تلفات بی‌بار ترانسفورماتور در سیستم‌های خورشیدی بدون اتصال به شبکه: چرا این موضوع اهمیت دارد

در پروژه‌های فتوولتائیک خارج از شبکه و ذخیره‌سازی انرژی، بسیاری از افراد بر انتخاب ماژول‌های فتوولتائیک و باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی تمرکز می‌کنند، اما یک “سیاه‌چاله پنهان ”را که ۲۴ ساعته انرژی مصرف می‌کند، نادیده می‌گیرند —ترانسفورماتور ’که اتلاف توان در حالت بی‌بار است. در پروژه‌های متصل به شبکه، ترانسفورماتورها معمولاً تنها در ساعات روز فعالیت دارند، بنابراین اثر اتلاف توان در حالت بی‌بار محدود است. اما در پروژه‌های خارج از شبکه، ترانسفورماتور باید به‌طور مداوم و در تمامی ۲۴ ساعت شبانه‌روز به باس متصل بماند و اثر “تجمعی در طول روز ”اتلاف توان در حالت بی‌بار به‌طور چشمگیری تشدید می‌شود. این هزینه‌ای است که هر توسعه‌دهنده‌ای از پروژه‌های خارج از شبکه باید آن را با دقت محاسبه کند.

۱. چرا اتلاف توان در حالت بی‌بار در سیستم‌های خارج از شبکه مرگبارتر از سیستم‌های متصل به شبکه است؟ “مرگبارتر ”در سیستم‌های خارج از شبکه نسبت به سیستم‌های متصل به شبکه؟

۱.۱ تفاوت اساسی در شرایط کاری

سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه: ترانسفورماتور با ظهور و غروب خورشید روشن و خاموش می‌شود و حدود ۱۰ –۱۲ ساعت در روز کار می‌کند. در شب می‌توان آن را از باس جدا کرد.

سیستم‌های فتوولتائیک مستقل (غیرمتصل به شبکه) و ذخیره‌سازی: ترانسفورماتور به‌صورت دائمی به سیستم متصل می‌ماند و ۲۴ ساعته عملیات تبدیل ولتاژ و جداسازی را انجام می‌دهد. قابلیت خاموش‌کردن آن وجود ندارد. تلفات بیش‌ازحد در شرایط بار سبک و بدون بار در سیستم‌های غیرمتصل به شبکه، به یک مانع اصلی در اقتصادی‌شدن سیستم تبدیل شده‌اند.

۱٫۲ “تقویت‌کننده زمانی ”تأثیر تلفات بدون بار

فرمول محاسبه تلفات بدون بار بسیار ساده است: انرژی تلف‌شده سالانه بدون بار = P ₀ (تلفات بدون بار به کیلووات) ×۸٬۷۶۰ ساعت .

در سناریوهای متصل به شبکه، تلفات بدون بار فقط سهم کوچکی از مجموع تلفات را تشکیل می‌دهند. اما در سناریوهای غیرمتصل به شبکه، نرخ بار دامنهٔ گسترده‌تری دارد و زمان کارکرد بدون بار طولانی‌تر است؛ بنابراین سهم تلفات بدون بار از مجموع تلفات به‌طور قابل‌توجهی بیشتر می‌شود. داده‌های صنعتی نشان می‌دهند که تلفات بدون بار ترانسفورماتور حدود ۲۰ درصد –تا ۳۰ درصد از مجموع تلفات نامی را تشکیل می‌دهد. هنگامی که ظرفیت ترانسفورماتور بیش از حد بزرگ انتخاب شده و مدت‌ها با بار پایین کار می‌کند، تلفات بدون بار ممکن است از ۶۰ درصد مجموع تلفات فراتر رود.

۱٫۳ الف “کمبود منابع انرژی ”در سناریوهای غیرمتصل به شبکه

در پروژه‌های غیرمتصل به شبکه، هر کیلووات‌ساعت از پنل‌های فتوولتائیک یا ژنراتورهای دیزلی تأمین می‌شود. هزینهٔ هر کیلووات‌ساعت تولید دیزلی در مناطق دورافتاده به‌راحتی از ۳ یوان چینی فراتر می‌رود و هزینهٔ جامع هر کیلووات‌ساعت تا ۴٫۱ یوان چینی افزایش می‌یابد. در معادن دورافتادهٔ خارج از چین، هزینهٔ تولید دیزلی می‌تواند به ۰٫۴ تا ۱٫۰ دلار آمریکا بر کیلووات‌ساعت برسد، یعنی ۴ تا ۵ برابر هزینهٔ برق شبکه. –۱٫۰ دلار آمریکا بر کیلووات‌ساعت، ۴ –تا ۵ برابر هزینهٔ برق شبکه. تلفات بدون بار مصرف می‌کند “توان ارزشمند، ”نه “توان ارزان، ”بنابراین هزینهٔ اقتصادی آن بیشتر نیز می‌شود.

۲. عوامل تشکیل‌دهندهٔ تلفات بدون بار —چگونه انجام می‌شود “خورد ”برق؟

۲.۱ ماهیت تلفات بدون بار

تلفات بدون بار (تلفات آهنی) عمدتاً توسط جنس هستهٔ آهنی تعیین می‌شود. این تلفات با بار کاری رابطه‌ای ندارد و به محض روشن شدن ترانسفورماتور رخ می‌دهد. این تلفات شامل تلفات هیسترزیس و تلفات جریان گردابی است. می‌توانید آن را مانند ترانسفورماتوری تصور کنید ’ثانیه “متابولیسم پایه —همان‌طور که یک تلفن هم زمانی که تماسی برقرار نمی‌کنید، انرژی مصرف می‌کند، ترانسفورماتور نیز در هر زمان که روشن باشد، تلفات بدون بار ایجاد می‌کند.

۲.۲ جنس هستهٔ آهنی عاملی تعیین‌کننده است

ترانسفورماتورهای سنتی از ورق‌های فولاد سیلیکونی معمولی استفاده می‌کنند، بنابراین تلفات بدون بار در آن‌ها بالا باقی می‌ماند. تلفات آهنی ترانسفورماتورهای آلیاژ بی‌شکل ۷۰٪ است. –۸۰ درصد کمتر از ترانسفورماتورهای سنتی با هسته‌های فولاد سیلیسی. در مقایسه با نسل جدیدترین ترانسفورماتورهای خشک فولاد سیلیسی درجه ۱، ترانسفورماتورهای آلیاژ بی‌شکل فوق‌کارآمد جدیدترین نسل، تلفات بدون بار را ۶۵٫۲ درصد کاهش می‌دهند.

۲٫۳ چالش‌های ویژه در سناریوهای بدون اتصال به شبکه

سیستم‌های بدون اتصال به شبکه اغلب با چرخه‌های مکرر بار بالا و پایین مواجه می‌شوند که این امر نیازهای بیشتری را برای پایداری مدار مغناطیسی ترانسفورماتور ایجاد می‌کند. تلفات بدون بار در دوره‌های بار سبک و بدون بار به‌طور مداوم انرژی مصرف می‌کنند و این دقیقاً زمان‌هایی است که ذخیره‌سازی انرژی در سیستم‌های بدون اتصال به شبکه بیشترین فشار را تحمل می‌کند. “تحت فشار قرار دارد. ”در سناریوهای شدید، تلفات بدون بار در سیستم‌های بدون اتصال به شبکه ممکن است اجباراً ظرفیت فتوولتائیک و ذخیره‌سازی را افزایش دهد تا ظرفیت تأمین انرژی که توسط تلفات از بین رفته است، جبران شود. “مصرف‌شده ”توسط تلفات.

۳٫ محاسبه اقتصادی‌ای که نمی‌توانید آن را نادیده بگیرید

۳٫۱ مدل محاسبه مصرف سالانه انرژی

به‌عنوان مثال، یک ترانسفورماتور ۱۰۰۰ کیلوولت‌آمپر را در نظر بگیرید. تلفات بدون بار به‌طور قابل‌توجهی بسته به درجه کارآیی انرژی متفاوت است:

یادداشت: مصرف سالانه در حالت بی‌بار = تلفات حالت بی‌بار ×۸٬۷۶۰ ساعت. داده‌های واقعی بسته به مدل محصول و نرخ بار متفاوت است.

ارتقاء از ردهٔ ۳ به ردهٔ ۱ می‌تواند حدود ۱۵٬۰۰۰ یوان در سال در هزینه‌های پشتیبانی دیزل صرفه‌جویی کند—تنها از طریق تلفات حالت بی‌بار.

۳٫۲ دیدگاه هزینه چرخه عمر (LCOE)

اگرچه ترانسفورماتورهای ردهٔ ۱ هزینهٔ اولیهٔ بالاتری دارند، اما تلفات بی‌بار آنها ۳۰ درصد کمتر است. –۵۰ درصد کمتر است که می‌تواند در دورهٔ عملیاتی ۲۵ ساله مقدار قابل‌توجهی هزینهٔ برق را پس‌انداز کند. به‌عنوان مثال، مقایسهٔ ترانسفورماتور SCB14 (ردهٔ ۱) با SCB11 (ردهٔ ۲) نشان می‌دهد که صرفه‌جویی سالانهٔ انرژی الکتریکی می‌تواند به ۲۰٬۰۰۰ کیلووات‌ساعت برسد. سرمایه‌گذاری اولیهٔ یک ایستگاه فرعی جعبه‌ای ردهٔ ۱ بالاتر است، اما در سناریوهای بدون اتصال به شبکه، صرفه‌جویی در هزینهٔ برق بسیار بیشتر از تفاوت قیمت خرید است.

۳٫۳ “عامل تقویت ”در سناریوهای غیرمتصل به شبکه

قیمت‌های برق (یا هزینه‌های پشتیبانی با دیزل) در پروژه‌های بدون اتصال به شبکه بسیار بالاتر از قیمت‌های برق متصل به شبکه است. در صورتی که هزینهٔ پشتیبانی با دیزل ۳ یوان بر کیلووات‌ساعت باشد، یک ترانسفورماتور ردهٔ ۱ با ظرفیت ۱۰۰۰ کیلوولت‌آمپر در طی ۵ سال نسبت به یک ترانسفورماتور ردهٔ ۳، حدوداً در هزینهٔ تلفات بی‌بار برق ۷۵٬۰۰۰ یوان پس‌انداز می‌کند. ۷۵٬۰۰۰ یوان با در نظر گرفتن تلفات ترانسفورماتور و کابل‌ها، خروجی انرژی سیستم بدون اتصال به شبکه می‌تواند ۲٫۳ درصد کاهش یابد. –۴٫۶ درصد. این تلفات در نهایت نیازمند ظرفیت اضافی فتوولتائیک یا دیزل برای جبران هستند.

۴. جیانگسو یونیتا ’راه‌حل‌های بهینه‌سازی تلفات بی‌بار سیستم‌های بدون اتصال به شبکه

۴٫۱ ارتقای ماده هسته آهنی

جیانگسو یونیتا الکتریک ’پست‌های ترانسفورماتوری جعبه‌ای اختصاصی فتوولتائیک جیانگسو یونیتا الکتریک از طراحی پیچ‌های کاملاً مسی و استانداردهای بازده انرژی درجه ۱ پیروی می‌کنند. سری‌های SCB13/S20 تلفات بی‌بار را نسبت به استاندارد ملی بیش از ۲۵ درصد کاهش می‌دهند و مدل ۲۵۰۰ کیلوولت‌آمپری سالانه بیش از ۳۰۰۰۰ کیلووات‌ساعت انرژی صرفه‌جویی می‌کند. برای پست‌های ترانسفورماتوری جعبه‌ای با ظرفیت بالا، استفاده از هسته‌های آهنی آلیاژی بی‌شکل اختیاری است که تلفات بی‌بار را ۵۰ درصد دیگر کاهش می‌دهد. سری S20 از هسته‌های فولاد سیلیکونی نورد شده سرد با نفوذپذیری بالا و پیچ‌های مسی بدون اکسیژن با خلوص بالا استفاده می‌کند و تلفات بی‌بار را ۱۵ درصد کاهش می‌دهد. –نسبت به سری S13، ۲۰ درصد کمتر است و بازدهی آن در محدوده‌های بار رایج از ۹۹ درصد بیشتر است.

۴٫۲ بهینه‌سازی فرآیند پیچش

جیانگسو یونیتا الکتریک بر طراحی پیچ‌های کاملاً مسی تأکید دارد. تلفات بار ۲۵ درصد است. –۳۰ درصد کمتر از پیچش‌های آلومینیومی، دفع حرارت بهتر است و عمر مفید طولانی‌تر است. سری SCB13 از پیچش‌های مس بی‌اکسیژن همراه با فیلم پلی‌ایمید استفاده می‌کند که مقاومت حرارتی آن ۲۲۰ درجه سانتی‌گراد است و در برابر ضربه‌های دمای بالا ۱۰ سال بیشتر از رساناهای معمولی مقاومت می‌کند. در فرآیند تولید، از روش پیچش یک‌قطعه‌ای با ۵ یا ۷ مرحله‌ای (lap) استفاده می‌شود تا ساختار دانه‌ها بهبود یابد و افت هیسترزیس به‌طور مؤثر کاهش یابد. افت بدون بار ۳۰ درصد و افت تحت بار بیش از ۱۰ درصد کاهش یافته است. °C، تحمل ۱۰ سال بیشتری نسبت به رساناهای معمولی در شرایط ضربه‌های دمای بالا. در تولید، از روش پیچش یک‌قطعه‌ای با ۵ یا ۷ مرحله‌ای (lap) استفاده می‌شود تا ساختار دانه‌ها بهبود یابد و افت هیسترزیس به‌طور مؤثر کاهش یابد. افت بدون بار ۳۰ درصد و افت تحت بار بیش از ۱۰ درصد کاهش یافته است. “روش پیچش یک‌قطعه‌ای با ۵ یا ۷ مرحله‌ای (lap) ”افت بدون بار ۳۰ درصد و افت تحت بار بیش از ۱۰ درصد کاهش یافته است.

۴٫۳ سفارشی‌سازی مبتنی بر سناریو و انطباق با محیط‌های اکسترم

پروژه‌های خارج از شبکه اغلب در مناطق دورافتاده با شرایط محیطی سخت اجرا می‌شوند. ژونگمنگ الکتریک راه‌حل‌های حفاظتی IP54/IP65 و حفاظت در برابر خوردگی C5-M را برای شرایط پیچیده‌ای مانند کوهستان‌ها، بخارات نمکی ساحلی و طوفان‌های شنی بیابان سفارشی‌سازی می‌کند تا عملکرد پایدار در دمای ۴۰- درجه سانتی‌گراد تضمین شود. °C تا +55 °جی. برای سناریوهای ارتفاع بالا، ژونگمنگ عایق‌بندی تقویت‌شده، ساختار دو لایه‌ای ضد رطوبت و سیستم کنترل هوشمند دما را به‌صورت سفارشی طراحی می‌کند. در یک پروژه فتوولتائیک ۲۰۰ مگاواتی در قینگ‌های با ارتفاع بیش از ۳۸۰۰ متر، در طی دو سال عملیات، هیچ خرابی‌ای در تجهیزات رخ نداده است.

۴٫۴ داده‌های اثبات‌شده در محل

یک ترانسفورماتور جعبه‌ای جیانگسو یونیتا که در سال ۲۰۱۳ در یک نیروگاه برق در شمال غرب چین راه‌اندازی شده است، همچنان اتلاف هسته‌ای آن در سطح ۹۵ درصد از مقدار اولیه باقی مانده است، در حالی که سایر برندها در همان محل دو بار هسته‌ی خود را تعویض کرده‌اند. در یک نیروگاه فراپردیسی در ارتفاع ۴۵۰۰ متری در تبت، تجهیزات جیانگسو یونیتا به مدت ۸ سال بدون هیچ خرابی‌ای کار کرده‌اند، در حالی که یک نیروگاه همسایه ’برند دیگری به دلیل ترک‌خوردگی ناشی از دمای پایین، سه بار جعبه‌ی ترانسفورماتور خود را تعویض کرده است. این موارد، قابلیت اطمینان بلندمدت تجهیزات ژونگمنگ را در محیط‌های شدید تأیید می‌کنند. ’قابلیت اطمینان بلندمدت تجهیزات ژونگمنگ در محیط‌های شدید.

۵. نکات کلیدی انتخاب ترانسفورماتور افزایش‌دهنده‌ی فتوولتائیک بدون اتصال به شبکه

۵٫۱ درجه‌ی بازده انرژی اولویت اول است

اولویت را به محصولاتی با رده‌های کارایی انرژی ۱ یا ۲ که مطابق با استاندارد GB 20052-2024 هستند، بدهید. تلفات بدون بار را می‌توان ۳۰ درصد کاهش داد. –۵۰ درصد. با هر دو تأیید کنید. “برچسب‌های کارایی انرژی + داده‌های اندازه‌گیری‌شده ”برای جلوگیری “کارایی بالای جعلی ”محصولاتی با رتبه‌بندی‌های نادرست.

۵٫۲ تطبیق ظرفیت —اجتناب کنید “اسب بزرگی که ارابه‌ای کوچک را می‌کشد ”

ظرفیت بیش‌ازحد بزرگ منجر به کارکرد طولانی‌مدت در بار پایین می‌شود و سهم تلفات بدون بار به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. ظرفیت کوچک‌تر از حد لازم در اوج بار منجر به کارکرد با بار اضافی می‌شود و هزینه‌های تعمیر خرابی‌ها 3–پنج برابر صرفه‌جویی اولیه در هزینه تجهیزات است. روش استاندارد صنعتی، تنظیم ظرفیت ترانسفورماتورهای جعبه‌ای است. 1.1–۱٫۳ برابر ظرفیت نصب‌شده فتوولتائیک . این امر فضایی را برای کاهش عملکرد ماژول‌ها حفظ می‌کند و در عین حال اوج‌های تلفات بدون بار ناشی از بارهای سبک را جلوگیری می‌کند. به‌عنوان مثال، یک پروژه فتوولتائیک ۱۰ مگاواتی می‌تواند از ترانسفورماتور جعبه‌ای با ظرفیت ۱۱ –تا ۱۳ مگاولت‌آمپر استفاده کند.

۵٫۳ درخت تصمیم‌گیری انتخاب ماده هسته آهنی

۵٫۴ توصیه‌های انتخاب مبتنی بر سناریو

پایگاه‌های ارتباطی دورافتاده: تمرکز بر تلفات بی‌بار و رده حفاظتی. پایگاه‌های بدون اتصال به شبکه عموماً با هزینه‌های برق بالا مواجه‌اند و بهینه‌سازی تلفات بی‌بار مستقیماً بر اقتصاد عملیاتی تأثیر می‌گذارد.

ریزشبکه‌های بدون اتصال به شبکه: نیازمند پشتیبانی از تبدیل دوطرفه و رابط‌های ذخیره‌سازی است. توصیه می‌شود تلفات بی‌بار ترانسفورماتور در مرحله طراحی سیستم در محاسبه ظرفیت ذخیره‌سازی لحاظ شود تا از ناکافی بودن ظرفیت ذخیره‌سازی ناشی از تلفات جلوگیری شود.

ارتفاع بالا/آب‌وهوای شدید: تمرکز بر سازگاری دمایی و رده محافظت در برابر خوردگی. تجهیزات ژونگمنگ قادر به کار پایدار از ۴۰- °C تا +55 °°C هستند و رده‌های حفاظتی اختیاری IP54/IP65 ارائه می‌شوند.

نتیجه‌گیری

در سیستم‌های بدون اتصال به شبکه، تلفات بی‌بار ترانسفورماتور نیست “تغییر کوچک —بلکه هزینه‌ای ثابت است که ۲۴ ساعته در روز فعال است. به عنوان مثال، ترانسفورماتوری با ظرفیت ۱۰۰۰ کیلوولت‌آمپر را در نظر بگیرید. در سناریوی بدون اتصال به شبکه با هزینه پشتیبانی دیزلی ۳ یوان چینی بر کیلووات‌ساعت، ترانسفورماتور درجه ۱ نسبت به ترانسفورماتور درجه ۳ می‌تواند در طی ۵ سال تنها از طریق کاهش تلفات بی‌بار بیش از ۷۵٬۰۰۰ یوان صرفه‌جویی کند —که حتی بیش از تفاوت قیمت خرید محصول درجه ۱ نسبت به سایر درجات است.

توسعه‌دهندگان پروژه‌های بدون اتصال به شبکه باید تلفات بی‌بار را در مرحله انتخاب در ارزیابی هزینه عمر کل گنجانده و نه صرفاً قیمت خرید را در نظر بگیرند. برای پروژه‌های بدون اتصال به شبکه که قبلاً در حال بهره‌برداری هستند، ارزیابی اقتصادی جایگزینی ترانسفورماتور نیز ارزشمند است —به‌ویژه در سناریوهایی که هزینه پشتیبانی دیزلی بالاست، زیرا دوره بازگشت سرمایه برای جایگزینی با ترانسفورماتورهای کم‌تلفات ممکن است کوتاه‌تر از آنچه انتظار می‌رود باشد.