خسارة المحول عند عدم التحميل في أنظمة الطاقة الشمسية المستقلة: لماذا هي مهمة؟

في مشاريع الألواح الكهروضوئية والتخزين خارج الشبكة، يركّز العديد من الأشخاص على اختيار وحدات الألواح الكهروضوئية وبatterيات التخزين، لكنهم يتجاهلون “ثغرةً سوداءً خفيةً ”تستهلك طاقةً على مدار ٢٤ ساعة في اليوم، وهي ما يُعرف بفقدان الطاقة عند حالة عدم التحميل. —أن المحول ’وفي المشاريع المتصلة بالشبكة، تعمل المحولات عادةً فقط خلال ساعات النهار، لذا يكون تأثير فقدان الطاقة عند حالة عدم التحميل محدودًا. أما في المشاريع خارج الشبكة، فيجب أن تبقى المحولة متصلةً بالحافلة على مدار ٢٤ ساعة يوميًّا، وبالتالي فإن “التراكم اليومي المستمر ”لهذا النوع من الفقدان يتضاعف تأثيره بشكلٍ حادٍّ. وهذه تكلفةٌ يجب على كل مطوّرٍ لمشاريع خارج الشبكة أن يحسبها بدقةٍ بالغة.

١. لماذا يكون فقدان الطاقة عند حالة عدم التحميل أكثر “فتاكًا ”في الأنظمة خارج الشبكة مقارنةً بأنظمة الاتصال بالشبكة؟

١.١ الاختلاف الجوهري في ظروف التشغيل

الألواح الشمسية المتصلة بالشبكة: يبدأ المحول ويتوقف مع ضوء الشمس، ويعمل حوالي ١٠ –١٢ ساعة يوميًّا. ويمكن فصله عن الحافلة ليلًا.

الألواح الشمسية غير المتصلة بالشبكة/مع التخزين: يبقى المحول متصلًا بالنظام ٢٤ ساعة يوميًّا، ويُنفِّذ مهام تحويل الجهد والعزل. ولا يمكن إيقاف تشغيله. وقد أصبحت الفقدان الزائد في ظروف الحمل الخفيف وغياب الحمل في الأنظمة غير المتصلة بالشبكة عقبةً جوهريةً تحد من جدوى النظام الاقتصادية.

١٫٢ “المضاعف الزمني ”أثر فقدان الطاقة عند غياب الحمل

معادلة فقدان الطاقة عند غياب الحمل بسيطة للغاية: الطاقة السنوية المفقودة عند غياب الحمل = ص ₀ (الخسارة عند عدم التحميل بوحدة الكيلوواط) ×٨٧٦٠ ساعة .

في السيناريوهات المتصلة بالشبكة، تشكّل الخسارة عند عدم التحميل جزءًا صغيرًا فقط من مجموع الخسائر. أما في السيناريوهات غير المتصلة بالشبكة، فإن معدلات التحميل تتقلب على نطاق أوسع، ومدة التشغيل دون تحميل أطول، لذا تشكّل الخسارة عند عدم التحميل نسبةً أكبر بكثير من مجموع الخسائر. وتُظهر بيانات القطاع أن الخسارة عند عدم تحميل المحولات تشكل نحو ٢٠٪ –٣٠٪ من مجموع الخسارة المُصنَّفة. وعندما تكون سعة المحول أكبر من الحاجة الفعلية، ويعمل لفترات طويلة عند تحميل منخفض، فقد تتجاوز الخسارة عند عدم التحميل ٦٠٪ من مجموع الخسائر.

١٫٣ الـ “ندرة مصادر الطاقة ”في السيناريوهات غير المتصلة بالشبكة

في المشاريع غير المتصلة بالشبكة، يأتي كل كيلوواط ساعة من الألواح الكهروضوئية أو المولدات الديزلية. وقد تتجاوز تكلفة الكيلوواط ساعة الواحد الناتج عن التوليد الديزلي في المناطق النائية بسهولة ٣ يوان صيني، وقد ترتفع التكلفة الشاملة للكيلوواط ساعة إلى ٤٫١ يوان صيني. وفي المناجم النائية خارج الصين، قد تصل تكلفة التوليد الديزلي إلى ٠٫٤ –١٫٠ دولار أمريكي/كيلوواط ساعة، أي ما يعادل ٤ –٥ أضعاف تكلفة الكهرباء من الشبكة. والخسارة عند عدم التحميل تستهلك “طاقةٌ ثمينةٌ، ”لا “طاقةٌ رخيصةٌ، ”وبالتالي فإن تكاليفها الاقتصادية تتضخّم أكثر فأكثر.

٢. ما المكوِّنات التي تشكّل الفقدان عند حالة عدم التحميل؟ —كيف يعمل ذلك “تناول ”الكهرباء؟

٢.١ طبيعة الفقدان عند حالة عدم التحميل

يتحدد فَقدان حالة عدم التحميل (أو فَقدان الحديد) بشكلٍ رئيسيٍّ من مادة قلب المحول الحديدي. وهو لا يرتبط بحمل التشغيل، ويحدث بمجرد تغذية المحول بالتيار. ويشمل هذا الفقدان فقدان الاستقطاب المتبقي وفقدان التيارات الدوامية. ويمكنك اعتباره كأن المحول ’ثانية “الاستقلاب الأساسي ”— مثل الهاتف الذي يستهلك طاقةً حتى عندما لا تجري مكالمةً، كذلك المحول يولّد فَقدانًا عند حالة عدم التحميل طالما كان مشغّلاً.

٢.٢ مادة قلب المحول الحديدي هي العامل الحاسم

تستخدم المحولات التقليدية صفائح فولاذ سيليكون عادية، لذا يبقى فَقدان حالة عدم التحميل مرتفعًا. أما فَقدان الحديد في محولات السبائك غير المتبلورة فهو أقل بنسبة ٧٠٪ –أقل بنسبة ٨٠٪ مقارنةً بالمحولات التقليدية التي تستخدم قلوبًا من الفولاذ السيليكوني. وبالمقارنة مع أحدث جيل من محولات الجاف-تايب من الدرجة الأولى المصنوعة من الفولاذ السيليكوني، تقلل أحدث محولات السبائك الزجاجية فائقة الكفاءة فقدان الطاقة في حالة عدم التحميل بنسبة ٦٥,٢٪.

٢.٣ التحديات الخاصة في السيناريوهات خارج الشبكة

غالبًا ما تواجه الأنظمة خارج الشبكة دورات تحميل متكررة بين المستويات العالية والمنخفضة، ما يفرض متطلبات أعلى على استقرار الدائرة المغناطيسية للمحول. ويستمر فقدان الطاقة في حالة عدم التحميل في استهلاك الطاقة خلال فترات التحميل الخفيف وفترات عدم التحميل، وهي بالضبط الأوقات التي يكون فيها التخزين الطاقي في الأنظمة خارج الشبكة تحت أقصى ضغط. “مُجهَّد. ”وفي السيناريوهات القصوى، قد يؤدي فقدان الطاقة في حالة عدم التحميل في الأنظمة خارج الشبكة إلى زيادة سعة الألواح الشمسية (PV) ووحدات التخزين لتعويض السعة التوريدية. “المُستهلكة ”بسبب الفقد.

٣. حساب اقتصادي لا يمكن تجاهله

٣.١ نموذج حساب الاستهلاك السنوي للطاقة

خذ محولًا سعته ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير كمثال. ويتفاوت فقدان الطاقة في حالة عدم التحميل تفاوتًا كبيرًا باختلاف درجة كفاءة استهلاك الطاقة:

ملاحظة: الاستهلاك السنوي بدون حمل = الفقدان بدون حمل ×٨٬٧٦٠ ساعة. وتتفاوت البيانات الفعلية باختلاف طراز المنتج ومعدل التحميل.

يمكن أن يؤدي الترقية من الدرجة الثالثة إلى الدرجة الأولى إلى توفير ما يقارب ١٥٬٠٠٠ يوان صيني سنويًّا في تكاليف الدعم بالديزل الناتجة عن الفقدان بدون حمل وحده.

من منظور تكلفة دورة الحياة (LCOE)

على الرغم من أن محولات الدرجة الأولى تتمتّع بتكلفة أولية أعلى، فإن فقدانها في وضع عدم التحميل يقلّ بنسبة ٣٠٪ –وأقل بنسبة ٥٠٪، ما يسمح بتوفير كمية كبيرة من تكلفة الكهرباء على مدى فترة تشغيل مدتها ٢٥ سنة. فعلى سبيل المثال، عند مقارنة المحول SCB14 (الدرجة الأولى) بالمحول SCB11 (الدرجة الثانية)، يمكن أن تصل وفورات الكهرباء السنوية إلى ٢٠٠٠٠ كيلوواط ساعة. والتكلفة الأولية لمحطة التحويل الصندوقية من الدرجة الأولى أعلى، لكن في السيناريوهات غير المتصلة بالشبكة، تفوق وفورات تكلفة الكهرباء الفرق في سعر الشراء بكثير.

٣.٣ العامل “المضاعف ”في السيناريوهات غير المتصلة بالشبكة

أسعار الكهرباء (أو تكاليف الدعم بالديزل) في المشاريع غير المتصلة بالشبكة أعلى بكثير من أسعار الكهرباء في المشاريع المتصلة بالشبكة. وبافتراض تكلفة دعم ديزل قدرها ٣ يوان صيني لكل كيلوواط ساعة، يمكن لمُحوِّل من الدرجة الأولى سعته ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير أن يوفّر نحو ٧٥٠٠٠ يوان صيني في تكاليف الكهرباء الناتجة عن فقدان الحمل دون تحميل على مدى خمس سنوات مقارنةً بمُحوِّل من الدرجة الثالثة. وبعد أخذ فقدان المحول والكابلات في الاعتبار، قد تنخفض الطاقة الخارجة من النظام غير المتصل بالشبكة بنسبة ٢,٣٪. –٤٫٦٪. وهذه الخسائر تتطلب في النهاية زيادة القدرة الإنتاجية للألواح الكهروضوئية أو المولدات الديزل لتعويضها.

جيانغسو يونيتا ’حلول تحسين خسائر التشغيل بدون حمل للأنظمة المستقلة عن الشبكة

٤٫١ ترقية مادة قلب المحول الحديدي

جيانغسو يونيتا إلكتريك ’محطات التحويل الصندوقية الخاصة بالطاقة الكهروضوئية من جيانغسو يونيتا إلكتريك تتبع معيار اللفات النحاسية الكاملة ومعيار كفاءة الطاقة من الدرجة الأولى. وتقلل سلسلة SCB13/S20 خسائر التشغيل بدون حمل بنسبة تزيد على ٢٥٪ مقارنةً بالمعيار الوطني، بينما توفر نموذج السعة ٢٥٠٠ كيلوفولت أمبير أكثر من ٣٠٠٠٠ كيلوواط ساعة سنويًّا. أما بالنسبة لمحطات التحويل الصندوقية عالية السعة، فيمكن اختيار قلوب حديدية من سبيكة غير متبلورة، ما يقلل خسائر التشغيل بدون حمل بنسبة إضافية تصل إلى ٥٠٪. وتستخدم سلسلة S20 قلوبًا حديدية من فولاذ السيليكون المدحرج البارد عالي النفاذية ولفات نحاسية خالية تمامًا من الأكسجين وعالية النقاء، ما يقلل خسائر التشغيل بدون حمل بنسبة ١٥٪. –مقارنةً بسلسلة S13، مع كفاءة تفوق ٩٩٪ في نطاقات الأحمال الشائعة.

٤٫٢ تحسين عملية اللف

تتمسك جيانغسو يونيتا إلكتريك بتصميم اللفات النحاسية الكاملة. وخسائر الحمل تبلغ ٢٥٪. –أقل بنسبة ٣٠٪ مقارنةً باللفائف الألومنيومية، وتتفوق في تبديد الحرارة، كما أن عمرها الافتراضي أطول. وتستخدم سلسلة SCB13 لفائف من النحاس الخالي من الأكسجين مع فيلم بولييميد، ومقاومة حرارية تصل إلى ٢٢٠ °مئوية، ما يسمح لها بالتحمل لمدة عشر سنوات إضافية تحت صدمات درجات الحرارة العالية مقارنةً بالموصلات العادية. وفي مرحلة التصنيع، “تُطبَّق طريقة التداخل ذات الخطوة الواحدة المكوَّنة من ٥ أو ٧ خطوات ”لتحسين بنية الحبيبات، مما يقلِّل بشكل فعّال من فقدان الهستيرسيس. ويقلّ فقدان الطاقة عند عدم التحميل بنسبة ٣٠٪، بينما ينخفض فقدان الطاقة عند التحميل بنسبة تزيد على ١٠٪.

٤٫٣ التخصيص القائم على السيناريوهات والتكيف مع البيئات القصوى

غالبًا ما تُنفَّذ مشاريع خارج الشبكة في مناطق نائية تتسم بظروف بيئية قاسية. وتقدِّم شركة تشونغمينغ إلكترك حلول حماية مخصصة بتصنيف IP54/IP65 وحماية ضد التآكل وفق التصنيف C5-M، لتتناسب مع الظروف المعقدة مثل المناطق الجبلية، ورذاذ الملح الساحلي، والعواصف الرملية الصحراوية، مما يضمن التشغيل المستقر في درجات حرارة تصل إلى -٤٠ °مئوية إلى +55 °ج. بالنسبة للسِّيناريوهات المرتفعة الارتفاع، تقوم شركة تشنغمنغ بتخصيص عزل مُعزَّز + هيكل مضاد للتَّكاثف ذي طبقتين + نظام تحكُّم ذكي في درجة الحرارة. وقد حقَّق مشروع فوتوڤولتيكي بقدرة ٢٠٠ ميغاواط في تشينغهاي على ارتفاع يزيد عن ٣٨٠٠ متر صفر أعطال في المعدات خلال عامين من التشغيل.

٤٫٤ بيانات مُثبتة ميدانيًّا

ما زال محول التوزيع من نوع الصندوق التابع لشركة جيانغسو يونيتا، الذي شُغِّل في عام ٢٠١٣ في محطة طاقة في شمال غرب الصين، يحتفظ بخسارة القلب الحديدي عند نسبة ٩٥٪ من قيمتها الأولية، بينما استبدلت العلامات التجارية الأخرى في الموقع نفسه قلوبها الحديدية مرتين. وفي محطة طاقة على الهضبة في التبت على ارتفاع ٤٥٠٠ متر، عملت معدات جيانغسو يونيتا لمدة ٨ سنوات دون أي أعطال، بينما استبدلت محطة مجاورة تابعة لعلامة تجارية أخرى جسم المحول ثلاث مرات بسبب التشقُّقات الناتجة عن انخفاض درجة الحرارة. ’التابعة لشركة تشنغمنغ ’الموثوقة على المدى الطويل في البيئات القاسية.

٥. النقاط الرئيسية لاختيار محولات رفع الجهد الخاصة بأنظمة الفوتوڤولتيك غير المتصلة بالشبكة

٥٫١ أولوية درجة كفاءة استهلاك الطاقة

أعطِ الأولوية للمنتجات ذات كفاءة الطاقة من الدرجة الأولى أو الثانية التي تتوافق مع المعيار جي بي ٢٠٠٥٢-٢٠٢٤. ويمكن خفض الفقد في حالة عدم التحميل بنسبة ٣٠٪ –٥٠٪. وتأكد من ذلك باستخدام كلا الأمرين معًا “ملصقات كفاءة الطاقة + البيانات المقاسة ”لتجنب “كفاءة عالية مزيفة ”المنتجات ذات التصنيفات الخاطئة.

٥٫٢ توافق السعة —يجب تجنب “حصان كبير يجر عربة صغيرة ”

تؤدي السعة الزائدة إلى تشغيل طويل الأمد عند حمل منخفض، مما يؤدي إلى ارتفاع حاد في نصيب الفقد في حالة عدم التحميل. أما السعة الناقصة فتؤدي إلى تشغيل محمّل زائد عند أقصى حمل، وتكون تكاليف إصلاح الأعطال 3–خمسة أضعاف وفورات المعدات الأولية نسبة السعة الموصى بها للمحطة الفرعية من النوع الصندوقي وفق الممارسة القياسية في القطاع هي 1.1–١٫٣ ضعف سعة الألواح الكهروضوئية المركبة . وهذا يُبقي مساحةً لانحدار أداء الوحدات مع تجنّب قمم خسائر التشغيل بدون حمل الناتجة عن الأحمال الخفيفة. فعلى سبيل المثال، يمكن لمشروع كهروضوئي بقدرة ١٠ ميغاواط أن يستخدم محطة تحويل صندوقية بسعة ١١ –١٣ ميغا فولت أمبير.

٥٫٣ شجرة اتخاذ قرار اختيار مادة قلب المحول الحديدي

٥٫٤ توصيات مبنية على السيناريوهات

محطات الاتصالات البعيدة: يركّز على فقدان الطاقة في حالة عدم التحميل ودرجة حماية الجهاز. وتواجه محطات الاتصالات خارج الشبكة عمومًا تكاليف كهرباء مرتفعة، ويؤثر تحسين فقدان الطاقة في حالة عدم التحميل مباشرةً على الجدوى التشغيلية.

الشبكات المصغّرة خارج الشبكة: يجب أن تدعم التحويل ثنائي الاتجاه وواجهات التخزين. ونوصي بإدراج فقدان الطاقة في حالة عدم التحميل للمحوِّل ضمن حساب سعة التخزين أثناء مرحلة تصميم النظام، لتفادي نقص سعة التخزين الناجم عن الفقدان.

المناطق المرتفعة/المناخ القاسي: يركّز على قابلية التكيّف مع درجات الحرارة ودرجة حماية التآكل. ويمكن لمعدات زهونغمينغ التشغيل المستقر من -٤٠ °مئوية إلى +55 °°م، مع درجات حماية اختيارية IP54/IP65.

الخاتمة

في الأنظمة المستقلة عن الشبكة، لا تُعتبر خسارة التحويل بدون حمل ضئيلة “بل هي نفقة ثابتة تعمل على مدار ٢٤ ساعة يوميًّا. ”— فمثلًا، في حالة محول بقدرة ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير، وفي سيناريو نظام مستقل عن الشبكة يبلغ فيه سعر الكيلوواط ساعة من الديزل الاحتياطي ٣ يوان صيني/كيلوواط ساعة، فإن استخدام محول من الدرجة الأولى بدلًا من محول من الدرجة الثالثة يمكن أن يوفِّر أكثر من ٧٥٠٠٠ يوان صيني الخسارة الناتجة عن التشغيل بدون حمل وحدها خلال خمس سنوات —ما يكفي لتغطية فرق سعر الشراء بين المنتج من الدرجة الأولى والمنتج الآخر، بل وقد يتجاوزه.

وينبغي لمطوري مشاريع الأنظمة المستقلة عن الشبكة أن يشملوا خسارة التشغيل بدون حمل في تقييم التكلفة الإجمالية طوال دورة الحياة عند مرحلة الاختيار، بدلًا من الاقتصار على سعر الشراء فقط. أما بالنسبة للمشاريع المستقلة عن الشبكة التي تعمل بالفعل، فيُستحسن أيضًا تقييم الجدوى الاقتصادية لاستبدال المحولات —وخاصة في السيناريوهات التي تكون فيها تكلفة الديزل الاحتياطي مرتفعة، حيث قد يكون فترة الاسترداد لاستبدال المحولات العادية بمحولات منخفضة الخسارة أقصر مما هو متوقع.