كيفية تصميم نسبة السعة لمحطات الطاقة الشمسية بشكل معقول

مع الطلب العالمي المتزايد على الطاقة المتجددة، تم تطوير تقنية إنتاج الكهرباء باستخدام الخلايا الشمسية بسرعة. باعتبارها الحامل الأساسي لتقنية إنتاج الكهرباء بالطاقة الشمسية، فإن منطق تصميم محطة الطاقة الشمسية يؤثر مباشرة على كفاءة إنتاج الكهرباء، واستقرار التشغيل والفوائد الاقتصادية للمحطة. ومن بين هذه العوامل، يُعتبر نسبة السعة كمعامل رئيسي في تصميم محطة الطاقة الشمسية، حيث لها تأثير مهم على الأداء العام للمحطة. هدف هذا البحث هو مناقشة كيفية تصميم نسبة السعة بشكل منطقي لتحسين كفاءة إنتاج الكهرباء والاقتصاد.

01 ملخص نسبة طاقة محطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية
تشير نسبة القدرة لمحطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية إلى نسبة قدرة الألواح الشمسية المثبتة إلى قدرة معدات العاكس (إنفرتر).
بسبب عدم استقرار إنتاج الطاقة الشمسية وتأثير البيئة الكبير عليها، فإن تصميم نسبة القدرة لمحطات الطاقة الشمسية بناءً على تكوين نسبة 1:1 من قدرة الألواح الشمسية المثبتة سيؤدي إلى هدر في قدرة العاكس الشمسية. لذلك، بهدف تحسين كفاءة إنتاج الطاقة في النظام الشمسي مع ضمان التشغيل المستقر للنظام، يجب أن تكون نسبة القدرة المثلى أكبر من 1:1. يمكن أن يؤدي تصميم نسبة القدرة المنطقية ليس فقط إلى تعظيم الإنتاج الكهربائي، ولكن أيضًا إلى التكيف مع ظروف الإضاءة المختلفة والتعامل مع بعض خسائر النظام.

02 العوامل الرئيسية المؤثرة على نسبة الحجم
يجب أخذ تصميم نسبة السعة بشكل شامل بناءً على حالة المشروع المحدد. العوامل التي تؤثر على نسبة السعة تشمل تدهور المكونات، خسائر النظام، الإشعاع، زاوية تركيب المكونات وغيرها. التحليل التفصيلي كالتالي.

1. تدهور المكونات
في حالة التدهور الطبيعي الناتج عن الشيخوخة، يكون تدهور المكون في السنة الأولى حوالي 1٪، وسيظهر تدهور المكون بعد السنة الثانية كتغيير خطي، ونسبة التدهور خلال 30 عامًا هي حوالي 13٪، أي أن قدرة التوليد السنوية للمكون تتراجع ولا يمكن الحفاظ باستمرار على القدرة المحددة. لذلك، يجب أن يأخذ تصميم نسبة السعة الشمسية في الاعتبار تدهور المكونات طوال دورة حياة المحطة لتوفير أعلى كفاءة للنظام.

منحنى التدهور الخطي للطاقة لمدة 30 عامًا لمكونات الطاقة الشمسية

2. خسائر النظام
في نظام الطاقة الشمسية الفولطائي، هناك خسائر متنوعة بين وحدة الطاقة الشمسية الفولطائية ومخرج العاكس، تشمل خسائر التسلسل والترابط المتوازي للوحدة وخسائر الغبار، وخسائر الكابلات المباشرة الحالية، وخسائر العاكس الفولطائي وغيرها. ستؤثر خسائر كل رابط على القدرة الإخراجية الفعلية لعاكس محطة الطاقة الشمسية الفولطائية.

تقرير محاكاة محطة طاقة شمسية PVsyst

كما هو موضح في الشكل، يمكن محاكاة التكوين الفعلي وخسارة الإغلاق للمشروع بواسطة PVsyst في تطبيق المشروع؛ تحت الظروف العادية، تكون خسارة DC لنظام الطاقة الشمسية حوالي 7-12٪، وخسارة العاكس حوالي 1-2٪، والخسارة الإجمالية حوالي 8-13٪. لذلك، يوجد انحراف في الخسارة بين سعة التركيب للوحدات الشمسية والبيانات الفعلية لإنتاج الكهرباء. إذا تم اختيار سعة التركيب للوحدة وفقًا لنسبة السعة 1:1 لعاكس الطاقة الشمسية، فإن السعة القصوى الفعلية للعاكس تكون حوالي 90٪ فقط من السعة المقدرة للعاكس، حتى عندما تكون الإشعاعات الشمسية في أفضل حالاتها، لا يكون العاكس مشغلًا بالكامل، مما يقلل من استغلال العاكس والنظام.

3. تتغير الإشعاعات في المناطق المختلفة
يمكن للعنصر أن يصل إلى القدرة الإخراجية الموصوفة فقط تحت ظروف التشغيل STC (ظروف تشغيل STC: شدة الضوء هي 1000 واط/م²، درجة حرارة البطارية هي 25°C، ونوعية الجو الجوي هي 1.5)، إذا لم تصل ظروف العمل إلى ظروف STC، فإن قدرة إخراج الوحدة الكهروضوئية ستكون حتماً أقل من قدرتها الموصوفة، وتوزيع الوقت لموارد الضوء خلال اليوم لا يمكن أن يلبي جميع ظروف STC، وذلك أساساً بسبب الفرق الكبير في الإشعاع والحرارة بين الصباح، الظهر والمساء؛ وفي نفس الوقت، يؤثر الإشعاع والبيئة في مناطق مختلفة بشكل مختلف على إنتاجية الوحدات الكهروضوئية، لذلك يحتاج المشروع الأولي إلى فهم بيانات موارد الضوء المحلية بناءً على المنطقة المحددة، وإجراء الحسابات اللازمة.

وفقًا لمعايير التصنيف المركزية الوطنية لتقييم طاقة الرياح والطاقة الشمسية، يمكن معرفة البيانات الخاصة بالإشعاع في المناطق المختلفة، ويتم تقسيم إجمالي الإشعاع الشمسي السنوي إلى أربع درجات:

تصنيف إجمالي الإشعاع الشمسي السنوي

لذلك، حتى في نفس منطقة الموارد، توجد فروقات كبيرة في كمية الإشعاع على مدار العام. وهذا يعني أن نفس تكوين النظام، أي نفس نسبة السعة تحت الإنتاج الكهربائي ليست هي نفسها. لتحقيق نفس إنتاج الكهرباء، يمكن تحقيق ذلك عن طريق تغيير نسبة الحجم.

زاوية تركيب المكونات
سيكون هناك أنواع مختلفة من الأسطح في نفس المشروع لمحطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الخاصة بالمستخدم، وستشمل زوايا تصميم مختلفة للمكونات حسب أنواع الأسطح المختلفة، وكذلك ستختلف الإشعاعات المستلمة بواسطة المكونات المقابلة. على سبيل المثال، يوجد أسطح مصنوعة من بلاط الصلب الملون وأسطح خرسانية في مشروع صناعي وتجاري بمقاطعة تشيجيانغ، والزوايا المائلة المصممة هي 3° و18° على التوالي. تُظهر البيانات أدناه إشعاع السطح المائل المحاكى بواسطة PV لأوجه ميل مختلفة. يمكن ملاحظة أن الإشعاع المستلم بواسطة المكونات المثبتة بزوايا مختلفة يختلف. إذا كان سقف التوزيع يتكون بشكل أساسي من البلاط، فإن طاقة الإخراج للمكونات ذات السعة نفسها تكون أقل من تلك التي لها زاوية ميل معينة.

إجمالي الإشعاع بزاوية ميل 3°

إجمالي الإشعاع بزاوية ميل 18°

03 أفكار تصميم نسبة السعة
وفقًا للتحليل أعلاه، فإن تصميم نسبة السعة يهدف بشكل أساسي إلى تحسين الفائدة العامة لمحطة الطاقة من خلال ضبط سعة الوصول المباشر للعكّاس. حاليًا، يتم تقسيم طرق تكوين نسبة السعة إلى التوافق التعويضي والتوافق النشط.

1. تعويض التوافق الزائد
يعني التوافق التعويضي أن بإمكان العكّاس الوصول إلى إخراج الحمل الكامل عندما تكون الإضاءة في أفضل حالاتها عن طريق ضبط نسبة الحجم. هذا الأسلوب يأخذ فقط في الاعتبار الخسائر الجزئية في النظام الفوتوVoltaic، وذلك بزيادة سعة المكون (كما هو موضح في الرسم أدناه)، يمكن تعويض خسارة الطاقة في عملية النقل بحيث يكون للعكّاس تأثير إخراج كامل الحمل أثناء الاستخدام الفعلي دون أي خسارة قص.

رسم بياني للتعويض عن التوافق الزائد

2. التوافق النشط الزائد
التطابق النشط الزائد هو مواصلة زيادة سعة وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية على أساس التعويض عن التطابق الزائد (كما هو موضح في الشكل أدناه). هذا الأسلوب لا يأخذ فقط في الاعتبار خسائر النظام، بل يأخذ أيضًا في الاعتبار تكاليف الاستثمار والدخل والعوامل الأخرى. الغاية هي تقليل تكلفة القوة المتوسطة للنظام (LCOE) من خلال تمديد الوقت الكامل لعمل العاكس بشكل نشط، وإيجاد توازن بين التكلفة الإضافية للكمبيونات ودخل إنتاج الطاقة في النظام. حتى في حالة الإضاءة السيئة، يعمل العاكس بكامل حمله، مما يؤدي إلى تمديد وقت العمل الكامل؛ ومع ذلك، فإن منحنى الإنتاج الفعلي للنظام سيظهر ظاهرة "تقطيع الذروة" كما هو موضح في الرسم البياني، وسيكون هناك بعض الفترات الزمنية التي تعمل فيها بحالة إنتاج محدود. ومع ذلك، تحت نسبة السعة المناسبة، يكون LCOE للنظام ككل هو الأدنى، أي أن الفائدة تزداد.

رسم بياني للتطابق النشط الزائد

كما هو موضح في الشكل أدناه، يستمر تكلفة الكهرباء المُنتج (LCOE) في الانخفاض مع زيادة نسبة السعة. عند نقطة الفائض التعويضي، لا يصل LCOE للنظام إلى أقل قيمة. عندما تزيد نسبة السعة إلى نقطة الفائض النشط، يصل LCOE للنظام إلى أدنى قيمة، وسيزداد LCOE بعد زيادة نسبة السعة بشكل أكبر. لذلك، نقطة التوافق الفائض النشط هي النسبة الأمثل لسعة النظام.

رسم بياني لنسبة LCOE إلى السعة

بالنسبة للمحولات العكسية، كيف يمكن تحقيق أقل LCOE للنظام يتطلب قدرة كافية على الجانب المباشر (DC) لتحقيق ذلك. بالنسبة لمناطق مختلفة، وخاصة المناطق ذات الظروف الإشعاعية السيئة، يتطلب ذلك مخططًا فائق التخصيص النشط بمستوى أعلى لتمديد وقت الإخراج المعين للمحول العكسي وتحقيق الحد الأقصى لتقليل LCOE للنظام.

04 استنتاجات وتوصيات
بالمجمل، تعتبر مخططات التخصيص الزائد التعويضية والتخصيص الزائد النشط وسائل فعّالة لتحسين كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، لكن لكل منها تركيزها الخاص. يركز التخصيص الزائد التعويضي بشكل رئيسي على تعويض خسائر النظام، بينما يركز التخصيص الزائد النشط أكثر على إيجاد توازن بين زيادة المدخلات وتحسين الدخل. لذلك، في المشاريع الفعلية، يُنصح باختيار مخطط تنفيذي مناسب لنسبة السعة الشاملة بناءً على متطلبات المشروع.