أنواع الانفرتراتPV Inverter المستخدمة في الطاقة الشمسية وأهم المواصفات التي يجب أن تتوفر بها

 

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.

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].

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].

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].

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