الجهد والتيار لأجهزة العاكس الحديثة. ووجد تحليل صناعي أُجري في عام 2023 أن هذه الترتيبات تحقق كفاءة أعلى بنسبة 6-8٪ عند محاذاة هذه الترتيبات بشكل صحيح مع مواصفات جهاز العاكس، مما يسمح بتركيب صفائف أكبر دون المخالفة للحدود القصوى للمدخلات. ويدعم هذا المرونة التصميمات المعقدة للأسطح ويعظم المساحة القابلة للاستخدام.

احترام حدود الجهد القصوى والدنيا للمدخلات

تأتي جميع العواكس بحدود جهد محددة يجب ألا تُهمل أبدًا. إذا تجاوز المدخل الحد المسموح به، فقد يتسبب ذلك في ضرر جسيم للنظام. وعلى الجانب الآخر، إذا انخفض الجهد بشكل كبير جدًا، فلن يعمل العاكس إطلاقًا. خذ هذا السيناريو كمثال: عند التعامل مع عاكس مصنف بين 150 و500 فولت تيار مستمر، سيحتاج الشخص إلى أربع لوحات على الأقل بجهد 40 فولت متصلة معًا (ما يعطي حوالي 160 فولت) فقط لبدء التشغيل. كما أن المبالغة في الزيادة أمر محفوف بالمخاطر أيضًا. فقد يؤدي توصيل اثني عشر لوحة أو أكثر إلى تجاوز سقف 480 فولت، خاصة خلال الطقس البارد عندما تميل الفولتية إلى الارتفاع بشكل غير متوقع. لا أحد يريد أن تتعرض معداته للتلف أو، والأمر أسوأ، أن تخلق ظروفًا غير آمنة. ولهذا السبب فإن الالتزام الدقيق بما تنص عليه الشركة المصنعة في مواصفاتها يظل أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للأداء طويل الأمد والاعتبارات العامة للسلامة.

الأسئلة الشائعة حول تحديد حجم العاكس الشمسي وتوافق النظام

ماذا يحدث إذا لم يتم تحديد حجم محول الطاقة الشمسية بشكل صحيح؟

إذا كان المحول صغيرًا جدًا، فقد يحدث قَصّ للطاقة خلال أوقات الإنتاج القصوى، مما يؤدي إلى خسارة تصل إلى 8٪ من إنتاج الطاقة السنوي. على العكس، إذا كان المحول كبيرًا جدًا، فهذا يؤدي إلى نفقات غير ضرورية وأداء غير فعال.

لماذا يعتبر نسبة التيار المستمر إلى التيار المتردد مهمة؟

تساعد نسبة التيار المستمر إلى التيار المتردد في تحديد كمية طاقة الألواح التي يمكن للمحول التعامل معها بكفاءة. تكون النسب بين 1.15 و1.25 مثالية للحفاظ على الكفاءة وتقليل فقدان الطاقة بأدنى حد.

كيف تؤثر توصيلات الأسلاك المتسلسلة والمتوازية على نظامي؟

يزيد التوصيل المتسلسل من جهد الخرج مع بقاء التيار ثابتًا، وهو مناسب للمحولات التي تحتاج إلى جهد أعلى. أما التوصيل المتوازي فيزيد من تيار الخرج مع الحفاظ على الجهد، وهو أفضل للمحولات التي تتحمل تيارات عالية.

ما هي تقنية MPPT، وكيف تستفيد منها نظامي الشمسي؟

تُحسّن تقنية MPPT أداء اللوحة من خلال تعديل مستمر لمستويات الجهد والتيار. وتحسّن جمع الطاقة بنسبة تصل إلى 30٪ وتقلل من الفاقد الناتج عن التظليل.