حماية نظام الطاقة الشمسية من التيار القوي و حساب حجم الاسلاك اللازم

في هذا الدرس من دورة الطاقة الشمسية سنتعرف على كيفية حماية نظام الطاقة الشمسية بالفيوز أو بالقواطع الكهربائية. و ذلك خطوة بخطوة و مرحلة بمرحلة.

حماية الألواح الشمسية

من أجل حماية نظام الطاقة الشمسية نبدأ أولا بحساب حماية الألواح الشمسية.

تجاريا نجد الألواح الشمسية ذات قدرة أكبر من 50 واط مصحوبة بأسلاك كهربائية ذات حجم 10 awg. و هذا النوع من الأسلاك قادر على تحمل تيار كهربائي قدره 30 امبير. شاهد الجدول التالي لمعرفة التيار الملائم لكل حجم من أحجام الأسلاك.

احجام الخيوط الكهربائية

تيار احجام الخيوط

إذا قمنا بتوصيل الألواح بالتسلسل فإن التيار الكهربائي لن يزيد كما سبق و ذكرنا في درس تركيب الألواح الشمسية. لذلك في هذه الحالة فإن تركيب الفيوز غير ضروري لأن الخيوط المركبة عادة ما تتحمل تيار اكبر بكثير من تيار دارة القصر Isc للوح الشمسي. لكننا نستطيع أن نقوم بتوصيل قاطعة للتيار المستمر (Dc disconnet switche).

أما في الحالة التي نقوم فيها بتركيب عدد معين من الألواح بالتوازي فإن التيار سيزيد. لذلك يجب إضافة فيوزات (Fuses) او circuit breakers إلى علبة توصيل أسلاك الألواح الشمسية (combiner box).

في الصورة التالية مثال لعلبة توصيل بها فيوزان.

علبة توصيل اسلاك كهربائية

لاحظوا مكان توصيل علبة وصل الاسلاك (combiner box) في النظام المتصل بشبكة الكهرباء العمومي.

grid-tie-solar-system

لحماية الألواح المركبة بشكل متوازي يجب إضافة فيوز لكل سلسلة من الالواح الشمسية و تركيب فيوز آخر لنقطة تجمع الالواح المتوازية. فلتاخذ مثال لأربع سلاسل من الالواح الشمسية المركبة بالتوازي. فلنفرض أن تيار دارة القصر لهذه الألواح هو 8.5 أمبير. وتطبيقا للقواعد الصناعية يجب اضاقة نسبة 25 % لقيمة تيار القصر كحماية فتصير 10.6 أمبير تقريبا. ثم إضافة 25 اذا كان الحمل متواصلا فتصير قيمة التيار 13.3 تقريبا في اللوح الواحد. و بالتالي فإن  قيمة التيار الخارجة من أربع الواح متوازية قد تصل إلى 53.1 امبير تقريبا. اذا اخترنا سلكا من النوع الموجود في الجدول أعلاه فإن الحجم 4 سيكون مناسبا لتحمل 53 امبير. لكن لو اخترنا سلكا من نوع USE-2 مثلا فحجم 8 من هذا النوع يكفي لتحمل 55 اومبير وهو مناسب جدا لحالتنا. و من أجل أن نحمي هذا السلك يمكن أن نركب فيوز 60 امبير. في الصورة التالية تلخيص لما ذكرناه حول حماية الألواح الشمسية المركبة بالتوازي.

وكما تلاحظون فعلى عكس الألواح المركبة بالتسلسل فإن إضافة فيوز 30 امبير لكل لوح لحماية أسلاك حجم 10 أمر ضروري.

fusing-solar-panels

حماية الربط بين منظم الشحن و البطاريات

بالنسبة لمنظم الشحن من نوع PWM أي (Pulse Width Modulated) فإن أقصى قيمة للتيار الداخل إلى المنظم تكون متساوية مع أقصى قيمة خارجة منه. لذلك فإن اختيار الفيوز أو المنصهر يكون عادة مطابقا لاختيار الأسلاك و الفيوز التي بين الألواح الشمسية و المنظم. أما بالنسبة لمنظم الشحن نوع MPPT فإن هذا الأخير قادر في الآن ذاته على تخفيض الجهد الكربائي و رفع التيار الكهربائي الداخلان إليه. لذلك فإن اختيار الفيوز المناسب لمنظم MPPT يكون بالرجوع إلى كتيب الخاص بمنظم الشحن. فمثلا هناك منظم شحن 50 امبير يقترح فيوز 60 امبير للحماية.

حماية الربط بين البطاريات و الانفرتر

لحساب تيار الفيوز المكلف بحماية الربط بين البطاريات و الأنفرتر يجب أن نقوم بقسمة قدرة الانفرتر على قيمة الجهد الداخلة إليه. مثلا لو كانت قدرة الانفرتر 3000w و جهد البطاريات 48 فولط فإن معدل التيار ستكون قيمته 62 امبير تقريبا. يجب أن تكون قيمة تيار فيوز الحماية أكبر من هذه القيمة 62A وفي نفس الوقت أصغر من قيمة التيار الذي تتحمله الاسلاك مضروبا في 0.90 .

اي   IZ  , 62 A ≤ IN ≤ 0,90 × IZ تمثل التيار الذي يتحمله السلك.

لكن من الأحسن دائما الرجوع إلى كتيب الصانع للانفرتر لمعرفة قيمة تيار الفيوز المناسب للحماية. بل قد تجد أن الانفرتر بحد ذاته يحتوي على فيوزات حماية.

معادلة حساب مساحة مقطع الأسلاك الكهربائية

إلى حد الآن لم نأخذ بعيم الإعتبار إلا تأثير التيار الكربائي على الأسلاك الكهربائية. و هذا مهم جدا لأن التيار هو المسبب الأساسي في ارتفاع حرارة الأسلاك او اشتعالها إذا تجاوزت هذه الحرارة القيمة القصوى التي يمكن للسلك تحملها.

لكن هناك طريقة أخرى أكثر دقة من أجل اختيار حجم الأسلاك الملائم. لأن هذه الطريقة تأخذ بعين الإعتبار طول السلك و الجهد و التيار سقوط الجهد الخاص بالسلك. و هذه الطريقة ببساطة هي استعمال لمعادلة حساب مساحة مقطع السلك التالية:

 

حساب مساحة مقطع السلك الكهربائي

S : مساحة مقطع السلك بالمم المربع

L : طول السلك بالمتر

I : التيار الكهربائي المار في السلك بالامبير (باستعمال تيار القدرة القصوى (Imp)  للوح الشمسي)

Va : الجهد الكهربائي بالفولط (باستعمال جهد القدرة القصوى (Ump) الخاص باللوح الشمسي)

ρ1 : المقاومية الخاصة بالمادة المصنوع منها السلك بال O.mm²/m

ε : نسبة سقوط الجهد

في أنظمة الطاقة الشمسية العادية عادة ما تتراوح قيمة سقوط الجهد ε بين 0.001 و 0.006. و لتقريب قيمة ε يمكن الإستعانة بكتيب السلك الذي سنستعمله أو استعمال أحد الأدوات اون لاين التي تقوم بحساب هذه القيمة للاسلاك.

لكن الطريقة التي سنستعملها اليوم من أجل حساب قيمة سقوط الجهد هي أننا نفترض في البداية أن هذه القيمة تساوي 0.001 . ثم نقوم بحساب مساحة مقطع السلك المناسبة لهذه القيمة مطبقين المعادلة أعلاه. و بعد ذلك نقوم بأيجاد مساحة اكبر من المساحة التي حسبناها و تكون متوفرة في السوق. مثلا لو كانت المساحة التي حسبناها بقيمة 0.88 مم مربع نختار سلك مساحة مقطعه تساوي 2.5 مم مربع. ولو كانت المساحة التي حسبناها تساوي 6.03 مم مربع نختار كابلا مساحة مقطعه 10 مم مربع. ثم بعد ذلك نعيد حساب نسبة سقوط الجهد للسلك مستعملين نفس المعادلة أعلاه و قيمة مساحة السلك الجديدة الموجودة في السوق.

وبعد حساب مساحة مقطع السلك اللازمة باستعمال المعادلة أعلاه نقوم بالتثبت من إمكانية تحمل السلك لتيار قيمته Isc * 1.25 . كما رأينا في الفقرة الأولى من هذا الدرس و إذا كنا نستعمل حمل يستعمل تيار مستمر نضيف 25% اخرى لل Isc.

 تمرين تطبيقي

دائرة نظام شمسي بالحماية

في الصورة أعلاه دائرة نظام شمسي متكون من مجموعتين من الألواح الشمسية. كل منهما متكون من سلسلتين متوازيتين من الألواح الشمسية. و كل سلسلة متكونة من 3 ألواح شمسية مركبة بالتسلسل. حاول حساب:

-مساحة مقطع الاسلاك الرابطة بين الالواح و علبة الربط (Boite de jonction).

-مساحة مقطع الاسلاك الرابطة بين علبة الربط و منظم الشحن (Reguateur).

مع العلم أن للوح الشمسي الواحد الخاصيات التالية:

  • UMPP = 33.7 V
  • IMPP = 5.49 A
  • Isc= 5.8 A

و مع العلم أيضا أن طول الأسلاك الرابطة بين الالواح و علبة الربط هو 7 متر. طول الاسلاك بين علبة الربط و منظم الشحن هي 24 متر.

و أن مساحة مقطع الأسلاك الموجودة في السوق بالمم مربع هي كالآتي بالترتيب: 1,5 و 2,5 و 4 و 6 و 10 و 16 و 25 و 35 و 50 و 70 و 95 و 120 و 150.

و أن المقاومية ρ1 = 0.02314 O.mm²/m

النتيجة موجودة في الصورة أعلاه فحاول إيجادها بنفسك. و لو لديك إي إستفسار فلا تبخل بطرحه في التعليق. و أرجو أن يكون درس حماية نظام الطاقة الشمسية واضحا للجميع.

 


2 تعليقان

تعليقك مهم

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *