ما هو العاكس الشمسي وكيف يعمل

إذا كنت تفكر في استخدام الطاقة الشمسية، فمن المحتمل أنك سمعت الكثير عن الألواح نفسها. في الواقع، تعتمد أنظمة الطاقة الشمسية على عدة مكونات رئيسية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء قابلة للاستخدام. ومن بين هذه المكونات، يلعب العاكس الشمسي دورًا حيويًا.

سيرشدك هذا الدليل خلال كل ما تحتاج لمعرفته عن العاكس، من عملية التحويل الأساسية إلى الوظائف المتقدمة التي تجعل الطاقة الشمسية الحديثة ممكنة.

ما هو العاكس ولماذا تحتاجه للألواح الشمسية

العاكس هو في الأساس جهاز إلكتروني يحوّل التيار المستمر (DC) إلى تيار متردد (AC). تكمن وظيفته الأساسية في تحويل الجهد المستمر من نظام التيار المستمر (مولد ضوئي، نظام تخزين الطاقة، أو بطارية) إلى إشارة تيار متردد يمكن للأجهزة المصممة لاستهلاك هذه الطاقة استخدامها.

نظرًا لأن معظم الأجهزة اليومية تتطلب طاقة تيار متردد للعمل، يعمل العاكس كالمحول الأساسي، جسرًا بين الألواح الشمسية والأجهزة المنزلية. عندما تضرب أشعة الشمس الألواح، يلتقط الكهرباء الخام ذات التيار المستمر ويحوّلها إلى طاقة التيار المتردد اللازمة لمنزلك.

تُعد العواكس الشمسية الحديثة تقريبًا عواكس مصدر الجهد (VSI) التي تثبت جهد التيار المستمر من اللوح الشمسي أو البطارية عند مدخلها باستخدام مكثف تيار مستمر وتحوله إلى جهد تيار متردد محكم التحكم عند المخرج عن طريق التبديل السريع لأجهزة أشباه الموصلات بتسلسل محدد لإنتاج موجة بديلة.

ما الذي يفعله العاكس في نظام الطاقة الشمسية

بينما يتمثل دوره الأساسي في تحويل الطاقة، يقوم العاكس الشمسي الحديث أيضًا بأداء 5 وظائف أساسية تحافظ على أمان نظامك واستقراره وكفاءته:

1. تكييف التيار المستمر

تولد الألواح الشمسية كهرباء تيار مستمر، لكن جهدها وتيارها يتقلبان مع شدة ضوء الشمس. يستخدم العاكس أولاً وحدة تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) لضبط نقطة تشغيل الألواح، مما يضمن عملها دائمًا عند أقصى قدرة إنتاجية لها.

يمر التيار المستمر بعد ذلك عبر مكثف رابط التيار المستمر، الذي يُنعّم تموج الجهد ويُثبّت ناقل التيار المستمر لإنشاء جهد ثابت لمرحلة التحويل إلى التيار المتردد التالية.

2. تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد

يتم تغذية جهد التيار المستمر المستقر من مكثف رابط التيار المستمر إلى مرحلة التبديل في العاكس، والتي تُنفذ عادة كـدائرة جسر H. يتكون جسر H من أربعة مفاتيح (IGBTs أو MOSFETs) مرتبة على شكل "H"، مما يسمح بعكس جهد التيار المستمر بالتناوب عبر المخرج، مولدًا موجة تيار متردد نابضة.

• عاكس طور واحد: جسر H واحد بأربعة مفاتيح ينتج مخرج تيار متردد واحد.
• عاكس الطور المنقسم: يولد جسران H مخرجات تيار متردد بفرق طور 180°، يُستخدم عادة في أنظمة 120/240 فولت في أمريكا الشمالية.
• عاكس ثلاثي الطور: لكل طور جسر H خاص به، مع مفتاحين لكل طور، ينتج ثلاثة مخرجات تيار متردد (220V~415V أو 208V) مفصولة بفارق طور 120°.

3. ترشيح وتحكم شكل الموجة

تشبه موجة التيار المتردد الناتجة عن التبديل عالي التردد في البداية موجة مربعة، وهي خشنة وغير مناسبة لمعظم الأجهزة. بعض العواكس منخفضة التكلفة تنتج موجة جيبية معدلة، وهي نسخة متدرجة أكثر نعومة لكنها لا تزال غير مثالية للإلكترونيات الحساسة.

لذلك، يستخدم العاكس التحكم في التضمين ومرشح LC، وهو مزيج من محث ومكثف. يمنع المحث التموج عالي التردد، بينما يمتص المكثف تقلبات الجهد في موجة التيار المتردد. معًا، يقومان بتنعيم الإخراج الخشن إلى موجة جيبية نقية مناسبة للأجهزة المنزلية أو الاتصال بالشبكة.

4. تنظيم الجهد والتردد والطور

بعد أن يتم تنعيم موجة التيار المتردد بواسطة مرشح LC، يراقب العاكس الإخراج باستمرار لضمان جهد مستقر، وتردد صحيح، وطور مناسب لكل خط طور.

يقيس العاكس الجهد اللحظي وشكل الموجة لكل طور ويقارنها بإشارة مرجعية. ثم يقوم بضبط توقيت التبديل لمفاتيح IGBTs أو MOSFETs باستخدام PWM لتصحيح أي انحراف في الطور، والحفاظ على التردد المطلوب، وضمان استقرار الجهد بناءً على متطلبات حمل المستخدمين.

5. التفاعل مع الشبكة (يعتمد على الطراز)

يستخدم العاكس دائرة قفل الطور (PLL) لمراقبة جهد الشبكة وترددها وطورها باستمرار. تجبر PLL موجة الجهد الخارجة من العاكس على التزامن والتطابق التام مع شكل موجة الشبكة في الوقت الحقيقي.

لتصدير الطاقة، يقوم حلقة التحكم في العاكس بعد ذلك بتوليد جهد أعلى بفواصل من الفولت مقارنة بالشبكة، مما يسبب تدفق التيار إلى الخارج.

لمنع الانعزال، فإنه يتحقق باستمرار من وجود مرجع شبكة مستقر. إذا فشلت الشبكة، يختفي هذا المرجع، مما يسبب انحرافًا سريعًا في الجهد أو التردد يكتشفه متحكم العاكس، مما يؤدي إلى إيقاف التشغيل في غضون ميلي ثانية.

وظائف أخرى للانفرتر الشمسي حسب الأنواع

بالإضافة إلى الوظائف الأساسية المذكورة أعلاه، توفر أنواع مختلفة من الانفرترات الشمسية قدرات محسنة تنبع من تصميمها الفيزيائي أو هندسة النظام.

محولات التيار المتردد

الانفرترات التسلسلية هي الخيار التقليدي، حيث تدير عدة ألواح متصلة على التوالي. تنفذ بفعالية الوظائف الخمس الأساسية المذكورة أعلاه مع ميزات تحكم مركزية. تحدث جميع عمليات تحويل الطاقة والتوصيل بالشبكة في موقع واحد، مما يبسط الصيانة وتشخيص النظام.

الميكروانفرترات

يضع هذا التصميم انفرترًا صغيرًا وكاملاً على كل لوحة على حدة. تسمح هذه "الذكاء الموزع" بالمراقبة الدقيقة لكل لوحة:

نظرًا لأن كل ميكروانفرتر يحتوي على وحدة MPPT خاصة به، يمكنه تحسين إنتاج الطاقة لكل لوحة فردية وتوفير وظيفة فريدة لمراقبة الأداء الفعلي والتاريخي لكل لوحة شمسية على حدة. هذا يسهل التعرف على الألواح ذات الأداء المنخفض وتشخيصها عن بُعد.

العواكس الهجينة

الانفرتر الهجين هو انفرتر مركزي متقدم مبني بمكونات وبرمجيات إضافية لهدف رئيسي واحد: إدارة البطارية.

• إدارة الطاقة ذات الاتجاهين: يمكن للانفرتر الهجين ليس فقط تحويل التيار المستمر من الشمس/البطارية إلى تيار متردد للمنزل، بل يمكنه أيضًا تحويل التيار المتردد من الشبكة إلى تيار مستمر لشحن البطارية.
• وضع الطاقة الاحتياطية: الوظيفة الأكثر طلبًا هي قدرتها على إنشاء فقاعة طاقة مكتفية ذاتيًا أثناء انقطاع التيار. عند اكتشاف انقطاع، تنفصل عن الشبكة وتشكل "جزيرة" مستقرة ومستقلة من الطاقة لمنزلك، مستمدة من الألواح الشمسية والبطارية.
• أنماط التشغيل القابلة للبرمجة: توفر الانفرترات الهجينة وظائف قائمة على البرمجيات تتيح لصاحب المنزل التحكم في كيفية ووقت استخدام الطاقة، مثل وضع الاستهلاك الذاتي والمراجحة حسب وقت الاستخدام (TOU).

الأسئلة الشائعة حول الانفرتر الشمسي

ما الفرق بين الانفرتر والمحولة؟

يقوم الانفرتر بتحويل التيار المستمر (DC) إلى تيار متردد (AC)، بينما مخرج المحول هو تيار مستمر. الأول يغذي الأجهزة المنزلية ويتصل بالشبكة، أما الثاني فيغير مستوى جهد التيار المستمر أو يحول التيار المستمر إلى متردد. بينما يدير كلا الجهازين التحويل الكهربائي، تختلف أدوارهما في نظام الطاقة الشمسية.

هل تعمل الألواح الشمسية أثناء انقطاع التيار الكهربائي؟

بشكل عام، لا. تشمل بروتوكولات أمان الانفرتر خاصية مضادة للانقطاع (anti-islanding)، التي تغلق الانفرتر أثناء انقطاع التيار الكهربائي ما لم يتم استخدام بطارية وانفرتر هجين كنسخة احتياطية.

ما الذي يسبب "قص الانفرتر"؟

يحدث قص الانفرتر عندما تنتج الألواح طاقة أكثر من الحد الأقصى لإخراج التيار المتردد للانفرتر. يضمن هذا التصميم المتعمد الحماية والأداء الأمثل.