مُحسِّن الطاقة

تتسم معظم أجهزة إنتاج الطاقة أو تخزينها بعلاقة معقدة بين الطاقة التي تنتجها، والحمل الواقع عليها، وكفاءة توصيلها. فعلى سبيل المثال، تخزن البطارية التقليدية الطاقة من خلال تفاعلات كيميائية في محاليلها الإلكتروليتية وألواحها. وتستغرق هذه التفاعلات وقتًا لحدوثها، مما يحد من معدل سحب الطاقة بكفاءة من الخلية. ^{[ 1 ]} ولهذا السبب، تُدرج البطاريات الكبيرة المستخدمة لتخزين الطاقة عادةً سعتين أو أكثر، وهما عادةً سعتا "ساعتين" و"20 ساعة"، حيث تكون سعة "ساعتين" في الغالب حوالي 50% من سعة "20 ساعة".

تواجه الألواح الشمسية مشكلات مماثلة بسبب سرعة تحويل الخلية للفوتونات الشمسية إلى إلكترونات ، ودرجة الحرارة المحيطة، ومجموعة من العوامل الأخرى. في هذه الحالة، توجد علاقة معقدة غير خطية بين الجهد والتيار وإجمالي الطاقة المنتجة، وهي ما يُعرف بمنحنى الجهد-التيار. ^{[ 2 ]} ولتحسين عملية التجميع، تستخدم المصفوفات الشمسية الحديثة تقنية تُعرف باسم " تتبع نقطة الطاقة القصوى " (MPPT) لمراقبة إجمالي إنتاج المصفوفة وتعديل الحمل المُقدَّم باستمرار للحفاظ على تشغيل النظام عند نقطة ذروة كفاءته. ^{[ 3 ]}

تُنتج الألواح الشمسية تقليديًا جهدًا كهربائيًا يبلغ حوالي 30  فولتًا. ^{[ 4 ]} وهذا الجهد منخفض جدًا بحيث لا يمكن تحويله بكفاءة إلى تيار متردد لتغذية شبكة الكهرباء . وللتغلب على هذه المشكلة، تُوصل الألواح على التوالي لرفع الجهد إلى مستوى أكثر ملاءمة للعكس المستخدم، وعادةً ما يكون حوالي 600  فولت. ^{[ 5 ]}

يتمثل عيب هذا النهج في أن نظام تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) لا يمكن تطبيقه إلا على المصفوفة ككل. ولأن منحنى التيار-الجهد غير خطي، فإن أي لوحة تتعرض لظل جزئي قد ينخفض ​​إنتاجها بشكل كبير، وتزداد مقاومتها الداخلية بشكل ملحوظ. وبما أن اللوحات موصولة على التوالي، فإن هذا سيؤدي إلى انخفاض إنتاج السلسلة بأكملها نتيجة لزيادة المقاومة الكلية. هذا التغير في الأداء يدفع نظام MPPT إلى تغيير نقطة التشغيل، مما يُبعد بقية اللوحات عن أفضل أداء لها. ^{[ 6 ]}

بسبب التوصيل التسلسلي، قد يؤدي عدم تطابق الطاقة بين وحدات الخلايا الكهروضوئية ضمن سلسلة إلى فقدان كبير وغير متناسب للطاقة من منظومة الطاقة الشمسية بأكملها، وفي بعض الحالات قد يؤدي إلى تعطل النظام بالكامل. ^{[ 7 ]} ويمكن أن يؤدي تظليل 9% فقط من سطح منظومة الطاقة الشمسية، في بعض الظروف، إلى فقدان طاقة على مستوى النظام يصل إلى 54%. ^{[ 8 ]} وعلى الرغم من أن هذه المشكلة تبرز بشكل خاص مع الأحداث "الكبيرة" مثل مرور الظل، إلا أن حتى أصغر الاختلافات في أداء الألواح، نتيجة للأوساخ أو التقادم المتفاوت أو اختلافات طفيفة أثناء التصنيع، قد تؤدي إلى تشغيل المنظومة ككل بعيدًا عن نقطة تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) المثلى. لذا، يُعد "تطابق الألواح" جزءًا أساسيًا من تصميم منظومة الطاقة الشمسية.

وقد أدت هذه المشاكل إلى عدد من الحلول المحتملة المختلفة التي تعزل اللوحات بشكل فردي أو في مجموعات أصغر بكثير (من 2 إلى 3 لوحات) في محاولة لتوفير تتبع نقطة الطاقة القصوى الذي يتجنب مشاكل السلاسل الكبيرة.

أحد الحلول، وهو المحول الدقيق ، يضع نظام تحويل الطاقة بالكامل مباشرةً على ظهر كل لوحة شمسية. يسمح هذا للنظام بتتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) لكل لوحة، وإخراج طاقة تيار متردد مطابقة لشبكة الكهرباء. تُوصل اللوحات معًا على التوازي، بحيث لا يؤدي تعطل إحدى اللوحات أو المحولات الدقيقة إلى انقطاع الطاقة عن السلسلة. مع ذلك، يعيب هذا الأسلوب توزيع دوائر تحويل الطاقة، والتي تُعد نظريًا الجزء الأغلى في النظام. كانت المحولات الدقيقة، على الأقل حتى أوائل عام ٢٠١١، ذات سعر أعلى بكثير لكل واط .

يؤدي هذا، بطبيعة الحال، إلى مفهوم مُحسِّن الطاقة، حيث يتم توزيع نظام تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) فقط على الألواح. في هذه الحالة، يتم التحويل من التيار المستمر إلى التيار المتردد في عاكس واحد، يفتقر إلى مكونات نظام تتبع نقطة الطاقة القصوى أو تكون هذه المكونات معطلة فيه. تتميز الحلول المتقدمة بقدرتها على العمل بكفاءة مع جميع عواكس الطاقة الشمسية، مما يُتيح تحسين أداء المحطات المُثبَّتة بالفعل. ووفقًا لمؤيديها، يُنتج هذا النهج "الهجين" الحل الأقل تكلفة إجمالًا، مع الحفاظ على مزايا نهج العاكس الصغير.

محسنات الطاقة هي في الأساس محولات DC-DC ، حيث تأخذ طاقة التيار المستمر من لوحة شمسية بأي جهد وتيار مثالي (عبر MPPT)، ثم تحول ذلك إلى جهد وتيار مختلفين يناسبان العاكس المركزي / العاكس المتسلسل بشكل أفضل .

صُممت بعض مُحسِّنات الطاقة للعمل بالتزامن مع عاكس مركزي من نفس الشركة المصنعة، مما يسمح للعاكس بالتواصل مع المُحسِّنات لضمان حصوله دائمًا على نفس الجهد الكلي من سلسلة الألواح. ^{[ 9 ]} في هذه الحالة، إذا كانت هناك سلسلة من الألواح موصولة على التوالي، وانخفض خرج أحد الألواح بسبب الظل، سينخفض ​​جهده لكي يتمكن من توفير نفس مقدار التيار (الأمبير). سيؤدي هذا إلى انخفاض جهد السلسلة أيضًا، إلا أن العاكس المركزي يُعدِّل جميع المُحسِّنات الأخرى بحيث يرتفع جهد خرجها قليلًا، محافظًا على جهد السلسلة الثابت المطلوب عند العاكس (مع انخفاض التيار المتاح أثناء تظليل اللوح). يتمثل عيب هذا النوع من المُحسِّنات في أنه يتطلب عاكسًا مركزيًا من نفس الشركة المصنعة للمُحسِّنات، لذا لا يمكن تركيبها تدريجيًا في نظام قائم إلا إذا تم استبدال العاكس أيضًا، بالإضافة إلى تركيب المُحسِّنات على جميع الألواح في الوقت نفسه.