نمذجة ضربات الصواعق في أنظمة القوس الكهروضوئي

الضرورة من نمذجة ضربات الصواعق في أنظمة القوس الكهروضوئي

مع النمو السريع في توليد الطاقة الكهروضوئية، أصبح خطر الصواعق على المنشآت الكهروضوئية يُنظر إليه باهتمام كبير، كما أن التركيبات الكهروضوئية عرضة لضربة البرق بسبب سطحها المستنفد وموقعها المكشوف، خاصةً عندما يضرب البرق الإطار المعدني الداعم للوحة الشمسية، حيث يتدفق تيار دفع عالي عبر فروع موصلة مختلفة في نظام القوس ويتبدد من ترتيب التأريض إلى الأرض.

وأثناء عملية النقل العابر هذه، سيولد تيار البرق زيادات في الحرارة والجهد الكهربائي الزائد في نظام القوس ويلحق الضرر بالإطار الداعم والمكونات الكهروضوئية الأخرى، حيث تم الإبلاغ عن أحداث الضرر المرتبطة والتكاليف ذات الصلة من خلال التجارب، لذلك؛ فإنه من الضروري إجراء تحليل عابر للصواعق لأنظمة القوس.

كما يمكن أن توفر معرفة الاستجابات العابرة في أنظمة القوس دعماً قيماً لتصميم الحماية من الصواعق للتركيبات الكهروضوئية، وحتى الآن؛ فإنه لم يتم بذل جهود البحث في الحماية من الصواعق للمنشآت الكهروضوئية، لذلك تم إجراء القياسات المعملية والميدانية لأداء ضربة صاعقة على التركيبات الكهروضوئية.

كذلك تم إجراء الحسابات العددية أيضاً في استكشاف سلوك الجهد الزائد المستحث في الألواح والمصفوفات الشمسية، ومع ذلك لم يتم العثور على بحث منهجي حول النمذجة العابرة البرق لأنظمة الأقواس في العديد من الدراسات، حيث كان هناك نقص في النتائج المتاحة لخاصية التوزيع الخاصة باستجابات البرق العابرة في أنظمة القوس الكهربائي.

كما أنه من الصعب تلبية المتطلبات العملية لتصميم الحماية من الصواعق للتركيبات الكهروضوئية، وبالنظر إلى النقص في العمل السابق، تم اقتراح طريقة النمذجة في هذا الطرح لحساب انتقالات البرق في نظام القوس، وفي هذه الطريقة، يتم استنباط مجموعة من الصيغ لتقييم المعطيات الكهربائية للفروع الموصلة في أنظمة الأقواس.

وعلى أساس المعطيات الكهربائية؛ فإنه تم تصميم نموذج الدائرة لأنظمة القوس، بحيث يمكن الحصول على استجابات البرق العابرة في أنظمة القوس باستخدام نموذج الدائرة لإجراء الحساب العابر، كذلك يتم إجراء تجربة معملية على نظام قوس صغير الحجم ويتم استخدام النتائج المقاسة للتحقق من صحة نموذج الدائرة، وبالإضافة إلى ذلك يتم إجراء تحقيق أيضاً حول توزيع استجابات البرق العابرة في نظام قوس فعلي.

المعطيات الكهربائية الخاصة بأنظمة القوس الكهروضوئي

تم توضيح نظام قوس (PV) بشكل تخطيطي في الشكل التالي (1)، وهو يشتمل بشكل أساسي على إطار الدعم فوق سطح الأرض وترتيب تأريض الأساس، بحيث يتكون الأول من الفروع الموصلة في مواقع مكانية مختلفة والأخيرة من الأقطاب الأفقية والرأسية المدفونة تحت الأرض.

كما يتم تمثيل معطيات الدائرة الكهربائية للفروع الموصلة وأقطاب التأريض بالمقاومات والسعة والمحثات، ونظراً لحقيقة أن أدوات التوصيل الكهرومغناطيسية بين الفروع الموصلة؛ فإن السعات والمحثات تأخذ شكل المصفوفات الخاصة بها، كما يتم اشتقاق الصيغ الخاصة بتقييم معطيات الدائرة هذه على التوالي في ما يلي.

إجراء الفروع ومعطيات السعات

من أجل التبسيط، يتم أخذ فرع موصل في إطار الدعم بشكل مكافئ كموصل أسطواني مع تقدير نصف قطره من المقطع العرضي، وذلك لتقييم سعات الفروع الموصلة، بحيث يجب تحديد المعاملات المحتملة المقابلة مسبقاً، وفقاً للمواضع المكانية النسبية للفروع الموصلة الموضحة في الشكل (1).

كما يمكن تصنيف أزواج الفروع هندسياً إلى ثلاثة أنواع من العلاقات الموضعية، أي بمعنى أزواج الفروع المتوازية وغير المتوازية، كما يمكن تقييم معاملاتها المحتملة من خلال متوسط التكامل المحتمل، كما ويؤخذ وجود الأرض في الاعتبار من خلال طريقة الصورة.

وبالنسبة لزوج من الفروع غير متحد المستوى، أي الفروع (j) و (k)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، بحيث يتم تثبيت فروعه التخيلية في موضع متماثل أسفل سطح الأرض ويتم تصويرها بواسطة الخطوط المنقطة، أيضاً يتم حساب معامل الجهد المتبادل بين الفرعين.

حيث (Λjk) و (Λ′jk) هما تكاملات الخط المزدوج:

ترتيب التأريض

عندما يتبدد تيار البرق في الأرض من خلال قطب تأريض، تحدث شدة المجال الكهربائي العالية بالقرب من قطب التأريض الكهربائي وتؤدي إلى انهيار التربة هنا، كما يمكن اعتبار هذا زيادة في نصف قطر قطب التأريض، كما هو موضح في الشكل التالي، وذلك بالنسبة لأقطاب التأريض الرأسية والأفقية، كما يتم تقدير نصف قطرها المكافئ بما في ذلك انهيار التربة.

حيث أن:

(ρ): هي مقاومة التربة (Ω⋅m).

(E0): هي شدة مجال الانهيار الحرج للتربة (V / m).

نموذج الدائرة الكهربائية المكافئة

من أجل أخذ سلوك الموجة المتنقلة لتيار البرق في الاعتبار، بحيث يجب تقسيم الفروع الموصلة وأقطاب التأريض الأفقية إلى عدد معقول من المقاطع، كما أن طول كل جزء أقصر من (1/10) من (c / fc)، حيث أن (c) هي سرعة الضوء.

وعلى أساس معطيات الدائرة الكهربائية، يمكن تمثيل المقاطع المقترنة (M) في الإطار الداعم بوحدة دارة مقترنة من النوع تتكون من المقاومات والمحثات والسعة، بحيث يوضح الشكل التالي وحدة الدائرة المزدوجة من النوع التي تمثل فرعين متقاربين (M = 2).

وبالنسبة لترتيب التأريض الكهروضوئي الفعلي، يجب تقسيم قطب التأريض الأفقي، وذلك نظراً لطوله الكبير إلى عدد من الأجزاء، بحيث يتم تمثيل كل مقطع أفقي بدائرة من النوع، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق(a) ومع ذلك؛ فإن طول قطب التأريض العمودي يكون عادةً قصيراً (1.5 م ~ 2 م)، كما يتم تمثيل قطب التأريض الرأسي بمقاومة التأريض النبضي المتكتل من أجل البساطة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (b).

وبعد الحصول على الدوائر المكافئة للفروع الموصلة وأقطاب التأريض، بحيث يتم تحويل نظام القوس إلى شبكة كهربائية واسعة النطاق مكونة من المقاومات والسعة والمحثات، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي، بحيث يتم محاكاة ضربة البرق للإطار الداعم بواسطة البرق يتم حقن المصدر الحالي في العقدة المقابلة لنقطة التعلق.

كما أن الممانعة (Z) بالتوازي مع مقاومة التيار لقناة البرق، بحيث تتراوح القيم التقديرية لـ (Z) من البيانات التجريبية والمحسوبة المحدودة من عدة مئات من أوم إلى بضعة كيلو أوم، وبعد معالجة الوقت التقديري للسعات ومحاثة المقاومة التسلسلية، كما يتم استبدال هذين النوعين من عناصر الدائرة بمصادر تيار ومقاومات مكافئة موازية.

وهكذا؛ فإنه يتحول الشكل كذلك إلى شبكة مكافئة تتكون فقط من مصادر ومقاومات حالية. يتم إعداد معادلات جهد العقدة للشبكة المكافئة ويمكن حساب استجابات البرق العابرة عن طريق حل المعادلات رياضياً.

وأخيراً فقد تم تطوير خوارزمية فعالة لتحديد المعلمات الكهربائية للفروع الموصلة في نظام قوس (PV)، بحيث توفر الخوارزمية مجموعة كاملة من الصيغ لتقييم سعات الفروع والمحثات ولديها القدرة على مراعاة الروابط الكهرومغناطيسية بين الفروع الموصلة في المواضع المكانية المختلفة.

وعلى أساس المعطيات الكهربائية، تم بناء نموذج الدائرة الكاملة لأنظمة قوس (PV)، بحيث يتم الحصول على استجابات البرق العابرة في أنظمة قوس (PV) باستخدام نموذج الدائرة لتنفيذ الحساب العابر، كما تم إجراء التجربة المعملية على نظام قوس صغير الحجم، لذلك تؤكد المقارنة بين النتائج المقاسة والمحسوبة صحة نموذج الدائرة المكافئة.