نقلة نوعية - تصميم التبريد الطبيعي في المحولات المرتبطة بسلسلة من الخلايا العاكسه

المحولات الكهروضوئية هي المعدات الأساسية في نظام توليد الطاقة الشمسية، وبالتالي فإن قدرة المحول ومدى إمكانية الاعتماد عليه تُحدد قدرة ومدى إمكانية الاعتماد على النظام الكهروضوئي ككل. كما أن أداء تبديد الحرارة هو العامل الرئيسي الذي يؤثر على قدرة المحولات الكهروضوئية ومدى إمكانية الاعتماد عليها. الجزء الخاص بالطاقة، يعتبر مكوناً أساسياً في المحولات، وهذا الجزء حساس لدرجة الحرارة، مما يعني أن التغيير في درجة الحرارة يمكن أن تؤثر على اتصال/ انقطاع عملية تحويل الطاقة. ففي حالة ارتفاع درجة الحرارة، قد يعاني مفتاح الطاقة من ضعف الأداء أو حتى التوقف التام. لذلك، فإن تبديد الحرارة في المحول يعد عاملاً رئيسياً عندما يتعلق الأمر بأداء وجودة المحول.

وتقع محطات توليد الطاقة الكهروضوئية بشكل عام في الصحاري والسهول في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، حيث تكون أشعة الشمس متوفرة وساطعة. ولكن، تتميز هذه المناطق أيضاً بارتفاع درجات الحرارة بشكل حاد وطقس دائم الرياح الرملية القوية. وبالنسبة للمناطق القريبة من البحر فهي تعاني معدل مرتفع في التآكل. وفي هذه الظروف، تتعرض المحولات لظروف البيئية القاسية بشكل مباشرة مما يؤدي إلى تدهور حالة المكونات الخارجية. وهذا هو السبب في أن الشاغل الرئيسي في المحولات هو كيفية تحقيق التوازن الصحيح بين التكيف البيئي وتبديد الحرارة.

في السنوات الأخيرة، اعتمدت محطات توليد الطاقة على مستوى المرافق في جميع أنحاء العالم بشكل واسع النطاق على المحولات المرتبطة بسلسلة من الخلايا بدلاً من المحولات المركزية بسبب المزايا الواضحة للنوع الأول: ارتفاع المردود، الحجم الأصغر، لا يحتاج لغرفة معدات، العمل بقدرة عالية وموثوقية، وأبسط من حيث احتياجات التشغيل والصيانة.

1 - نظام تبديد الحرارة العام والمشاكل ذات الصلة في المحولات

بشكل عام، يتم تبديد الحرارة في المحولات من خلال التبريد الطبيعي أو التبريد بالهواء. وعادة، يتم تركيب المحولات المركزية في حاويات أو غرف معدات غالباً ما تعتمد على التهوية المباشرة. ويتم تحسين قدرة تبديد الحرارة في المحولات المرتبطة بسلسلة من الخلايا من خلال مراوح خارجية، ولكن عادة ما تُستخدم المحولات المرتبطة بسلسلة من الخلايا في البيئات القاسية، وهو ما يفرض متطلبات أعلى مستوى لحماية المراوح الخارجية. عادة ما تبلى المراوح بشكل سريع ولا يمكن أن تكون حمايتها بشكل تام من الغبار. كما أن البيئة القاسية يُمكن أن تسرع من تدهور المراوح، مما يؤدى إلى الاستبدال المتكرر للمرواح. وعادة ما يتعين استبدال المراوح كلما كان هناك خلل بها، الأمر الذي يجلب متاعب لا نهاية لها للمحطات الكهروضوئية التي من المفترض أن يكون عمرها الافتراضي 25 عاماً.

ويُقال أن غرف المعدات طراز الحاوية الشهيرة تمتاز بنوع حماية IP54. ومع ذلك، لأن هذه الغرف عادة ما تستخدم طريقة تبديد الحرارة بتبريد الهواء، فإن درجة الحماية وفقاً لتصنيف إنجرس للحماية الفعلية يمكن أن يبلغ فقط IP44 إن لم يكن أقل، وبالتالي لا يمكن أن يصل تقييم الحماية للنظام بأكمله إلى IP65. وما يزيد الأمر سوءً، لا يمكن منع الغبار والغازات المسببة للتآكل من الدخول للمحول. حيث أن تراكم الغبار على لوحة الدوائر الكهربائية ووحدة التوصيل داخل المحول يمكن أن يقلل من مسار التسرب، وتشكل مخاطر على السلامة مثل تفريغ الطاقة والاحتراق. وبالإضافة إلى ذلك، لنتمكن من حماية المراوح من المطر يجب أن تكون قناة الهواء مصممة بطريقة معقدة، في حين أن شكل قناة الهواء محدد بالفعل. وبمجرد توقف المروحة عن العمل، فإن القدرة على تبديد الحرارة تتعطل بشكل سيء، مما يتسبب في ضعف قدرة إنتاج المحول وضعف الطاقة الناتجة، مما يؤثر بشكل كبير على استفادة العملاء. ولكن ما هو أسوأ، قد يكون عمر المراوح قصير بشكل كبير بسبب تعرضها للمطر والغبار وغيرها من العوامل المسببة للتآكل لسنوات عديدة. وبسبب الحاجة المتكررة لاستبدال المراوح خلال فترة عمل المحول، ترتفع تكلفة التشغيل والصيانة.

من ناحية أخرى، تدور المراوح عالية الطاقة بسرعة كبيرة عندما يعمل المحول نهاراً وتجلب الغبار في غرفة المعدات من الخارج. وتتراكم بعض الجسيمات على سطح غرفة المعدات، والبعض تتسبب في إغلاق فلتر الهواء، وبعض جزيئات الغبار الدقيقة تدخل جسم المحول. وفي المنطقة الصحراوية في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، يتعين استبدال أو تنظيف فلتر الهواء كل شهرين إلى ثلاثة أشهر. وإذا لم يتم صيانة فلتر الهواء أو تنظيفه في الوقت المناسب، فإن انسداده يقلل من حجم الهواء الداخل إلى غرفة المعدات، وبالتالي تقل إمكانية تبديد الحرارة وترتفع درجة الحرارة في غرفة المعدات. وفي ذه الحالة تكون إنتاج الطاقة من المحول محدود أو حتى متوقف بسبب سوء تبديد الحرارة. إذا كانت آليات التنظيف والحماية ليست فعالة، قد يحترق المحول أو تشتعل فيه النيران.

الشكل رقم 1: تراكم الرمال والغبار بشكل حاد في مروحة تبريد المحول

ويوضح الشكل التالي مروحة تبريد المحول المستخدمة في محطة نموذجية لتوليد الطاقة. يمكننا أن نرى أنه بعد عام من العمل، تآكلت المروحة وامتلأت بالأتربة بشكل سيء.

الشكل رقم 2: تآكل وغبار على المروحة في المحول

ويكون تضرر المروحة في أغلب الأحيان بسب العواصف الرملية والتآكل والإهلاك، بشكل أكثر مما تسببه درجة الحرارة. ويُظهر عدد كبير من الإحصاءات التي يتم إعدادها من داخل محطات الطاقة الكهروضوئية أن المراوح الخارجية للمحولات المركزية في المحطة الكهروضوئية يتعين استبدالها بشكل كامل بعد خمس إلى عشر سنوات من العمل. وتكون التكلفة اللوجيستية، وتكلفة العمالة، والطاقة المفقودة الناتجة عن استبدال المروحة مرتفعة جداً. والأهم من ذلك هو أن استبدال المروحة يؤثر تأثيراً شديداً على كفاءة التشغيل والصيانة حيث يتعين على مسئولي التشغيل والصيانة القيام بكم كبير من أعمال الصيانة غير القيمة.

2 - حلول مشاكل تبديد الحرارة في المحول

في الوقت الحاضر، يعد تصميم التبريد الطبيعي هو الحل الأحدث. حيث تسمح تكنولوجيا التبريد الطبيعي بوصول مستوى حماية المحول إلى IP65 مع تصميم مغلق تماماً في ظل الاحتفاظ بالقدرة العالية في البيئة الساخنة والرطبة. وبالإضافة إلى ذلك، تتميز بانخفاض الضوضاء، وتُحسن درجة الموثوقية وإمكانية الاعتماد عليه، وتُنهي مشاكل فقدان الطاقة، وتُبسط الصيانة، وتُخفض التكلفة.

وكلما يزيد إنتاج الطاقة من المحول ويقل حجمه، يصبح تبديد الحرارة التحدي الرئيسي لكفاءة المحول. ولمعالجة هذه المشكلة، يمكن استخدام لوحة معادلة درجة الحرارة تشمل مركب النحاس والألومنيوم، وأنابيب الحرارة، للحد من المقاومة الحرارية وتحسين قدرة مبدد الحرارة.

الشكل رقم 3: تصميم تبديد الحرارة من إنتاج هواوي

من خلال اعتماد مفهوم تبديد الحرارة المشار إليه واستخدام تصميم معادلة الحرارة وعزل الحرارة وتكنولوجيا الدرع الحراري، تنتج هواوي المحول المرتبط بسلسلة خلايا طراز SUN2000 المغلق بشكل تام والمصمم بتكنولوجيا التبريد الطبيعي. ومن خلال اعتماد تكنولوجيات العزل الحراري والتدريع الحراري، يتم تثبيت المكونات الباعثة للحرارة والمكونات الحرارية في أجزاء مختلفة لضمان عدم وجود بقع ساخنة جزئية، وتحسين موثوقية تبديد الحرارة، وضمان عمل المحول بشكل صحيح في الهواء الطلق تحت درجة حرارة مرتفعة للغاية، دون فقدان للطاقة. سواء كان ذلك في الصحراء في الشرق الأوسط أو في المناطق الساحلية من اليابان، فقد تحمل واجتاز المحول المرتبط بسلسلة خلايا من إنتاج هواوي اختبارات العواصف الرملية والتآكل، وبذلك حصل على درجة موثوقية عالية، والحماية الفعالة، والقدرة على العمل بدون ضوضاء، والأداء ذو الجودة الواضحة.

ملخص

المحولات، في كثير من الأحيان، تعمل في بيئات الهواء الطلق في ظل ارتفاع درجة الحرارة والتعرض للرمال والغبار والرياح وأشعة الشمس والأمطار. وإذا تم استخدام حل التبريد بالمروحة، نجد أن المراوح عرضة للتلف وتحتاج إلى الاستبدال في كثير من الأحيان. ولا يزيد ذلك من تكلفة الصيانة بشكل كبير فقط، ولكن يُؤثر أيضاً على حجم إنتاج الكهرباء. وبالإضافة إلى ذلك، فإنه بالنسبة للاستخدام في المناطق السكنية، نجد أن ضجيج المروحة قد ينتج عنه شكاوى من الجيران. وفي المقابل، تعمل المنتجات التي تعتمد على تكنولوجيا التبريد الطبيعي لفترة أطول ويصدر عنها ضوضاء أقل. وبالتالي فإن تصميم التبريد الطبيعي هو عامل تسويقي أساسي لمحولات الطاقة الصغيرة التي تعمل في الهواء الطلق خارج غرف المعدات.

مع التطبيق المتزايد لتكنولوجيا التبريد الطبيعي في المحولات المرتبطة بسلسلة من الخلايا، تزداد كفاءة إنتاج الطاقة بشكل واضح، خاصة في ظل التوجه الرئيسي لدى العملاء بالبحث عن المعدات التي لا تحتاج لصيانة أو غير دائمة الأعطال.