الدرس الثامن: أنواع الشواحن والمتحكمات الشمسية المستخدمة في أنظمة إنارة الشوارع وغيرها

تعتبر أجهزة الشواحن والمتحكمات الشمسية Solar Charge Controllers الكتلة المركزية في نظام إنارة الشوارع من الطاقة الشمسية، لسبب رئيسي وهو توسطها وإتصالها مع كل مكونات النظام من خلايا شمسية وبطاريات ومصابيح وملحقات إختيارية متعددة وتنسيق العمل والتحكم بعمل كل تلك المكونات بتناغم أمثلي، وتستخدم عادة مع الأنظمة المستقلة عن الربط بالشبكة الكهربائية Off-Grid.

وبالتالي سنتناول في هذا الجزء من البحث وظائف تلك الأجهزة والتصنيفات المتعارف عليها من عدة أوجه والعوامل المؤثرة في إختيارها، وكذلك الملحقات الإختيارية المتوفرة فيها وأخيراً طرق التوصيل.

أولاً بوظائف هذه الأجهزة:

 سنتكلم هنا عن الوظيفة الأساسية لها، وهي إستلام الطاقة الكهربائية المتولدة من الألواح الشمسية أو العنفات الريحية في حالات خاصة وتوجيهها إلى البطارية كطاقة شحن أثناء وجود يوم مشمس، ثم سحب هذه الطاقة المخزنة وتوجيهها إلى جهاز الإنارة، وتعمل هذه الأجهزة في كلا الحالتين على التحكم ومراقبة عمليتي الشحن والتفريغ بما يحافظ على الشروط الأمثلية لعمل البطاريات أطول فترة تشغيلية ممكنة.

ثانياً إلى التصنيفات المتعارف عليها لتلك الأجهزة:

 حيث يمكن تصنيفها حسب المتوفر في هذه الأوقات حسب التقنية المصنوعة بها:

فهناك شواحن ومتحكمات شمسية تعمل بتقنية PWM وهو إختصار لمصطلح التعديل بعرض النبضة، وأخرى تعمل بتقنية MPPT وهو أيضاً إختصار لمصطلح ملاحقة نقطة الإستطاعة العظمى.

وفي معرض حديثنا عن تلك التقنيتين لن يكون المنحى أيهما أفضل فهذا خطأ ومقارنة في غير مكانها، والأصح القول أن لكل تقنية مجال عمل وتطبيق تعمل به وتكون هي الخيار الأمثل، ولا بأس هنا من التفصيل بعض الشيء للتعريف بكلا التقنيتين كالتالي:
فنقول بما أن جهاز متحكم الشحن يتصل مباشرة مع الألواح الشمسية فمن المفيد الإطلاع أولاً على المنحنى الذي يصف سلوك التيار والتوتر وبالتالي الإستطاعة المقدمة من اللوح الشمسي كما في المنحنى المبين في الشكل 1 نجد:

إن النسبة الأمثلية بين التيار والتوتر تمثل نقطة الإستطاعة العظمى حيث يتتغير موقع هذه النقطة مع تغيير النسبة التيار/التوتر من خلال تغيير حركة الشمس وتغير قيمة الإشعاع الشمسي الذي يستقبله سطح اللوح.

ففي تقنية الأجهزة العاملة بتعديل عرض النبضة PWM كما في الشكلين 2+3 نجد: 

إن المتحكم يعمل ضمن مجال محدد من توتر الشحن الأصغري والأعظمي وما يقابله من مجال لتيار الشحن القادم من الألواح بغض النظر عن تغير قيم الإشعاع الشمسي مع تغير موقع الشمس، فيعمل المتحكم على فصل ووصل تيار الشحن على البطارية بشكل مباشر من الألواح وبفترات زمنية متقطعة مع مراقبة مستوى شحن البطارية دون الوصول إلى مستوى الشحن الزائد، فنجد حسب الشكل 3 أن هذه المتحكمات تعمل عند نقطة أعلى بقليل من نقطة الإستطاعة العظمى.

أما في تقنية الأجهزة العاملة بملاحقة نقطة الإستطاعة العظمى MPPT كما في الشكل 4 نجد: 

إن المتحكم يؤمن إتصال غير مباشر بين اللوح الشمسي والبطارية بوجود وسيط عبارة عن محول توتر مستمر/ مستمر DC/DC Converter يفيد هذا المحول بأخذ الإستطاعة الفائضة المولدة من اللوح الشمسي وتحويلها إلى تيار إضافي عند توتر منخفض بدون الحاجة إلى فقد هذه الإستطاعة، وتستطيع تلك المتحكمات إنجاز هذه الميزة كونها تعمل بنفس خوارزمية نقطة الإستطاعة العظمى في اللوحات الشمسية.

أما لإختيار جهاز متحكم الشحن الشمسي فهناك عوامل متعددة تؤخذ بالإعتبار هي كالتالي:

• الحرارة البيئية: 

ففي الأجواء الباردة يكون خيار أجهزة MPPT هو الأفضل ويعطي اللوح الشمسي توتر أعلى وأداء من 20 إلى 25 % أعلى من أجهزة PWM في تلك الأجواء الباردة.

أما في الأجواء الحارة فنتعكس العملية وينخفض توتر اللوح مما يجعله قريباً من توتر البطارية وعندها استخدام أجهزة PWM تغني عن إستخدام MPPT.

• نسبة المصفوفة الشمسية إلى الحمل:

فإذا كانت المصفوفة الشمسية أكبر من الحمل فهذا يعني أن البطاريات تكون قريبة من حالة تمام الشحن وبالتالي فإن المتحكم PWM يستطيع المحافظة على منظومة العمل بفعالية عالية تغني أيضاً عن إستخدام MPPT ورفع كلفة النظام.

• حجم المنظومة:

إن أجهزة PWM هي الخيار الأفضل للأنظمة ذات الإستطاعة المنخفضة وذلك لعدة أسباب هي: 

1. متحكمات PWM تعمل بمردود حصاد شمسي ثابت بغض النظر عن حجم الألواح الشمسية.
2. متحكمات MPPT يكون مردودها منخفض في الأنظمة ذات الإستطاعة المنخفضة.
3. قيمة أجهزة PWM أقل من قيمة أجهزة MPPT مما يجعل أنظمة PWM الخيار الأكثر إقتصاديةً للزبائن.

• نوع اللوح الشمسي:

تتكون الألواح الشمسية المستخدمة في الأنظمة المستقلة عن الشبكة من 36 خلية تتوافق عادة مع كلا التقنيتين لأجهزة الشواحن، أما الألواح المستخدمة في أنظمة الربط مع الشبكة On-Grid والتي لا تحتوي على 36 خلية فإنها لا تتوافق مع تجهيزات الأنظمة المستقلة، وكمثال عليها اللوح ذو 60 خلية بإستطاعة 250 وات فهو صغير على شحن بطارية 24 فولت وكبير على شحن بطارية 12 فولت لذلك مع تلك الألواح لا يصلح استخدام شواحن PWM بل يستخدم هنا شواحن MPPT .

• الكلفة الإقتصادية:

تكون عادة تكاليف شواحن MPPT أعلى من تكاليف شواحن PWM وبكل الأحوال فإن ميزة إستخدام شواحن MPPT تكون ذات مردود أكبر عند ظروف محددة، وبالتالي قبل إتخاذ قرار بتركيب نظام MPPT يجب التأكد أن ظروف المشروع تستدعي تركيبها فإذا لم يكن هناك حاجة لتركيبها فإن خيار PWM سيكون أكثر إقتصادية.

وثالثاً نتناول المزايا الإختيارية المتوفرة في أجهزة الشحن والمستخدمة خصيصاً في أنظمة إنارة الشوارع من الطاقة الشمسية:

1. التمييز الآلي لتوتر النظام وغالباً ما يكون 12/24VDC.
2. تيار الشحن غالباً يكون بين 10/15/20 أمبير.
3. تشغيل الإنارة إما يدوي أو بالتوقيت أو حساس خارجي او تحسس مستوى الضوء بواسطة اللوح الشمسي او مزج طريقتين في التشغيل معاً مثل التوقيت وتحسس الضوء.
4. قناة للإتصال اللاسلكي إما بالأشعة تحت الحمراء أو الأمواج الراديوية أو شبكة الجوال لغرض التحكم والبرمجة دون الحاجة لإستخدام الأزرار التقليدية، مع جهاز تحكم عن بعد محمول باليد.
5. منفذ إتصال شبكي Ethernet/ RS232/RS485/etc للمراقبة والتحكم أيضاً.
6. تعتيم كمية الإضاءة بنسب ثابتة أو قابلة للبرمجة من 0 حتى 100%.
7. حساس حرارة خارجي لمراقبة حرارة البطارية.
8. حمايات إلكترونية تشمل: عكس قطبية اللوح الشمسي، زيادة توتر البطارية، زيادة شحن/تفريغ البطارية، عكس قطبية البطارية، زيادة حرارة البطارية، دارة قصر الحمل.
9. إمكانية إستقبال مرابط عنفة ريحية معها لتصبح شواحن هجينة.
10. توفر مؤشرات ضوئية لبيان حالة مكونات النظام والأعطال فيها.
11. إمكانية إجراء فحوصات ذاتية شاملة لكل مكونات النظام.

رابعاً سنتعرف إلى طرق التوصيل هذه الشواحن مع باقي مكونات النظام

 تصنع عادة أغلفة شواحن أنظمة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية من مواد مقاومة للعوامل الجوية ومن الطبيعي فيها أن تكون درجة الحماية والعزل IP68 وهي أعلى رتبة في عزل التجهيزات الكهربائية والإلكترونية ودرجة الحماية والعزل تلك تعني أن الجهاز يعمل بشكل طبيعي إذا تم غمره بالماء بشكل تام.
وتزود هذ الأجهزة عادة بأسلاك للتوصيل مع المعدات الخارجية فيتوفر عادة سلكين للبطارية وسلكين للَّوح الشمسي وسلكين للمصباح وفي بعضها قد يكون هناك سلك واحد مشترك بين الجميع إما القطب السالب في أجهزة MPPT أو القطب الموجب في أجهزة PWM في عموم الأجهزة وقد يكون هناك حالات خاصة للقطب المشترك.
والمخططات المرفقة بالصور تبين طرق التوصيل بشكل بسيط.

وبهذا القدر نكتفي بشرح أنواع الشواحن والمتحكمات الشمسية المستخدمة في أنظمة إنارة الشوارع وغيرها.
على أمل اللقاء بكم في الجزء التاسع، والله ولي التوفيق.
م. إحسان بوادقجي