المحركات الشمسية غير الملحومة المرتبطة بالشبكة للمباني

مقدمة

بينما ينظر أصحاب المباني إلى ما هو أبعد من تعويض الطاقة الشمسية للموقع بأكمله، تظهر أحمال المحركات المباشرة التي تعمل بالطاقة الشمسية كوسيلة عملية لخفض تكاليف الطاقة حيث يكون الاستهلاك أعلى. يستخدم المحرك الشمسي المرتبط بالشبكة الطاقة الكهروضوئية وشبكة المرافق معًا من خلال محرك مزدوج المدخلات، مما يسمح للمعدات الرئيسية مثل مراوح التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والمضخات والضواغط بالعمل بكفاءة أكبر خلال ساعات النهار. يمكن لهذا النهج أن يقلل من خسائر التحويل، ويقلل من ذروة الطلب، ويحسن قيمة توليد الطاقة الشمسية في الموقع دون الاعتماد فقط على بنية العاكس المركزي. تشرح المناقشة التالية كيفية عمل النظام، وأين يتناسب مع عمليات البناء، ولماذا يحظى بالاهتمام في استراتيجية الطاقة التجارية. 

لماذا تعتبر المحركات الشمسية المرتبطة بالشبكة مهمة في بناء استراتيجية الطاقة

التكامل الطاقة المتجددة  داخل المرافق التجارية والصناعية لقد تطورت من إزاحة الشبكة اللامركزية إلى التطبيقات المستهدفة والمخصصة للتحميل. يمثل المحرك الشمسي المرتبط بالشبكة نقلة نوعية في هذا المجال، حيث يربط المصفوفات الكهروضوئية (PV) مباشرة بمعدات دوارة عالية السعة عبر محركات متخصصة ذات تردد متغير مزدوج المدخلات (VFDs). ومن خلال تجاوز بنية العاكس المركزي التقليدية، يمكن للمنشآت توجيه طاقة التيار المستمر مباشرة إلى مستهلكي الطاقة الأساسيين، والسحب من شبكة التيار المتردد فقط لسد النقص في التوليد. 

يؤدي هذا النهج المحلي لتوزيع الطاقة إلى تغيير استراتيجيات بناء الطاقة بشكل أساسي. غالبًا ما تمثل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، جنبًا إلى جنب مع مضخات السوائل الكبيرة، ما بين 40% إلى 60% من إجمالي الاستهلاك الكهربائي للمبنى التجاري. إن الاقتران المباشر بين محرك شمسي مرتبط بالشبكة بهذه الأحمال الثقيلة يقلل من خسائر التحويل، ويحسن استخدام الطاقة أثناء النهار، ويقلل بشكل هيكلي من ملفات ذروة الطلب. 

المحفزات لاعتمادها في المباني التجارية

يتسارع الاعتماد التجاري لمحركات المحركات الشمسية المباشرة بسبب تصاعد تكاليف الكهرباء التي توفرها الشبكة وتنفيذ رسوم الطلب العقابية. ويستفيد مديرو المرافق بشكل متزايد من هذه الأنظمة للتخفيف من ارتفاع الأحمال القصوى، والذي يمكن أن يشكل ما يصل إلى 30% من فاتورة الكهرباء التجارية. من خلال إعطاء الأولوية لمدخلات التيار المباشر بالطاقة الشمسية، يمكن لمحرك تبريد بقدرة 100 حصان (HP) أن يخفض سحب شبكة التيار المتردد بسلاسة خلال ساعات الذروة في ضوء النهار، مما يؤدي إلى تسطيح ملف تعريف التحميل للمنشأة بشكل فعال. 

علاوة على ذلك، فإن التخلص من العاكسات المركزية لهذه الأحمال المحددة يقلل من البصمة الإجمالية لتوازن النظام. يمكن للمنشآت ذات مساحة الغرفة الكهربائية المحدودة أو قدرة مجموعة المفاتيح الرئيسية المقيدة نشر محرك شمسي مرتبط بالشبكة لإضافة قدرة متجددة دون التسبب في ترقيات باهظة الثمن لخدمات المرافق أو تجاوز حدود القاعدة البالغة 120٪ التي يحددها قانون الكهرباء الوطني (NEC). 

تأثير التعريفات وأهداف إزالة الكربون

وقد أدى التحول بعيدا عن سياسات قياس الطاقة الصافية المواتية للغاية، مثل التحول إلى NEM 3.0 في بعض الولايات القضائية، إلى تآكل العائد المالي لتصدير الطاقة الشمسية الفائضة إلى الشبكة. وبالتالي، فإن الاستهلاك الذاتي هو المحرك الأساسي لعائد الاستثمار في الطاقة الشمسية الحديثة. تضمن المحركات الشمسية المرتبطة بالشبكة أن الطاقة المولدة يتم استهلاكها على الفور من خلال الأحمال الأساسية، مما يزيد من قيمة كل كيلووات ساعة يتم إنتاجها. 

تعمل تفويضات إزالة الكربون على تضخيم عرض القيمة هذا. تفرض لوائح مثل القانون المحلي رقم 97 لمدينة نيويورك حدودًا صارمة للانبعاثات، مع عقوبات تصل إلى 268 دولارًا لكل طن متري من مكافئ ثاني أكسيد الكربون فوق الحد الأقصى. تشغيل المحركات ذات دورة الخدمة العالية مباشرة بدون انبعاثات طاقة شمسية  يوفر طريقًا يمكن التحقق منه وعالي الكفاءة للامتثال، مما يقلل من انبعاثات النطاق 2 دون أوجه قصور التحويل الكامنة في الأنظمة الكهروضوئية القياسية المرتبطة بالشبكة. 

ما الذي يحدد المحرك الشمسي المرتبط بالشبكة؟

المحرك الشمسي المرتبط بالشبكة ليس آلة ميكانيكية مختلفة بشكل أساسي؛ بل يتم تعريفه من خلال التحكم المتخصص وإلكترونيات الطاقة. جوهر النظام هو محرك هجين قادر على قبول كل من التيار المباشر (DC) من مجموعة الطاقة الشمسية والتيار المتردد (AC) من شبكة المرافق في وقت واحد. تسمح هذه البنية ثنائية المصدر للمحرك بالعمل بشكل مستمر، ومزج مصادر الطاقة بشكل ديناميكي بناءً على توفر الطاقة الشمسية في الوقت الفعلي. 

على عكس المضخات الشمسية خارج الشبكة التي يتم إيقاف تشغيلها عند مرور السحب، يستخدم تكوين ربط الشبكة اتصال المرافق لضمان التشغيل دون انقطاع. إذا كانت المجموعة الشمسية توفر 60% من الطاقة المطلوبة، فإن محرك الأقراص يسحب بسلاسة الـ 40% المتبقية من الشبكة، مما يضمن بقاء الإخراج الميكانيكي مستقرًا تمامًا. 

الخصائص التقنية الأساسية

السمة التقنية المميزة لهذه الأنظمة هي VFD ثنائي المدخل. تم تصميم محركات الأقراص هذه باستخدام ناقل DC مشترك يتفاعل مباشرة مع السلاسل الكهروضوئية. تتراوح جهود التشغيل القياسية لحافلة التيار المستمر عادةً من 400 فولت إلى 800 فولت تيار مستمر، بما يتماشى مع خرج وحدات الطاقة الشمسية التجارية القياسية ذات 60 خلية أو 72 خلية السلكية على التوالي. 

للحفاظ على استقرار المحرك، يقوم محرك الأقراص بمراقبة جهد وصلة التيار المستمر عند الترددات العالية. عندما ينخفض ​​الإشعاع، ينخفض ​​جهد التيار المستمر، وتعوض الواجهة الأمامية النشطة للمحرك أو المقومات المدمجة على الفور عن طريق سحب الطاقة النشطة من اتصال شبكة التيار المتردد ثلاثي الطور بقدرة 480 فولت. ويتم هذا المزج في أجزاء من الثانية، وهو شفاف تمامًا بالنسبة للحمل الميكانيكي ودون التسبب في تموجات عزم الدوران. 

دور العاكسون، MPPT، وأجهزة التحكم 

يعد تتبع الحد الأقصى لنقاط الطاقة (MPPT) أمرًا بالغ الأهمية لفعالية المحرك الشمسي المرتبط بالشبكة. في حين تحدد الإعدادات التقليدية خوارزميات MPPT داخل عاكس مركزي، فإن محركات الأقراص الشمسية الهجينة تدمج MPPT مباشرة في وحدة التحكم في المحرك. تحقق المحركات الصناعية عالية المستوى كفاءات MPPT تتجاوز 99%، وتضبط باستمرار نقطة التشغيل للمصفوفة الكهروضوئية لاستخراج أقصى قدر من الطاقة بغض النظر عن درجة الحرارة أو اختلافات التظليل. 

تقوم عناصر التحكم الموجودة على متن الطائرة أيضًا بإدارة تزامن الطور والتخفيف التوافقي. نظرًا لأن محرك الأقراص متصل بالشبكة، فيجب عليه إدارة التشوه التوافقي الكلي (THDi) ليظل متوافقًا مع معايير المرافق. تستخدم النماذج المتقدمة مرشحات نشطة أو مقومات متعددة النبضات لإبقاء THDi أقل من 5%، مما يحمي جودة الطاقة الداخلية للمبنى وشبكة المرافق الأوسع. 

حالات استخدام البناء النموذجية

في العقارات التجارية والمرافق الصناعية، تتضمن حالات الاستخدام الأكثر إلحاحًا للمحركات الشمسية المرتبطة بالشبكة تطبيقات ذات قصور ذاتي عالي ومستمرة في العمل. تعد مبردات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) المركزية، ومراوح برج التبريد، ومضخات تعزيز المياه المنزلية من المرشحين الأساسيين. تعمل هذه الأنظمة بشكل يمكن التنبؤ به خلال ساعات النهار، وترتبط بشكل مثالي بمنحنى توليد الطاقة الشمسية. 

من خلال الاستفادة من بنية الدفع المباشر الموضحة أعلاه، تتجاوز المرافق العاكس المركزي بالكامل لهذا الحمل المحدد، مما يؤدي إلى زيادة بنسبة 4% إلى 5% في الكفاءة الشاملة. وهذا يجعل هذه التكنولوجيا قابلة للتطبيق بشكل خاص لمضخات الري الزراعية ومنافخ التهوية الصناعية المدمجة في عمليات معالجة المياه في المباني. 

ما هي عوامل الأداء والامتثال الأكثر أهمية؟

يتطلب نشر محرك شمسي مرتبط بالشبكة هندسة صارمة لمطابقة المدخلات الكهربائية مع المتطلبات الميكانيكية مع تلبية لوائح المرافق الصارمة. ونظرًا لأن هذه الأنظمة تعمل عند تقاطع توليد الطاقة المتجددة والبنية التحتية الحيوية للمباني، فلا يمكن المساس بمواصفات الأداء ومعايير الامتثال. يجب على المهندسين تقييم السلوك الديناميكي للمحرك في ظل ظروف الطاقة المتغيرة والتأكد من أن التثبيت يلبي جميع قواعد التوصيل البيني المحلية. 

ملف تعريف الحمل وعزم الدوران وظروف التشغيل

يحدد ملف تعريف الحمل الميكانيكي حجم كل من محرك المحرك والمجموعة الشمسية. يجب على المهندسين حساب متطلبات عزم الدوران عند البداية، خاصة بالنسبة للأحمال ذات القصور الذاتي العالي مثل المبردات الطاردة المركزية. يجب أن يوفر محرك الطاقة الشمسية إمكانات بدء سلسة كافية، وغالبًا ما يتطلب قدرة تحميل زائد بنسبة 150% لمدة تصل إلى 60 ثانية للتغلب على الاحتكاك الساكن الأولي دون تعثر النظام. 

تؤثر ظروف التشغيل أيضًا على الأداء. تؤثر التغيرات في درجة الحرارة المحيطة على كل من مخرجات اللوحة الكهروضوئية (انخفاض الجهد عند درجات الحرارة المرتفعة) والتخفيض الحراري للمحرك. قد يوفر محرك محدد بقدرة 50 كيلووات عند درجة حرارة محيطة تبلغ 40 درجة مئوية 40 كيلووات فقط إذا تم تركيبه في شقة بنتهاوس غير مكيفة على السطح تصل درجة حرارتها إلى 50 درجة مئوية. تُعد العبوات البيئية المناسبة (على سبيل المثال، NEMA 4X / IP66) والإدارة الحرارية النشطة أمرًا إلزاميًا لتحقيق إنتاج مستدام. 

الأكواد والربط والحماية الكهربائية

ونظرًا لأن محرك الأقراص الهجين يتصل بشبكة المرافق، فهو يخضع لقوانين ربط بيني صارمة. في أمريكا الشمالية، يجب أن تلتزم المعدات بمعايير IEEE 1547 وأن تحمل شهادة UL 1741 SA/SB. تضمن هذه الشهادات أن محرك الأقراص يمتلك مستوى متقدمًا وظائف دعم الشبكة ، بما في ذلك قدرات ركوب الجهد والتردد. 

الحماية الكهربائية أمر بالغ الأهمية. يجب أن يتميز النظام بحماية قوية ضد العزلة، ومضمونة لاكتشاف انقطاع الشبكة والتوقف عن تنشيط الدائرة المحلية خلال فترة مسح تقل عن 2.0 ثانية. بالإضافة إلى ذلك، يجب تركيب وحدات قطع التيار المستمر المتكاملة، وصمامات أشباه الموصلات سريعة المفعول، وأجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs) المُصنَّفة بما يصل إلى 1000 فولت تيار مباشر لحماية محرك الأقراص من العمليات العابرة الناجمة عن البرق على المصفوفة الشمسية. 

مخاطر الصيانة والتشغيل والفشل

يقدم تكامل مدخلات الطاقة الشمسية DC نواقل صيانة جديدة. تتعرض مكثفات ناقل التيار المستمر داخل المحرك الهجين لضغط كهربائي كبير بسبب المزج المستمر لمصادر الطاقة. في حين أن المكثفات الغشائية عالية الجودة تتميز بعمر افتراضي يتراوح بين 10 إلى 15 عامًا، فقد تتطلب المتغيرات الإلكتروليتية الاستبدال خلال 7 سنوات اعتمادًا على الظروف الحرارية. 

تتضمن مخاطر التشغيل الضبط المعقد لخوارزميات MPPT جنبًا إلى جنب مع حلقات التحكم PID الخاصة بالمحرك (على سبيل المثال، الحفاظ على ضغط الماء الثابت). إذا تم ضبطه بشكل سيء، فقد يتأرجح محرك الأقراص بين الشبكة والطاقة الشمسية، مما يتسبب في تعثر مزعج أو تآكل مبكر لوحدات الطاقة. يجب أن يحاكي اختبار قبول الموقع الشامل (SAT) قطرات الإشعاع المختلفة للتحقق من الانتقال السلس لمصدر الطاقة. 

كيف ينبغي للمشترين مقارنة الخيارات والتكاليف

يتطلب شراء نظام محرك شمسي مرتبط بالشبكة تحليلاً ماليًا شاملاً يتجاوز النفقات الرأسمالية الأولية (CAPEX). يجب على المشترين تقييم التكلفة الإجمالية للملكية (TCO)، وموازنة التكلفة المميزة لمحركات الأقراص الهجينة المتخصصة مقابل التوفير التشغيلي الناتج عن الاستخدام المباشر للطاقة الشمسية وتجنب تكاليف البنية التحتية. 

التكلفة الإجمالية الرئيسية لمحركات الملكية

تتضمن برامج تشغيل التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) الأساسية تكلفة الأجهزة لكل كيلووات (دولار/كيلووات)، وعمالة التركيب، وتوفير المرافق على المدى الطويل. عادةً ما تحمل محركات VFD الشمسية الهجينة علاوة تكلفة تتراوح من 25% إلى 40% مقارنة بمحركات التيار المتردد القياسية فقط. ومع ذلك، يتم تعويض هذه العلاوة في كثير من الأحيان عن طريق التخلص من العاكس الشمسي المركزي وأسلاك التيار المتردد المرتبطة به والتي قد تكون مطلوبة لتوجيه الطاقة من السقف إلى مجموعة المفاتيح الكهربائية الرئيسية. 

تعتمد الوفورات التشغيلية بشكل كبير على تعريفات المرافق المحلية. في الأسواق التي تتراوح فيها رسوم ذروة الطلب أو معدلات وقت الاستخدام (TOU) من 0.15 دولار إلى 0.30 دولار لكل كيلووات في الساعة، يمكن أن تنخفض فترة الاسترداد لنظام المحرك الشمسي المباشر إلى أقل من 4 سنوات، خاصة عند إقرانها بإعفاءات ضريبية اتحادية (على سبيل المثال، مركز التجارة الدولية في الولايات المتحدة) أو جداول الاستهلاك المتسارعة. 

اعتبارات الموردين والمصادر

يتطلب تحديد مصادر محركات الأقراص الهجينة على نطاق تجاري التنقل في مشهد الموردين المتخصص. على عكس محركات VFD القياسية، التي يتم تسليعها بشكل كبير، يتم تصنيع محركات الأقراص الشمسية ذات المدخلات المزدوجة بواسطة مجموعة مختارة من مصنعي المعدات الأصلية لإلكترونيات الطاقة الصناعية. يجب على المشترين مراعاة المهل الزمنية الممتدة، والتي يمكن أن تتراوح من 12 إلى 24 أسبوعًا لمحركات الأقراص التي تتجاوز 100 حصان. 

عند تقييم الموردين، يجب على المشترين إعطاء الأولوية للمصنعين الذين يتمتعون بسجل حافل في كل من التحكم في الحركة متغيرة السرعة ومحولات الطاقة المتجددة. البنية التحتية لدعم الموردين أمر بالغ الأهمية؛ يجب أن يقدم صانع المعدات الأصلية دعمًا فنيًا محليًا للتشغيل والوصول السريع إلى وحدات الطاقة البديلة لتقليل وقت التوقف عن العمل لأنظمة البناء المهمة. 

معايير التقييم للمشتريات

يجب أن يتم تقييم تقييم المشتريات عبر قدرات التكامل وشروط الضمان ومرونة التحكم. يجب أن يدعم محرك الأقراص بروتوكولات أتمتة البناء القياسية، مثل Modbus TCP أو BACnet/IP، للسماح لمديري المنشأة بمراقبة جزء الطاقة الشمسية وسحب الشبكة وصحة المحرك من لوحة معلومات مركزية. 

يجب فحص تغطية الضمان. قد يوفر المحرك الصناعي القياسي ضمانًا لمدة سنة إلى سنتين، في حين توفر محولات الطاقة الشمسية عادةً فترات تتراوح من 5 إلى 10 سنوات. يجب على المشترين التفاوض على ضمانات ممتدة على محرك الأقراص الهجين لتتماشى مع العمر المتوقع لمجموعة الطاقة الشمسية، مما يضمن بقاء نماذج التكلفة الإجمالية للملكية دقيقة على مدى أفق تشغيلي مدته 15 عامًا. 

كيفية بناء المواصفات وإطار القرار

يتطلب الانتقال من الاهتمام المفاهيمي إلى النشر إطارًا منظمًا للمواصفات. يجب على المهندسين الاستشاريين ومديري المنشآت إجراء تقييم منهجي لخصائص الحمل والقيود المكانية وملفات تعريف الطاقة لضمان أداء المحرك الشمسي المرتبط بالشبكة بشكل موثوق وتحقيق العائد المتوقع على الاستثمار. 

عملية المواصفات خطوة بخطوة

تبدأ عملية المواصفات بتحليل الحمل الحبيبي. 

الوجبات السريعة الرئيسية

• أهم الاستنتاجات والمبررات لمحرك الطاقة الشمسية Grid-Tie 
• تستحق المواصفات والامتثال وفحوصات المخاطر التحقق من صحتها قبل الالتزام
• يمكن للقراء الخطوات العملية التالية والمحاذير تطبيقها على الفور

الأسئلة المتداولة

ما هو المحرك الشمسي المرتبط بالشبكة؟

إنه محرك قياسي مقترن بمحرك مزدوج الإدخال يستخدم الطاقة الشمسية DC أولاً ويضيف شبكة التيار المتردد تلقائيًا عندما ينخفض ​​إنتاج الطاقة الشمسية. 

ما هي أحمال البناء الأفضل لمحركات الطاقة الشمسية المرتبطة بالشبكة؟

عادةً ما توفر الأحمال عالية التحمل، مثل مراوح التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، ومضخات المياه المبردة، وأنظمة التبريد، وضواغط الهواء، أفضل التوفير واستخدام الطاقة الشمسية أثناء النهار. 

كيف يستمر محرك الطاقة الشمسية المرتبط بالشبكة في العمل خلال الفترات الملبدة بالغيوم؟

تقوم وحدة التحكم بمزج الطاقة في الوقت الفعلي، حيث تأخذ الطاقة الكهروضوئية المتاحة أولاً وتسحب التوازن من شبكة المرافق على الفور. 

لماذا يمكن لهذا الإعداد تحسين عائد الاستثمار مقارنة بتصدير الطاقة الشمسية إلى الشبكة؟

إنه يعزز الاستهلاك الذاتي عن طريق تغذية الطاقة الشمسية مباشرة لأحمال المحركات الرئيسية، مما يقلل من الكهرباء المشتراة ويساعد على تجنب رسوم ذروة الطلب. 

هل يمكن لحلول الطاقة الأبدية أن تدعم تشغيل المحرك ليلًا ونهارًا؟

نعم. تم تصميم أنظمة الشبكة الصغيرة والتكاملية الكهروضوئية الذكية من Eternal Energy لدعم التشغيل المستقر مع أولوية الطاقة الشمسية والنسخ الاحتياطي للشبكة.