صمامات التيار المستمر الكهروضوئي: المبادئ، الاختيار، التصنيف، والتطبيقات

1. ما هو صاعق التيار المستمر وكيف يعمل؟

صمام التيار المستمر هو جهاز حماية من التيار الزائد متصل على التوالي داخل دائرة كهربائية. مبدأه الأساسي يعتمد على خصائص الانصهار الحراري للمعدن. عندما يتدفق تيار زائد يتجاوز قيمة محددة لفترة كافية، يسخن عنصر الصمام (عادة من مواد مثل الفضة النقية) ويذوب، مما يقطع الدائرة ويمنع تصاعد الأعطال.

يمكن تلخيص عملية العمل كما يلي: في التشغيل العادي، يقوم عنصر الصمام بتوصيل التيار كجزء من الدائرة. عندما يحدث قصر كهربائي أو تحميل زائد شديد، يولد التيار العالي حرارة، مما يذيب العنصر بسرعة وينتج قوسا داخل أنبوب الفيوز. إطفاء قوس تيار مستمر أصعب بكثير من قوس التيار المستمر لأن التيار المستمر له اتجاه ثابت ويفتقر إلى نقاط العبور الصفرية الطبيعية (التي تحدث مئات المرات في الثانية في التيار المتردد) التي تسمح بانطفاء القوس الطبيعي.

لهذا السبب، تملأ أنابيب الصمام المستمر برمل كوارتز عالي النقاء. تعمل الرمل على تبريد القوس بالقوة وامتصاص طاقته، مما يجبر القوس على الانطفاء في وقت قصير جدا. عوامل مثل طول الأنبوب، ونقاء وتركيب رمل الكوارتز، وتصميم عنصر الصمام تحدد معا أداء إطفاء القوس الكهربائي.

2. كيف تختار الفيوز المناسب للتيار المستمر لنظام شمسي؟

لا يمكن اختيار صمام تيار مستمر كهروضوئية ببساطة عن طريق تعديل معلمات صمام التيار المتردد. يجب النظر في العوامل الرئيسية التالية بشكل شامل:

1. الجهد المصنف (UE): يجب أن يتجاوز الحد الأقصى للجهد في النظام

يزداد جهد الدائرة المفتوحة لوحدات الطاقة الشمسية مع انخفاض درجة الحرارة. وفقا لمعيار IEC 60269-6 للصمامات الكهروضوئية، يجب أن يكون الجهد المصنف للصمام أكبر أو يساوي أقصى جهد دائرة مفتوحة لسلسلة الطاقة الشمسية عند أدنى درجة حرارة محيطة متوقعة في موقع التركيب. على سبيل المثال، إذا وصل أقصى جهد للوتر عند درجة حرارة منخفضة إلى 1000 فولت تيار مستمر، يجب عليك اختيار صمام مصنف ب 1000 فولت تيار مستمر أو أعلى. لا تستخدم أبدا صمام تيار مستمر بجهد 600 فولت لحماية نظام التيار المستمر بجهد 1000 فولت.

2. التيار المصنف (داخلي): اتبع قاعدة عامل الأمان 1.25

وفقا للمعايير الدولية مثل NEC 690.9 وIEC 62548، يجب أن يحقق التيار المصنف للفتيل ما يلي:

في ≥ 1.25 × Isc (حيث Isc هو تيار الدائرة القصيرة لسلسلة PV).

على سبيل المثال، إذا كان لدى سلسلة ISC 10A، فإن الحد الأدنى لتصنيف الفيوز المطلوب هو 12.5A، ويجب عليك اختيار التصنيف القياسي الأعلى التالي، مثل 15A.

بالإضافة إلى ذلك، يجب مراعاة مبادئ التنسيق: وحدات الطاقة الشمسوئية نفسها لديها قدرة معينة على تحمل التيار الزائد العكسي (يتطلب IEC 61730-2 من الوحدات تحمل 1.35 ضعف الحد الأقصى لتصنيف الفيوز). يجب أن ينفجر الفيوز المختار خلال الوقت المحدد بمقدار 1.35 ضعف تياهه المعتمد لحماية الوحدات بشكل فعال.

3. سعة الكسر (I1): يجب أن تغطي الحد الأقصى لتيار العطل

عندما يتم توصيل عدة أوتار بشكل متوازي في مصفوفة PV، إذا حدث قصر كهربائي في أحد الوتر، فإن جميع الأوتار المتوازية الأخرى ستغذي التيار إلى نقطة العطل. يجب أن تكون سعة الانقطاع المصنفة للصمام أكبر من أقصى تيار قصير محتمل قد يحدث عند نقطة التركيب. في محطات الطاقة الأرضية الكبيرة أو أنظمة تخزين طاقة البطاريات، يمكن أن تكون تيارات القصر عالية جدا، مما يتطلب صمامات بسعات كسر 20 كيلوأمبير أو 50 كيلوأمبير أو أكثر.

4. يجب استخدام فيوزات DC مخصصة للطاقة الشمسية

لا تستبدل فيوز التيار المستمر بصمام تيار متردد. أقواس دي سي لا تنطفئ من تلقاء نفسها. إذا تم استخدام صمام تيار متردد في دائرة تيار مستمر، يجب أن يكون منخفضا بشكل كبير (على سبيل المثال، قد يكون الفيوز المصنف بجهد 1000 فولت تيار متردد صالحا صالحا فقط في دائرة تيار مستمر بجهد 440 فولت). لذلك، يجب عليك اختيار صمامات معلمة صراحة كمتوافقة مع التيار المستمر، وتتوافق مع IEC 60269-6 وتتميز بخاصية gPV لتطبيقات الطاقة الشمسية.

3. أنواع الفيوزات التيار المستمر الشائعة ومقارنات التطبيقات

استنادا إلى موقع تركيبها والأجسام التي تحميها في النظام الكهروضوئي، يمكن تقسيم صمامات التيار المستمر إلى الفئات الشائعة التالية:

1. صمامات أسطوانية لحماية أوتار الكهروضوئية

هذه الصمامات مدمجة (الأحجام الشائعة: 10×38 مم، 10×85 مم أسطوانية) وعادة ما تركب في صناديق دمج تيار مستمر أو عند مداخل محولات الأوتار، متصلة مباشرة على التوالي مع كل دائرة وتر كهرومغناطيسي. الغرض الرئيسي منها هو منع أعطال التيار العكسي بين الأوتار وحماية وحدات الكابلات الكهروسية من التحميل العكسي. إذا حدث قصر كهربائي في أحد الفروع، ينفجر الصمام بسرعة، مما يعزل الفرع المعيب دون التأثير على الأوتار الأخرى التي تعمل بشكل طبيعي. عادة ما تتراوح سعة كسرها بين 10 كيلو أمبير و20 كيلوأمبير، مع تصنيفات تيار مشتركة من 2 أمبير إلى 30 أمبير.

2. فيوزات شفرات الجسم المربع لدوائر المدمج والتحويل

هذه الصمامات أكبر حجما، وتتميز بتصميم أنبوب مربع ممتد مع نقاط اتصال شفرات مثبتة في قواعد الصمامات، مما يسمح لها بحمل وقطع التيارات العالية جدا. تستخدم بشكل أساسي في مخرجات صناديق الدمج في محطات الطاقة الكهروضوئية، وعلى جانب التيار المستمر من المحولات، ولحماية حزم تخزين الطاقة الكبيرة للبطاريات. فهي لا تعمل فقط كحماية من التحميل الزائد، بل أيضا للتعامل مع تيارات عطل عالية جدا (حتى 50 كيلوأمبير أو أكثر) الناتجة أثناء دوائر قصر قضيب النقل، مع أوقات انقطاع خلال أجزاء من الثانية. تتراوح التصنيفات الحالية النموذجية بين 35A و500A. تعمل كأجهزة الحماية الرئيسية على خزائن توزيع التيار المستمر وجانب التيار المستمر في العاكسات الكبيرة.

3. فيوزات سريعة المفعول جدا لأنظمة البطاريات

في أنظمة تخزين الطاقة الكهروضوئية، تتطلب حزم البطاريات ودوائر الشحن صمامات خاصة بالتيار المستمر ذات خصائص استجابة سريعة جدا. تستخدم هذه الصمامات خصائص نفخ فائقة السرعة، مع أوقات انقطاع قصيرة تصل إلى 15–100 ميكروثانية. تستخدم بشكل أساسي لحماية البطاريات، ووحدات التحكم في الشحن، وحافلة التيار المستمر في المحولات من التيارات المتزايدة أو الدوائر القصيرة الشديدة التي قد تتلف أجهزة أشباه الموصلات فورا. عادة ما يتم تركيبها بالقرب من بنك البطاريات أو في فواصل مفاتيح فيوز مخصصة.

الملخص

من صمامات حماية الخيوط الصغيرة في صناديق دمج الطاقة الكهروضوئية، إلى صمامات الشفرات ذات الهيكل المربع ذات السعة الكبيرة في صناديق المحولات، والصمامات سريعة المفعول جدا في أنظمة البطاريات، تشكل صمامات التيار المستمر طبقات متعددة من الحماية على الجانب المستمر من محطة الطاقة الشمسية. من خلال اختيار النوع والمعلمات الصحيحة للصمامات، واتباع المبادئ الأساسية "مصنفة للتيار المستمر، متطابقة الجهد، منخفضة التيار (مع هامش أمان)، وقدرة كسر كافية"، تضمن أن الصمامات تؤدي دورها كخط دفاع نهائي، مما يضمن التشغيل الآمن لمحطة الطاقة الكهروضوئية.