غالبًا ما يغفل مطور الطاقة الكهروضوئية عند تقديم الرسم التخطيطي أحادي الخط لمزرعة شمسية بقدرة 50 ميجاوات عن الجزء الأكثر أهمية في النظام: المحول الشمسي الذي يعمل بين المحولات العاكسة وشبكة التجميع بجهد 33 كيلوفولت. وظيفة المحول الشمسي هي استخدام الجهد المنخفض من المحول العاكس وزيادته إلى الجهد المناسب للاتصال بالشبكة. يؤثر تصميم المحول على كمية الطاقة المتاحة للنقل إلى الشبكة، وكيفية توصيل المزرعة الشمسية بالأرض، وما إذا كانت شركة المرافق ستوافق على الاتصال أم لا. تناقش المقالة تعريف ومبادئ عمل المحول الشمسي، بالإضافة إلى الفروقات بينه وبين محول التوزيع العادي والتكاليف على المحطة بمقاييس مختلفة.
ما هو المحول الشمسي؟
A المحول الشمسي هو محول خاص لمحطات الطاقة الشمسية. التيار المتردد يتم إنتاجه بواسطة محولات التيار الكهروضوئية بجهد منخفض، عادة عند 0.4 كيلوفولت (400 فولت) في حالة محولات التيار الكهروضوئية السلسلية، وعند 0.8–1 كيلوفولت في حالة المحولات المركزية. نقطة الاتصال بالشبكة تعمل عند مستويات جهد مختلفة، عادة عند 33 كيلوفولت، 35 كيلوفولت، 66 كيلوفولت، أو 110 كيلوفولت. الغرض من المحول الشمسي مشابه لمحول رفع الجهد حيث يقوم بتحويل جهد التيار الخارج من منخفض إلى متوسط، وفقًا للقرارات الهندسية لتركيب محطة الطاقة الشمسية. يُعرف بأسماء محول الطاقة الكهروضوئية، محول الطاقة الشمسية، أو محول العاكس. على عكس محول التوزيع الذي يستخدم للاتصال بالأحمال المتغيرة، يتصل المحول الشمسي بنسبة لف ثابتة أثناء الاتصال بالحمل المتقطع فقط.
كيف يعمل المحول الشمسي
آلية التشغيل هي فيزياء المحولات النموذجية: التيار المتردد منخفض الجهد من العاكس يدخل إلى اللف الابتدائي ويحدث تدفقًا متناوبًا في القلب المصفح، مما ينتج جهدًا في اللف الثانوي وفقًا لنسبة اللفات. إذا أعطى العاكس خرجًا بجهد 0.8 كيلوفولت وكان جهد المجمع يساوي 33 كيلوفولت، فإن نسبة اللفات تكون حوالي 1 إلى 41، ويكون تيار الخط الثانوي تقريبًا 1/41 من التيار الابتدائي. تصنيف القدرة الظاهرية (kVA) للمحول يعتمد على سعة مجموعة العواكس: عادةً ما تستخدم محطات العاكس بقدرة 2 ميجاوات محولات بقدرة 2-2.5 ميجا فولت أمبير (لأخذ هامش التحميل الزائد والخسائر في الاعتبار). يعمل التركيب فقط خلال النهار، مع تغير خرجها من صفر إلى القيمة القصوى ثم العودة مع مرور الوقت، لذا يتم تصميم تدفق القلب والعزل والتبريد بناءً على هذا الملف الزمني على عكس محول التوزيع الذي يعمل في حالة ثابتة لشبكات المرافق.
لماذا يختلف عمل المحول الشمسي عن عمل محول التوزيع
| الجانب | المحول الشمسي (PV) | محول التوزيع التقليدي |
|---|---|---|
| اتجاه تدفق الطاقة | أحادي الاتجاه (من الجهد المنخفض إلى العالي) | ثنائي الاتجاه أو متابع للحمل |
| ملف الحمل | متقطع، يتبع الشمس، دورات يومية | مستمر مع ذروات موسمية |
| دورات التبديل | توصيل/فصل العاكس يوميًا | نادر |
| تحميل زائد | ذروات منتصف النهار بالقرب من الحمل الكامل في درجات حرارة محيطة عالية | عرضي، محدد حسب التصميم |
| التوافقيات | معتدل، من تبديل العاكس | عمومًا منخفض |
| مجموعة المتجهات النموذجية | Dyn11، YNd11 (يعتمد على كود الشبكة) | Dyn11، Dyn5 |
| تكامل | غالبًا ما تكون من نوع skid/box مع مفاتيح MV | وحدة مستقلة |
يجب أن تكون الوحدة قادرة على تحمل دورات حرارية يومية دون التسبب في أي ضرر للعزل، وتحمل ذروات درجات الحرارة في ظروف صحراوية، وأن تكون متصلة وفقًا لمتطلبات الشبكة. تحدد أكواد الشبكة المختلفة أن لفائف LV يجب أن تكون متصلة بشكل دلتا وأن لفائف HV متصلة بشكل واي مع حيادي مؤرض (مجموعة متجهات مثل YNd11)، مما يحدد متطلبات تأريض شبكة المجمع ككل.
أنواع المحولات الشمسية
- محولات رفع الجهد المثبتة على قواعد أو skid وتستخدم لمحطات العاكس الموزعة التي تتراوح قدرتها من 1 إلى 5 MVA وتُركب بالاشتراك مع مفاتيح MV.
محطات تحويل الطاقة الشمسية من نوع الحاويات، والمعروفة أيضًا بالوحدات المعبأة، مصنوعة من محولات على شكل صناديق، ومفاتيح MV، ولوحات LV وأنظمة مراقبة، في حالة واحدة للتثبيت السريع في منطقة الاستخدام.
محولات رفع الجهد المغمورة بالزيت المستخدمة في محطات الطاقة الرئيسية وتطبيقات المرافق الكبيرة، بقدرة تتراوح بين 2 إلى أكثر من 50 MVA بما في ذلك محولات من نوع 66 إلى 110 kV.
محولات من النوع الجاف للاستخدام في المناطق التي توجد فيها مخاطر حريق وتركيبات تجارية منخفضة التكلفة.
محولات الخدمة الموجودة في محطات PV لتوفير الطاقة للمعدات الضرورية مثل الإضاءة، ونظام المراقبة.
| النوع | التصنيف | الشكل | التطبيق النموذجي |
|---|---|---|---|
| محولات رفع الجهد المثبتة على القواعد / skid | 1–5 م.ف.أ | skid مع مفاتيح MV | محطات العاكس الموزعة |
| محطة تحويل الطاقة الشمسية من نوع الصندوق | 1–10 م.ف.أ | متكاملة من نوع الحاوية/skid | تركيب سريع في الميدان |
| رفع الجهد المغمور بالزيت | 2–50+ م.ف.أ | مستقلة أو مجمعة | المحطات المركزية، 66–220 kV |
| نوع جاف | حتى 2 MVA | راتنج مصبوب، داخلي | السقف، التجاري الداخلي |
| خدمة المحطة | 50–500 كيلو فولت أمبير | زيت أو نوع جاف | المساعدات النباتية |
هندسة محطة الطاقة الشمسية: حيث يقع المحول
عادةً ما تحتوي محطة الطاقة على نطاق المرافق العامة على محولات سلسلة تزود شبكة تجميع. إذا اعتبرنا التخطيط الموزع، فإن محطة العاكس بقدرة 1-3 ميغاوات تحتوي على محول رفع فردي، والذي يرفع الجهد من 0.4-0.8 كيلوفولت إلى 33 كيلوفولت. بعد الوصول إلى 33 كيلوفولت، تذهب الشبكة إلى المحطة الفرعية الرئيسية حيث يوجد محول رفع كبير (أو بنك)، والذي يرفع الجهد إلى مستوى إما 110 كيلوفولت أو 220 كيلوفولت. يشير تخطيط المحطة المركزية إلى أن جميع العواكس تزود قضبان الجهد المنخفض من نفس المكان بينما يقوم محول كبير واحد بعملية الرفع. يحدد موقع المحول تصنيفه، ومجموعة المتجهات، والحماية لأن المحول مؤمن بواسطة وسائل حماية مستوى المحول (حماية من التيار الزائد والحماية التفاضلية للآلات الكبيرة، وحماية درجة الحرارة والغاز) بالإضافة إلى حماية العاكس وفقًا لمتطلبات مشغل الشبكة.
| حجم المحطة | محطة العاكس | وحدات السرير المطلوبة | محول المحطة الرئيسية |
|---|---|---|---|
| 5 ميغاوات | 2× 2.5 ميغا فولت أمبير | 2 | 5 ميغا فولت أمبير، 33/110 كيلوفولت (اختياري) |
| 20 ميغاوات | 8× 2.5 ميغا فولت أمبير | 8 | 20 ميغا فولت أمبير، 33/110 كيلوفولت |
| 50 ميغاوات | 20× 2.5 ميغا فولت أمبير | 20 | 50 ميغا فولت أمبير، 35/220 كيلوفولت (أو 33/110 كيلوفولت) |
| 100 ميغاوات | 40× 2.5 ميغا فولت أمبير | 40 | 2× 60 ميغا فولت أمبير، 35/220 كيلوفولت |
مجموعات المتجهات والتأريض في محطات الطاقة الشمسية نموذجية محددةالتحديدات
يتم تحديد مجموعة المتجهات من خلال مجموعة من كود الشبكة وفلسفة التأريض، وليس بسبب الخبرة أو العرف. بالنسبة لجزء العاكس، يتم عادةً توصيل لف الجهد المنخفض كدلتا لتجنب التيارات الدائرية وإنشاء مسار واضح للتوافقيات، بينما يتم توصيل لف الجهد المتوسط/العالي كواي مع تأريض محايد يوفر اتصالًا قويًا للشبكة. المجموعات القياسية هي Dyn11 (دلتا جهد منخفض، واي جهد متوسط مع التأريض) وYNd11 (واي جهد عالي مع التأريض، دلتا جهد منخفض) اعتمادًا على الجانب الذي يتصل بالشبكة. يمكن أن يكون التأريض المحايد المتعلق بالشبكة صلبًا، باستخدام محول تأريض أو من خلال مقاومة التأريض المحايد، وفقًا لممارسات تيار العطل في المرافق الكهربائية المعنية. تحقق من التزامات كود الشبكة قبل طلب المعدات - مجموعة المتجهات الخاطئة تؤدي إلى فشل دراسة الاتصال بالشبكة وقد تسبب تأخيرات طويلة في التشغيل أو مشاكل مع المعدات.
| التصنيف (ميغا فولت أمبير) | نسبة الجهد | مجموعة المتجهات | المقاومة | التبريد |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 / 33 كيلوفولت | دين11 | 6% | أونان |
| 2.5 | 8 / 33 كيلوفولت | دين11 | 6–8% | أونان/أوناف |
| 5 | 8 / 35 كيلوفولت | Dyn11 أو YNd11 | 8% | أوناف |
| 20 | 33 / 110 كيلوفولت | YNd11 | 10–12% | أونان/أوناف |
| 50 | 35 / 220 كيلوفولت | YNd11 | 12–14% | ONAF/ODAF |
تتضمن معايير التصميم عادةً ظروف 40-55 درجة مئوية لدرجات الحرارة المحيطة (مخفضة للمواقع الحارة)، مع خط أساس عند ارتفاع 1,000 متر وعمر افتراضي يبلغ 25 عامًا وفقًا لعمر التشغيل المتوقع لمحطة الطاقة الشمسية. تأكد من التحقق من حساب ارتفاع درجة الحرارة في أصعب شهر في موقعك مسبقًا.
التكاليف: المحول، السرير، والتسليم
المحول عمومًا يشكل 1-3% من تكلفة مشروع الطاقة الشمسية، لكنه جزء مهم من عملية التشغيل. تتراوح الأسعار التقديرية في عام 2026 لنماذج مختلفة من المحولات كالتالي: محول 1 MVA 0.4/33 kV – $8,000 – $15,000؛ محول 2.5 MVA – $12,000 – $22,000؛ محول 5 MVA – $18,000 – $32,000؛ محول 20 MVA من فئة 110 kV – $60,000 – $120,000؛ محول 50 MVA من فئة 220 kV – $150,000 – $350,000. إذا أراد المرء محطة فرعية شمسية كاملة من نوع الصندوق تشمل محولًا بالإضافة إلى أجزاء مختلفة مثل معدات التبديل MV، لوحة LV والمراقبة، فإن السعر سيكون أعلى بمقدار 30-60 % من سعر المحول وحده ووقت التركيب سيكون أقل. أيضًا، تكلفة نقل المحولات الكبيرة مرتفعة جدًا ويجب ترتيب الجدول الزمني مسبقًا بسبب الحدود الزمنية الصارمة لمشاريع الطاقة الشمسية.
| بند التكلفة | القيمة التقديرية | ملاحظات |
|---|---|---|
| المحول كنسبة من CAPEX | 1–3% | بند صغير ولكنه حاسم |
| علاوة نوع الصندوق/السكيد | +30–60% فوق الوحدة العارية | تشمل معدات التبديل، لوحة LV، المراقبة |
| شحن بحري (حجم متوسط) | 5–15% من FOB | من ميناء إلى ميناء، 2–6 أسابيع |
| توفير في تركيب الموقع | أيام إلى أسابيع | السكيدات المختبرة في المصنع تقلل من العمل الميداني |
| خسائر المحول على مدى 25 عامًا | $50k–$200k مصنع نموذجي | احتساب الخسائر في مقارنة الموردين |
كيفية اختيار محول الطاقة الشمسية
إصلاح بناء التركيبات الكهربائية. من حيث تيار العاكس، مستوى الجهد الناتج عن المجمع، نقطة الاتصال بالشبكة، سيتم ذكر الكمية و kVA لكل محطة.
حساب تصنيف الجهد. تأكد من مطابقة تصنيف قدرة المحول مع مجموعة العواكس مع هامش 10%-30% لحساب الخسائر، والظروف المناخية، والترقيات. يرجى ملاحظة أن تصنيفات لوحات التوزيع ذات الجهد المنخفض والكابلات يجب أن تتوافق مع تلك الخاصة بالمحولات.
تحقق مرة أخرى من مجموعة المتجهات والتأريض. تأكد من البحث في كود الشبكة المعمول به لمعرفة التفاصيل المتعلقة بتوليد الجهد وتأريض المحايد.
تحليل الظروف المناخية في الموقع. إذا كانت درجة الحرارة المحيطة والارتفاع تتطلب تقليل التصنيف، تأكد من تنفيذ التوصيات المناسبة. على سبيل المثال، يجب أن تؤدي درجة حرارة 50 درجة في الصحراء إلى تصنيف أبرد بكثير من مستوى الأرض.
تحديد طريقة التكامل. في حالة الحاجة إلى تركيب سريع مع اختبار المصنع، اختر نوع التنورة/الصندوق؛ يمكن استخدام التركيبات المستقلة إذا كانت مطلوبة من قبل تخطيط المصنع أو قوانين المحتوى المحلي.
إجراء فحص الامتثال لمعيار IEC 60076. تأكد من التحقق من مستويات العزل، وزيادة درجة الحرارة المقبولة، والخسائر، والقدرة على تحمل الدائرة القصيرة، بالإضافة إلى طلب تقرير اختبار كامل.
إنهاء تخطيط وقت التسليم. قرر الوقت اللازم للتسليم قبل تسليم الطاقة الرئيسية للمصنع.
العلامات التجارية الرائدة ونطاقات الأسعار
| العلامة التجارية | الدولة | التركيز على المنتجات الشمسية | نطاق السعر الإرشادي (US$) |
|---|---|---|---|
| ABB | سويسرا/السويد | محولات الطاقة الشمسية من نوع الرفع ومحولات السكة | $10,000–$350,000 |
| سيمنز | ألمانيا | محولات الطاقة الشمسية على نطاق المرافق | $9,000–$320,000 |
| شنايدر إلكتريك | فرنسا | محطات تحويل الطاقة الشمسية من نوع الصندوق | $8,000–$150,000 |
| هيتاشي للطاقة | سويسرا | محولات الطاقة الكبيرة للطاقة الشمسية | $15,000–$400,000 |
| إيتون | الولايات المتحدة الأمريكية | وحدات رفع الطاقة الشمسية الموزعة | $8,000–$60,000 |
| شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية | الصين | محولات الطاقة الشمسية ومحطات تحويل الطاقة الشمسية من نوع الصندوق | $8,000–$120,000 |
قد تختلف الأسعار المعروضة اعتمادًا على التصنيف، ونطاق الجهد، وكمية التكامل، والعلامة التجارية. أرسلت ABB وSiemens وSchneider Electric وHitachi Energy وEaton منتجاتها إلى بعض أكبر الحدائق الشمسية في العالم ولديها سجل حافل بمشاريعها. يمكن للمطورين الصغار الذين يحتاجون إلى نفس الشهادة عبر IEC60076 بطريقة أكثر اقتصادية شراء محولات رفع الطاقة الشمسية المصنعة بواسطة Jiangsu Subian Electric Power Co., Ltd.، بالإضافة إلى محطات تحويل الطاقة الشمسية الكاملة من نوع الصندوق، حيث يمكن تعديل الأنواع أو التصنيفات لتناسب مواصفات العاكس والشبكة. تشتهر Subian بتوريد منتجات الطاقة المتجددة إلى أسواق مختلفة في جميع أنحاء العالم. استكشف مجموعة المنتجات الشمسية على شركة Subian Electric.
الأسئلة المتكررة
هل محول الطاقة الشمسية مجرد محول رفع عادي؟
على الرغم من أن مفهومه هو نفسه من الناحية الكهربائية، إلا أن التصميم قد تم إنجازه للعمل في الطاقة الشمسية: عملية تتضمن تحميل متقطع بواسطة تتبع الشمس، ودورات تشغيل/إيقاف يومية، ودرجات حرارة محيطة مرتفعة، وعواكس توفر تشويهًا توافقيًا ومواصفات مجموعة متجهة محددة بواسطة مصادر الطاقة البديلة. قد يكون المحول العادي مناسبًا لمحطة الطاقة الكهروضوئية، ولكن المعلمات وتقنية التبريد لن تكون متكيفة ومضبوطة لهذا التطبيق، مما يؤدي إلى فقدان عمر المعدات أو الحاجة إلى مواصفات أعلى من المطلوبة.
ما هو نسبة الجهد النموذجية لمحول الطاقة الشمسية؟
تشمل تركيبات الجهد الشائعة في محطات العاكس 0.4/33 كيلوفولت، 0.4/35 كيلوفولت، و0.8/33 كيلوفولت لمحطات العاكس الموزعة، ونسب الجهد الشائعة لمحطات العاكس المركزية هي 33/110 كيلوفولت و35/220 كيلوفولت. قد تختلف النسبة الدقيقة اعتمادًا على هيكل المحطة ونقطة الاتصال بالشبكة؛ يمكن أن تحتوي المحطات الأكبر أيضًا على مستوى جهد جامع وسيط.
هل أحتاج إلى محول منفصل لمحطة الطاقة الشمسية؟
نعم. الجهد الناتج الذي تنتجه العواكس منخفض، بينما جهد اتصال الشبكة متوسط أو عالي. لذلك، هناك حاجة إلى محول رفع. في حالة المحطات الموزعة، يتطلب الأمر وجود محول لكل محطة عاكس، بينما في حالة التصاميم المركزية، يكفي محول واحد لكامل المحطة. يوفر المحول مرجع التأريض كما هو مطلوب بموجب كود الشبكة.
كم يكلف محول الطاقة الشمسية؟
من المستحسن القول إن أسعار وحدات الانزلاق من 1–2.5 ميغا فولت أمبير تميل إلى أن تكون بين $8,000–$22,000 دولار أمريكي، بينما تكلف وحدة 5 ميغا فولت أمبير بين $18,000–32,000 دولار أمريكي. ترتفع أسعار وحدة 20 ميغا فولت أمبير 110 كيلوفولت الأكثر قوة إلى $60,000–$120,000؛ مع تكاليف وحدات 50 ميغا فولت أمبير 220 كيلوفولت تصل إلى $150,000–$350,000. ستضيف محطة الطاقة الشمسية من نوع الصندوق 30–60% لجميع معدات التبديل والمراقبة المدمجة، لكنها ستساعد في تقليل تكاليف التركيب في الموقع. استخدم هذه البيانات المفيدة لطلب عرض أسعار مخصص لمشروعك الخاص.
هل يمكن لشركة سوبين تسليم محطة فرعية شمسية كاملة؟
نعم. شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية تحتوي على محولات رفع الطاقة الشمسية ومحطات الطاقة الشمسية من نوع الصندوق المكتملة المكونة من المحول، ومعدات التبديل متوسطة الجهد، ولوحات الجهد المنخفض، والمراقبة جميعها معًا على وحدة اختبار المصنع وقابلة للتثبيت بسرعة. الشركة مسؤولة عن الفحص من طرف ثالث والشحن إلى موقع المشروع.
المراجع
- IEC 60076-1 — المحولات الكهربائية: عام — المعيار الحاكم لتصنيف واختبار محولات الطاقة الشمسية.
- IEC 60076-3 — مستويات العزل والاختبارات العازلة — يحدد مستويات العزل لفئات جهد الجمع والنقل.
- IEC 60076-5 — القدرة على تحمل الدائرة القصيرة — تحقق من الدائرة القصيرة للملفات الرافعة.
- IEC 62271-212 — مجموعات المعدات المدمجة (GIS وGIL) — ذات صلة بمحطات الطاقة الشمسية من نوع الصندوق والمدمجة في وحدات الانزلاق.
- IEA — الطاقة الشمسية — السياق العالمي لنشر الطاقة الشمسية وطلب المعدات.
- هيتاشي إنرجي — منتجات المحولات — الوثائق المرجعية لمحولات الطاقة الشمسية الكبيرة.
الخاتمة
المحول الشمسي هو الرابط الضروري بين العاكس والشبكة: يقوم برفع جهد الخرج المنخفض للمصنع إلى جهد المجمع أو النقل، ويوفر مرجع التأريض الذي تتطلبه معايير الشبكة، ويجب أن يتحمل دورة عمل — متقطعة، يومية، ساخنة — لا يراها المحول التقليدي. تبدأ المواصفات الصحيحة بهندسة الجهد وتصنيف مجموعة العاكس، ثم تحدد مجموعة المتجهات والتأريض وفقًا لمعايير الشبكة، وتخفض التصنيف وفقًا لمناخ الموقع، وتختار شكل التكامل، وتحدد جدول تسليم يتناسب مع تاريخ التشغيل. تقدم شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية محولات شمسية متوافقة مع IEC 60076 ومحطات تحويل PV من نوع الصندوق بأسعار تنافسية، مدعومة بخبرة تصدير واختبارات كاملة في المصنع. قدم مخطط الدائرة الأحادية وبيانات الحمل لمصنعك من خلال الموقع الرسمي لتلقي اقتراح مطابق للمواصفات لمشروعك الشمسي القادم.