مقدمة

يصبح نظام الطاقة الشمسية أكثر تعقيدًا في اللحظة التي تضيف فيها مخزن البطارية. بدلاً من مجرد توليد الكهرباء عند توفر ضوء الشمس، قد يحتاج النظام إلى تحديد ما إذا كان يجب أن تعمل الطاقة الشمسية على تشغيل الأحمال الحالية، أو شحن البطارية، أو البقاء متاحة للنسخ الاحتياطي، أو التفاعل مع الشبكة الكهربائية.

هذا هو المكان الذي يصبح فيه العاكس الهجين الشمسي مهمًا.

وبدلاً من العمل كجهاز لتحويل الطاقة فقط، يعمل العاكس الشمسي الهجين كنقطة مركزية لإدارة الطاقة. يقوم بتنسيق العديد من مصادر ووجهات الطاقة المختلفة في نفس الوقت، مما يساعد الألواح الشمسية والبطاريات والأحمال الكهربائية والشبكة على العمل كنظام واحد متكامل.

يعد فهم كيفية عمل هذه العملية مفيدًا سواء كنت تصمم نظامًا جديدًا للطاقة الشمسية بالإضافة إلى التخزين، أو تقارن تقنيات العاكس، أو تقيم المعدات لمشروع طاقة مستقبلي. والسؤال المهم ليس مجرد مقدار الطاقة التي يمكن أن ينتجها العاكس. تحتاج أيضًا إلى فهم مدى ذكاءه في إدارة الطاقة في ظل ظروف التشغيل المتغيرة.

ما هو العاكس الشمسي الهجين؟

العاكس الهجين الشمسي هو عاكس مصمم لإدارة الكهرباء من الألواح الشمسية مع دعم تخزين البطارية وتفاعل الشبكة اعتمادًا على تكوين النظام.

تقليدي العاكس الشمسي يقوم في المقام الأول بتحويل التيار المباشر الناتج عن الألواح الكهروضوئية إلى تيار متردد يمكن استخدامه بواسطة المعدات الكهربائية أو مزامنته مع شبكة كهربائية. يضيف العاكس الهجين طبقة مهمة أخرى: إدارة البطارية.

وهذا يعني أن وحدة واحدة قد تكون مسؤولة عن عدة وظائف

• تحويل كهرباء التيار المستمر بالطاقة الشمسية إلى كهرباء تيار متردد قابلة للاستخدام؛;
• توجيه توليد الطاقة الشمسية الزائدة نحو شحن البطارية؛;
• سحب الطاقة المخزنة من البطارية عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية غير كاف؛;
• تنسيق تبادل الطاقة مع الشبكة؛;
• الحفاظ على أحمال النسخ الاحتياطي المحددة عند تكوينها لتشغيل النسخ الاحتياطي؛;
• مراقبة حالة المجموعة الشمسية والبطارية والأحمال الكهربائية.

وهذا المزيج هو ما يجعل العاكس الهجين الشمسي مفيدًا بشكل خاص في أنظمة الطاقة الشمسية والتخزين الحديثة.

تشير كلمة “hybrid” إلى قدرتها على العمل مع مصادر طاقة متعددة وأوضاع تشغيل بدلاً من الاعتماد حصريًا على الألواح الشمسية أو الشبكة.

كيف يعمل العاكس الشمسي الهجين؟

أسهل طريقة لفهم العاكس الهجين الشمسي هي متابعة حركة الكهرباء عبر النظام.

خلال ساعات النهار، تولد الوحدات الكهروضوئية كهرباء التيار المستمر. يتلقى العاكس هذه الطاقة ويقيم عدة شروط: مقدار الكهرباء التي تتطلبها الأحمال حاليًا، وما إذا كانت البطارية بحاجة إلى الشحن، وما إذا كان التصدير مسموحًا به، وما إذا كان قد تم تكوين أي جدول تشغيل خاص.

إذا كان توليد الطاقة الشمسية كافيا لتغطية الحمل الحالي، فيمكن للعاكس توجيه الطاقة الشمسية نحو الحمل أولا. إذا توفرت طاقة إضافية، فقد تقوم الطاقة المتبقية بشحن البطارية.

عندما ينخفض توليد الطاقة الشمسية عن الطلب على الحمل، يمكن لطاقة البطارية المخزنة أن تكمل الكهرباء الشمسية المتاحة. إذا لم توفر البطارية طاقة كافية وكان النظام متصلاً بالشبكة، فقد يتم توفير الطلب المتبقي عن طريق الشبكة.

وبالتالي يقوم العاكس بمهمتين في وقت واحد.

الأول هو التحويل الكهربائي.

والثاني هو اتخاذ القرار في مجال الطاقة.

هذه المهمة الثانية هي واحدة من أكبر الاختلافات بين العاكس الأساسي والنظام الهجين الحديث.

مسارات الطاقة الأربعة داخل النظام الشمسي الهجين

إحدى الطرق العملية لفهم العاكس الهجين الشمسي هي التفكير في النظام باعتباره أربعة مسارات طاقة متصلة.

المسار الأول هو الجيل.

تولد الألواح الشمسية الكهرباء كلما توفرت أشعة الشمس المناسبة. تتغير الكمية بشكل مستمر مع الإشعاع ودرجة الحرارة والتظليل واتجاه اللوحة وغيرها من الظروف.

المسار الثاني هو الاستهلاك.

الأحمال الكهربائية تخلق الطلب. قد يكون هذا الطلب مستقرًا نسبيًا أو يتغير بشكل حاد عند بدء تشغيل المعدات وتوقفها.

المسار الثالث هو التخزين.

تعمل البطارية كمخزن مؤقت للطاقة. فهو يمتص الطاقة عندما يتجاوز التوليد الاستهلاك الفوري ويطلق الطاقة عندما يتجاوز الطلب توليد الطاقة الشمسية المتاحة.

المسار الرابع هو تبادل الشبكة.

في التكوين المتصل بالشبكة، يمكن أن تعمل الشبكة كمصدر أو وجهة أخرى اعتمادًا على إعدادات النظام ومتطلبات الاتصال المعمول بها.

يقع العاكس الهجين الشمسي في وسط هذه المسارات الأربعة.

يطرح نظام التحكم الخاص به باستمرار سؤالاً بسيطًا ولكنه مهم:

أين يجب أن تذهب الطاقة المتاحة الآن؟

يعد هذا المنظور مفيدًا لأنه يمنع أحد أكثر حالات سوء الفهم شيوعًا حول المحولات الهجينة. قيمتها الرئيسية ليست مجرد أنها تعمل بالبطاريات.“ وظيفتها الأعمق هي تنسيق حركة الطاقة بين عدة أجزاء من نظام الطاقة.

المكونات والوظائف الأساسية للعاكس الشمسي الهجين

على الرغم من اختلاف التصميمات، إلا أن العديد من الوظائف لها أهمية خاصة عند تقييم العاكس الهجين الشمسي.

يساعد تتبع الحد الأقصى لنقطة الطاقة، والذي يُطلق عليه عادةً MPPT، العاكس على تشغيل المصفوفة الكهروضوئية بالقرب من النقطة التي يمكنه فيها إنتاج طاقة مفيدة في ظل الظروف الشمسية المتغيرة. نظرًا لأن جهد اللوحة والتيار يتغيران على مدار اليوم، يقوم MPPT بضبط نقطة التشغيل الكهربائية بشكل مستمر.

تعمل مرحلة تحويل العاكس على تغيير طاقة التيار المستمر إلى طاقة تيار متردد للأحمال الكهربائية المتوافقة وتفاعل الشبكة.

تدير مرحلة شحن البطارية كيفية دخول الطاقة الكهربائية إلى البطارية. يجب أن تظل معلمات الشحن متوافقة مع جهد البطارية والكيمياء وحدود التيار ومتطلبات إدارة البطارية.

تشتمل العديد من أنظمة البطاريات الحديثة أيضًا على نظام إدارة البطارية، أو BMS. اعتمادًا على تصميم المعدات، يمكن أن يسمح الاتصال بين العاكس ونظام إدارة المباني للعاكس بتلقي معلومات حول حالة البطارية، وتيار الشحن المسموح به، وتيار التفريغ المسموح به، وظروف درجة الحرارة، وحالات الحماية.

عنصر آخر مهم هو منطق إدارة الطاقة. وهذا يتحكم في الأولوية المعطاة للطاقة الشمسية والبطاريات والأحمال والشبكة.

قد تسمح وظائف المراقبة بعد ذلك لمشغلي النظام بمراجعة توليد الطاقة الكهروضوئية وحالة البطارية وطلب الحمل وتاريخ التشغيل ومعلومات الخطأ.

مجتمعة، تجعل هذه الوظائف العاكس الهجين الشمسي أشبه بوحدة تحكم في النظام أكثر من كونه محول طاقة بسيط.

أوضاع تشغيل العاكس الشمسي الهجين المشترك

يمكن للعاكس الهجين عادةً أن يدعم العديد من استراتيجيات التشغيل، على الرغم من أن الوظائف الدقيقة تعتمد على النموذج المحدد وتصميم النظام.

في وضع الاستهلاك الذاتي، تُستخدم الطاقة الشمسية عمومًا لتوفير الأحمال النشطة أولاً. يمكن بعد ذلك توليد الفائض شحن البطارية. قد تدعم الطاقة المخزنة الأحمال لاحقًا عندما ينخفض توليد الطاقة الشمسية.

في التشغيل الموجه نحو النسخ الاحتياطي، يحافظ النظام على سعة البطارية بحيث يمكن للدوائر المحددة الاستمرار في العمل عندما يصبح مصدر الشبكة العادي غير متاح.

تدعم بعض الأنظمة شحن وتفريغ البطارية المجدولة. وهذا يسمح بإدارة الكهرباء المخزنة وفقًا لأولويات التشغيل بدلاً من الاعتماد فقط على التوفر الفوري للطاقة الشمسية.

يسمح التشغيل بمساعدة الشبكة للنظام بالجمع بين الطاقة الشمسية والبطارية وكهرباء الشبكة عند الضرورة.

يمكن لوظائف التحكم في التصدير أيضًا تحديد أو إدارة كمية الكهرباء المرسلة نحو الشبكة عندما يدعمها العاكس ويتطلبها التثبيت.

النقطة المهمة هي أن وضع التشغيل يؤثر على سلوك النظام الحقيقي. يمكن لمنشأتين تستخدمان ألواحًا شمسية وبطاريات متشابهة أن تعمل بشكل مختلف تمامًا إذا تم تكوين أولويات إدارة الطاقة الخاصة بهما بشكل مختلف.

العاكس الهجين الشمسي مقابل العاكسات الموجودة على الشبكة وخارجها

يغطي مصطلح عاكس “solar” العديد من التقنيات المختلفة. يساعد فهم التمييز على منع الاختيار غير المناسب للمعدات.

ولذلك فإن العاكس الهجين الشمسي يكون مفيدًا بشكل خاص عندما يتطلب المشروع كلاً من التخزين والتفاعل مع الشبكة.

ومع ذلك، لا يعني “hybrid” تلقائيًا أن كل حمل سيستمر في العمل أثناء انقطاع الشبكة. يعتمد أداء النسخ الاحتياطي على بنية العاكس وتصميم إخراج النسخ الاحتياطي وسعة البطارية المتاحة وتكوين الحمل وطريقة التثبيت.

لماذا يعد توافق البطارية أمرًا مهمًا

يعد توافق البطارية أحد أهم أجزاء اختيار العاكس الهجين الشمسي.

لا ينبغي أبدًا اختيار البطارية لمجرد أن سعتها الاسمية تبدو مناسبة.

يجب أيضًا أن يكون العاكس والبطارية متوافقين كهربائيًا ومنطقيًا.

جهد البطارية هو الاعتبار الأول. يجب أن يدعم العاكس نطاق جهد التشغيل لنظام البطارية المحدد.

تيار الشحن والتفريغ لهما نفس القدر من الأهمية. قد يكون للبطارية حدود تيار أقل من الحد الأقصى لقدرة العاكس على جانب البطارية. ويجب احترام هذه الحدود.

تؤثر كيمياء البطارية على سلوك الشحن أيضًا. يمكن أن تتطلب أنواع البطاريات المختلفة معلمات شحن واستراتيجيات حماية مختلفة.

بالنسبة للبطاريات التي تتواصل إلكترونيًا مع العاكس، يجب أيضًا التحقق من توافق BMS. ولا يضمن الاتصال الفعلي وحده إمكانية تبادل المعلومات المطلوبة للتشغيل المنسق.

عند تقييم Batterytailor حلول العاكس الشمسي, لذلك، من المفيد مقارنة مواصفات العاكس مع منصة البطارية المخططة والتطبيق الفعلي بدلاً من معالجة كل مكون بشكل مستقل.

يعمل هذا النهج على مستوى النظام على تقليل مشكلات التوافق لاحقًا في المشروع.

كيفية اختيار العاكس الشمسي الهجين المناسب

أفضل عاكس هجين شمسي ليس بالضرورة هو الطراز الذي يتمتع بأكبر تصنيف للإخراج. العاكس الصحيح هو الذي يطابق السلوك الكهربائي للنظام بأكمله.

ابدأ بالحمل.

حدد المعدات التي يمكن أن تعمل في وقت واحد والأجهزة التي لديها طلب كبير على بدء التشغيل. يمكن للمحركات والضواغط والمضخات والمعدات المماثلة أن تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن الأحمال الإلكترونية الثابتة.

بعد ذلك، قم بتقييم المصفوفة الكهروضوئية.

يجب أن يدعم العاكس جهد وتيار الإدخال الكهروضوئي المخطط له. يؤثر عدد الوحدات وتكوين السلسلة والظروف البيئية ونطاق تشغيل MPPT على التوافق.

ثم قم بتقييم البطارية.

يعتبر:

• جهد البطارية؛;
• سعة تخزين قابلة للاستخدام؛;
• الحد الأقصى لتيار الشحن؛;
• الحد الأقصى لتيار التفريغ؛;
• كيمياء البطارية المدعومة؛;
• متطلبات اتصالات BMS؛;
• التوقعات الاحتياطية.

يجب عليك أيضًا تحديد ما إذا كان النظام يتطلب إخراجًا أحادي الطور أو ثلاثي الطور وما إذا كان سيتم استخدام دوائر احتياطية مخصصة.

تعد القدرة على المراقبة أحد الاعتبارات العملية الأخرى. تسهل واجهة المراقبة المصممة جيدًا فهم إنتاج الطاقة الشمسية وسلوك البطارية والطلب على الحمل وأجهزة إنذار التشغيل.

التوسع المستقبلي يستحق الاهتمام أيضًا. إذا كان النظام قد يتلقى لاحقًا وحدات كهروضوئية إضافية أو سعة بطارية، فيجب أن يأخذ اختيار العاكس في الاعتبار بنية النظام المقصودة بدلاً من التثبيت الأولي فقط.

كيفية تحديد حجم العاكس الشمسي الهجين لنظامك

يجب أن يبدأ التحجيم بالطلب على الطاقة، وليس فقط القدرة الكهروضوئية.

تخيل نظامًا يحتوي على مجموعة شمسية كبيرة نسبيًا ولكن الطلب الكهربائي المتزامن متواضع فقط. إن اختيار عاكس كبير الحجم فقط لأن سعة اللوحة كبيرة قد لا يوفر فوائد تشغيل ذات معنى.

ويمكن أن يحدث العكس أيضًا. قد يكون للنظام متوسط استهلاك معتدل ولكنه يحتوي على العديد من الأجهزة ذات الطلب المرتفع على بدء التشغيل. في هذه الحالة، يجب تقييم العاكس لكل من الإخراج المستمر وسلوك التحميل قصير المدة.

تأخذ عملية التحجيم المفيدة في الاعتبار خمسة متغيرات معًا

• الأحمال المستمرة المتزامنة؛;
• بدء التشغيل أو زيادة الأحمال؛;
• الجيل الكهروضوئي المتوقع؛;
• القدرة المتاحة على تفريغ البطارية؛;
• توسيع النظام المستقبلي.

من السهل بشكل خاص التغاضي عن طاقة البطارية.

قد تحتوي البطارية على طاقة مخزنة كافية بالكيلووات/ساعة ولكنها لا تزال غير قادرة على توفير طاقة لحظية كافية لتحقيق أقصى إنتاج للعاكس. ولهذا السبب يجب دائمًا تقييم سعة الطاقة وقدرة الطاقة بشكل منفصل.

ولذلك ينبغي تحديد حجم العاكس والبطارية والمصفوفة الكهروضوئية والأحمال كنظام واحد.

اعتبارات التثبيت والسلامة وتكامل النظام

يعمل العاكس الهجين الشمسي عند تقاطع العديد من الأنظمة الفرعية الكهربائية، لذا فإن جودة التثبيت لها تأثير مباشر على السلامة والموثوقية.

يتطلب جانب التيار المستمر الحماية المناسبة والعزل وحجم الكابل والتحكم في القطبية وتوافق الموصل.

يجب أن يأخذ جانب التيار المتردد في الاعتبار حماية الدائرة والتأريض وتوزيع الحمل واتصال الشبكة حيثما ينطبق ذلك.

يجب أن يكون حجم كابلات البطارية مناسبًا للتيار الفعلي الذي قد تحمله. يمكن أن تؤدي المقاومة المفرطة إلى انخفاض الجهد والحرارة، بينما يمكن لأجهزة الحماية غير الصحيحة أن تؤثر على سلامة النظام.

بيئة التهوية والتركيب مهمة أيضًا. يجب أن يعمل العاكس ضمن درجة الحرارة والظروف البيئية المحددة للشركة المصنعة.

تتطلب الأنظمة المتصلة بالشبكة عادةً التزامن المناسب والسلوك المضاد للجزيرة. تساعد هذه الوظائف على ضمان استجابة العاكس بشكل صحيح عند فقدان ظروف الشبكة العادية.

تستحق الأسلاك الاحتياطية اهتمامًا خاصًا. إن الإخراج الاحتياطي ليس هو نفسه النسخ الاحتياطي تلقائيًا لكل دائرة في المبنى. يجب عادةً تحديد الأحمال الحرجة ودمجها في بنية النظام وفقًا لذلك.

لهذا السبب، يجب التخطيط لتكامل النظام قبل بدء التثبيت وليس بعد تحديد المكونات الفردية بالفعل.

المفاهيم الخاطئة الشائعة عن العاكس الشمسي الهجين

أحد المفاهيم الخاطئة الشائعة هو أن العاكس الأكبر حجمًا يخلق دائمًا نظامًا أفضل.

في الواقع، يمكن للمعدات كبيرة الحجم أن تجعل تخطيط النظام معقدًا بشكل غير ضروري إذا كانت المصفوفة الكهروضوئية والبطارية والأحمال لا تتطلب سعة إضافية.

هناك اعتقاد خاطئ آخر وهو أن كل بطارية ليثيوم يمكن أن تعمل مع كل عاكس هجين.

حتى عندما يبدو الجهد متشابهًا، فإن الاختلافات في بروتوكول الاتصال وحدود التيار ومعلمات الشحن ومنطق الحماية يمكن أن تؤثر على التوافق.

المفهوم الخاطئ الثالث هو أن إضافة عاكس هجين شمسي يؤدي تلقائيًا إلى إنشاء طاقة احتياطية كاملة.

تعتمد إمكانية النسخ الاحتياطي على العاكس والبطارية وبنية الأسلاك والإخراج المدعوم والأحمال المحددة.

هناك أيضًا ميل للحكم على العاكس بشكل أساسي من خلال كفاءة التحويل. الكفاءة مهمة، ولكنها ليست سوى جزء واحد من الجودة الشاملة للنظام.

يمكن أن يكون العاكس ذو المنطق الجيد لإدارة الطاقة، ونطاقات MPPT المناسبة، واتصالات البطارية الموثوقة، والحماية المناسبة، والمراقبة المعقولة أكثر قيمة للمشروع من العاكس الذي يتم اختياره فقط حول مواصفات رئيسية واحدة.

حيث يتم استخدام العاكسات الشمسية الهجينة بشكل شائع

تعتبر محولات الطاقة الشمسية الهجينة مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب تخزين الطاقة وإدارة الطاقة المرنة.

يعد تخزين الطاقة المنزلية أحد الأمثلة الواضحة. يمكن للطاقة الشمسية المولدة خلال النهار أن تدعم الأحمال وتشحن البطارية، مما يسمح للطاقة المخزنة بدعم الاستهلاك لاحقًا.

تعد الأنظمة الموجهة للنسخ الاحتياطي تطبيقًا شائعًا آخر. هنا، تعمل البطارية والعاكس معًا للحفاظ على الأحمال الحرجة المحددة عند عدم توفر مصدر الطاقة العادي.

يمكن لأنظمة الطاقة التجارية الصغيرة أيضًا استخدام تقنية العاكس الهجين لتنسيق توليد الطاقة الشمسية وتخزين البطاريات وتغيير الأحمال الكهربائية.

تعد الأنظمة الهجينة مفيدة أيضًا حيثما يريد المشغلون تحكمًا أكبر في كيفية استهلاك الكهرباء الشمسية بدلاً من مجرد تصدير التوليد عندما يكون الطلب المحلي منخفضًا.

السمة المشتركة بين هذه التطبيقات ليست نوع بناء معين. إنها الحاجة إلى تنسيق مصادر متعددة للكهرباء بذكاء.

طريقة أفضل لتقييم أداء العاكس الشمسي الهجين

بدلاً من طرح الأسئلة فقط، “ما مدى قوة هذا العاكس؟”، يطرح تقييم أكثر فائدة أربعة أسئلة.

أولاً، ما مدى فعالية قبول الطاقة الشمسية؟

ثانيًا، ما مدى جودة تنسيق الشحن والتفريغ مع البطارية؟

ثالثًا، ما مدى موثوقية توفير الأحمال المقصودة؟

رابعاً، ما مدى ذكاءها في إدارة التحولات بين الطاقة الشمسية، وطاقة البطاريات، وطاقة الشبكة؟

يعطي إطار العمل المكون من أربعة أسئلة صورة أكثر اكتمالاً لأداء العاكس.

على سبيل المثال، يوفر الإخراج عالي التصنيف فائدة قليلة إذا لم تتمكن البطارية من توفير تيار تفريغ كافٍ. تكون قدرة الإدخال الكهروضوئية الواسعة أقل فائدة إذا كانت سلاسل الوحدة المقترحة تقع خارج نطاق تشغيل MPPT. كما أن إمكانية النسخ الاحتياطي لا تهم كثيرًا إذا لم يتم تصميم بنية التحميل الحرج بشكل صحيح.

ولذلك يتم إنشاء أداء النظام من خلال التوافق بين المكونات، وليس من خلال مواصفات جهاز واحد بشكل منفصل.

خاتمة

من الأفضل فهم العاكس الهجين الشمسي على أنه مركز التحكم لنظام الطاقة الشمسية بالإضافة إلى التخزين.

فهو يحول الكهرباء، ولكن دوره الأكثر أهمية هو تحديد كيفية تحرك الطاقة بين الألواح الشمسية والبطاريات والأحمال الكهربائية والشبكة.

عند اختيار واحد، يجب عليك تقييم أكثر بكثير من الإخراج المقدر. حدود الإدخال الكهروضوئية، ونطاق MPPT، وجهد البطارية، واتصالات البطارية، والقدرة على الشحن والتفريغ، وتكوين الطور، ومتطلبات النسخ الاحتياطي، ووظائف المراقبة، وظروف التثبيت، والتوسع المستقبلي، كلها تؤثر على النظام النهائي.

يسمح العاكس المتطابق جيدًا للمصفوفة الكهروضوئية والبطارية والأحمال بالعمل كنظام طاقة منسق بدلاً من مجموعة من المكونات المنفصلة.

ويعد هذا المنظور على مستوى النظام نقطة البداية الأكثر فائدة لتصميم مشاريع موثوقة للطاقة الشمسية بالإضافة إلى التخزين.

الأسئلة الشائعة

هل تحتاج إلى مساعدة في اختيار العاكس الشمسي الهجين المناسب؟

إذا لم تكن متأكدًا من العاكس الهجين الشمسي الذي يناسب بشكل أفضل مجموعة الطاقة الكهروضوئية أو نظام البطارية أو متطلبات النسخ الاحتياطي أو الأحمال المتوقعة، فيمكن لفريقنا مساعدتك في تقييم العوامل الفنية الرئيسية. اتصل بفريقنا الفني للحصول على الدعم في مطابقة سعة العاكس، وتوافق البطارية، وتكوين النظام، ومتطلبات التطبيق. قم ببناء نظام الطاقة الشمسية بالإضافة إلى التخزين الخاص بك حول المكونات المصممة للعمل معًا بشكل موثوق.