تكامل الطاقة الشمسية: المحولات وأساسيات خدمات الشبكة

ما هي العاكسات؟

العاكس هو أحد أهم قطع المعدات في نظام الطاقة الشمسية. إنه جهاز يحول التيار الكهربائي المباشر (DC) ، وهو ما تولده الألواح الشمسية ، إلى تيار متناوب (AC) ، تستخدمه الشبكة الكهربائية. في التيار المستمر ، يتم الحفاظ على الكهرباء بجهد ثابت في اتجاه واحد. في التيار المتردد ، تتدفق الكهرباء في كلا الاتجاهين في الدائرة حيث يتغير الجهد من الموجب إلى السالب. العواكس هي مجرد مثال واحد لفئة من الأجهزة تسمىإلكترونيات الطاقة that regulate the flow of electrical power.

بشكل أساسي ، ينجز العاكس تحويل التيار المستمر إلى التيار المتردد عن طريق تبديل اتجاه إدخال التيار المستمر ذهابًا وإيابًا بسرعة كبيرة. نتيجة لذلك ، يصبح مدخل التيار المستمر ناتج تيار متردد. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام المرشحات والإلكترونيات الأخرى لإنتاج جهد يختلف كموجة جيبية نظيفة ومتكررة يمكن حقنها في شبكة الطاقة. الموجة الجيبية هي شكل أو نمط يصنعه الجهد بمرور الوقت ، وهو نمط الطاقة الذي يمكن للشبكة استخدامه دون الإضرار بالمعدات الكهربائية ، والتي تم إنشاؤها للعمل عند ترددات وجهود معينة.

تم إنشاء المحولات الأولى في القرن التاسع عشر وكانت ميكانيكية. على سبيل المثال ، سيتم استخدام محرك الغزل للتغيير المستمر سواء كان مصدر التيار المستمر متصلاً للأمام أو للخلف. اليوم نصنع مفاتيح كهربائية من الترانزستورات ، أجهزة صلبة بدون أجزاء متحركة. الترانزستورات مصنوعة من مواد شبه موصلة مثل السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم. يتحكمون في تدفق الكهرباء استجابة للإشارات الكهربائية الخارجية.

إذا كان لديك نظام شمسي منزلي ، فمن المحتمل أن يؤدي العاكس عدة وظائف. بالإضافة إلى تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة تيار متردد ، يمكنه مراقبة النظام وتوفير بوابة للتواصل مع شبكات الكمبيوتر. تعتمد أنظمة تخزين بطاريات Solar-plus على محولات متقدمة للعمل دون أي دعم من الشبكة في حالة انقطاع التيار ، إذا كانت مصممة للقيام بذلك.

نحو شبكة قائمة على العاكس

تاريخياً ، تم توليد الطاقة الكهربائية في الغالب عن طريق حرق الوقود وتوليد البخار ، والذي بدوره يقوم بتدوير مولد التوربينات ، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء. تنتج حركة هذه المولدات طاقة التيار المتردد أثناء دوران الجهاز ، والذي يحدد أيضًا التردد ، أو عدد المرات التي تتكرر فيها الموجة الجيبية. يعد تردد الطاقة مؤشرًا مهمًا لمراقبة صحة الشبكة الكهربائية. على سبيل المثال ، إذا كان هناك الكثير من الحمل - الكثير من الأجهزة التي تستهلك الطاقة - فسيتم إزالة الطاقة من الشبكة بشكل أسرع مما يمكن توفيره. نتيجة لذلك ، سوف تتباطأ التوربينات وينخفض ​​تردد التيار المتردد. نظرًا لأن التوربينات عبارة عن أجسام ضخمة تدور حول نفسها ، فإنها تقاوم التغيرات في التردد تمامًا كما تقاوم جميع الكائنات التغييرات في حركتها ، وهي خاصية تُعرف باسم القصور الذاتي.

مع إضافة المزيد من أنظمة الطاقة الشمسية إلى الشبكة ، يتم توصيل المزيد من المحولات بالشبكة أكثر من أي وقت مضى. يمكن أن ينتج التوليد المعتمد على العاكس الطاقة بأي تردد وليس له نفس خصائص القصور الذاتي مثل التوليد المعتمد على البخار ، لأنه لا يوجد توربين متضمن. نتيجة لذلك ، يتطلب الانتقال إلى شبكة كهربائية بها المزيد من المحولات بناء محولات أكثر ذكاءً يمكنها الاستجابة للتغيرات في التردد وغيرها من الاضطرابات التي تحدث أثناء عمليات الشبكة ، وتساعد على استقرار الشبكة ضد تلك الاضطرابات.

خدمات الشبكة والمحولات

يدير مشغلو الشبكة إمدادات الكهرباء والطلب على النظام الكهربائي من خلال توفير مجموعة من خدمات الشبكة. خدمات الشبكة هي أنشطة يؤديها مشغلو الشبكة للحفاظ على التوازن على مستوى النظام وإدارة نقل الكهرباء بشكل أفضل.

عندما تتوقف الشبكة عن التصرف كما هو متوقع ، كما هو الحال عند وجود انحرافات في الجهد أو التردد ، يمكن أن تستجيب المحولات الذكية بطرق مختلفة. بشكل عام ، المعيار للمحولات الصغيرة ، مثل تلك المتصلة بالنظام الشمسي المنزلي ، هو الاستمرار في العمل أثناء أو "الركوب" خلال الاضطرابات الصغيرة في الجهد أو التردد ، وإذا استمر الاضطراب لفترة طويلة أو كان أكبر من المعتاد ، سوف ينفصلون عن الشبكة ويغلقون. تعد استجابة التردد مهمة بشكل خاص لأن الانخفاض في التردد يرتبط بالتوليد في وضع عدم الاتصال بشكل غير متوقع. استجابة للتغير في التردد ، يتم تكوين المحولات لتغيير خرج طاقتها لاستعادة التردد القياسي. قد تستجيب الموارد القائمة على العاكس أيضًا للإشارات من المشغل لتغيير خرج طاقته نظرًا لتقلب العرض والطلب الآخرين على النظام الكهربائي ، وهي خدمة شبكة تُعرف باسم التحكم التلقائي في التوليد. من أجل توفير خدمات الشبكة ، تحتاج المحولات إلى مصادر طاقة يمكنها التحكم فيها. يمكن أن يكون هذا الجيل ، مثل الألواح الشمسية التي تنتج الكهرباء حاليًا ، أو التخزين ، مثل نظام البطارية الذي يمكن استخدامه لتوفير الطاقة التي تم تخزينها مسبقًا.

خدمة الشبكة الأخرى التي يمكن أن توفرها بعض المحولات المتقدمة هي تشكيل الشبكة. يمكن لمحولات تشكيل الشبكة بدء تشغيل الشبكة إذا تعطلت - وهي عملية تعرف بالبداية السوداء. تتطلب محولات "تتبع الشبكة" التقليدية إشارة خارجية من الشبكة الكهربائية لتحديد متى سيحدث التبديل لإنتاج موجة جيبية يمكن حقنها في شبكة الطاقة. في هذه الأنظمة ، توفر الطاقة من الشبكة إشارة يحاول العاكس مطابقتها. يمكن لمحولات تشكيل الشبكة الأكثر تقدمًا أن تولد الإشارة بنفسها. على سبيل المثال ، قد تقوم شبكة من الألواح الشمسية الصغيرة بتعيين أحد محولاتها للعمل في وضع تشكيل الشبكة بينما يتبع الباقي قيادتها ، مثل شركاء الرقص ، لتشكيل شبكة مستقرة دون أي توليد قائم على التوربينات.

الطاقة التفاعلية هي واحدة من أهم محولات خدمات الشبكة التي يمكن أن توفرها. على الشبكة ، فإن الجهد - القوة التي تدفع الشحنة الكهربائية - يتحول دائمًا ذهابًا وإيابًا ، وكذلك التيار - حركة الشحنة الكهربائية. يتم تعظيم الطاقة الكهربائية عند تزامن الجهد والتيار. ومع ذلك ، قد تكون هناك أوقات يكون فيها الجهد والتيار يتأخران بين نمطيهما المتناوبين كما هو الحال عند تشغيل المحرك. إذا كانت غير متزامنة ، فلا يمكن للأجهزة المتصلة امتصاص بعض الطاقة المتدفقة عبر الدائرة ، مما يؤدي إلى فقدان الكفاءة. ستكون هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة الإجمالية لإنشاء نفس القدر من القوة "الحقيقية" التي يمكن للأحمال امتصاصها. لمواجهة ذلك ، توفر المرافق طاقة تفاعلية ، مما يعيد تزامن الجهد والتيار مرة أخرى ويجعل استهلاك الكهرباء أسهل. لا تُستخدم هذه القوة التفاعلية نفسها ، ولكنها تجعل القوة الأخرى مفيدة. يمكن أن توفر المحولات الحديثة الطاقة التفاعلية وتمتصها لمساعدة الشبكات على موازنة هذا المورد المهم. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لصعوبة نقل الطاقة التفاعلية لمسافات طويلة ، تعد موارد الطاقة الموزعة مثل الطاقة الشمسية على الأسطح مصادر مفيدة بشكل خاص للطاقة التفاعلية.

أنواع العاكسات

هناك عدة أنواع من المحولات التي يمكن تركيبها كجزء من النظام الشمسي. في محطة مرافق واسعة النطاق أو مشروع للطاقة الشمسية المجتمعية متوسطة الحجم ، قد يتم إرفاق كل لوحة شمسية بلوحة واحدةالعاكس المركزي. سلسلة inverters connect a set of panels—a string—to one inverter. That inverter converts the power produced by the entire string to AC. Although cost-effective, this setup results in reduced power production on the string if any individual panel experiences issues, such as shading. Microinverters are smaller inverters placed on every panel. With a microinverter, shading or damage to one panel will not affect the power that can be drawn from the others, but microinverters can be more expensive. Both types of inverters might be assisted by a system that controls how the solar system interacts with attached battery storage. Solar can charge the battery directly over DC or after a conversion to AC.