ما هو مصنع الطاقة الشمسية المستقل، وكيف يعمل؟

تعريف محطة الطاقة الشمسية الخاصة

تعتبر محطة الطاقة الشمسية الخاصة منشأة لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية يتم بناؤها وتملكها وإدارتها من قبل الشركات أو المؤسسات أو الأفراد بأنفسهم، وذلك أساساً لتلبية احتياجاتهم الخاصة من الكهرباء. وتختلف عن تزويد الكهرباء من الشبكة الكهربائية العامة، فهي نظام تزويد كهربائي نسبيًا مستقل، والكهرباء التي تنتجها يتم تزويدها بشكل أساسي للمؤسسين أنفسهم، مثل توفير الطاقة لمحطات التصنيع والمدارس ومراكز البيانات أو المساكن الكبيرة.

المكونات الرئيسية لمحطة الطاقة الشمسية الخاصة وأدوارها

الألواح الشمسية (وحدات الفوتوفولتايك)

هي المكونات الأساسية لمحطة الطاقة الشمسية، حيث تعمل على تحويل الطاقة الشمسية إلى تيار متردد. تتكون الألواح الشمسية من عدة وحدات خلايا شمسية. عندما يسقط الضوء الشمسي على الألواح، تقوم المواد شبه الموصلة (مثل السيليكون) الموجودة في الخلايا الشمسية بامتصاص الفوتونات، مما يولد أزواج الإلكترونات والأيونات. تحت تأثير المجال الكهربائي الداخلي للخلايا، سيتحرك الإلكترونات والأيونات إلى القطبين الخاصين بالخلايا، وبالتالي تتشكل التيار المتردد. فمثلاً، يمكن أن تصل كفاءة تحويل الضوء الكهروضوئي لألواح السيليكون الأحادي البلورية الشائعة إلى حوالي 15% - 20%، بينما تكون كفاءة ألواح السيليكون متعددة البلورات أقل قليلاً، تتراوح بين 13% - 18%.

المحوّل (الانفرتر)

نظرًا لأن التيار المستمر يُنتج بواسطة الألواح الشمسية ومعظم الأجهزة الكهربائية تتطلب تيارًا متناوبًا، فإن دور المحوّل هو تحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب. يستخدم تقنيات دوائر إلكترونية معقدة مثل تعديل عرض النبضة (PWM) لتحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب يتوافق مع متطلبات الشبكة الكهربائية أو الأجهزة المرتبطة بالحمل. فمثلاً، في محوّل عالي الجودة، يمكن تحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب بتردد 50 هرتز أو 60 هرتز (حسب معايير الشبكة الكهربائية في المناطق المختلفة) وفولتاج ثابت لتلبية احتياجات الأحمال المتعددة مثل المحركات وأجهزة الإضاءة.

وحدة التحكم في الشحن (في بعض الأنظمة)

تستخدم وحدة التحكم في الشحن لتحكم في عملية شحن البطارية الاحتياطية (إن وجدت) بواسطة الألواح الشمسية. يمكنها منع شحن البطارية بشكل مفرط أو تفريغها بشكل مفرط، مما يحمي عمر البطارية. فمثلاً، عندما تكون البطارية ممتلئة تماماً، ستقوم وحدة التحكم في الشحن بقطع الدائرة بين الألواح الشمسية والبطارية؛ عند انخفاض مستوى شحن البطارية، يمكن لوحدة التحكم في الشحن التحكم في توصيل الحمل لتجنب تفريغ البطارية بشكل مفرط والتأكد من أن البطارية تعمل ضمن نطاق شحن آمن.

البطارية الاحتياطية (مكون اختياري)

تستخدم البطارية الاحتياطية لتخزين الكهرباء التي تنتجها الألواح الشمسية حتى تتمكن من توفير الطاقة عندما يكون هناك نقص في ضوء الشمس (مثل الليل أو أيام الغيوم). تشمل البطاريات الاحتياطية الشائعة البطاريات الرصاصية والأيونية الليثيوم. البطاريات الرصاصية لديها تكلفة أقل ولكن كثافة طاقة منخفضة وعمر خدمة أقصر؛ البطاريات الأيونية الليثيوم لديها كثافة طاقة عالية وعمر خدمة طويل ولكن تكلفتها أعلى. فمثلاً، في بعض محطات الطاقة الشمسية الخاصة غير المتصلة بالشبكة، يمكن للبطارية الاحتياطية تخزين الكهرباء الزائدة التي تنتجها الألواح الشمسية خلال النهار وتوفير الطاقة للأجهزة المرتبطة بالحمل مثل أنظمة الإضاءة ومعدات الرصد في الليل.

علبة التوزيع ونظام المراقبة

تستخدم علبة التوزيع لتوزيع الكهرباء، حيث توزع التيار المتناوب الذي يولده المحوّل إلى كل فرع من فروع الحمل. وفي الوقت نفسه، يمكنها أيضًا حماية الدائرة، مثل تركيب قواطع الدائرة والمصافيف، لمنع تجاوز الحمل وحدوث قصر الدائرة. يستخدم نظام المراقبة لمراقبة حالة التشغيل لمحطة الطاقة الشمسية، بما في ذلك قوة توليد الكهرباء للألواح الشمسية والفولتاج والتيار الخارج من المحوّل، ومستوى شحن البطارية الاحتياطية (إن وجدت)، وغيرها من المعلمات. من خلال نظام المراقبة، يمكن اكتشاف أعطال الأجهزة وأوضاع توليد الكهرباء غير الطبيعية في الوقت المناسب، مما يسهل الصيانة والإدارة.

عملية تشغيل محطة الطاقة الشمسية الخاصة

مرحلة توليد الكهرباء

خلال النهار عندما يكون هناك ضوء شمسي كافٍ، تقوم الألواح الشمسية بامتصاص الطاقة الشمسية وتحويلها إلى تيار مستمر. خلال هذه العملية، ستأثر العوامل مثل شدة الضوء الشمسي وزاوية الضوء ودرجة الحرارة على قوة الإخراج للألواح الشمسية. فمثلاً، عندما يكون الضوء الشمسي مباشرًا وقويًا، تكون كفاءة توليد الكهرباء للألواح الشمسية عالية وقوة الإخراج كبيرة؛ بينما في الأيام الملبدة بالغيوم أو عندما تكون زاوية الشمس منخفضة، ستنخفض كفاءة توليد الكهرباء وقوة الإخراج بشكل متناسب.

مرحلة تحويل وتخزين الكهرباء (إذا كانت هناك بطارية احتياطية)

يدخل التيار المستمر الذي يولده الألواح الشمسية أولاً إلى البطارية الاحتياطية لتخزينه عبر وحدة التحكم في الشحن (إذا كانت موجودة)، أو يدخل مباشرة إلى المحوّل ليتم تحويله إلى تيار متناوب. إذا كانت هناك بطارية احتياطية، عندما لا تكون البطارية ممتلئة، ستقوم وحدة التحكم في الشحن بتعديل تيار الشحن وفقًا لحالة شحن البطارية وقوة الإخراج للألواح الشمسية لضمان شحن البطارية بأمان وكفاءة. عندما لا تكون هناك بطارية احتياطية أو عندما تكون البطارية ممتلئة، يدخل التيار المستمر مباشرة إلى المحوّل للتحويل.

مرحلة تزويد الكهرباء

يدخل التيار المتناوب الذي تم تحويله بواسطة المحوّل إلى علبة التوزيع، وتعمل علبة التوزيع على توزيع الكهرباء لكل فرع وفقًا لاحتياجات الحمل لتزويد الأجهزة الكهربائية المختلفة بالطاقة. خلال هذه العملية، يقوم نظام المراقبة بمراقبة حالات توليد وتزويد الكهرباء في الوقت الحقيقي لضمان استقرار وسلامة التزويد. إذا كانت محطة الطاقة الشمسية الخاصة متصلة بالشبكة الكهربائية العامة، بعد تلبية احتياجاتها الخاصة من الكهرباء، يمكن إعادة الكهرباء الزائدة إلى الشبكة الكهربائية العامة؛ وإذا كانت محطة الطاقة الشمسية الخاصة مستقلة عن الشبكة الكهربائية العامة، عندما يكون توليد الطاقة الشمسية غير كافٍ (مثل في الليل)، سيكون من الضروري تزويد الطاقة من خلال مصدر طاقة احتياطي (مثل مولد ديزل).