اختراعات

عواكس الطاقة الشمسية (Solar inverters )

عواكس الطاقة الشمسية (Solar inverters )

تُعتبر عواكس الطاقة الشمسية (solar inverters ) قلب النظام الكهروضوئي والمسؤول المباشر عن تحويل الموجة الكهربائية الثابتة (DC) إلى الموجة المترددة (AC) , والتي نحتاجُها بالضرورة في العصر الحديث لتشغيل التقنيات الكهربائية المتقدمة , سواء كانت تعمل على موجة (110v ) وتردد (60Hz ) كما في السعودية والولايات المتحدة الأمريكية , أم الموجة الكهربائية (220v ) وتردد (50Hz ) كما في الأردن ومصر وغالبية دول العالم .
برزت العديد من الشركات العملاقة التي تقوم بتصنيع العواكس الكهربائية لأنظمة الطاقة الشمسية ومنها الشركة  العملاقة (ABB) والتي تجتاح أجهزتها أغلب المحطات الكهروضوئية والمواقع الكهربائية حول العالم , وذلك بسبب التكنولوجيا العالية التي تقدمها وسعرها المناسب نوعاً ما مُقارنة مع غيرها , ويوجد أيضاً محولات الشركة الألمانية (SMA) ذات التقنية العالية والمرموقة والسعر المرتفع أيضاً , إضافة إلى دخول شركة (HUAWEI) الصينية إلى عالم الطاقة والتي تعمل أساساً في أنظمة الإتصالات المتنقلة , وغيرها من الشركات التي إستحدثت قسماً جديداً في تطوير أنظمة الطاقة المتجددة ومنها أيضا (KAKO) و(KOSTAL) والكثير .

عواكس شركة (ABB) مثالاً ومُقارنةً مع غيرها         

يُوجد لدى شركة (ABB) أكثر من نوع للعواكس الكهربائية , منها ما هو مختص بطاقة الرياح (WIND ENERGY) ومنها ما هو للطاقة الشمسية (SOLAR ENERGY) وعندما نتحدث عن الطاقة الشمسية فهُناك أكثر من تصنيف ضمن هذا الإطار من حيث حجم المحطة وتكنولوجيا الربط أو الحقن (PV Injection ) تبدأ أولها بما يعرف بتصنيف (Micro inverters) وهي مجموعة من العواكس التي يتم ربط الخلايا الشمسية فيها مباشرة دون أي تفرعات , حيث لا تحتوي على التوالي أو التوازي في أي عملية ربط كهربائي بين العاكس والخلايا , فيتم ربط طرف الخلية الموجب والسالب مرة واحدة فقط داخل العاكس ,وتحتوي هذه العواكس على خاصية تحسس احسن نقطة للقدرة الكهربائية واحدة فقط ( MPPT) وبكفاءة عالية نظراً لإستقرار الفولتية وتوافق سقوط الإشعاع الشمسي مع المساحة المتاحة والقليلة بطبيعة الحال وضمن زاوية ثابتة , ويمكن أن تكون قدرة النظام الشمسي بالواط وليس بالكيلو واط حيث أن الفولتية المحقونة تكون قليلة والتيار هو تيار اللوح الشمسي , وفي شركة (ABB) لا يزيد التصنيف عن( 2kWp  )لهذا التصنيف غالباً , ويمكن إستخدام هذا النوع في إنارة الشوارع أو في الأبحاث العلمية الصغيرة , أو في تشغيل الأجهزة الصغيرة والتي لا تحتاج لوجود الأحمال الحثية في بعض الأحيان .
أما التصنيف الثاني فهو ما يعرف ب (string inverters ) وهي العواكس الكهربائية التي تستقبل سلسلة من الخلايا الشمسية المتصلة مع بعضها على التوالي ثُم يُحقن مجموع الطرف السالب والموجب داخل العواكس مشكلةً نقطة ربط توازيا مع باقي المجموعة , حيث يمكن وجود 20 لوحاً شمسياً متصلةً مع بعضها البعض بالتوالي وأن يكون هنالك 4 مجموعات من هذه ال 20 لوحاً فيتم إيصالها جميعا داخل العواكس ,تتميز هذه العواكس بكفاءة عالية وهي الاكثر إنتشاراً حيث أن عاكس الطور الواحد (single phase) تصل كفاءته في شركة (ABB) الى 96.8% وله عدة احجام منها kWp2,2.5,3,3.6,4.2,5,6  حيث تُستخدم غالباً في البيوت الصغيرة ذات الاستهلاك الاعتيادي وفي الشقق السكنية ومناطق الإستهلاك المحدود ,وهي تحتوي على ( maximum power point tracking ) mppt  وعددها 2 وهذا يعطي أفضلية من حيث التصميم وسهولة في الربط مع الحفاظ على الكفاءة في معظم الاحيان ,ولكن هناك بعض العواكس الكهربائية التي تحتوي على 3 mppt مثل محولات kostal و kako .
وأما عواكس ( ABB) ذات الأطوار الثُلاثية (3 Phase) فتصل إلى حجم 27.6 kWp, وتم إستحداث عاكس جديد بقدرة 33kwp , ولكنه يحتوي على 1MPPT على عكس العواكس من نفس التصنيف كما ذُكر سابقاً ,وتُستخدم هذه الأحجام في المنشآت الكبيرة ذات الاستهلاك المرتفع كالمصانع والفلل والمباني الكبيرة والمدارس والمساجد وغيرها من الأماكن التي تحتاج إلى خدمات متواصلة .
عمل انفيرتر
تتميز هذه العواكس بخاصية مهمة جداً وهي (transformer less ) حيث لا تحتوي على محول داخلي ( AC to AC) كما كانت العواكس القديمة ,ويتم التحويل هُنا على مرحلتين , الأولى يتم فيها تحويل (DC to DC convert) حيث يقوم فيها mosfet chopper بتحويل الموجة الكهربائية DC إلى أُخرى ذات قيمة مختلفة , مع العلم أن فولتية الحقن من الألواح الشمسية قد تصل الى 1000 فولت في أغلب عواكس الطاقة الشمسية , ثم بعد ذلك يتم التحويل من (DC to AC ) عن طريق دارة العواكس المعروفة والتي تحتوي في ابسط حالاتها على ديودات وظيفتها الرئيسية (freewheeling to remove storage energy) وهي التخلص من الطاقة الزائدة عند فتح واغلاق الطريق أمام الموجات الكهربائية , كما تحتوي على الترانزستورات ومكثفات ومواسع .
إن عملية الفتح والإغلاق للدوائر الكهربائية في العواكس تؤدي إلى حدوث تشوهات في الموجة الكهربائية وهو ما يعرف ب (Harmonics) , إلا أن ما يميز عواكس ABB هو إنخفاض نسبة التشوه حيث تصل في الطور الواحد الى اقل من 3.5% وفي الاطوار الثلاثية الى اقل من 3% وهذه ميزة في عواكس هذه الشركة , حيث أن غيرها تجد فيها نسبة التشوه تصل الى 5% مثل عواكس شركة kako.
أما من ناحية الحماية للعواكس الكهربائية (protection) وهذا شيء مهم جداً في عالم الكهرباء , فيمكن زيادة الحماية بزيادة سعر الشراء , حيث يوجد اجهزة تحتوي على حماية من زيادة الفولتية (over voltage) مزودة بمانعة صواعق تيار القصر (short current) مزودة بفيوزات , كما أنها تتميز بتحمل درجة الحرارة  ما بين ( -25 c , 60 c) (-13f,140f) , ولكن وزنها ثقيل حيث يصل إلى (70kg) وبعضها خفيف يصل إلى (17kg) كما في الطور الواحد.
أما من ناحية الضجيج (noise emission) فهي متوسطة نوعاً ما حيث تصل الى اقل من 50dB على بعد متر واحد , وهي افضل مما صنعته شركة KAKOحيث تصل عواكسها الى 65dB , مع أفضلية واضحه لشركة HUAWEI التي تصل فيها نسبة الضجيج الى 29dB على بعد متر واحد أيضاً.
وأما التصنيف الثالث فهو يعرف ب (CENTRAL INVERTERS) وهذا يستخدم عادة في المحطات الكبيرة والتي تزيد فيها عن 1 ميجا واط ولكن يوجد منها بالكيلو واط ويستخدم قليلاً , وهنا يتم توصيل العديد من الألواح الشمسية إلى مجمعات صغيرة تزداد عندها قيمة التيار الكهربائي ثم يتم سحب طرفاً سالباً وآخر موجباً إلى MPPT , وهنا لابد من ملاحظة استقرار الفولتية ايضا على 1000 فولت بينما قد يصل التيار الكهربائي الى اكثر من 1500 امبير , ولكن لا يفضل استخدام هذا النظام كونه غير مناسب مع الاعطال التي تحدث داخل المحطة الشمسية حيث أنه ربما يجبرنا على ايقاف المحطة باكملها إن احتاجت للصيانة , على عكس التصنيف الثاني الذي يكفيه إغلاق عاكس واحد فقط دون الحاجة لفصل البقية .
إن تكنولوجيا العواكس الكهربائية تقدمت كثيراً , بقيت مهمة واحدة لابد من حلها في محطات الطاقة الشمسية , الا وهي آالية تخزين الفائض عن الحاجة من الطاقة الكهربائية وهو ما تتجه إليه غالبية الأبحاث في هذا المجال , ووجود بطاريات ذات كفاءة عالية في التخزين ومدة أطول يجعلنا نتقدم في تكنولوجيا الطاقة بشكل عام وليس الشمسية فقط .