التقييم الاقتصادي للأنظمة الكهروضوئية واسعة النطاق

أهمية التقييم الاقتصادي للأنظمة الكهروضوئية واسعة النطاق

مع تزايد المخاوف بشأن القضايا البيئية واستنفاد الوقود الأحفوري، جذبت التكنولوجيا الكهروضوئية (PV) اهتماماً كبيراً واستثمارات ملحوظة في العقد الماضي، كما ويرجع ذلك إلى حقيقة أن التكنولوجيا الكهروضوئية تُظهر العديد من المزايا مقارنة بتقنيات الطاقة المتجددة الأخرى من حيث الوحدات النمطية وقابلية التوسع والصيانة والموثوقية.

في السنوات الأخيرة، كذلك ازدادت مساهمة توليد الطاقة الكهروضوئية في الشبكة بشكل سريع وبمعدل النمو الحالي، لذلك من المتوقع أن تصل إلى (2٪) من توليد الكهرباء في العالم بحلول عام 2020م، وأن تصل إلى (5٪) بحلول عام 2030م، وخلال السنوات العشر القادمة، سيتم إنتاج ما يصل إلى (15٪) من الكهرباء في الاتحاد الأوروبي بواسطة موارد الطاقة الشمسية.

سؤال مهم للمستثمرين والمخططين والمنظمين هو العائد وتكلفة مشروع الكهروضوئية، بحيث يختلف هيكل تكلفة الأنظمة الكهروضوئية عن هيكل نظام التوليد التقليدي باستخدام الوقود الأحفوري مثل الفحم أو النفط أو الغاز الطبيعي، وهناك تكلفة رأس المال الأولية تكون أعلى من حيث المكونات الأساسية للنظام الكهروضوئي – الألواح الشمسية باهظة الثمن.

ومع ذلك؛ فإن أسعار الألواح الشمسية تنخفض بسرعة، فقد انخفض متوسط تكلفة تركيب الألواح الشمسية لمرة واحدة بالفعل من أكثر من (2) في عام 2009م إلى حوالي 1.50 في عام 2011م، وذلك من ناحية أخرى، لا توجد تكلفة وقود وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري خلال فترة التشغيل التي تتراوح من (20) إلى (30) عاماً، وهناك تكلفة صيانة النظام الكهروضوئي منخفضة نسبياً أيضاً.

كما تعتبر الأنظمة الكهروضوئية هي “أنظمة هندسية معقدة”. يتكون النظام الكهروضوئي بشكل أساسي من العديد من الألواح الشمسية ومحولات التيار المستمر أو التيار المتردد، بحيث يتمثل اتجاه الأنظمة الكهروضوئية سريعة النمو في اعتماد أنظمة الكهروضوئية واسعة النطاق، والتي قد تتطلب عشرات أو مئات الألواح الشمسية.

واعتماداً على نطاقات جهد الإدخال وتيارات الإدخال القصوى وقدرات المحولات، كما يتم توصيل العديد من الألواح الشمسية في سلسلة لتشكيل سلسلة ويتم موازاة بعض السلاسل وربطها بعاكس مركزي أو يتم توصيل كل من السلاسل مباشرة بواسطة منفصل سلسلة العاكس أو كليهما، وكما هو موضح في الشكل التالي (1) التكوينات المختلفة لها كفاءات الأداء الخاصة بها لإنتاج الكهرباء.

وعندما يتم تقييم أداء تلك التكوينات للأنظمة الكهروضوئية؛ فإنه من المفترض أن تعمل الأنظمة دون انقطاع؟، وعلى الرغم من أن الأنظمة الكهروضوئية موثوقة نسبياً، إلا أنها قد تفشل في بعض الأحيان، لذلك قد يؤدي تجاهل آثار تلك الإخفاقات إلى تقدير متفائل لإنتاج الطاقة الكهربائية، مما يقلل أيضاً من دقة تقدير التكلفة.

نماذج الموثوقية للأنظمة الكهروضوئية

يتكون النظام الكهروضوئي واسع النطاق بشكل أساسي من جزأين رئيسيين، وهما الألواح الشمسية ومحولات التيار المستمر أو التيار المتردد، كما يوضح الشكل التالي (2) تكويناً عاماً لنظام الكهروضوئية، و فيما يلي تمت مناقشة نماذج الموثوقية لمصفوفات الألواح الشمسية والمحولات الكهروضوئية ووحدات (EPU) وحساب إنتاج الطاقة المتوقع.

نماذج الموثوقية لمصفوفات الألواح الشمسية

الألواح الشمسية هي المكونات الرئيسية للأنظمة الكهروضوئية، كما يمكن أن تتعطل الألواح الشمسية بسبب تدهور الخصائص الميكانيكية للمواد المغلفة وقوة الالتصاق ووجود الشوائب والتعدين وسلامة روابط اللحام والكسر والتآكل وتقادم طبقات الدعم، وبالنظر إلى معدل الفشل (λi) ومعدل الإصلاح (μi) للوحة الشمسية (i)، بحيث يمكن حساب التوافر المقابل (Ai) بواسطة:

حيث أن:

(λi): هو معدل الفشل الذي يشير إلى معدل المغادرة من حالة الصعود للمكون (الحالة الناجحة) إلى الحالة السفلية (حالة الفشل).

(μi): هو معدل الإصلاح الذي يشير إلى معدل المغادرة من الحالة السفلية إلى الحالة الأعلى- حالة.

كما تتكون بعض الخيوط من عدة ألواح شمسية وصمام ثنائي على التوالي، حيث أن أي عطل في الألواح الشمسية أو الصمام الثنائي يؤدي إلى فشل كامل في السلسلة، لذلك يمكن تقييم مدى توفر السلاسل من خلال:

حيث أن (n) عبارة عن عدد من الألواح الشمسية في السلسلة والإعلان هو توفر الصمام الثنائي:

حيث أن (λd ، μd) هما معدل الفشل ومعدل إصلاح الصمام الثنائي على التوالي.

نماذج الموثوقية لمحولات التيار الكهربائي

تقوم المحولات الكهروضوئية بتحويل طاقة التيار المستمر من مجموعة الطاقة الشمسية إلى طاقة تيار متردد، والتي تتوافق مع جهد شبكات الطاقة، كما يُعتقد أن “العواكس” هي عنق الزجاجة لموثوقية الأنظمة الكهروضوئية وأن الغالبية العظمى من حالات فشل النظام الكهروضوئية ناتجة عن العاكسات.

بحيث يشتمل العاكس الكهروضوئي النموذجي كما هو موضح في الشكل التالي (3) على أربعة ترانزستورات ثنائية القطب ذات بوابة معزولة (IGBTs) ومحول عزل، بحيث يتأثر معدل فشل (IGBT) ببيئة التشغيل وعوامل أخرى، والتي يمكن تقييمها من خلال:

حيث أن:

(λb): هو معدل الفشل الأساسي.

(πT ، Q ، E): هي عامل درجة الحرارة وعامل الجودة وعامل البيئة على التوالي، لذلك يمكن حساب توفر (IGBT) على أنه:

نماذج الموثوقية لوحدة إنتاج الطاقة

يتم توصيل العاكس الكهروضوئي في سلسلة مع المصفوفة الشمسية لتكوين وحدة (EPU)، بحيث يتم استخدام عامل التشغيل المتسلسل لحساب (UGF) لوحدة (EPU)، وذلك باستخدام الخصائص الترابطية والتبادلية، بالنسبة لنوع (MSS) الذي يحتوي على عناصر متصلة في سلسلة؛ فإن مستوى السعة للحالة (kE) هو تقليل السعات المقابلة لمكوناتها، بحيث تأخذ وظيفة الهيكل الخاصة بـ (EPU) الشكل:

يمكن الحصول على توزيع سعة (EPU E)، وذلك بناءً على (UGF) الذي يمثل توزيع السعة للصفيف وعاكس (PV) باستخدام مشغل تكوين السلسلة:

حيث أن (NE) هو عدد حالات (EPU) ويساوي [2 (N + 1)].

إنتاج الطاقة المتوقع للطاقة الكهروضوئية

يتكون النظام الكهروضوئي من عدة وحدات (EPU) بالتوازي لتزويد شبكة الكهرباء بالكهرباء، وذلك باستخدام (UGF) لكل وحدة (EPU)، بحيث يمكن حساب (UGF) الذي يمثل توزيع السعة للنظام الكهروضوئي بأكمله باستخدام عامل التكوين المتوازي (Ωϕp):

حيث أن (m ،M ، pk ، wk) هي عدد وحدات (EPU) ورقم حالة النظام الكهروضوئي والاحتمال ومستوى السعة للحالة (l) للنظام الكهروضوئي على التوالي.

كما تعتمد التقنية العامة لتحديد (UGF) للنظام الكهروضوئي على نهج تعداد الحالة، كما أن هذا النهج عادة ما يكون مستهلكاً للغاية للموارد، ولحسن الحظ يمكن تقسيم النظام الكهروضوئي إلى أنظمة فرعية (سلسلة، مصفوفة و (EPU) وتسمح طريقة (UGF) للفرد بالحصول على نظام (UGF) بشكل متكرر، بحيث تعتمد خاصية طريقة (UGF) هذه على الخاصية الترابطية للعديد من وظائف الهيكل المستخدمة عملياً.

يفترض النهج التكراري (UGF) للأنظمة الفرعية التي تحتوي على العديد من المكونات الأساسية ثم تعامل النظام الفرعي كمكون واحد مع (UGF) الذي تم الحصول عليه عندما يتم حساب (UGF) لنظام فرعي أعلى مستوى، بحيث يوفر النهج التكراري تخفيضاً كبيراً في الموارد الحسابية اللازمة للحصول على توزيع قدرة (MSS) المعقدة.