كيف تعمل محولات المياه الكهروضوئية في الأيام الغائمة؟

كيف تعمل محولات المياه الكهروضوئية في الأيام الملبدة بالغيوم؟​
تواجه محولات المياه الكهروضوئية (PV)، وهي مكونات حاسمة في أنظمة معالجة المياه والضخ التي تعمل بالطاقة الشمسية، تحديات فريدة عندما تحجب الغيوم ضوء الشمس. على عكس ظروف السماء الصافية حيث تظل الإشعاع الشمسي مستقراً نسبياً، تجلب الأيام الملبدة بالغيوم تقلبات في شدة الضوء، وانخفاض تدفق الفوتونات، والإشعاع المتناثر - وهي عوامل تؤثر بشكل مباشر على إنتاج الألواح الكهروضوئية. ومع ذلك، تم تصميم محولات المياه الكهروضوئية الحديثة بتقنيات تكيفية للحفاظ على استمرارية التشغيل والكفاءة حتى في ظل مثل هذه الإضاءة غير المثالية.​
يكمن التحدي الأساسي للظروف الملبدة بالغيوم في الانخفاض الكبير في إنتاج وحدة PV. تتطلب ألواح PV القياسية القائمة على السيليكون عادةً إشعاعاً بحد أدنى يبلغ 100-200 واط/متر مربع لتوليد جهد قابل للاستخدام، ومع ذلك غالبًا ما توفر السماء الملبدة بالغيوم 50-300 واط/متر مربع، مع انخفاضات متكررة دون الحد الأدنى. لمعالجة ذلك، تدمج محولات المياه الكهروضوئية دوائر بدء تشغيل منخفضة الجهد تقلل من الحد الأدنى لجهد الإدخال المطلوب للتنشيط. تستخدم هذه الدوائر مفاتيح MOSFET (ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية وأكسيد) عالية الحساسية للكشف عن الإشارات الكهربائية الضعيفة من الألواح الكهروضوئية وتضخيمها، مما يمكّن العاكس من بدء التشغيل حتى عندما يكون إنتاج اللوحة أقل بنسبة 30-40٪ من المستويات الاسمية.​
تكيف رئيسي آخر هو خوارزميات تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) المتقدمة المصممة خصيصًا لظروف الإضاءة الديناميكية. تكافح أنظمة MPPT التقليدية، المصممة للإشعاع الثابت، مع التقلبات السريعة في السماء الملبدة بالغيوم، مما يؤدي إلى حصاد طاقة غير فعال. في المقابل، تستخدم محولات المياه الكهروضوئية الحديثة خوارزميات الاضطراب والمراقبة (P&O) بأحجام خطوات تكيفية أو طرق التوصيل التدريجي التي تضبط تردد التتبع في الوقت الفعلي. على سبيل المثال، عندما يتغير الإشعاع بأكثر من 5٪ في الثانية - وهو أمر شائع الحدوث في الأيام الغائمة - يتحول نظام MPPT إلى معدل أخذ عينات أسرع (حتى 100 مرة في الثانية) للوصول إلى نقطة الطاقة القصوى (MPP) الجديدة. يضمن هذا أن العاكس يستخرج أقصى طاقة متاحة من مصفوفة PV، حتى مع اختلاف شدة الضوء.​
يعزز تكامل تخزين الطاقة الموثوقية في الأيام الملبدة بالغيوم. تقترن العديد من أنظمة محولات المياه الكهروضوئية بالبطاريات أو المكثفات الفائقة لتخزين الطاقة الزائدة المتولدة خلال فترات قصيرة من اختراق ضوء الشمس. تدير وحدة التحكم في الطاقة ثنائية الاتجاه الخاصة بالعكس التدفق بين مصفوفة PV ووحدة التخزين ومضخة المياه/نظام الغشاء: عندما يكون إنتاج PV غير كافٍ، فإنها تسحب الطاقة المخزنة للحفاظ على معدلات معالجة المياه أو الضخ المتسقة؛ عندما تزداد الإشعاع مؤقتًا، فإنها تحول الطاقة الفائضة لإعادة شحن وحدة التخزين. يمنع تأثير التخزين المؤقت هذا عمليات الإغلاق المتكررة ويضمن أن النظام يلبي الطلب الأساسي على المياه (على سبيل المثال، 5-10 متر مكعب/ساعة لأنظمة المجتمع الصغيرة) حتى خلال فترات الغيوم الطويلة.​
تلعب الإدارة الحرارية أيضًا دورًا في الحفاظ على الأداء. غالبًا ما ترتبط السماء الملبدة بالغيوم بدرجات حرارة محيطة أقل، مما قد يحسن كفاءة الألواح الكهروضوئية (تكتسب الألواح المصنوعة من السيليكون ~ 0.4-0.5٪ كفاءة لكل انخفاض في درجة مئوية) ولكنها تخاطر بالتكثف على مكونات العاكس. تعالج محولات المياه الكهروضوئية هذا الأمر باستخدام حاويات مغلقة حاصلة على تصنيف IP65 تمنع دخول الرطوبة والمصارف الحرارية المدمجة التي تبدد الحرارة من إلكترونيات الطاقة. تشتمل بعض الطرز على سخانات منخفضة الطاقة يتم تنشيطها عندما تنخفض درجة الحرارة الداخلية عن 5 درجات مئوية، مما يضمن أن المكثفات وأشباه الموصلات تعمل ضمن نطاق درجة الحرارة الأمثل.​
في التطبيق العملي، تترجم هذه التعديلات إلى نتائج تشغيلية ملموسة. وجدت دراسة ميدانية أجريت عام 2023 لأنظمة التناضح العكسي التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية في المجتمعات الساحلية أن العواكس ذات بدء التشغيل في الإضاءة المنخفضة و MPPT التكيفي حافظت على 60-70٪ من إنتاج المياه الاسمي في الأيام الملبدة بالغيوم، مقارنة بـ 30-40٪ لنماذج العاكس القديمة. بالنسبة لأنظمة الري الزراعي، هذا يعني إمدادًا ثابتًا للمياه للمحاصيل خلال فترات الغيوم، مما يقلل من إجهاد المحاصيل وفقدان الغلة.​
في حين أن الظروف الملبدة بالغيوم تحد بشكل جوهري من إنتاج نظام PV، فإن محولات المياه الكهروضوئية الحديثة تخفف من هذه القيود من خلال مجموعة من التنشيط منخفض الجهد، وتتبع الطاقة الديناميكية، وتكامل تخزين الطاقة، والتصميم الحراري القوي. مع استمرار تطور تقنيات المياه الشمسية - مع الابتكارات الناشئة مثل ألواح PV البيروفسكايت (التي توفر كفاءة أعلى في الإضاءة المنخفضة) وأنظمة MPPT المدعومة بالذكاء الاصطناعي - ستتحسن موثوقيتها في الأيام الملبدة بالغيوم فقط، مما يؤدي إلى توسيع جدوى حلول المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية في المناطق ذات أنماط الطقس المتغيرة.