لماذا لا يمكن استخدام صمامات التيار المتردد العادية بدلاً من الصمامات الكهروضوئية؟

مع التطور السريع لأنظمة توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية، يتم استخدام تصميمات HVDC بشكل متزايد في الأسطح السكنية ومحطات الطاقة والمشاريع الصناعية/التجارية. يعد المصهر جزءًا أساسيًا من سلامة دوائر الأنظمة الكهروضوئية. وتتمثل وظيفته الرئيسية في مقاطعة الدائرة بسرعة في حالة حدوث أعطال في التيار الزائد أو قصر{2}}الدائرة، وذلك لمنع تلف المعدات وحوادث السلامة. ومع ذلك، يعتقد بعض المستخدمين خطأً أن صمامات التيار المتردد القياسية-والتي تكون أرخص-يمكن استخدامها كبديل للصمامات الخاصة للخلايا الكهروضوئية. ومن الناحية العملية، يشكل هذا مخاطر كبيرة على السلامة ويمكن أن يؤدي إلى فشل الحماية وتلف المعدات وحتى الحرائق.
فلماذا لا نستبدل الصمامات الكهروضوئية بصمامات التيار المتردد القياسية؟ في هذه الورقة، سيتم تحليل مبدأ العمل ومتطلبات الأداء والمعايير ذات الصلة بالتفصيل.

يستخدم النظام الكهروضوئي DC

تنتج الجمعية الكهروضوئية تيارًا مباشرًا؛ ويظل التيار مستمرًا طوال الدائرة -من سلسلة التجميع ومجموعة الهيكل إلى مستوى إدخال العاكس.
بدلاً من ذلك، تم تصميم صمامات التيار المتردد القياسية لأنظمة توزيع التيار المتردد بناءً على الخصائص الكهربائية للتيار (AC.
إحدى الخصائص الرئيسية للتيار المتردد هي تغير اتجاه التيار الذي يمر عبر "الصفر" عدة مرات في الثانية. عند تردد 50 هرتز، على سبيل المثال، يمكن أن يتجاوز التيار 100 مرة في الثانية. عندما يتم دمج الدائرة، عندما يمر التيار عبر الصفر، ينطفئ القوس بشكل طبيعي، وبالتالي فإن آلية إطفاء القوس في فتيل التيار المتردد بسيطة نسبيًا.
وعلى النقيض من ذلك، يفتقر التيار المستمر إلى نقطة تقاطع طبيعية-ويظل الاتجاه الحالي كما هو. أثناء حدوث ماس كهربائى، سيستمر القوس، الأمر الذي يتطلب أن يعتمد المصهر على هيكل خاص لإطفاء القوس لقطع التيار بسرعة. لذلك، يتطلب النظام الكهروضوئي الصمامات

المصممة خصيصا لتطبيقات العاصمة.

من الصعب إطفاء قوس التيار المستمر مقارنة بقوس التيار المتردد

هذا هو السبب الأساسي لعدم قدرة صمامات التيار المتردد القياسية على استبدال الصمامات الكهروضوئية.
عندما تذوب المكونات الداخلية للمصهر، يتشكل قوس درجة حرارة عالية-بين الطرفين. أثناء التيار المتردد، يمكن إطفاء القوس بشكل طبيعي حيث ينخفض ​​التيار بشكل متكرر إلى الصفر.
ومع ذلك، لا يزال القوس موجودًا في نظام التيار المستمر، والذي يمكن أن يصل إلى درجات حرارة تصل إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية ويستمر في إطلاق الكثير من الحرارة. إذا لم يكن لدى المصهر قدرة كافية على إطفاء القوس، فقد تنشأ المشاكل التالية:
يستمر القوس في الاحتراق، مما يمنع انقطاع الدائرة فعليًا.

تنفجر الصمامات أو حتى تنفجر؛
حرق المواد العازلة المحيطة؛
قم بإشعال صندوق الدمج أو خزانة توزيع الطاقة؛
تلف المعدات مثل العاكسات والمكونات الكهروضوئية.
ولذلك، عادة ما يتم إخماد الصمامات الكهروضوئية برمال الكوارتز، وقذيفة سيراميك عالية القوة، ويتم تحسين هيكل عنصر المصهر لضمان الإطفاء السريع والآمن لقوس التيار المستمر.
تتمتع الصمامات الكهروضوئية بتصنيفات جهد عالية للتيار المستمر.
تشمل مستويات الجهد الشائعة للأنظمة الكهروضوئية ما يلي:
600 فولت تيار مستمر
1000 فولت تيار مستمر
1500 فولت تيار مستمر
في المقابل، فإن تصنيفات الجهد لصمام التيار المتردد القياسي هي بشكل عام:
250 فولت تيار متردد
400 فولت تيار متردد
500 فولت تيار متردد
690 فولت تيار متردد
من المهم أن نلاحظ أن تصنيف جهد التيار المتردد لا يعادل بشكل مباشر تصنيف جهد التيار المستمر.
على سبيل المثال، قد يتحمل منصهر التيار المتردد بتيار مقدر 690 فولت حوالي 250 فولت إلى 400 فولت فقط من التيار المستمر. إذا تم تركيبه في نظام كهروضوئي 1000 فولت أو 1500 فولت، فقد لا يوفر المصهر الحماية، حيث لا يمكن للمصهر أن يقطع قوس التيار المستمر ذو الجهد العالي - حتى إذا انصهر عنصر المصهر نفسه.
لذلك، يتطلب النظام الكهروضوئي منصهرًا مصممًا خصيصًا للتطبيقات الكهروضوئية، ويجب أن تتوافق معدلات جهد التيار المستمر الخاصة به مع متطلبات النظام.
تعتبر الخصائص الوقائية للصمامات الكهروضوئية أكثر ملاءمة لأنظمة الطاقة الشمسية.

تتمتع المصفوفات الشمسية بخصائص إخراج فريدة.

على سبيل المثال:
يتقلب التيار بشكل مستمر مع الإشعاع الشمسي.
يختلف تيار الإخراج بين الصباح/المساء، والأيام الغائمة والمشمسة؛
عندما تكون سلاسل متعددة متوازية، قد يحدث تدفق عكسي؛
تميل تيارات الصدع إلى الاستمرار لفترة أطول.
تم تصميم خصائص التدفق الزمني-للصمامات الكهروضوئية خصيصًا لظروف التشغيل هذه؛ يمكنهم تحمل التقلبات الحالية أثناء العمليات العادية مع الاستجابة بسرعة في حالة الفشل.
تم تصميم صمامات التيار المتردد القياسية في المقام الأول لأحمال التيار المتردد ولا تعمل بشكل جيد في أنظمة PV DC، مما يؤدي إلى مشكلتين محتملتين:
حوادث التعثر (النفخ) أثناء التشغيل العادي؛
تأخر الاستجابة أو عدم القدرة على العمل أثناء العطل.
كل من هذه الشروط يمكن أن تؤثر على التشغيل الثابت للأنظمة الكهروضوئية. الصمامات الكهروضوئية طبقاً للمعايير الدولية المتخصصة
يجب أن تتوافق الصمامات المصممة خصيصًا للتطبيقات الكهروضوئية مع المعايير الدولية، مثل:
IEC 60269-6 (صمامات الجهد المنخفض--صمامات حماية أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية)
UL 248-19 (معيار الصمامات الكهروضوئية)
تضع هذه المعايير متطلبات صارمة فيما يتعلق بقابلية الكسر بالتيار المستمر، وارتفاع درجة الحرارة، والمتانة، وأداء إطفاء القوس الكهربائي والموثوقية.
في المقابل، تم تصميم صمامات التيار المتردد القياسية وفقًا لمعايير توزيع التيار المتردد ولم يتم التحقق من صحتها بعد من قبل بيئة تشغيل الأنظمة الكهروضوئية وبالتالي لا تلبي متطلبات السلامة للنظام الكهروضوئي.

مخاطر استخدام صمامات التيار المتردد القياسية
قد يؤدي استبدال الصمامات الكهروضوئية بصمامات التيار المتردد القياسية لتقليل التكاليف إلى المخاطر التالية:
لا يمكن مقاطعة تيار خطأ التيار المستمر؛
استمرار حدوث قوس كهربائي، مما يؤدي إلى تلف المصهر؛
حرق درجة حرارة عالية داخل صندوق الجمع.
الإجهاد الزائد للمكونات الكهروضوئية والعاكسات.
زيادة وقت توقف النظام وتكاليف الصيانة؛
حريق كهربائي ثقيل وكبير للغاية يشكل خطرًا خفيًا، ويعرض سلامة الأشخاص والممتلكات للخطر.
وبالنظر إلى إجمالي الاستثمار في الأنظمة الكهروضوئية، فإن تكلفة الصمامات لا تذكر، لكنها تلعب دورا حاسما في حماية السلامة. غالبًا ما يؤدي اختيار المنتج الخطأ لتوفير مبلغ صغير من تكاليف الشراء إلى خسائر اقتصادية أكبر.

كيفية اختيار الصمامات الكهروضوئية بشكل صحيح؟

من أجل ضمان التشغيل الآمن والموثوق للنظام الكهروضوئي، ينبغي إعطاء الأولوية لما يلي في عملية الاختيار:
الجهد المقدر: يجب ألا يكون أقل من الحد الأقصى لجهد التيار المستمر للنظام (على سبيل المثال، 1000 فولت تيار مستمر أو 1500 فولت تيار مستمر).
التصنيف الحالي: يعتمد على تيار الدائرة القصيرة (Isc)، وعدد الخيوط المتوازية وهوامش تصميم المجموعة الكهروضوئية.
قدرة التكسير: يجب تلبية متطلبات الحد الأقصى لتيار العطل المحتمل في النظام.
معايير الاعتماد: إعطاء الأولوية للمنتجات التي تفي بالمعايير IEC 60269-6 و248-19 وغيرها.
القدرة على التكيف البيئي: خذ في الاعتبار بيئات التطبيق مثل درجات الحرارة العالية/المنخفضة، والرطوبة، والضباب الملحي، وما إلى ذلك، واختر المنتجات - المقاومة للطقس. خاتمة:
على الرغم من أن الصمامات الكهروضوئية (PV) تبدو مشابهة لصمامات التيار المتردد القياسية، إلا أن هناك اختلافات جوهرية في مبادئ التصميم وبيئات التطبيق ومتطلبات الأداء. نظرًا لأن النظام الكهروضوئي يعمل تحت تيار مستمر عالي الجهد، فإن متطلبات القدرة على إطفاء الحرائق بقوس التيار المستمر، والقدرة على التجزئة، والجهد المقدر، وما إلى ذلك تكون صارمة. لا تلبي صمامات التيار المتردد القياسية هذه المتطلبات، واستخدام صمامات التيار المتردد القياسية لا يوفر حماية فعالة فحسب، بل يشكل أيضًا مخاطر خطيرة على السلامة.
أثناء إنشاء وتشغيل وصيانة محطات الطاقة الكهروضوئية، يجب اختيار الصمامات الخاصة للطاقة الكهروضوئية (PV) وفقًا للمعايير ذات الصلة ووفقًا للجهد والتيار وتشغيل النظام. فقط من خلال استخدام جهاز الحماية الصحيح يمكن للنظام الكهروضوئي أن يعمل بأمان وثبات لفترة طويلة.

الأسئلة المتداولة

1. تبدو الصمامات الكهروضوئية مثل صمامات التيار المتردد القياسية. هل هي قابلة للتبديل؟
لا. في حين أن بعض المنتجات قد تكون لها أبعاد مادية متشابهة، إلا أنها تحتوي على هياكل داخلية وتصميم قوس ومعايير أداء مختلفة؛ لا يمكنك استبدالها لمجرد أنها تبدو متشابهة.

2. لماذا يصعب حماية أنظمة التيار المستمر مقارنة بأنظمة التيار المتردد؟
إن عدم وجود نقطة صفر طبيعية لمرور التيار المستمر يعني أن القوس الذي تشكل أثناء الفشل سيستمر في الاحتراق؛ ولذلك، هناك حاجة إلى عناصر حماية DC متخصصة ذات قدرة متقدمة على إطفاء القوس.