للتشغيل الموثوق به مدى الحياة، تم تصميم معدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) لتقليل الأعطال، و بغض النظر عن ذلك؛ فإن تدهور اللوحة يجعل الخطأ أمراً لا مفر منه، وبالتالي؛ فإن الاكتشاف السريع وتصنيف تدهور اللوحة أمر محوري، ومن بين العديد من المشكلات التي تعزز تدهور اللوح الكهروضوئي.
تحليل تقنية اكتشاف الأعطال الكهربائية في الطاقة الشمسية
في الألواح الكهروضوئية، يعتبر التبقع الساخن مشكلة صلابة، بحيث يمكن تمييزه عندما ترتفع درجة حرارة الخلايا الشمسية المجاورة إلى مستوى ملحوظ وتقليل توليد الطاقة الأمثل للوحة الكهروضوئية، كما ينشأ التبقع الساخن عندما تعمل خلية مفردة أو مجموعة من الخلايا في حالة انحياز عكسي أو مستويات درجات حرارة متضخمة غريبة، وغالباً ما تكون النقاط الساخنة ناتجة عن الأسباب التالية، وهي كثافة التيار غير المنتظمة والتغيرات في التظليل واللحام غير المناسب وفشل الحزمة.
ونظراً للنقاط الساخنة؛ يتم تحسين تدهور الطاقة الكهروضوئية ويسود احتمال كبير لحدوث ضرر دائم للألواح الكهروضوئية، ومشكلة الصلابة الأخرى التي تؤثر على الألواح الكهروضوئية هي التوقف، أيضاً أعطال تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) والشقوق الدقيقة والتغيرات في سرعة الرياح والرطوبة، كما تؤثر المشكلات المذكورة أعلاه على أداء الطاقة الناتجة في لوحة (PV)، لكن المعلمات مثل معامل درجة الحرارة ستقلل من إنتاجها السنوي من الطاقة.
وفي النهاية تشير هذه الدراسات فقط إلى تأثير الاكتشاف الساخن في الألواح الكهروضوئية، ولكنها لا تركز على قضايا أخرى، وللحصول على أقصى ناتج من نظام الكهروضوئية على مدى العمر؛ فإن الصيانة المنتظمة والفحص الدائم إلزامي، ونظراً لأن الفحص اليدوي غير عملي في محطات الطاقة الكبيرة الحجم؛ فإن الفحص التلقائي فعال للكشف عن الألواح المعيبة باستخدام منهجيات مختلفة.
المنهجيات الخاصة باكتشاف الأعطال الكهربائية في الأنظمة الشمسية
بالعادة تصنيف هذه المنهجيات على نطاق واسع إلى جزأين على النحو التالي:
- استناداً إلى الإشارة الكهربائية.
- استناداً إلى معالجة الصور (التلألؤ الضوئي، الوميض الكهربائي، تقنيات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء).
أما في فئة الكشف عن الأعطال القائمة على الإشارة الكهربائية؛ فإنه يتم تعديل درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية عن طريق تغيير السلوك الكهربائي في المناطق المعيبة الشديدة والمعتدلة، وفي منهجيات اكتشاف الأخطاء القائمة على معالجة الصور؛ فإنه يتم تضمين خوارزميات الشبكة العصبية والتعلم الآلي، بحيث تكتشف خوارزمية المصنف (Naïve Bayes) التدهور في الوحدة الكهروضوئية على أنه معيب وغير معيب بدلاً من اكتشاف الأخطاء الفردية.
وفي الآونة الأخيرة أصبح الفحص الكهروضوئي باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR) ممارسة شائعة لمراقبة النقاط الساخنة الكهروضوئية كما يتم تصور المناطق المعيبة في صور الأشعة تحت الحمراء من خلال التباين في الألوان والاختلاف في السطوع، ومع ذلك لم تتم معالجة تأثيرات النقاط الساخنة على أداء الأنظمة الكهروضوئية بشكل ملحوظ، بحيث يؤدي هذا إلى بدء الباحثين في تحليل الحاجة إلى آلية معتمدة للتخلص من المواصفات الساخنة والمفصلة لمعيار الموافقة في الهيكل النقدي.
تحليل منهجية التحقيق في الوحدات الكهروضوئية
تعتبر الألواح الكهروضوئية التي تم فحصها هي من النوع متعدد بلورات السليكون (بولي سيليكون)، بحيث تبلغ سعة كل لوحة (10) واط، وهي فئات الوحدات الكهروضوئية التي تم فحصها موضحة في الشكل التالي (1)، وهي مصنفة على أنها صحية ونقطة ساخنة واحدة واثنتان من النقاط الساخنة وأكثر من نقطتين ساخنتين وشقوق صغيرة.
وبعد التثبيت؛ تم جمع البيانات عن طريق فحص اللوحات. يتم استخدام عدد قليل من أدوات القياس في هذه العملية مثل الفولتميتر، مقياس التيار الكهربائي، جهاز اختبار الملقط (PCE-EM 886) وكاميرا التصوير الحراري، كذلك تتم معايرة أدوات القياس قبل إخضاعها لقياسات مختلفة لتحقيق دقة عالية ومعدل تحمل. تم قياس الإشعاع الشمسي ودرجة حرارة اللوحة لفترات زمنية مختلفة، حيث يمكن استخدام طريقتنا على نطاق واسع لأي مجموعة من الظروف البيئية. يتم إعطاء مواصفات اللوحة في الجدول التالي.
وقبل جمع البيانات؛ فإنه يجب مراعاة بعض العوامل والعمليات لإجراء التحقيق مذكورة أدناه:
- يتم قياس المعطيات خلال يوم مشمس غير مظلل.
- يتم إنشاء الألواح الشمسية مع مجموعة من النقاط الساخنة والشقوق الدقيقة يدوياً.
- يتم فحص جميع هذه اللوحات باستخدام كاميرات الأشعة تحت الحمراء لتحديد عدد النقاط الساخنة وتحديد النقاط التي حدث فيها الفشل.
- يُنظر أيضاً إلى عدد قليل من اللوحات الصحية لمقارنة البيانات المقدمة من الوحدات ذات النقاط الساخنة والوحدات الصحية المجاورة.
كذلك يتم اعتبار الأدوات وأجهزة الاستشعار بدقة (95٪) وما فوق فقط للقضاء على البيانات غير الدقيقة، ومن خلال فحص النقاط الساخنة باستخدام كاميرا التصوير الحراري؛ فإنه تم النظر في ثلاثة أنواع مختلفة من ظروف البقع الساخنة كما هو موضح في الشكل التالي (2).
كما تتم مناقشة إجراء الكشف عن النتائج ذات الصلة في القسم التالي، بحيث يتم استخدام المعلمات مثل النسبة المئوية لفقدان الطاقة (PPL) والمقاومة (Z) في كل وحدات (PV) من النوع المعيب للعثور على النتائج.
تقدير النسبة المئوية لفقدان الطاقة الكهربائية (PPL) ومقاومة الإخراج (Z)
هنا يتم استخدام تقنية لتقدير (PPL) من طاقة الخرج للوحدات الكهروضوئية الساخنة المرقطة، ووفقاً لذلك يتم إجراء الحسابات باستخدام الإشعاع الشمسي ودرجة حرارة اللوحة الخاصة بهما لفترة زمنية متساوية، وبشكل أساسي يتم قياس طاقة الخرج للوحدة الكهروضوئية ذات النقاط الساخنة، ثم يتم تقسيم الطاقة المقاسة على متوسط طاقة الإخراج المقاسة من الوحدات الكهروضوئية الصحية المجاورة، كما يتم حساب متوسط طاقة الإخراج من الوحدة الكهروضوئية الصحية المجاورة باستخدام العلاقة التالية:
كما تُعرف نسبة التغيير في جهد الخرج إلى التغيير في تيار الحمل بمقاومة الخرج، كذلك يتم الإشارة إليه باستخدام الرمز (Z)، بحيث تتناسب معاوقة الإخراج للوحدة الكهروضوئية عكسياً مع تيار الإخراج المتدفق من الوحدة الكهروضوئية وفي شبكة كهربائية، وهو مقياس لمقاومة تدفق التيار. يتم تحديد المقاومة وفقاً لقانون أومس.
وبالنسبة الى تحليل معلمات درجة الحرارة (PPL ،VOC ،ISC ،IRR ،Z)، ومن تحليل قيم العتبة لجميع أنواع الأعطال؛ فإنه لا يحدث سوى انخفاض أدنى من (PPL) في الوحدة الكهروضوئية المتأثرة بالشقوق الدقيقة.، أيضاً متوسط (PPL) يساوي (10.47٪)، وعلاوة على ذلك في الوحدة الكهروضوئية مع حالة نقطة ساخنة واحدة؛ يبلغ متوسط (PPL 10.56٪) ولحالتين من حالات النقاط الساخنة، كذلك يكون (13.67٪).
أيضاً، وبالنسبة للوحدة الكهروضوئية المتأثرة بأكثر من فئتين من النقاط الساخنة؛ يبلغ متوسط (PPL) حوالي (19.23٪)، وبالتالي تكشف النتيجة أنه إذا زاد عدد النقاط الساخنة في وحدة (PV)؛ فإن (PPL) تزداد أيضاً، كما تم الحصول على هذه النتائج من (93٪) من الوحدات الكهروضوئية ذات النقاط الساخنة و (7٪) من الوحدات الكهروضوئية الدقيقة.
وأخيراً مثل جميع أنظمة توليد الطاقة الأخرى؛ فإن الألواح الشمسية معرضة أيضاً للأعطال، بحيث يجب اكتشاف هذه الأخطاء وتصنيفها على وجه السرعة من أجل التشغيل الممتاز للنظام الكهروضوئي، ومن بين العيوب المختلفة في الألواح الشمسية؛ تم تسجيل أعطال مثل النقاط الساخنة والشقوق الدقيقة في هذا العمل.
