هل يمكنني الحصول على جهد كهربائي مختلف للسلك في صندوق التجميع الخاص بي؟

نعم، يمكنك توصيل جهد كهربائي مختلف لكل سلسلة إلى صندوق التجميع الخاص بك، ولكن يجب أن تدرك تمامًا الآثار المترتبة على ذلك.

النقاط الرئيسية

• يمكنك توصيل جهد كهربائي مختلف لكل سلسلة بصندوق تجميع واحد، لكن النظام يعمل بالجهد الأقل.

• تساعدك قاعدة 33% على تحديد ما إذا كان فرق الجهد مقبولًا أم لا.

• تؤدي الفروق الصغيرة في الجهد إلى خسائر طفيفة في الطاقة، أما الفروق الكبيرة فتؤدي إلى إهدار الطاقة.

• قد تؤدي الفروق في الجهد الكهربائي إلى حدوث تيار عكسي، مما قد يؤدي إلى تلف الألواح الشمسية.

• استخدم مداخل MPPT منفصلة لتجنب مشاكل مطابقة الجهد.

• تعمل مُحسِّنات DC-DC على معالجة الفروق في الجهد وزيادة إنتاج الطاقة.

• احرص دائمًا على توصيل كل سلسلة بشكل صحيح للحماية من التيار العكسي.

• استشر خبيرًا قبل خلط جهد الأسلاك في نظام الطاقة الشمسية.

الإجابة المختصرة حول الفروق في جهد التيار الكهربائي للسلاسل

«نعم» بسيطة مع تحفظات مهمة

يمكنك توصيل سلاسل الألواح الشمسية ذات الفولتيات المختلفة بصندوق تجميع شمسية واحد. هذا التكوين يعمل من الناحية الفيزيائية، وسيقوم نظامك بتوليد الطاقة. ومع ذلك، يجب أن تفهم ما يحدث داخل صندوق التجميع هذا عندما لا تتطابق الفولتيات. في التوصيل المتوازي، تشترك كل سلسلة في نفس جهد الناقل. ولا يمكن أن يتجاوز جهد النظام الإجمالي جهد أدنى سلسلة.

إذا كان أحد السلاسل ينتج 350 فولتًا وآخر ينتج 300 فولت، فإن المجموعة بأكملها تعمل بجهد 300 فولت. حيث يتم خفض جهد السلسلة ذات الجهد الأعلى فعليًّا ليتناسب مع نظيرتها الأقل جهدًا. ولا يمنع هذا القيد النظام من العمل، ولكنه يغير مدى كفاءة مساهمة كل سلسلة في الناتج الإجمالي.

تُعد قاعدة 33% بمثابة دليل عملي لتقييم مدى ملاءمة التكوين المقترح. وتشير هذه القاعدة إلى أن الفروق في الجهد بين السلاسل المتوازية يجب أن تظل في حدود 33% عن بعضها البعض لتجنب انخفاض حاد في الأداء. أما الفروق الأصغر، التي قد تقع في نطاق 5-10%، فعادةً ما تؤدي إلى خسائر ضئيلة يمكن تجاهلها. أما الفروق الأكبر، التي تقترب من عتبة 33% أو تتجاوزها، فتؤدي إلى ظروف تثير مشاكل متزايدة.

يجب عليك قياس جهد السلاسل في ظل ظروف التشغيل الفعلية، وألا تعتمد فقط على المواصفات المذكورة على اللوحة. فكل من درجة الحرارة، وتدهور الألواح، وأنماط التظليل تؤثر جميعها على جهد التشغيل الفعلي. وقد تتصرف سلسلة تبدو متوافقة تمامًا على الورق بشكل مختلف في الميدان.

المخاطران الرئيسيتان: الكفاءة والأضرار

تتمثل المخاطر الأولى في حدوث خسائر في الكفاءة على مستوى المجموعة بأكملها. فعندما تُجبر سلسلة ذات جهد أعلى على خفض جهدها لتتوافق مع سلسلة مجاورة ذات جهد أقل، فإنك تهدر الطاقة الكامنة التي كان من الممكن أن تنتجها تلك السلسلة. ووفقًا لوثائق برنامج PVsyst، فإن عدم تطابق الجهد بين السلاسل المتصلة بالتوازي ينتج عنه تأثيرات أقل بكثير مقارنة بعدم تطابق التيار داخل سلسلة واحدة. وعادةً ما تظل خسائر الطاقة الناتجة منخفضة جدًّا.

القيم الافتراضية في برنامج PVsyst لفقدان الطاقة الناتج عن عدم تطابق جهد السلاسل صغيرة: 0% لسلسلة واحدة لكل MPPT، و0.05% لسلسلتين، و0.1% لثلاث إلى عشر سلاسل، و0.15% لأكثر من عشر سلاسل. تشير هذه الأرقام إلى أن الاختلافات الطفيفة في الجهد الكهربائي تؤدي إلى تأثير ضئيل على الأداء في معظم التكوينات. تتناسب الخسائر مع عدد السلاسل المتوازية التي يتم دمجها، ولكن حتى المصفوفات الكبيرة لا تتأثر سوى بشكل طفيف بسبب عدم تطابق الجهد وحده.

أما الخطر الثاني فيتعلق بالأضرار المحتملة الناجمة عن تدفق التيار العكسي. وتحدث هذه الحالة عندما ينخفض جهد سلسلة ما إلى ما دون جهد الناقل المشترك. وتشمل الأسباب الشائعة فقدان الوحدات، أو حدوث قصر في الصمامات الثنائية الجانبية، أو انقطاع في السلاسل الفرعية. وعندئذٍ تعمل السلسلة المعطلة في الربع الرابع، فتبدد الطاقة بدلاً من توليدها. ويبلغ الحد الأقصى للتيار العكسي تقريبًا (N-1) × 1.25 × Isc، حيث يمثل N عدد السلاسل المتوازية.

قد يتجاوز هذا التيار بكثير الحد الأقصى المسموح به للتيار العكسي للوحدة. على سبيل المثال، قد ينقل سلسلة معطوبة تيارًا يبلغ 122 أمبير إلى وحدة مصنفة لـ 25 أمبير فقط. ويؤدي هذا المستوى من التيار إلى حدوث أضرار حرارية، وتدهور وصلات اللحام، وتلف مادة التغليف، ومخاطر محتملة لاندلاع حريق. يجب استبدال الوحدة التي مر بها تيار عكسي لأن الضرر يتراكم بشكل غير مرئي بمرور الوقت.

متى يمكن أن تكون الفروق في الجهد الكهربائي مقبولة

تصبح الفروق في الجهد مقبولة عندما تظل هذه الفروق ضئيلة ويأخذ تصميم النظام بها في الحسبان. وعادةً ما تعمل الأنظمة ذات السلاسل المتعددة التي تشهد تباينات في الجهد أقل من 5% دون حدوث تدهور ملحوظ في الأداء. وتؤكد بيانات برنامج PVsyst هذه الحقيقة: فحتى في حالة وجود عدة سلاسل لكل مدخل MPPT، تظل افتراضات الخسارة الافتراضية أقل من 0.15%.

تشير هذه الأرقام إلى أن التفاوتات التصنيعية العادية والتغيرات الطفيفة في درجة الحرارة عبر المصفوفة نادراً ما تستدعي القلق. لذا، ينبغي أن تركز اهتمامك على منع حدوث تباينات كبيرة في الجهد الكهربائي بدلاً من السعي وراء التوافق التام.

يصبح التكوين مشكلةً عندما تجمع بين سلاسل ذات خصائص مختلفة جوهريًّا. فخلط سلاسل ذات عدد مختلف من الألواح، أو طرازات مختلفة من الألواح، أو زوايا ميل متباينة بشكل كبير يؤدي إلى حدوث فجوات في الجهد تتجاوز الحدود العملية. فعند توصيل سلسلة مكونة من عشرة ألواح بجانب سلسلة مكونة من ثمانية ألواح، ينتج عن ذلك فرق في الجهد يبلغ حوالي 20%، وهو ما يقترب من عتبة 33%.

هذا النوع من عدم التوافق يستدعي إجراء تقييم دقيق قبل المضي قدمًا. إن صندوق تجميع الطاقة الكهروضوئية يجب أن تتحمل المكونات، بما في ذلك الصمامات الكهربائية وقواطع التيار، تدفقات التيار الناتجة بأمان. وتوفر صناديق تجميع السلاسل المزودة بصمامات كهربائية ذات تصنيف مناسب لكل مدخل حماية أساسية ضد حالات التيار العكسي.

يجب عليك أيضًا أن تراعي كيفية استجابة متتبعات MPPT في العاكس الخاص بك للجهد المختلط. يعمل كل مدخل MPPT بشكل مستقل، حيث يبحث عن نقطة الطاقة القصوى الخاصة به. وإذا أمكنك توجيه السلاسل غير المتطابقة إلى مداخل MPPT منفصلة بدلاً من دمجها في ناقل واحد، فستتمكن من التخلص تمامًا من مشكلة مطابقة الجهد.

يحافظ هذا النهج على أداء كل سلسلة دون الحاجة إلى أجهزة إضافية. وعندما لا تتوفر مداخل منفصلة، توفر أجهزة تحسين DC-DC حلاً بديلاً من خلال تعديل جهد كل سلسلة قبل وصولها إلى جهاز الدمج. وتؤدي هذه الأجهزة إلى زيادة التكلفة والتعقيد، لكنها تمنع خسائر الكفاءة والمخاطر الأمنية المرتبطة بالتوصيلات المتوازية غير المتطابقة.

أساسيات جهد السلسلة وصندوق تجميع الطاقة الشمسية

ما المقصود بجهد السلك؟

يُعرَّف جهد السلسلة بأنه حاصل ضرب الجهد المقنن للوحدة في العدد الإجمالي للوحدات المتصلة على التوالي. تقوم سلاسل الألواح الشمسية بتوصيل الوحدات الكهروضوئية على التوالي لزيادة الجهد الكهربائي لتلبية متطلبات مدخلات العاكس. ويؤدي التوصيل على التوالي إلى زيادة الجهد مع الحفاظ على ثبات التيار. فعند توصيل عشر وحدات شمسية، تبلغ الجهد المقنن لكل منها 35 فولتًا، ينتج عن ذلك جهد سلسلة يبلغ 350 فولتًا.

تحدد هذه القيمة كيفية عمل نظامك. ويضمن الحساب الصحيح لجهد السلسلة أن يعمل المُدمج بشكل سليم.

كيف يعمل صندوق تجميع الطاقة الشمسية

يعمل صندوق التجميع الشمسي كنقطة تقاطع مركزية للسلاسل الموصولة بالتوازي. ولا يغير صندوق التجميع الجهد الكهربائي في حد ذاته، بل يسهل عملية التوصيل بالتوازي، مما يسمح بجمع التيارات الصادرة من كل سلسلة عند المخرج. ويظل جهد كل سلسلة مطابقًا لجهد الناقل المشترك داخل صندوق التجميع.

يُنتج كل سلسلتين متساويتين في الحجم ضعف التيار مع الحفاظ على نفس الجهد الذي تنتجه سلسلة واحدة. وتشتمل صناديق التجميع المتكاملة الحديثة على إمكانيات مراقبة على مستوى السلسلة. وتساعدك إمكانيات المراقبة هذه على تتبع أداء كل سلسلة من موقع مركزي.

دور الصمامات وقواطع الدائرة

يحتوي جهاز التجميع الخاص بك على مكونات حماية لكل سلسلة. تعمل الصمامات على الحماية من التيار الزائد عندما يتدفق تيار عكسي من السلاسل السليمة إلى سلسلة معطوبة. كما توفر الثنائيات المانعة حماية إضافية. في تكوين يتألف من زوجين متسلسلين من الألواح الشمسية، ينتج كل منهما 24 فولت و8 أمبير، يمكن أن تتسبب لوحة شمسية مظللة في انخفاض خرج أحد الزوجين إلى 12 فولت.

في حالة عدم وجود صمام ثنائي مانع على الزوج المُظلَّل، فإن الجهد البالغ 24 فولت الصادر عن الزوج السليم يدفع التيار في الاتجاه المعاكس عبر السلسلة المُظلَّلة. ويسمح الصمام الثنائي المانع بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط، مما يمنع حدوث هذا التغذية العكسية. وتحتاج إلى كل من الصمامات الثنائية والصمامات الثنائية المانعة لتوفير حماية كاملة.

حد جهد التوصيل المتوازي

يفرض التوصيل المتوازي داخل جهاز التجميع الخاص بك حدًا صارمًا للجهد الكهربائي. فعندما تقوم بتوصيل عدة سلاسل كهربائية بشكل متوازٍ، تعمل المجموعة بأكملها وفقًا لأدنى جهد كهربائي موجود في أي سلسلة منها. وينبع هذا القيد من طبيعة الدوائر المتوازية. ويجب أن يتعامل جهاز التجميع الخاص بك مع هذه الحالة بأمان.

تُجمع التيارات القادمة من كل سلسلة، لكن جهد النظام لا يمكن أن يتجاوز جهد أضعف حلقة. يجب مراعاة هذا السلوك عند تصميم النظام الشمسي. تؤدي الفروق الصغيرة إلى خسائر طفيفة، لكن الفروق الكبيرة تجبر السلاسل ذات الجهد الأعلى على العمل بأقل من طاقتها.

المثالي: توترات متطابقة في الأوتار

يوفر مطابقة جهد كل سلسلة عدة مزايا. فأنت تمنع التوزيع غير المتساوي للتيار عبر السلاسل المتوازية. وتحقق نظامًا متوازنًا حيث تتمتع جميع الوحدات الشمسية بمواصفات مماثلة. كما تتجنب خسائر عدم التوافق من خلال الحفاظ على اتجاهات ومستويات تظليل متسقة لكل لوحة شمسية. فحتى الاختلافات الطفيفة في الخرج تتسبب في خسائر في الكفاءة.

يعمل صندوق تجميع الطاقة الكهروضوئية الخاص بك بأقصى كفاءة عندما تكون الفولتية في جميع السلاسل متشابهة. وتدعم صناديق تجميع السلاسل المزودة بمكونات ذات تصنيف مناسب هذا التكوين المتوازن.

آثار عدم تطابق جهد السلاسل

انخفاض الكفاءة والطاقة الناتجة

يؤدي عدم توافق الجهد إلى انخفاض مباشر في كمية الطاقة التي يولدها مصفوفك. فعندما تقوم بتوصيل سلاسل متوازية ذات جهد كهربائي مختلف، يتعين على السلسلة ذات الجهد الأعلى أن تعمل وفقًا لجهد الناقل المشترك الأقل. ويؤدي هذا التخفيض القسري في القدرة إلى إهدار الطاقة الكامنة التي كان من الممكن أن تنتجها السلسلة الأقوى. وتفقد هذه الطاقة بشكل دائم — ولا يمكن استعادتها بأي إعداد للعاكس أو تعديل في التحكم.

يعتمد حجم الخسارة على مقدار الفارق في الجهد. فالاختلافات الصغيرة التي تتراوح بين 5 و10% لا تؤدي إلا إلى تأثيرات لا تكاد تُذكر. فقد يفقد نظامك أقل من واحد في المائة من إجمالي الطاقة المولدة. أما الفوارق الأكبر فيؤدي إلى خسائر أكثر جسامة. فعند توصيل سلسلة مكونة من عشرة ألواح جنبًا إلى جنب مع سلسلة مكونة من ثمانية ألواح، ينشأ فارق في الجهد يبلغ حوالي 20%.

هذا التكوين يجبر السلسلة المكونة من عشرة ألواح على العمل عند مستوى أقل بكثير من نقطة الطاقة القصوى، مما يؤدي إلى التضحية بجزء كبير من طاقتها الإنتاجية المحتملة.

كما أن عدد السلاسل المتوازية له أهمية أيضًا. فكل سلسلة إضافية متصلة بنفس الناقل تزيد من تأثير عدم التوافق. في حالة وجود سلسلتين، لا تؤدي السلسلة ذات الجهد المنخفض إلا إلى انخفاض جهد سلسلة واحدة فقط. أما في حالة وجود خمس سلاسل، فإن السلاسل الأربع السليمة تضطر جميعها إلى العمل بمستوى جهد منخفض. وتتزايد الخسائر تبعًا لذلك، مما يحول سلسلة واحدة بها مشكلة إلى مشكلة كفاءة على مستوى النظام بأكمله.

كيف تتعامل أجهزة التتبع MPPT مع الفولتية المختلطة

تحدد أجهزة تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) في العاكس مدى تأثير عدم تطابق الجهد على نظامك. وتحتوي العواكس المزودة بعدة مداخل MPPT على عدة وحدات تحويل تيار مستمر إلى تيار مستمر (DC-DC) مستقلة. وتقوم كل وحدة بتتبع نقطة الطاقة القصوى الخاصة بها بشكل مستقل. وتتيح هذه البنية لعاكس واحد التعامل مع تكوينات سلاسل مختلفة تمامًا في آن واحد دون المساس بالأداء.

يكمن الفرق الجوهري في الطريقة التي تقوم بها بتجميع السلاسل. يجب أن تكون السلاسل المتصلة بالتوازي بنفس مدخل MPPT متطابقة من حيث الجهد الكهربائي. كما يجب أن تحتوي على عدد متطابق من الألواح وطرازات متطابقة من الألواح. وتؤدي السلاسل المتوازية غير المتطابقة على جهاز تتبع واحد إلى اختلال توازن التيار وفقدان الطاقة.

ومع ذلك، يمكن أن تكون أطوال وجهد الأسلاك الموصلة بمدخلات MPPT المختلفة متباينة تمامًا. يمكنك توصيل ثماني لوحات بمدخل MPPT1 وست لوحات بمدخل MPPT2 دون أي مشكلة على الإطلاق.

يثبت هذا التصميم أنه مثالي لأسطح المنازل المقسمة بين الشرق والغرب. حيث يتلقى أحد جانبي السقف أشعة الشمس الصباحية بينما يتلقى الجانب الآخر أشعة الشمس بعد الظهر. وتختلف خصائص الجهد الكهربائي لكل منهما على مدار اليوم بسبب تغير زاوية الشمس وتقلبات درجة الحرارة. وتسمح مداخل MPPT المنفصلة لكل متتبع بتحقيق الأداء الأمثل بشكل مستقل. ولا تؤثر أي مجموعة سلبًا على الأخرى. إذا كان جهاز التجميع الخاص بك يغذي مدخلات MPPT متعددة، فيمكنك تجميع السلاسل غير المتطابقة حسب جهاز التتبع بدلاً من إجبارها على استخدام ناقل مشترك واحد.

التظليل الجزئي وعدم تطابق الجهد الكهربائي

يؤدي التظليل الجزئي إلى ظهور ظروف ديناميكية لعدم تطابق الجهد تتغير على مدار اليوم. فعندما تتعرض سلسلة واحدة في مصفوفة متوازية للتظليل، ينخفض تيارها الناتج. وعندئذٍ يتعين على السلسلة المتظللة تعديل جهدها ليتوافق مع السلاسل الأخرى على الناقل المشترك. ويؤدي هذا التعديل إلى إجبار السلسلة المتظللة على العمل عند نقطة طاقة أقل، مما يقلل من إجمالي إنتاجها من الطاقة.

قد يؤدي تأثير التظليل أيضًا إلى انقطاع سلسلة كهربائية بالكامل. وفي ظل ظروف التظليل الشديدة، قد لا تولد السلسلة أي طاقة على الإطلاق. ويظل الجهد الكهربائي عبر تلك السلسلة المظللة مرتفعًا حتى في حالة التظليل الشديد. ويمنع هذا السلوك السلسلة المظللة من استنزاف الطاقة من السلاسل الموازية السليمة المجاورة لها. ومع ذلك، فإنك لا تزال تفقد المساهمة الكاملة لتلك السلسلة في إجمالي إنتاج المصفوفة.

لا يستطيع صندوق تجميع الألواح الكهروضوئية التمييز بين السلسلة المعرضة للتظليل والسلسلة المعطوبة. فكلتا الحالتين تظهران خصائص كهربائية متشابهة. وهذا الغموض يعقّد عملية المراقبة واستكشاف الأعطال وإصلاحها. قد تقضي ساعات في فحص سلسلة “معطلة” لا تحتاج سوى إلى تقليم الأشجار المحيطة بها. تساعد المراقبة على مستوى السلسلة في صناديق التجميع الحديثة على تحديد السلسلة ذات الأداء الضعيف، لكن لا يزال يتعين عليك تحديد ما إذا كان التظليل أم عطل في المعدات هو سبب المشكلة.

يؤدي التفاعل بين التظليل وعدم توافق الجهد إلى تأثير تراكمي. فالسلسلة المظللة تنتج بالفعل تيارًا أقل. وعندما تُجبرها أيضًا على التوافق مع جهد ناقل أقل، تنخفض كفاءتها بشكل أكبر. وتتجاوز الخسارة الناتجة عن هذين العاملين معًا ما قد تسببه أي من الحالتين بمفردها. ويفسر هذا التفاعل سبب الأداء الضعيف للمصفوفات المظللة جزئيًا ذات السلاسل غير المتوافقة مقارنةً بالأنظمة المتوافقة جيدًا.

تؤدي التغيرات في درجة الحرارة إلى تأثيرات مشابهة لتلك الناتجة عن التظليل، وإن كانت أقل حدة. فالمجموعة المعرضة لأشعة الشمس المباشرة ترتفع درجة حرارتها أكثر من المجموعة الموجودة في الظل. وتؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى انخفاض جهد الخلايا. ويعني هذا التباين الطبيعي أنه حتى المجموعات المتطابقة قد تظهر جهدًا كهربائيًّا مختلفًا قليلاً أثناء التشغيل. ونادرًا ما تسبب هذه الاختلافات الطفيفة مشاكل ملحوظة. لذا، يجب أن تركز اهتمامك على منع حدوث تباينات كبيرة ومستمرة في الجهد، بدلاً من السعي وراء التكافؤ التام في الجهد في الوقت الفعلي.

يتعامل صندوق تجميع الطاقة الشمسية الخاص بك مع هذه الظروف المتغيرة من خلال مكونات الحماية الموجودة فيه. يجب أن يتحمل مصهر كل سلسلة تدفقات التيار التي تحدث أثناء حالات التظليل. تمنع الصمامات ذات التصنيف المناسب حدوث أضرار ناجمة عن التيار العكسي عند انهيار جهد سلسلة ما. وبدون الحماية الكافية، قد تسحب السلسلة المظللة تيارًا مفرطًا من السلاسل السليمة، مما يتسبب في أضرار حرارية بمرور الوقت. ويؤكد هذا السيناريو على أهمية التصميم الاحترافي عندما تخطط لتوصيل سلاسل ذات خصائص مختلفة بمجمع واحد.

اعتبارات السلامة المتعلقة بالجهد المختلط

مخاطر الجهد الزائد على مكونات صندوق التجميع

يحتوي كل مكون في صندوق التجميع على قيمة جهد كهربائي أقصى يجب الالتزام بها. فعند توصيل سلاسل ذات جهد كهربائي مختلف، فإنك تخاطر بتجاوز المكونات لحدود تصميمها. فصندوق التجميع الشمسي المصمم لـ 600 فولت تيار مستمر لا يمكنه التعامل بأمان مع مجموعة سلاسل تعمل بجهد يقارب 1000 فولت تيار مستمر. ويؤدي هذا التباين إلى إجهاد الصمامات وقواطع التيار وقضبان التوصيل داخل صندوق التجميع.

تصنيف الجهد الكهربائي	التطبيق النموذجي	الحد الأقصى لطول السلسلة	المعايير
600 فولت فولت تيار مستمر	الأنظمة السكنية	8-10 وحدات	UL 1741، UL 1077
1000 فولت تيار مستمر	سطح مبنى تجاري	18-22 وحدة	UL 489، IEC 60947-2
1500 فولت تيار مستمر	أنظمة الطاقة على نطاق المرافق	28-35 وحدة	IEC 60947-2

يجب عليك التأكد من أن كل مكون في صندوق التجميع الكهروضوئي الخاص بك يتوافق مع أعلى جهد كهربائي محتمل يمكن أن تنتجه تكوينتك. فالسلسلة التي تحتوي على عدد أكبر من الألواح تولد جهدًا كهربائيًّا أعلى من السلسلة الأقصر. ويؤدي هذا الجهد المرتفع إلى إجهاد العزل وفجوات التباعد داخل صندوق التجميع. وبمرور الوقت، يؤدي هذا الإجهاد إلى تدهور مواد المكونات وزيادة مخاطر التعطل. يجب أن يأخذ تصميم نظامك في الحسبان أسوأ سيناريوهات الجهد الكهربائي، بما في ذلك ارتفاعات الجهد الناتجة عن درجات الحرارة المنخفضة التي تزيد من خرج الألواح.

لا يمكن لمُجمِّع مصمم للاستخدام السكني أن يحمي مجموعة الألواح الشمسية التجارية. فأنت بحاجة إلى فئة المُجمِّع المناسبة لحجم تركيبك المحدد.

التيار العكسي والتحيز العكسي

يحدث التيار العكسي عندما ينخفض جهد سلسلة ما إلى ما دون جهد الناقل المشترك. وعندئذٍ تدفع السلاسل ذات الجهد الأعلى التيار عكسيًّا عبر السلسلة الأضعف. وقد يتجاوز هذا التيار العكسي الحد الذي يمكن لألواحك الشمسية تحمله بأمان.

نادرًا ما تتعرض المنشآت الشمسية الحديثة إلى تدفق عكسي شديد، لأن الألواح تولد جهدًا كهربائيًّا يقارب الجهد الكامل حتى في ظروف الإضاءة المنخفضة. ومع ذلك، فإن السلسلة المعطلة تمامًا — أي تلك التي تعاني من عطل في الثنائيات الجانبية أو انقطاع في الوصلات — تمثل حالة مختلفة. فقد تستمد تلك السلسلة تيارًا مفرطًا من السلاسل المتوازية السليمة. لذا، يجب أن تعمل مصاهر جهاز التجميع على قطع هذا التيار الخاطئ قبل حدوث أي تلف.

يجب أن يتوافق تصنيف المصهر الخاص بكل سلسلة مع خصائص تيار الدائرة القصيرة الخاصة بتلك السلسلة. ويحمي المُدمج المزود بمصاهر ذات أحجام مناسبة المجموعة الشمسية بأكملها من الأعطال المتتالية.

مخاطر الحرائق والالتزام باللوائح

يؤدي عدم تطابق الجهد الكهربائي إلى مخاطر حرارية قد تتفاقم لتتحول إلى حرائق. فعندما يتدفق تيار عكسي عبر سلسلة معطوبة، تتراكم الحرارة داخل الوحدات الشمسية والأسلاك. وتؤدي هذه الحرارة إلى تدهور وصلات اللحام والعزل. ومع مرور الوقت، يتراكم الضرر بشكل خفي حتى يحدث عطل كارثي. وينص «القانون الوطني للكهرباء» على ضرورة توفير حماية مناسبة من التيار الزائد لكل منشأة طاقة شمسية.

يجب أن يتوافق جهاز التجميع الخاص بك مع هذه المعايير لكي يجتاز الفحص ويحافظ على تغطية التأمين. ويعني الامتثال للمعايير أن كل سلسلة مزودة بفتيل ذي تصنيف مناسب، وأن جهاز التجميع نفسه يتحمل الجهد الكهربائي المحدد المناسب لنظامك. يجب أن يتحقق كهربائي مرخص من أن التكوين الخاص بك يفي بجميع المتطلبات المعمول بها قبل تشغيل النظام. ويحمي هذا التحقق ممتلكاتك واستثمارك في تكنولوجيا الطاقة الشمسية.

أفضل الممارسات الخاصة بصندوق تجميع الألواح الكهروضوئية

يمكنك تجنب معظم مشاكل عدم تطابق الجهد من خلال التصميم المدروس للنظام. تساعد الممارسات الواردة أدناه على حماية معداتك الشمسية، والحفاظ على كفاءة توليد الطاقة، وتبسيط الصيانة. يتناول كل نهج نمطًا محددًا من الأعطال التي قد تواجهها عندما تسأل: “هل يمكن أن يكون لجسوري جهد كهربائي مختلف عن صندوق التجميع؟” وتعتمد الإجابة على مدى جودة تنفيذك لهذه الاستراتيجيات.

استخدام مداخل MPPT منفصلة

توفر مداخل MPPT المتعددة في العاكس الخاص بك الحل الأمثل لمشكلة عدم تطابق السلاسل. يعمل كل متتبع بشكل مستقل، حيث يبحث عن نقطة الطاقة القصوى الخاصة به دون أي تداخل من القنوات الأخرى. وتقضي هذه البنية تمامًا على مشكلة مطابقة الجهد. ويقوم جهاز التجميع الخاص بك ببساطة بتوجيه كل مجموعة من السلاسل إلى المتتبع المخصص لها.

لنفترض وجود سلسلتين موجهتين نحو الشرق والغرب. عند توصيلهما معًا بمدخل MPPT واحد، فإن السلسلة ذات الجهد الأقل تؤدي إلى انخفاض نقطة التشغيل لنظيرتها. ولا يمكن لجهاز التتبع تحسين كليهما في آن واحد. لذا، فإن إحدى السلسلتين تتنازل دائمًا عن جزء من إنتاجها. ويوضح الجدول أدناه الفرق بينهما:

التكوين	التأثير
7S E موازية لـ 7S W على MPPT1	خسائر طفيفة ناجمة عن عمليات مسح إضافية لنظام MPPT بسبب الظل
7S E على MPPT1 و7S W على MPPT2	لا يوجد تأثير متبادل بين الأوتار

كما توفر مداخل MPPT المنفصلة عزل الأعطال. فإذا تعرضت سلسلة واحدة للتلف أو التلوث الشديد، تواصل القناة الأخرى توفير الطاقة الكاملة. وبذلك تتجنب الاضطرار إلى التنازل عن الألواح السليمة لصالح الألواح المتضررة. يتيح هذا التصميم تركيبًا أسرع للأنظمة الشمسية، حيث يتولى محول واحد إدارة أسطح السقف ذات الزوايا السمتية المختلفة دون الحاجة إلى وحدات متعددة. وتستفيد مجموعتك من الألواح الشمسية من انخفاض تعقيد الأجهزة.

توفر قنوات MPPT المزدوجة المستقلة إمكانية المراقبة على مستوى القناة. وبذلك تحصل على دقة أكبر في بيانات حالة الموقع، وإنتاج الطاقة، وبيانات استكشاف الأعطال وإصلاحها. وتساعدك هذه الرؤية على تحديد السلاسل ذات الأداء الضعيف بسرعة. وتكمل قدرات المراقبة الخاصة بجهاز التجميع هذه البيانات.

تركيب مُحسِّنات تيار مستمر إلى تيار مستمر (DC-DC) أو المُحَوِّلات الصغيرة

عندما لا تتوفر مداخل MPPT منفصلة، تُعد مُحسِّنات DC-DC بديلاً فعالاً. تعمل هذه الأجهزة على ضبط الجهد والتيار لكل لوحة قبل وصول الإشارة إلى جهاز التجميع. وهي تعمل بشكل فعال على فصل الوحدات الفردية عن القيود المفروضة على مستوى السلسلة. ويُعد هذا النهج مناسبًا للمنشآت الشمسية التي تتسم بأنماط تظليل معقدة.

لنفترض وجود لوح مظلل ضمن سلسلة مكونة من 20 لوحًا. عادةً ما ينتج كل لوح 50 فولت عند تيار 8.4 أمبير. وعندما يؤدي التظليل إلى انخفاض تيار أحد الألواح إلى 3.2 أمبير، فإن السلسلة بأكملها — في حالة عدم وجود مُحسِّنات — تقتصر على تيار 3.2 أمبير. وبذلك تفقد طاقة محتملة تبلغ 62% — أي 3,200 واط بدلاً من 8,400 واط. ويغير المُحسّن هذه النتيجة، حيث تعمل دائرة تحويل التيار المستمر (DC-DC) على رفع تيار اللوحة المُظللة مرة أخرى إلى 8.4 أمبير مع خفض جهدها إلى 15 فولت.

يُنتج المُحسِّن 126 واط من تلك اللوحة. أما اللوحات الـ19 الأخرى فتستمر في العمل بكامل طاقتها، لتنتج 7,980 واط. ويبلغ إجمالي الطاقة 8,106 واط، مما يقلل الفاقد إلى 3.5% فقط.

يوضح هذا المثال أهمية أجهزة التحسين. فهي تتيح لكل لوحة المساهمة بأقصى قدر من الطاقة على الرغم من التظليل أو الاختلافات في الجهد الكهربائي. وبذلك يتلقى صندوق تجميع الطاقة الكهروضوئية مدخلات أكثر اتساقًا، مما يقلل من الضغط على مكونات الحماية. ويعمل صندوق التجميع ضمن معايير التصميم المحددة له.

تسمية كل سلسلة وتوصيلها بالصمامات بشكل صحيح

يحمي استخدام الصمامات المناسبة نظامك من الأضرار الناجمة عن التيار العكسي. ويتطلب كل سلسلة صمامًا خاصًا بها يتم حساب قيمته بشكل مستقل. ولا يمكنك الاعتماد على قيمة واحدة لجميع المدخلات عندما تختلف الفولتية. وتعتمد سلامة جهاز التجميع الخاص بك على هذه الدقة.

وفقًا للمعيار NEC 690.9، يجب أن يكون حجم كل مصهر في السلسلة 156% من تيار الدائرة القصيرة (Isc) لتلك السلسلة. بالنسبة لسلسلة ذات تيار دائرة قصيرة يبلغ 10 أمبير، يتم حساب 15.6 أمبير. ثم يتم تقريب القيمة لأعلى إلى أقرب مقاس قياسي للصمامات، والذي عادةً ما يكون 16 أمبير أو 20 أمبير. أما بالنسبة لسلسلة أخرى تبلغ قيمة تيار الدائرة القصيرة فيها 13 أمبير، فتتطلب حسابًا مختلفًا: 1.56 × 13 أمبير = 20.28 أمبير. تختار الحجم القياسي التالي أعلى من هذه القيمة، وهو 25 أمبير (صمام gPV)، شريطة أن يسمح بذلك الحد الأقصى لتصنيف الصمام التسلسلي للوحدة.

لا تصبح الحماية من التيار الزائد ضرورية إلا عندما يتجاوز التيار الإجمالي المتاح من السلاسل المتوازية القيمة المقننة لسلسلة واحدة. وعادةً ما تحدث هذه الحالة عند وجود ثلاث سلاسل أو أكثر. ووفقًا للمعايير، يجب فصل جميع الموصلات غير المؤرضة في الدائرة الكهروضوئية في آن واحد. ويُستخدم القاطع ثنائي الأقطاب الموجود في وحدة التجميع كحماية من التيار الزائد وكجهاز فصل متوافق مع المعايير في آن واحد.

يمنع وضع العلامات الواضحة حدوث أي لبس أثناء الصيانة. يجب أن تحدد كل صمامات أمان السلسلة التي تنتمي إليها وقيمتها التصنيفية. يجب أن يتضمن صندوق تجميع الطاقة الشمسية الخاص بك إمكانيات مراقبة على مستوى السلسلة لتتبع الأداء الفردي. تساعدك هذه المراقبة على اكتشاف المشكلات قبل أن تتفاقم.

يُسمح بوجود فروق جهد كهربائي طفيفة داخل وحدة 5-10%. أما الفروق الكبيرة التي تقترب من عتبة قاعدة 33% فتتطلب تصحيحًا. يعتمد أداء وحدة التجميع الخاصة بك على هذه التفاصيل. إن صندوق تجميع الطاقة الشمسية المصمم جيدًا يزيد من موثوقية نظامك على المدى الطويل إلى أقصى حد.

الخلاصة

لا ينبغي توصيل سلاسل ذات جهد كهربائي مختلف بنفس صندوق تجميع الطاقة الكهروضوئية دون التأكد أولاً من التوافق الكهربائي بين السلاسل ومن أن صندوق التجميع مصمم بشكل مناسب لمواصفات النظام. فقد تؤثر الاختلافات في الجهد والتيار وتكوين الوحدات ومتطلبات MPPT على أداء النظام وسلامته. وفي معظم أنظمة الطاقة الكهروضوئية، يجب أن تتمتع السلاسل المتصلة بنفس وحدة MPPT بخصائص كهربائية متشابهة لضمان تشغيل مستقر وفعال.

LSP تقدم حلولًا موثوقة لصناديق تجميع الألواح الكهروضوئية، مصممة لتبسيط عملية التوصيل والحماية وتوزيع سلاسل الألواح الكهروضوئية المتعددة.

إذا كنت تبحث عن مصنع أو مورد موثوق به لصناديق تجميع الألواح الكهروضوئية، فإن شركة LSP قادرة على توفير حلول مصممة باحترافية للتطبيقات الشمسية السكنية والتجارية وتلك المخصصة لمرافق الخدمات العامة. وبفضل خبرتها العملية في مجال معدات الحماية الكهربائية، تدعم شركة LSP العملاء في اختيار صناديق تجميع الألواح الكهروضوئية المناسبة وفقًا لجهد النظام، والتيار، وعدد السلاسل، ومتطلبات الحماية.

الأسئلة الشائعة

ما هو فرق الجهد الذي يمكنني تحمله؟

تؤدي الاختلافات الطفيفة في نطاق 5-10% إلى خسائر لا تكاد تُذكر. وتُعد قاعدة 33% الحد الأقصى العملي الذي يمكنك الوصول إليه. فما وراء هذا الحد، تصبح خسائر الكفاءة كبيرة. وتُظهر بيانات PVsyst أن حتى السلاسل المتوازية المتعددة تفقد أقل من 0.15% بسبب عدم تطابق الجهد وحده. ركز على تجنب الفجوات الكبيرة بدلاً من السعي وراء التكافؤ التام.

لماذا يحدد السلسلة ذات الجهد الأقل قدرة المصفوفة بأكملها؟

تشترك الدوائر المتوازية في جهد ناقل مشترك واحد. وتفرض قوانين الفيزياء أن يتساوى الجهد عبر جميع الفروع المتوازية. لذا، يجب أن ينخفض جهد السلاسل ذات الجهد الأعلى ليتناسب مع أضعف مدخل. وينبع هذا القيد من قانون كيرشوف الخاص بالجهد. ولا يمكن لأي إعداد للمحول أو تعديل للمجمع تجاوز هذا السلوك الأساسي.

هل يمكن لإعدادات العاكس أن تحل مشاكل عدم توافق الجهد الكهربائي؟

لا. يعمل متتبع MPPT الخاص بالمحول على البحث عن نقطة الطاقة القصوى المجمعة للمصفوفة. ولا يمكنه تحسين أداء السلاسل الفردية التي تشترك في مدخل واحد. وتُحل هذه المشكلة تمامًا من خلال استخدام مداخل MPPT منفصلة. قم بتوجيه السلاسل غير المتطابقة إلى متتبعات مختلفة. وبذلك، تعمل كل قناة على التحسين بشكل مستقل دون الحاجة إلى التنازل عن أي من المعايير.

كيف يمكنني اكتشاف عدم تطابق الجهد في مجموعتي؟

قم بقياس جهد التشغيل لكل سلسلة في ظروف أشعة الشمس الحقيقية. تؤثر درجة الحرارة وتدهور الألواح والتظليل على القيم الفعلية. تعمل قدرات المراقبة على مستوى السلسلة في أجهزة التجميع الحديثة على تتبع المدخلات الفردية بشكل مستمر. قارن القراءات عبر سلسلاتك بانتظام. إن وجود فارق مستمر يتجاوز 10% يستدعي التحقيق والتصحيح.