تكوين ومبادئ عمل أنظمة توليد الكهرباء الضوئية

تكوين ومبدأ عمل أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية (PV)

تتكون نظام توليد الطاقة الكهروضوئية (PV) بشكل أساسي من الوحدات الكهروضوئية، وحدة التحكم، المغير، البطاريات، وأجزاء أخرى (البطاريات غير مطلوبة للأنظمة المتصلة بالشبكة). بناءً على ما إذا كانت تعتمد على الشبكة الكهربائية العامة، يتم تقسيم أنظمة PV إلى أنواع غير متصلة بالشبكة وأنواع متصلة بالشبكة. تعمل الأنظمة غير المتصلة بالشبكة بشكل مستقل دون الاعتماد على الشبكة الكهربائية العامة. وهي مجهزة ببطاريات تخزين الطاقة لضمان إمداد النظام بالطاقة بشكل مستقر، قادرة على توفير الكهرباء للأحمال خلال الليل أو أيام الغيوم المطولة/المطرية عندما تكون توليد الطاقة الشمسية غير كافية.

بغض النظر عن نوع النظام، يظل المبدأ الأساسي هو نفسه: تقوم الوحدات الكهروضوئية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء تيار مستمر (DC)، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى تيار متردد (AC) بواسطة المغير، مما يسمح باستهلاك الطاقة أو ربطها بالشبكة.

1. الوحدات الكهروضوئية (PV)

تعتبر الوحدات الكهروضوئية المكون الرئيسي لنظام توليد الطاقة بأكمله. يتم تصنيعها عن طريق دمج الخلايا الكهروضوئية الفردية، والتي يتم قصها إلى أحجام مختلفة باستخدام آلات القطع بالليزر أو السلك. نظرًا لأن الجهد والتيار الناتجين من خلية شمسية واحدة منخفضان جدًا، يتم أولاً ربط العديد من الخلايا في سلسلة لتحقيق جهد أعلى، ثم بالتوازي لزيادة التيار. تتضمن التجميعة ثنائي انسداد (لحماية التيار العكسي)، وتم حفظها في إطار مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألومنيوم أو المواد غير المعدنية. يتم ختمها بزجاج مقوى في الأمام، وورق ظهر في الخلف، مليئة بغاز النيتروجين، وختمت بشكل محكم. تتكون مجموعة الوحدات الكهروضوئية المتصلة في السلسلة والتوازي من صفيف كهروضوئي (المعروف أيضًا باسم صفيف شمسي).

مبدأ العمل: عند تعرض خلية شمسية للضوء، تولد أزواج الإلكترونات والأيونات. تحت تأثير المجال الكهربائي في نقطة P-N، تتحرك الأيونات نحو المنطقة P والإلكترونات نحو المنطقة N. عندما يتم إغلاق الدائرة، يتدفق التيار. وظيفة الوحدات الكهروضوئية الرئيسية هي تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، سواء بتخزينها في البطاريات أو تزويد الأحمال الكهربائية مباشرة.

أنواع الوحدات الكهروضوئية:

• السيليسون الأحادي البلوري: الكفاءة ≈ 18%، تصل إلى 24% - وهو أعلى بين جميع أنواع PV. عادة ما يتم تغليفها بزجاج مقاوم للصدمات وراتنج مانع للتسرب، مما يجعلها متينة وطويلة الأمد (تصل إلى 25 عامًا).

• السيليسون متعدد البلورات: الكفاءة ≈ 14%. عملية التصنيع مشابهة للسيليسون الأحادي البلوري، ولكن بكفاءة أقل، وتكلفة أقل، وعمر خدمة أقصر. ومع ذلك، فهو أبسط في الإنتاج، يستهلك طاقة أقل، ولديه تكاليف إنتاج أقل، مما يؤدي إلى انتشاره الواسع.

• السيليسون غير البلوري (فيلم رقيق): الكفاءة ≈ 10%. يتم صنعه باستخدام عملية فيلم رقيق مختلفة تمامًا، تتطلب كمية قليلة من السيليسون والطاقة. ميزته الرئيسية هي الأداء الأفضل تحت ظروف الإضاءة المنخفضة.

2. وحدة التحكم (مستخدمة في الأنظمة غير المتصلة بالشبكة)

وحدة التحكم الشمسي هي جهاز آلي يمنع شحن البطارية الزائد وإفراغها. مجهزة بمعالج CPU عالي السرعة ومبدل A/D عالي الدقة، تعمل كنظام بيانات استشعار ومراقبة مبني على الكمبيوتر الدقيق. يمكنها جمع البيانات التشغيلية في الوقت الحقيقي بسرعة، ومراقبة حالة النظام، وتخزين البيانات التاريخية، مما يوفر معلومات دقيقة وكافية لتقييم تصميم النظام وموثوقية المكونات. كما تدعم الاتصال التسلسلي لإدارة مركزية وتحكم عن بعد في عدة محطات فرعية كهروضوئية.

3. المغير

يقوم المغير بتحويل الكهرباء التي يولدها الألواح الشمسية من تيار مستمر (DC) إلى تيار متردد (AC)، مما يجعلها متوافقة مع الأجهزة الكهربائية التي تعمل بالتيار المتردد. يعتبر المغير الكهروضوئي مكونًا أساسيًا في نظام التوازن (BOS) ويشمل ميزات خاصة مثل تتبع النقطة القصوى للطاقة (MPPT) وحماية الجزيرة.

أنواع المغيرات الشمسية:

• المغير المستقل: يستخدم في الأنظمة غير المتصلة بالشبكة. يقوم صفيف PV بشحن البطارية، والمغير يسحب الكهرباء DC من البطارية لتزويد الأحمال AC. العديد من المغيرات المستقلة تشمل شاحن بطارية مدمج يمكنه إعادة شحن البطارية باستخدام الكهرباء AC. هذه المغيرات ليست متصلة بالشبكة ولا تتطلب حماية الجزيرة.

• المغير المتصل بالشبكة: يعيد تغذية الكهرباء AC إلى الشبكة الكهربائية. يجب أن يكون شكل موجة الخرج متطابقًا مع المرحلة والتردد والجهد للشبكة. يتوقف تلقائيًا إذا تم قطع الشبكة لأسباب السلامة. لا يوفر طاقة احتياطية أثناء انقطاع الشبكة.

• المغير ذو البطارية الاحتياطية: مغير خاص يستخدم البطاريات كمصدر طاقة أساسي ويحتوي على شاحن لإعادة شحنها. يمكن إعادة تغذية الطاقة الزائدة إلى الشبكة. خلال انقطاع الشبكة، يمكنه تزويد الطاقة AC بدوائر محددة، وبالتالي يشمل حماية الجزيرة.

4. البطارية (غير مطلوبة في الأنظمة المتصلة بالشبكة)

البطارية هي وحدة تخزين الطاقة في نظام PV. تشمل الأنواع الشائعة البطاريات الرصاصية المقفلة، والرصاصية المغمورة، والجيل، والنيكل-كادميوم القلوية. البطاريات الرصاصية المقفلة والجيل هي الأكثر استخدامًا.

مبدأ العمل: خلال النهار، يضرب ضوء الشمس الوحدات الكهروضوئية، مما يولد جهد DC وتحويل الضوء إلى كهرباء. يتم إرسال هذه الطاقة إلى وحدة التحكم، التي تمنع الشحن الزائد، ثم تخزينها في البطارية للاستخدام لاحقًا عند الحاجة.