المعرفة العلمية

مدونة المعرفة العلمية تختص بالهندسة الكهربائية و الطاقة المتجددة

Latest Post

 

حرب التيارات WAR OF CURRENTS

NICKOLA TESLA

         في أوائل ثمانينيات القرن التاسع عشر ، كان لدى عدد قليل فقط من الأثرياء إضاءة كهربائية في منازلهم. استخدم الجميع إضاءة أكثر خطورة ، مثل مصابيح الغاز. أرادت الشركات المتحمسة أن تكون أول من يزود المزيد من الأمريكيين بالكهرباء. سيضع مقدمو الخدمات الأوائل المعايير - ويحصدون أرباحا كبيرة . كان للمخترع توماس إديسون بالفعل دور رائد في اختراع أول مصباح كهربائي  موثوق. بحلول عام 1882 ، كانت شركة Edison Electric Light الخاصة به توزع الكهرباء باستخدام نظام يسمى التيار المباشر ، أو DC. لكن مخترعا يدعى نيكولا تيسلا تحدى إديسون إعتقد تسلا أن نظام التيار المتردد - أو AC - سيكون أفضل. مع نظام التيار المتردد ، وذلك للميزات العديدة للتيار المتردد حيث يمكن نقل الكهرباء ذات التيار المتردد الى مسافات بعيدة عبر رفع الجهد و تخفيضه عند أماكن المستهلكين.

       كان لكل مخترع مؤيديه وضع رجل الأعمال جورج ويستنجهاوس أمواله وراء تسلا وبنى محطات طاقة التيار المتردد وفي الوقت نفسه  قال إديسون ومؤيدوه إن التيار المتردد يمكنه بسهولة صعق الناس بالكهرباء معتقدا ان هذا سيغير الرائ العام تجاه فكره التيار المتردد و يرجح الكفة لتيار المستمر .

        أصبحت المعركة حول النظام الذي سيصبح رقماً قياسياً تعرف باسم حرب التيارات. إن نجاح نظام التيار المتردد جعله الخيار الانسب للاستخدامات الكبيرة مثل نظم توليد الطاقة وتوزيعها  وهذا اثر بشكل هائل علي تطور الكهرباء والتكنولوجيا الحديثة اذ اصبح نظام التيار المتردد الاساس في الانظمة الكهربائية العالمية . الي جانب تقدم التكنولوجيا فقد احدث صراع التيارات تحولا في التفكير حيال نقل واستخدام الطاقة  وساهم  في توسيع الفهم العلمي للطاقة الكهربائية واساليب توزيعها.

المصادر:-

War of the Currents: Thomas Edison vs Nikola Tesla (Scientific Rivalries and Scandals)

Published August 1st 2012 by Twenty-First Century Books

Illustrated, Library Binding, 64 pages

Author(s):

Stephanie Sammartino McPherson


مفاتيح الحماية الكهربائية

معامل القدرة الكهربائية Power Factor

المحتويات:

1.1.مقدمة

2.1أنواع الأحمال الكهربائية

3.1مفهموم القدرة الفعالة و غير الفعالة و مثلث القدرة الكهربائية

4.1معامل القدرة و معادلته الرياضية

5.1.تأثيرإنخفاض معامل القدرة 


1.1. مقدمة

         معامل القدرة الكهربائية أو معامل الاستطاعة الكهربائية power factor  هو عامل يمثل كفاءة القدرة الكهربائية و له  قيمة نسبية تترواح بين 1 و 0 حيث الرقم 1 يمثل القيمة المثالية و دائماً مطلوبة للتشغيل الآمن للشبكة الكهربائية و تعني أن كل القدرة الكهربائية مستفاد منها لا توجد فقودات  , بينما يمثل الرقم 0 أقل قيمة له و تعني أن كل القدرة الكهربائية غير مستفاد منها كلياً أي أنها فقودات. هذا العامل ظهر نتيجة لسلوك الأحمال الكهربائية في الأحمال لها أنواع تختلف في سلوكها مع التيار المتردد كما سيتضح ذك في مقال اليوم عن شرحنا لمعامل القدرة فتابعونا.

2.1. أنواع الأحمال

     بصورة عامة تنقسم الاحمال الى نوعين أحمال خطية و أحمال غير خطية , يمثل النوع الأحمال المقاومية (مقاومة فقط أو أحيانا تعرف الأحمال الأومية نسبة لوحدة المقاومة أوم ) و يمثل النوع الاخر الاحمال السعوية (المكثفات) و الاحمال الحثية ( الملفات ). اذاً ما الرابط بين انواع الاحمال و معامل القدرة ؟ حسناً , علينا ان نعلم ان التيار الكهربائي سلوك مختلفاً مع كل نوع من الاحمال اعلاه ففي حالة الأحماال الخطية يسلك التيار الكهربائي شكل الموجة الجيبية و تكون الزاوية بين موجته و موجة الجهد صفر , بينما تكون موجة التيار متأخرة أو متقدمة عن موجة الجهد في حالة الاحمال غير الخطية بزاوية 90 درجة.

3.1. مفهوم القدرة الفعالة و غير الفعالة Active Power and Reactive Power Concept :

           اذا كان لدينا قيمة تيار متردد و جهد متردد مضروبان ببعضهما فالمحصلة هي قدرة كهربائية (P=I*V) لكن هذه المعادلة تصلح اذا كان لدينا حمل مقاومي فقط (مقاومة فقط ) و لا في الحقيقة عادة الاحمال هي خليط بين الاحمال الخطية و غير الخطية فان المعاادلة السابقة تكتب :

                                                                  P=I*V*cosQ 

القيمة P  تعرف بالقدرة الفعالة Active Power  و تقاس بالكيلو واط kW و هي القيمة المستفادة من مجموع القدرة الداخل للحمل او الشبكة لان هناك مقدار من القدرة يتحول الى حرارة و فقودات يسمى بالقدرة غير الفعالة Reactive Power رمزه Q  وتقاس بالكيلو فار kVAr و مجموع القدرتين يمثل القدرة الكلية او ما تسمى بالقدرة الظاهرية Apparent Power و رمزها S ووحدتها الكيلو فولت .أمبير kVA. الشكل الرياضي ادناه يمثل العلاقة بين القدرات الثلاث و يعرف بمثلث القدرة Power Triangle [1]  :


مثلث القدرة


المقدار V I cosQ يمثل القدرة الفعالة بينما يمثل المقدار V I SinQ القدرة غير الفعالة و مجوع هذين المقدارين هو القدرة الكلية او الظاهرية  S=P+Q  او *S=V I حيث قيمة التيار قيمة متجهة والجمع يتم اتجاهياً و ليس جبرياً.

4.1معامل القدرة و معادلته الرياضية

 
         مما يسبق يمكن تعريف معامل القدرة على أنه جيب تمام الزاوية بين التيار و الجهد في التيار المتردد او هو هو عبارة عن النسبة بين القدرة الفعالة و الظاهرية [1].

Power Factor = Cos Q 
P (kW) / S(kVA) =                                          

حيث Q هي الزاوبة بين موجة التيار و الجهد و P , S هي القدرة الظاهرية و الفعالة على الترتيب.

5.1.تأثيرإنخفاض معامل القدرة

  1. واضح من المعادلة S=P/P.F ان القدرة الظاهرية تتناسب عكسياً مع معامل القدرة اي ان انخفاض معامل القدرة يؤدي الى زيادة القدرة S , و اغلب المعدات الكهربائية كالمحولات و اللألات الكهربائية الكهربائية الاخرى تقيم بوحدة الkVA , بمعنى اخر معامل قدرة منخفض يزيد حجم الالات الكهربائية و بالتالي التكلفة .
  2. انخفاض معامل القدرة يؤدي الى زيادة التيار في الموصلات و بالتالي حرارة عالية تتولد في الموثل قد تؤدي الى تلف كامل للموصل.
  3. يؤدي لزيادة الفقودات النحاسية نسبة لزياة التيار I2R
  4. انخفاض معامل القدرة (lagging) يؤدي الى هبوب الجهد المنتج من المولد و بالتالي هبوطه ايضاً عند نهاية خطوط النقل و في الموزعات و هذا يتطلب اجهزة تنظيم جهد Voltage Regulator.


عن مسببات معامل القدرة و كيفية تحسينه فسيكون لنا مقال اخر باذن الله تعالى.

تحياتي :-

م.ياسين سليمان

يمكن متابعتنا عبر وسائل التواصل التالية:

قناة المعرفة العلمية على اليوتيوب

صفحة المعرفة العلمية في فيس بوك


نسعد ونرحب بآرائكم و تعليقاتكم عن الموضوع و الموضوعات الاخرى بما فيها إقتراحاتكم القيمة من أجل إثراء جو تبادل المعرفة و الخبرات عبر صندوق التعليقات أدناه.

المصدر:

[1] V.K Mehta Principles of Power System

__________________________________________________________________________________

حقوق الطبع و النشر@  المعرفة العلمية 2021


الخلية الشمسية

كفاءة الخلية الشمسة الكهروضوئية Solar Cell Efficiency

الخلية الشمسية تعمل على تحويل ضوء الشمس او الاشعاع الشمسي solar irradiance الى كهرباء , لكن ليس كل مقدار الاشعاع الشمسي الذي يسقط على سطح الخلية يتم تحويله الى كهرباء , و هذا ما يعرف بكفاءة الخلية الشمسية اي نسبة تحويل الخلية للاشعاع الشمسي الى كهرباء اي النسبة بين قدرة الدخل التي هي الاشعاع الشمسي الى قدرة خرج الخلية[1].أقصى كفاءة للالواح الشمسية المستخدمة عملياً في حدود اقل من 20% , هناك ارقام اعلى من هذا الرقم لكن مازالت في المختبر او ذات استخدام في تطبيقات خاصة كالفضاء.

 تُحسب كفاءة الخلية وفقاً للمعادلتين التاليتين:

قانون الكفاءة

قانون كفاءة الخلية الشمسية
حيث:
(Pm- maximum power (watt
(Pin- input power (Watt
( Vm- maximum voltage (Volt
(Im -maximum current (Amp
(I- solar intensity (watt/m
 (A- area (m2

1.1. عوامل تؤثر على كفاءة الخلية

         هناك عوامل مختلفة و عديدة تؤثر على كفاءة الخلية الشمسية الكهروضوئية و بالتالي القدرة الكهربائية المنتجة بواسطة الخلية الشمسية. إن الفوتون photon ذي الطاقة المنخفضة أقل من طاقة الربط band gab energy لا يمكنه توليد ثغرة الكترون و بالتالي لا يولد كهرباء لكن هذا المقدار الضئيل من الطاقة يولد حرارة في الخلية الشمسية مما يقلل كفاءتها.بينما الفوتونات ذات الطاقة اعلى من طاقة الربط band gab energy  فقط جزء قلل من طاقته يُستخدم لتوليد إلكترون و المتبقي من الطاقة يتحول إلى حرارة أيضاً مما يقلل كفاءة الخلية[1].
       عندما يسقط الاشعاع الشمسي على سطح الحلية الشمسية بعض منه ينعكس الى الفضاء و بعضه تُمتص بواسطة الخلية و هذا هو الجزء المستفاد في توليد الكهرباء, اذاً هناك فقدان للاشعاع الشمسي بطرق مختلفة و كل ذلك يقلل فرص الاستفادة بشكل كامل من الاشعاع الشمسي[1].

2.1.(Packing Factor (PF

   المقصود به المساحة التي تشغلها الخلايا في اللوحة الشمسي الى مساحة اللوح الشمسي. بمعنى أن مساحة اللوح الشمسي لا تمثل مساحة الخلايا ككل و ذلك لان هنا مسافة بين الخلايا بالاضافة الى حواف اللوح نفسه فهي مشغولة بمواد لحماية الخلايا واللوح من التلف و الكسر [1].

لوح شمسيخلية شمسية


المساحة المغطية بالخلايا= مساحة الللوح * (Packing Factor (PF

المساحة بين خليتين = (1-PF) * مساحة اللوح الشمسي

        الخلايا شبه الشفافة أكثر كفاءة semitransparent  من الألواح المعتمة opaque و ذلك لان الطاقة غير المستخدمة فقط هي التي تسبب ارتفاع في درجات الحرارة و بالتالي تؤثر على الكفاءة لكن بشكل اقل من نظيرتها النوع المعتم opaque.بينما الطاقة بين الفراغ بين كل خليتين متجاورتين يتم نققله خارج مما يساعد في خفض درجات حرارة الخلية المحيطة.فقط تزيد الفقودات العليا و السفلى اكثر من نظيرتها شبه الشفافة [1].
         بالنسبة للخلايا المعتمة opaque الاشعاع الساقط بين خليتين يتم عكسها مما يزيد الحرارة المتولدة , الفقودات العليا و السفلى للخلية اقل من نظيرتها شبه الشفافة , لكن سقوط هذا الاشعاع في المساحة بين خليتين متجاورتين في الخلايا التقيدية ( المعتمة ) يولد حرارة ويجعلها تتوهج بينما في النوع شبه الشفاف من اللالواح الشمسية يولد حرارة فقط.

مثال :

 احسب القدرة القصوى و الكفاءة للخلية الشمسية ذات المواصفات التالية

- Voc= 0.24 volt, Isc= 10mAmp, Vm= 0.14 volt, Im= 6.5 mAmp., Intensity = 24 W/m2 , Area= 4 cm2

الحل
بالتطبيق المباشر في العلاقات الرياضية اعلاه نحصل على 


Pm = Vm × Im = 0.91 m Watt


مثال حساب كفاءة الخلية الشمسية
في حالة المراد حساب الكفاءة للوح الشمسي تؤخذ مساحة الخلايا وليس مساحة اللوح.



يمكن متابعتنا عبر وسائل التواصل التالية:

قناة المعرفة العلمية على اليوتيوب

صفحة المعرفة العلمية في فيس بوك


نسعد ونرحب بآرائكم و تعليقاتكم عن الموضوع و الموضوعات الاخرى بما فيها إقتراحاتكم القيمة من أجل إثراء جو تبادل المعرفة و الخبرات عبر صندوق التعليقات أدناه.

المصدر :
_________-
[1] SOLAR ENERGY Fundamentals, Economic and Energy Analysis, First Edition ,Saurabh Kumar Rajput, Northern India Textile Research Association , 2017.
__________________________________________________________________________________

حقوق الطبع و النشر@  المعرفة العلمية 2020


ندوة webinar عن الطاقة الشمسية الكهروضوئية في السودان 

     أقيمت الندوة أفتراضياً (عبر zoom ) و تناولت موضوع الطاقة الشمسية الكهروضوئية في السودان الذي يعتبر واحد من أغنى المناطق بالاشعاع الشمسي العالي ,و سلطت الندوة الضوء على الامكانات و أهم الأسباب التي تعيق تقدم البلاد في الانتقال نحو الطاقة الشمسية.
   نظمت الدورة بواسطة مجموعة باور العلمية  SCIENTIFIC POWER GROUP , SPG و هي مجموعة مختصة بمجال الكهرباء و تضم عدداً من المهندسين و الخبراء و المتحدث فيها المهندس و الباحث في الطاقات المتجددة  ياسين سليمان عبدالله (مؤسس موقع المعرفة العلمية).

محاور الندوة webinar

  • مقدمة عن الطاقة الشمسية 
  • مختصر تعريف بأهم مكونات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الرئيسية
  • تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية
  • تناول أهم استخدامات الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل مختصر مع ذكر لأهم التطبيقات 
  • الكفاءة و التكلفة للطاقة الكهروضوئية 
  • كما هو معلوم الكفاءة المنخفضة و التكلفة العالية أهم سببين يعيقان عملية انتشار الطاقة الشمسية في البداية الى ان تطورت التكنلوجيا و انخفضت التكاليف بشكل كبير جدا فأصبحت الطاقة الشمسية في انتشار كبير , تناولت المحاضرة قصة تطور و زيادة الكفاءة و انخفاض التكاليف عبر السنوات الاخيرة بالمخططات و الرسوم البيانية.
  • الامكانيات و التحديات التي تواجه الطاقة الشمسية الكهروضوئية في السودان
  • إقتراحات 
  • أهم المنصات العلمية للباحثين عن تطوير مهاراتهم في الطاقة الشمسية و الطاقات المتجددة.

يمكن متابعتنا عبر وسائل التواصل التالية:

قناة المعرفة العلمية على اليوتيوب

https://www.youtube.com/channel/UCpD51xop4CLXVJAHvhPGBLQ?view_as=subscriber


صفحة المعرفة العلمية في فيس بوك

https://www.facebook.com/scientificknowledge123

نسعد ونرحب بآرائكم و تعليقاتكم عن الموضوع و الموضوعات الاخرى بما فيها إقتراحاتكم القيمة من أجل إثراء جو تبادل المعرفة و الخبرات عبر صندوق التعليقات أدناه.


___________________________________________________________________________________

حقوق الطبع و النشر@  المعرفة العلمية 2020

الانفرتر Inverter

          هو الوحدة التي تعمل على تحويل جهد خرج الالواح الشمسية المستمر الى جهد متردد بغرض تشغيل الاجهزة المنزلية و غيرها التي تعمل بجهد متردد.
ا        لانفرتر لها عدة انواع (انقر هنا للرجوع الى مقال انواع الانفرتر المستخدمة في الطاقة الشمسية الكهروضوئية) في الفيديو اعلاه يتحدث عن أهم الفروقات بين ما يمسى string inverter و الانفرتر المستخدم في مضخات الري الزراعي او الري بشكل عام المسمى Solar Pump Inverter, أيضاً في مقدمة الحديث يوضح كيفية قراءة لوحة بيانات المحرك (الديباجة ) nameplate للمحرك وذلك لتوضيح ما اذا كان المحرك يقبل تغيير السرعة ام لا لأن بعض محركات المضخات غير متوافقة لتشغيلها عبر انفرتر VFD او مغير السرعة لذلك من الضروي معرفة ذلك.

لمزيد من الفيديوهات عن مواضيع أخرى متعلقة بالطاقة الشمسية يمكن متابعتنا بالاشتراك عبر قناة المعرفة العلمية في يويتوب على الرابط التالي:-
https://www.youtube.com/channel/UCpD51xop4CLXVJAHvhPGBLQ?view_as=subscriber
كما نرحب بآرائكم و إقتراحاتكم في الموضوع أو مواضيع تودون طرحها عبر موقع المعرفة العلمية عبر صندوق التعليقات أدناه.

تقديم المحاضرة:
مهندس : ياسين سليمان عبدالله

___________________________________________________________________________________

حقوق الطبع و النشر@  المعرفة العلمية 2020

مجموعة الواح شمسية مظللة جزئياً

الظل Shade وتأثيره على الطاقة الشمسية الكهروضوئية

          الظل أو التظليل بشكل عام يعتبر عامل مؤثر جداً على إنتاجية الطاقة الشمسية و هناك عدة أجسام تسبب الظل مثل الأجسام المجاورة للألواح الشمسية كالمباني و الأشجار المجاورة و ورق الأشجار و مخلفات الطيور و الأتربة و المدخنة chimney وأقطاب مانعات الصواعق وغيرها من الأجسام الاخرى , بشكل عام كل جسم حول الألواح الشمسية يسبب ظل ما لم يؤخذ في الحسبان[2]. الملاحظ بعض أنواع الظل الناتج من أجسام كالاتربة و مخلفات الطيور و وورق الأشجار يمكن معالجتها بالنظافة المنتظمة للالواح و البعض الاخر يجب أخذه في الاعتبار عند التصميم و الحسابات. 

تأثير التظليل على منظومة الطاقة الشمسية

                  لنفترض لدينا 6 خلايا شمسية موصلة على التوالي كما بالشكل (1) , و احدي الخلايا مظللة جزئياً بورقة شجرة و كما هو معلوم فإن التيار في التوصيل على التوالي  له مسار واحد كما مبين بالشكل و التيار المار في المسار هو أقل تيار تنتجه خلية واحدة بمعنى آخر اقل تيار تنتجه اي خلية من الخلايا الست هو التيار الكلي و في حالة التظليل الجزئي لاحدى الخلايا فان اقل تيا هو الذي يسري في الدائرة ما يعني انخفاض كبير جداً في قيمة الطاقة المنتجة بفعل التظليل الجزئي[1].


6 خلايا موصلة على التوالي

شكل (1): ست خلايا موصلة على التوالي و حمل موصل R

        الشكل (2) يوضح منحنى التيار-الجهد I-V Curve للخلايا الخمس الأخريات غير الظللة و الخلية المظللة , اذا وصلنا حمل ثابت R (كما بالشكل 1) فان فرق الجهد يقل بشكل كبير بسبب انخفاض التيار المنتج نتيجة أثر الظل الجزئي على احدى الخلايا الست و هذا يجعل الخلايا الخمس غير المظللة أن تعوض الهبوط الناتج بسبب ذلك فتعمل كمصدر تحييز الخلية المظللة جزئياً reverse biasing. الخط المتقطع يمثل الانحياز العكسي للخلية الوحيدة المعرضة لتأثير الظل, بينما منحنى الخلايا الخمس غير المظللة يبدأ عند المحور الرأسي عند النقطة 0 V, الخلية المظللة لا تنتج طاقة فهي اصبحت كحمل , و نتيجة لسريان التيار فيها بصورة عكسية من الخلايا غير المظللة الخمس فإنها تبدأ تسخن رويداً رويداً حتى تصل مراحل حرجة تتشق فيها مواد الخلية و تتآكل مع نقصان الطاقة المنتجة ككل عبر اللوح الشمسي[1] وأيضاً يسبب البقع الساخنة.

مخطط التيار الجهد للخلايا الشمسية و تاثير الظل
شكل (2): منحنى I-V curve للخلايا الخمس غير المظللة و الخلية المظللة

      لتفادي مشكلة كهذه يتم تركيب ثنائي (دايود) يسمى bypass diode يوصل بالتوازي مع الخلايا ليوفر مسار بديل في حال تعرض احدى الخلايا لمشكلة كهذه (الشكل 3) , مثلاً عند تعرض احدى الخلايا لظل جزئي فان الدايود يوفر مسار بديل لمرور التيار  بدل ان يمرالتيار عكسيا عبر الخلية المظللة و يحدث اثار عليها[1].

توصيل دايود لحماية الخلايا من تاثير الظل الجزئي

شكل (3): استخدام bypass diodes لتقليل اثر الظل الجزئي

كيفية تجنُب الظل

          احدى الطرق المستخدمة لتقليل آثار الظل الجزئي أو الظل بشكل عام, كما ذكرنا يتم تركيب دايود bypass diode  للخلايا في اللوح الواحد و أحياناً يتم استخدام دايود لمجموعة من الالواح array لمنع سريان التيارمن المجموعات غير المظللة إلى  المجموعة المتأثر بالظل يسمى blocking diode, و أيضاً يجب تجنب ظل الصف الأمامي على بقية الصفوف ويتم ذلك بالحسابات (سنتعرف عليها لاحقاً إن شاء الله ) و كذا كل الاجسام المجاورة للالواح الشمسية و اذا كان لابد من وقوع الظل يجب ان يكون أقل ما يمكن و حماية الجزء المظلل من تأثير الظل عبر Blocking diode أو استخدام micro-inverter للالواح او اي طريقة أخرى لحمايتها فكما رأينا في السابق تأثير الظل الجزئي[2].


___________________________________________________________________________________

المصادر

[1] Solar Energy Fundamentals, Technology, and Systems, Klaus Jäger et al,  Delft University of  Technology, 2014  

[2] Investigating the Impact of Shading Effect on the Characteristics of a Large-Scale Grid-Connected PV Power Plant in Northwest China (paper), Yunlin Sun, et al, Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume , 2014


حقوق الطبع و النشر@  المعرفة العلمية 2020




الجزء الاول

تأثير درجة الحرارة الانفرتر:

         معلوم عند زيادة درجات الحرارة يقل الجهد المنتج بواسطة  الخلايا الشمسية , و عند درجات الحرارة الباردة يزيد هذا الجهد اي انه يتناسب تناسب عكسي مع درجة الحرارة ما يؤثر في عمل الانفرتر و قد يؤدي الى ايقافه عن العمل في حالة قل عن القيمة المحددة او يؤدي الى تلفه و تلف الاجهزة المتصلة به عند زيادة الجهد , فكيف يتم تفادي ذلك عند اجراء الحسابات و تصميم نظام شمسي كهروضوئي لاختيار انفرتر مناسب.
 

المواضيع التي تغطيها المحضرة (الجزء 1+2) هي : 

  • مقدمة لكيفية عمل الانفرتر بشكل عام.
  • أنوعه في نظام الطاقة الشمسية.
  • قراءة بيانات او مواصفات الانفرتر بشكل صحيح Datasheet.
  • تأثير درجة الحرارة على التشغيل للآمن للانفرترمع الأمثلة.
  • إختيار الانفرتر بالشكل الصحيح مع الوضع في الاعتبار ارتفاع و انخفاض درجة الحرارة في الموقع المعين لتركيبه.



الجزء الثاني

مقدم المحاضرة :
مهندس ياسين سليمان 
بكلاريوس في الهندسة الكهربائية خبرة اكثر من اربع سنوات و مؤلف و مؤسس موقع المعرفة العلمية

للمزيد من الفيديوهات عبر 
1.قناة  المعرفة العلمية في يوتيوب على  الرباط 

2. عبر صفحة المعرفة العلمية على فيس بوك
_______________________________________________________________________________

حقوق الطبع و النشر@ مدونة المعرفة العلمية 2020


 string solar inverter from SMA


الشكل (1) : string inverter

انفرترات الطاقة الشمسية photovoltaic inverters

تمهيد:

            رحلة الطاقة الشمسية المولدة باستخدام الالواح الشمسية لا تنتهي بمجرد تحويل ضوء الشمس الى كهرباء , فالالواح تقوم بتحويل ضوء الشمس الى كهرباء لكن كهرباء ذات تيار مستمر Direct Current DC , و اغلب الاجهزة المنزلية تعمل بتيار متردد Alternating Current AC , فللربط بين النظامين المستمر و المتردد نسيتخدم جهاز وسيط يعمل على تحويل جهد خرج الالواح الشمسية المستمر الى جهد متردد لكي يستفاد منه في تشغيل الاجهزة و المعدات الكهربائية فهذه هي وظيفة جهاز الانفرتر او العاكس inverter, فهو بمثابة القلب النابض للانظمة الشمسية و حتى طاقة الرياح التي بعضها يولد جهد مستمر فيعمل الانفرتر على تحويله الى جهد متردد.

الانفرتر Inverter

          هو الجهاز الذي يعمل علىى تحويل التيار المستمر الى تيار متردد. ربما هو حلقة الوصل الوحيدة تقريبا التي جمعت التيارين المستمر و المتردد فيما يمسى قديما بحرب التيارات بين توماس اديسون  و نيكولا تسلا. لتصميم نظام طاقة شمسية كهروضوئي و تحقيق الاستفادة القصوى منه و بشكل آمن يجب ان تتوفر بعض المواصفات التي تحقق ذلك. يجب ان يكون الانفرتر ذو كفاءة عالية و الكفاءة هي تعني النسبة بين قدرة خرج الانفرتر قدرة دخل الانفتر كلما كانت القمية اقرب للوحدة ( 100%) كانت افضل لكن عمليا لا يمكن تحقيق ذلك بسبب الفقودات التي تحدث داخل مكونات الانفرتر الالكترونية.

SMA inverter datasheet

الشكل (2)[2]: SMA inverter datasheet

        واضح من البيانات اعلاه ان هناك تحسَن كبير في كفاءة الانفرتر حتى وصلت 97%  , وهذا شيء جيد يساعد في الاستفادة القصوى من الطاقة الشمسية و يقلل التكاليف.

أنواع الانفرترات في الطاقة الشمسية الكهروضوئية :

         فيما يلي انواع الانفرترات و اهم الخصائص لكل نوع مع الرسم التوضيحي في الشبكة[1].


Types of photovoltaic inverters

1. الانفرتر السلسلة String Inverter

          في هذا النوع من الانفرترات يتم وصل كل سلسلة من المجموعات مع بعضها على التوازي ثم تربط بافرتر واحد
              كما هو واضح في الرسم اعلاه يتم ربط كل مجموعة مجموعة من الالواح الشمسية على التوالي ثم كل مجموعة تربط مع انفرتر خاص بها و خرج كل المجموعات يغذي قضيب Busbar ثم الى الشبكة او الحمل.
           و عند التصميم يجب مراعاة ان لا يتجاوز قيم تيار القصر للسلسلة او المجموعة تيار دخل الانفرتر الاقصى و كذلك يجب مراعاة جهد تشغيل الانفرتر الادنى start-up voltage or turn on voltage و الجهد الاقصى, يستخدم في التطبيقات المنزلية, و نذكر من ممزات هذا النوع الموثوقية العالية ففي حالة فقدت مجموعة او سلسلة بسبب ظل او تلف احد الالواح ستعمل المجموعات الاخرى[1].

2.الانفرتر المتعدد السلسلة Multi-string inverter

           جاءت فكرة هذا النوع لتحقق فوئد string inverter و و تقلل تكلفة استخدام central inverter العالية , فكما واضح في الشكل يتم ربط كل سلسلة من الالواح بمحول تيار (DC to DC) ويحتوي هذا المحول على متتبع القدرة القصوى Maximum Power Point Tracker or MPPT ثم يؤخذ خرج كل سلسلة عبر محول DC to DC الى بسبار ثم الى عاكس او انفرتر ثم الى الشبكة او الحمل , و يرعاة فيه نفس ما ذكر في الحالة الاولى.يستخدم في نطاق المنزلى و التجاري و من مميزات هذا النوع يستطيع تتبع اقصى قدرة مع ميزة الموثوقية التي في النوع الاول[1].

3.الانفرتر المركزي Central Inverter

                   في هذا النوع يتم ربط خرج كل سلسلة من الالواح على التوزي في قضيب busbar ثم الخرج النهائي يوصل الى انفرتر واحد كبير الحجم, و يتميز ايضاً بالقدرة الكبيرة هذا الانفرتر و يستخدم في الغالب في المشاريع الكبيرة utility-scale projects و خرجه يوصل الى محول رافع ثم الى المستهلكين , من عيوبه غالى الثمن و عدم الموثوقية ففي حالة حدوث عطل فيه تخرج كامل المحطة[1].
central inverter

الشكل (3) : central inverter

4.الانفرتر الصغير micro-inverter or module inverter

                في هذا النوع يربط كل لوح مع انفرتر صغير الحجم و وتوصل لاحقا خرج كل لوح (خرج AC) في بسبار واحد ثم الى الحمل , من مميزات هذا النوع في حالة الظل يخرج اللوح عن الخدمة و بالتالي حماية اللوح لان تأثير الظل مدمر للخلايا بانشاءة الثقوب و وقد تحترق الخلايا بفعل الظل الجزئي, و من فوئده ايضاً الايقاف السريع rapid shut down و هو مهم كما سياتي لاحقا, الميزة الثالثة يركب هذا الانفرتر من قبل الشركة المصنعة للالواح نفسها يعني توافقية compatibility تامة و تحقيق maximum optimization و ايضا الموثوقية العالية حاضرة في هذا النظام وبدرجة اكبر لان كل لوح يعتبر مستقل بذاته كما واضح في الرسم اعلاه [1].

micro inverter

الشكل (4):micro inverter
         

 مواصفات يجب ان تتوفر في الانفرتر :

  1. الكفاءة يجب ان نختار الانفرتر ذو الكفاءة العالية دائما كما سبق[1].
  2. يجب ان يتوفر في الانفرترات التي تعمل في المنظومة الموصلة مع الشبكة on-grid system يجب ان يتوفر فيها حماية تفصل في الحال و تعرف بislanding  عندما لا تكون الكهرباء العامة متوفرة , و الهدف من ذلك هو حماية العاملين في الصيانة في خطوط توزيع الكهرباء العامة[1]. في امريكا و بعض البلدان الاخرى توصي بوجود اجهزة الفصل السريع rapid shut down .
  3. يجب الانتباه الى مقدار التوافقيات التي يصدرها الانفرتر ان تكون اقل ما يمكن , لان التوافقيات تؤثر في الشبكة الكهربائية (في شكل موجة الجهد) و كذلك تشوش على اي جهاز يستخدم الموجات في العمل كالراديو. في هذا الشأن تشترط بعض الدول ان تكون موجة الخرج جيبية pure sine wave  وليست مربعة كما هو الحال في بعض انواع الانفرترات التي تعمل في النظام المعزل عن الشبكة off-grid system or stand alone system.
  4. يجب ان تتوافق ظروف عمل الانفرتر للمكان المختار له, على سبيل المثال الانفرتر indoor   لا يمكن تشغيله outdoor لانه ببساطة لا يتحمل الظروف الخارجية من حرارة و اتربة و رطوبة و غيره. بخصوص هذا الشأن المصنع يوضح درجة حرارة تشغيل العاكس و بالنسبة للرطوبة و الاتربة توضح بكتابة (مثلا  IP56 ) فالرقم الاول (وهو 5) يشير الى درجة حماية الجهاز من الاتربة و الرقم الثاني (وهو 6) يشير الى درجة حماية الجهاز من الرطوبة و الماء بشكل عام و كلما كانا هذين الرقمين اكبر زادت درجة الحماية [1].
  5.  ان يكون مصمم للعمل بضمان 20 سنة .
  6. ان يكون هاديء ولا يصدر ضجيج عند التشغيل (صوت الازيز)[1].
  7. و لتحقيق تشغل مثالي للمنظمة يجب اختيار انفرتر من الشركة المصنع للالواح الشمسية او احد شركاءها المعتمدين على سبيل المثال شركة Trina هي مصنع الواح ولا تصنع انفرترات لكن لديها شركاء (مثل CPS و غيرهم ) تصنع الواح تتوافق مع انفرترات أولئك .

المصادر

[1] Klaus Jäger , Olindo Isabella , Arno H.M. Smets , René A.C.M.M. van Swaaij and Miro Zeman , Solar Energy Fundamentals, Technology, and Systems , 2014

[2] SMA solar technology , inverter datasheet
  


حرارة الارض و تصاعد الابخرة

1.طاقة حرارة باطن الأرض

             طاقة حرارة باطن الأرض geothermal energy هي الطاقة المستخرجة من باطن الأرض. كلمة geothermal تتكون من مقطعين , المقطع geo  و يعني الأرض و المقطع الاخر therme و يعني الحرارة في الاغريقية ايضاً [1].و هي تعتبر أحد انواع الطاقات المتجددة فهي متولدة بالطبيعة داخل الارض. 

1.1. كيفية تتكون حرارة  باطن الأرض

        تتولد حرارة باطن الارض بفعل  التحلل البطيء الاشعاعي للجزيئات داخل نواة  باطن الأرض [1]. تتكون الارض من اربع طبقات و هي :

1. النواة الداخلية inner core 

          هذه الطبقة تتكون من الحديد الصلب بُقطر يقدر بحوالي 1500 ميل (2414 كلم )و تبلغ درجة الحراة فيها حوالي 10,800 فهرنهايت (حوالي 5980 درجة مئوية) و هذه الحرارة تتجاوز درجة حرارة سطح الشمس بقليل (حرارة سطح الشمس حوالي 10,340 فهرنهايت) [1].

2.النواة الخارجية outer core

      تتألف هذه الطبقة من الصخور الحارة الذائبة و يبلغ سُمكها حوالي 1500 ميل (2414 كلم) [1], و تسمى هذه الطبقة ب "ماقما" magma.

3. الوشاح او الغلاف Mantle

        تتالف من طبقة من الصخور و الصخور الذائبة "ماقما" تحيط بطبقة النواة الخارجية بسُمك يبلغ 1800 ميل (2897 كلم) وتبلغ درجة الحرارة فيها عند الحدود مع قشرة الارض 392 فهرنهايت الى 7230 فهرنهايت عند الحدود مع طبقة النواة الخارجية [1].

4. القشرة الأرضية crust

       هي عبارة عن مجموعة من الصخور الصلبة التي تكون اليابسة وقيعان المحيطات بسمك 15 الى 35 ميل تحت اليابسة و بسمك من 3 الى 5 ميل تحت المحيطات. تتكسر هذه الطبقة الى قطع صغيرة تسمى بالطبقات التكتونية tectonic plates, تتحرك طبقة "ميقما" لتاتي بالقرب من حواف القشرة التكتونية و عندها تقع العديد من البراكين volcanoes , الحمم المتطايرة من هذه البراكيين تتكون جزئيا من طبقة مايقما[1].

طبقات الأرض

شكل (1) :طبقات الأرض [2]

2.1. أشكال طاقة حرارة باطن الأرض 

 توجد حرارة باطن الارض في ثلاث اصناف و هي كالتالي :

1.البراكين و الفتحات الطبيعية في القشرة الارضية Volcanoes and Fumaroles: التي تطلق غازات حارة مثل (ثاني اكسيد الكربون و ثاني اكسيد الكبريت و كلوريد الهيدروجين ..الخ).

2. ينابيع الماء الحارة hot spring : هناك ينابيع ماء حارة بالطبيعة توجد في مناطق مختلفة حول العالم.

3. ينابيع ماء حار يصحبها اطلاق بخار Geysers.

3.1. مجالات استخدام طاقة حرارة باطن الارض

      تستخدم طاقة حرارة البطن في ثلاث تطبيقات فكونها طاقة مجانية و تأثيرها محدود و قليل على الكوكب مقارنة بالمصادر التقليدية للطاقة كالنفط و الفحم و غيرهما. و التطبيقات هي:

1.3.1. الإستخدام المباشر و أنظمة التسخين :

        استخدم الاغريق القدماء و الصينيون و الامريكان الاصلين الينابيع الساخن في الاستحمام و الطبخ و التدفيئة و مازال البعض يستخدمها الى يومنا هذا , و ايضا تستخدم حرارة باطن الارض في تدفئية المنازل بادخال انابيب الى باطن الارض ثم ضخ المياه الساخنة الى المباني و استخدامها في انظمة التدفئة [1].

       وفي مجال الصناعات تستخدم حرارة باطن الارض في عملية تجفيف الاطعمة dehydration و الخضرو الفاكهة  و عملية بسترة او تعقيم pasteurization الحليب[1]. 

2.3.1. توليد الطاقة الكهربائية Electricity Generation:

Geothermal power plant

شكل (2): محطة طاقة كهربائية تستخدم حرارة باطن الارض [4]

      تستخدم حرارة باطن الارض في توليد الطاقة الكهربائية geothermal power plants  و تتم العملية ببناء المحطات الكهربائية بالقرب من المناطق التي بها حرارة كافية , تحتاج محطات الطاقة هذه حرارة تتراوح ما بين 300 الى 700 درجة فهرنهايت لتحويل الماء الى بخار ثم ضخ البخار لتحريك توربين مربوط مباشرة مع مولد كهربائي , في عملية مشابهة للمحطات الحرارة التقليدية thermal power plants لكن وجه الاختلاف هو هنا ان مصدر الحرارة المستخدمة هو طبيعي من باطن الارض بينما في النوع التقليدي تستخدم مصادر وقود تقليدية (غاز او فحم و غيرها ) للحصول على حرارة و هذا مكلف اقتصادياً و ملوث بدرجة كبيرة للبيئة[1].

        تعتبر الولايات المتحدة الامريكية الدولة الرائدة في توليد الطاقة الكهربائية من حرارة باطن الارض حيث بلغ انتاجها من الطاقة عام 2019 حوالي GWh  16,000 قيقا واط ساعة و هو ما يمثل 0.4% من انتاجها الكلي من الطاقة الكهربائية[1]المخطط في الشكل (3) يوضح القدرة المركبة من طاقة حرارة باطن الارض حول العالم خلال اخر 10 اعوام في الفترة من 2010 الى 2019 حسب احصاءآت الوكالة الدولية للطاقة المتجددة [3] International Renewable Energy Agency, IRENA.

القدرة المركبة حول العالم من طاقة حرارة باطن الارض
شكل (3) : القدرة المركبة من طاقة حرارة باطن الارض حول العالم حسب [IRENA [3


3.3.1. مضخات حرارة باطن الرض Geothermal Heat Pumps

             كذلك من استخامات حرارة باطن هو في مضخات تعمل على تدفيئة و تبريد المباني باستخدام حرارة الارض القريبة من المباني [1].


--------------------------------------------------------------------------------

المصادر :

[1] https://www.eia.gov/kids/energy-sources/geothermal/

[2] https://alma3rifaglob.blogspot.com/2019/12/Earth-layers-and-their-divisions.html

[3] https://www.irena.org/geothermal

[4]Stock photography (copyrighted


حقوق الطبع و النشر@ مدونة المعرفة العلمية 2020 

 

مزرعة رياح

ما هي طاقة الرياح ؟

        هي الطاقة المنتجة بواسطة توربينات الرياح (الشكل اعلاه) بفعل حركة الرياح التي تعمل على تحريك عنفات التوربين الذي بدوره يكون مربط مع مولد كهرباء لانتاج الكهرباء. قدرة التوليد لتوربينات الرياح زادت بشكل مطرد فمن 50 kW عام 1985 و قطر عنفة يبلغ 15 متر عندئذِِ الى 2 MW  ميقاواط لتوربينات الرياح على اليابسة onshore و ما بين 3-5 MW لتوربينات الرياح على البحر[1] offshore. وبما أن تكنلوجيا طاقة الرياح في تطور مستمر فقد أعلنت شركة جنرال إلكتريك للطاقات المتجددة GE renewable energy عن توربين رياح بحري offshore يسمى Haliade-X 12 MW بقدرة 12 MW ميقا واط  بعنفة blade يبلغ طولها 220 متر و يبلغ طول البرج الحاملtower 260 متر[2].

       المخطط أدناه يوضح نمو القدرة المركبة لطاقة الرياح(لكلا النوعين المزارع الريحية على اليابسة و البحرية) عالمياً لآخر 10 سنوات [1], و الارقام توضح النمو السريع لطاقة الرياح قد يرجع السبب للمميزات التي تتميز بها من ناحية الاعتمادية فهي افضل من الطاقة الشمسية لانها تعتد على الرياح التي متوفرة في اغلب الفترات خلال اليوم اما الطاقة الشمسية فهي تعتمد على الشمس التي تتوفر في فترات النهار فقط.

wind power production statistics
شكل (1): القدرة المركبة لطاقة الرياح عالمياً بين الاعوام 2010 الى 2019 [1]

كيف تنسأ حركة الرياح؟

   إن سبب حركة الریاح تنشأ في الكرة الأرضیة نتیجة الاختلافات في درجات الحرارة بین المناطق المختلفة من الأرض، فعند سقوط الإشعاع الشمسي على منطقة ما یُسخن الھواء فیھا ما یؤدي إلى انخفاض كثافتھا ويقل الضغط الجوي. أما المناطق التي ینخفض فیھا مقدار الإشعاع الشمسي فإن كثافة الھواء تزداد و بذلك یزداد الضغط الجوي فیھا, وینتقل الھواء من مناطق الضغط المرتفع إلى مناطق الضغط المنخفض وھذا التدفق في الھواء يسمى الرياح [3].

مكونات توربين الرياح wind turbine components

                يتكون توربين الرياح من مكونات أساسية كالريش او العنفات blades  التي تتحرك عندما تهب الرياح عليها و البرج tower الذي هو بمثابة الحامل للقمرة و مكوناتها الاخرى و القمرة nacelle و هذه تضم علبة التروس gearbox وعمود السرعة المنخفضة و العالية low and high speed shafts  و معدات التحكم control equipment و المولد generator و المحول الكهربائي transformer الذي يعمل على رفع الجهد المولد لنقله الى مناطق الاستهلاك و غيرها.(شكل 2) يوضح الأجزاء الرئيسية لتوربين الرياح بينما (الشكل 3) يوضح الاجزاء الاخرى بشكلها الحقيقي لاحدى توربينات الرياح[3].


main components of wind turbine

شكل (2): الأجزاء الرئيسية لتوربين الرياح [4]


wind turbine components in details

شكل (3) : أجزاء توربين الرياح بالتفصيل [5]

المصادر

[1] https://www.irena.org/wind

[2] https://www.ge.com/renewableenergy/wind-energy/offshore-wind/haliade-x-offshore-turbine

[3] عمر خلیل أحمد الجبوري, أحمد حسن أحمد الجبوري-  مباديْ الطاقات المتجددة, وزارة التعلیم العالي والبحث العلمي ھیئة التعلیم التقني المعھد التقني / الحویجة وحدة بحوث الطاقات المتجددة (العراق), 2010.

[4] https://www.researchgate.net/figure/Basic-Parts-of-Wind-Turbine_fig4_277328657

[5] https://www.energy.gov/eere/wind/inside-wind-turbine


حقوق الطبع و النشر@ مدونة المعرفة العلمية 2020

cable

حساب مساحة مقطع الموصلات و الفقد في الجهد

1.حساب مساحة مقطع الموصل

      إن عملية حساب مقطع الموصل  (cross-section area (CSA أو حساب حجم الموصلات كما هوشائع ( الوصف  حجم غير دقيق لان الاصل هي عملية حساب مساحة ) , هي عملية لاختيار المقاس المناسب للحمل او الشبكة المعينة , آخذين في الاعتبار شروط معينة.

1.1.خطوات إختيار مقاس الموصلات

 هناك عدة خطوات يجب اتباعها لاختيار مقاس الموصل او الكيبل للحمل او الشبكة الكهربائية , فيما يلي[1] :

1.1.1. تحديد بيانات  الموصل او الكيبل

 يجب جمع بعض البيانات الأساسية عن الموصل مثل :
  • نوع مادة الموصل (نحاس او ألمنيوم).
  • نوع مادة العازل الذي يحمي الموصلات (PVC, XLPE, EPR) بالنسبة للمواصفات IEC  او (TW, THHW, XHH) بالنسبة للمواصفات NEC.
  • أحادي الطور(موصلين) single phase او متعدد الأطوار multi cores.

2.1.1. تحديد بيانات الحمل

 تحديد مواصفات الحمل الذي يغذيه الموصل , مثل :

  •  حمل أحادي الطور او ثلاثي الطور
  • جهد النظام او المصد , الجهد الذي يتم تغذية الحمل به من النظام الشمسي او من الكهرباء العامة utility power source.
  • تيار الحمل الكامل.
  • تحديد معامل القدرة للحمل الكامل full load power factor.
  • حساب المسافة بين النقطتين المراد توصيل الكيبل بينهما.

2.1. طريقة تركيب الكيبل او الموصل 

 تعتمد طريقة تركيب او تمديد الكوابل على عدد من الاعتبارات مثل[1]:
  • عبر حاملات كوابل cable trays او ladder  او يمرر في مواسير conduits او الدفن buried او في الهواء.
  • درجة الحرارة المحيطة او درجة حرارة التربة.
  •  cables grouping و المقصود به عدد الكوابل الاخرى التي تلامس او تركب بجوار الكيبل ا.
  • cable spacing و مقصود به ما اذا كان توصل الكوابل مع بعض ام تترك مسافة تفصل بينهم.
  • مقاومية التربة الحرارية Soil thermal resistivity.

3.1.اختيار الكيبل حسب الأمبير Ampacity:

       المصطلح ampacity تعني اقصى تيار مسموح به عبر الكيبل لفترة مستمرة دون ان يحدث تلف او انهيار للعازل و يطلق عليه ايضاً مصطلح current carrying capacity of cable or CCC.كلما زادت قيمة CCC قلت الفقودات مثلا كيبل 10 ملم2 افضل من كيبل 6 ملم2 في تبديد الحرارة و الفقودات[1].
             تعطى قيمة CCC  في كتيب المصنع لكل كيبل (الجدول 1) لكن تلك القيم محددة على اساس شروط قياسية معينة, و لاستخدامه في منطقة او موقع ما تُطبق بعض العوامل التصحيحية derating or correcting factors (مثل grouping, laid cable or on trays , temperature on site , و غيرها تعطى من قبل المصنعين عادة)[1].

و يتم حساب CCC للكيبل كالتالي:

ampacity of solar DC cable
جدول (1): يوضح قيم ampacity لبعض مقاسات المواصلات DC

Ic = Ib . kd

حيث :
Ic  تيار الكيبل الجديد بعد تطبيق عوامل التصحيح
Ib تيار الكيبل قبل تطبيق عوامل التصحيح
Kd محصلة عوامل التصحيح 

مثال : اذا كان لدينا كيبل سعته الامبيرية 42 امبير (قبل التصحيح) و عامل درجة الحرارة المحيطة 0.94 و كان الكيبل ممدد مع مجموعة اخرى من الكوابل و كان عامل المجموعة grouping factor  هو0.85. ما هو تيار الكيبل الفعلى في هذه الحالة ؟
اولا نحسب  محصلة عوامل التصحيح Kd بضرب كل العوامل
                   0.799= 0.94*0.85
                 Ic=Kd .Ib             
         42*0.799 =              
             33.6A  =              

4.1 اختيار الكيبل اعتمادا على الفقد في الجهد 

            الفقد في الجهد voltage drop هو أحد الفقودات التي تحدث في الموصلات بشكل عام , و حدوث فقد في الجهد يجب تقليله لأقل حد ممكن او في أسوأ الأحوال يجب ألا يتخطى الشروط القياسية standards للهيئآت المسؤولة عن تنظيم الكهرباء في كل بلد و الهدف من ذلك توفير جهد كهربائي يتناسب مع الأجهزة المنزلية و غيرها, فمعلوم ان هذه الاجهزة مصنعة لتعمل على قيمة جهد محددة , اي تغيير يتجاوز او يقل عن القيمة المحددة قد يؤثر او يسبب تلف في تلك الأجهزة.
            سنتناول الفقد في الجهد للكوابل DC (كوابل AC ستكون في جزء اخر). المعادلة التالية تستخدم لحساب الفقد في الجهد هو دالة في مساحة مقطع الكيبل ايضا , هذه المعادلة مشتقة من قانون أوم Ohm's law الشهيرلحساب الجهد الذي هو ضرب التيار في مقاومة الموصل[2]. 
             

مvoltage drop equation for DC solar cable

مثال عملي:
في نظام طاقة شمسية كهروضوئية كانت المسافة بين الالواح و منظم شحن البطاريات 10 متر و تيار قصر مجموعة التسلسل 9.8 امبير , مساحة مقطع الكيبل الواصل بين الالواح و منظم الشحن 10 ملم2 و مادة موصلات الكيبل مصنوعة من النحاس (المقاومة النوعية 0.0183 اوم/متر/ ملم2 : هذه القيم تحدد بواسطة المصنع) , وكان جهد نظام 12 فولت, احسب فقد الجهد كنسبة مئوية؟
الحل

بالتعويض المباشر في المعادلة (1)
(VD=(2*9.8*10*0.0183)/(10
                                                                          فولت 0.35 =     

و للحصول على الفقد كنسبة مئويةالمعادلة (2)  فنحصل على 2.9% 

2. إعتبارت الفقد في الجهد للانظمة الكهروضوئية [2]:

  • يجب ان يكون تيار الكيبل في مجموعة الواح التسلسل string cable اكبر من او يساوي تيار جهاز الحماية المركب في السلسلة , مثلا اذا كان تيار الكيبل 20 امبير يجب ان يكون تيار جهاز الحماية او قيمة ضبطه اقل من 20 امبير او تساوي تلك القيمة في أسوأ الظروف.
  • في حالة عدم تركيب جهاز حماية في مجموعة التسلسل من الواح الطاقة الشمسية يجب ان تكون قيمة current carying capacity للكيبل.

CCC ≥ 1.25 × Isc ARRAY
Isc array تيار القصر او العطل لمجوعة التسلسل

  • المقاومة النوعية لكل مادة موصل تختلف لذلك يجب أخذ المقاومة النوعية من المصنع في كتيب دليل الاستخدام.
  • الفقد في الجهد بين الالواح الشمسية و بنك البطاريات لا يتجاوز 5%*.
  • الفقد في الجهد بين بنك البطاريات و الحمل المستمر DC load لا يتجاوز5%*.
  • الفقد في الجهد بين الالواح الشمسية و منظم الجهد لا يتجاوز 3% (DC bus )*.

ملحوظة :
* النقاط المذكورة اعلاه قد تختلف اعتماداً على المواصفات المتبعة في كل بلد standards and regulation.
 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------


المصادر:
[1] :http://www.cablesizer.com
[2] http://www.seiapi.com

حقوق الطبع و النشر@ مدونة المعرفة العلمية 2020
          
       


موقع كورسرا الشهير وكيفية الاستفادة منه

    

      موقع كورسرا احد اهم المواقع الالكترونية التعليمية المجانية (الشهادة برسوم) و تضم العديد من التخصصات بما فيها مجال الهندسة الكهربائية و الطاقة المتجددة , حيث يقدم الموقع كورسات من مختلف الجامعات و المعاهد العريقة حول العالم.
      في الفيديو شرح مفصل للموقع بالاضافة الى شرح كيفية الحصول على الشهادة مجاناً و تقديم طلب الدعم المادي من موقع كورسرا والرجاء الاشتراك بقناتنا على اليوتيوب لدعمنا في نشر المحتوى المفيد.

يمكن مشاهدة الشرح ايضا من قناة المعرفة العلمية على اليوتيوب بالضغط








solar cell

 الخلايا الشمسية Solar Cell 

          تاريخياً كان العالم Alexander Emond Becquerel عما 18839 اكتشف اول خلية شمسية لكن من كانت خلية سائلة و كفاءتها ضعيفة ولا تصلح للاستخدام العملي . توالت الاكتشافات بعده لكن لم تكن ذات كفاءة تمكنها من الاستخدام الفعلى حتى جاء العام 1950م وتم اختراع خلية السيليكون بشكلها الآن بواسطة Calvin Fuller, Gerald Pearson and Daryl Chapin في مختبر Bell.
           يتكون اللوح الشمس او ما يعرف ب solar module or solar panel من عدد من الخلايا صغير الحجم (كما هو موضح في الصورة اعلاه) , تقوم هذه الخلايا بتحويل الاشعاع الشمسي solar irradiance (الرجوع الى مقال الاشعاع الشمسي هنا ) الساقط عليها الى كهرباء مستمرة .يحتوي اللوح الشمسي التجاري عادة 60 خلية او 72 خلية.

كيفية عمل الخلية الشمسية Solar cell Principal

        لشرح كيفية عمل الخلية الشمسية دعونا نتعرف على أشباه الموصلات و خصائصها لنفهم عمل الخلية الشمسية. أشباه الموصلات هي عناصركيميائية مثل السيليكون (رمزه الكيميائي Si) والجرمانيوم(رمزه الكيميائي Ge), تتميز هذه العناصر بانها رديئة التوصيل للكهرباء, اذاً كيف يتم يستخدمها في توليد كهرباء بما انها رديئة التوصيل؟ تتميز هذه العناصر بوجود 4 إلكترونات في غلافها الاخير و طبيعة هذه النوع من العناصر الكيميائية لا يميل لفقد هذه الالكترونات او اكتساب الكترونات للوصول الى الاستقرار الكيميائي(هو وجود 8 الكترونات في المدار الاخير للذرة و تصبح بعدها خاملة لا تتفاعل كيميائيا مع عناصر اخرى). وُجد عند اضافة عنصر اخر ذو تكافوء ثلاثي (يحتوي على 3 الكترونات في المدار الاخير ) مثل عنصر البورون ((رمزه الكيميائي B) تتحد ذرة السيليون مع البورن برابطة تساهمية ويصبح لدينا الكترون حرعند سقوط ضوء على المادة المتكون الجديد يتحرر ذلك الالكترون و يسري عبر الدائرة الكهربائية[1].
      عند اضافة مادة ثلاثية التكافوء او خماسية التكافوء للسيليون تسمى هذه العملية بالتشويب او التطعيم doping فعند اضافة البورون (ثلاثي التكافوء) تتكون طبقة تسمى Negative type or N-Type و يصحبها وجود الكترون حر ,و عند اضافة عنصر خماسي التكافوء كالفسفور الى السيليون تتكون فجوة hole او شحنة موجبة Positive charge وو تسمى المادة الجديدة [1] Positive Type or P-Type .
      تتكون الخلية الشمسة من ثلاث طبقات رئيسية(الشكل 1) , الطبقة العليا و وتحتوى على السيليون مضاف اليه عنصر البورون مكونيين طبقة تسمى N-Type, الطبقة السفلى و تحتوي على السيليون و عنصر الفسفور مكونيين ما يسمى الطبقة P-Type اما ما بينهما هي الطبقة الوسطى فيشار اليها بالمصطلح NP-Junction بالاشافة للثلاث طبقات السابقة هناك موصلات رفيعة تسمح بمرور التيار الكهربائي المتولد .عند سقوط فوتون على سطح الطبقة N-type  يتحرر الالكترون منها و يسري عبر الموصلات الى اللمبة (حمل خارجي) يتحرك ذلك الالكترون حتى يصل الطبقة السفلية للخلية P-type و التي تحتوي على فجوة فيملأ تلك الفجوة و يتحرر الكترون جديد و تتستمر العملية هكذا [1]. 

مكونات الخلية الشمسية و هي موصلة مع حمل خارجي

شكل (1): مكونات الخلية الشمسية

أنواع خلايا السيليكون 

           يستخدم عنصر السيليكون في تصنيع الخلايا الكهروضوئية منذ اكتشافها والى الآن , هناك ثلاث انواع خلايا مصنوعة من السيليكون , و مميزاتها و هي كالتالي:

1.أمورفوس Amorphous:

          هذا النوع أقل استخداما ولا يتستخدم تجارياً كثيرا و ذلك بسبب ضعف كفاءته حيث تترواح بين 5% الى 7% لذلك فهو رخيص نسبيا , و نجده في الحاسبات الرياضية calculators (الشكل 2)[1].

آلة حاسبة مزودة خلية امورفوس

شكل (2): آلة حاسبة مزودة خلية امورفوس

  2. خلايا بولي كريستالين Poly-crystalline 

           تعرف ايضا اختصارا خلايا بولي و كلمة poly-crystalline  or multi-crystalline تعني الخلايا متعددة البلورات و هو مشتق من البنية التركيبية لهذه الخلايا اثناء عملية التصنيع حيث يتم ترسيب السيليكون مكوناً بلورات متعددة و هذا سبب ظهور هذا النوع بمظهر قشاري او متقشر flaky appearance (انظر الشكل 3) و تتراوح كفاءتها بين 15% الى 17% و من حيث التكلفة هي ارخص من النوع مونو كريستالين mono-crystalline و تسمى ايضا خلايا بولي[1].

شكل (3): خلايا بولي كريستالين 

3. خلايا مونو كريستالين mono-crystalline

          
        خلايا مونو كريستالين mono-crystalline تعني الخلايا أحادية التبلور او ذات بلورة واحدة حيث عند عملية التصنيع يتم إذابة السيليكون أولا و تكون حبيبات البلور تتجمع حول قضيب (انظر الشكل 4) ثم يبدأ السيليكون يكثر حول القضيب ثم يسحب مكونا شكل أشبه بالمزهرية (انظر الشكل 5) ثم يقطع قطع صغيرة و هو ما تظهر عليه عند زوايا الخلية اما بالشكل الدائري أو بالمستطيل (الشكل 6)و تتميز بمظهر يميل للاسود و شكل مسطح [1] .
       تتراوح كفاءة 15% الى 22% , تستخدم تجاريا residential and commercial  و في المشاريع الكبيرة utility-scale projects لكنها النوع الاغلى تكلفة من بين الانواع الثلاثة لخلايا السيليكون [1].
   

عملية اذابة السيليكون و نموه حول قضيب



شكل (4) : عملية اذابة السيليكون و نموه حول قضيب

بعد اكتمال تجميع السيليكون حول القضيب

شكل (5) : بعد اكتمال تجميع السيليكون حول القضيب

خلايا بولي كريستالين


شكل (6) :خلايا بولي كريستالين


 ------------------------------------------------------------------
المصادر :
   [1] www.coursera.org 


حقوق الطبع و النشر@ مدونة المعرفة العلمية 2020

نموذج الاتصال

الاسم

بريد إلكتروني *

رسالة *

يتم التشغيل بواسطة Blogger.
Javascript DisablePlease Enable Javascript To See All Widget