دراسة حالة: صندوق تجميع 6 في 2 تيار مستمر بقدرة 1000 فولت يخفض تكاليف مصفوفة الطاقة الشمسية بنسبة 15%

خلفية العملاء

تدير شركة متوسطة الحجم متخصصة في هندسة الطاقة الشمسية والمشتريات والبناء (EPC) تقع في جنوب إسبانيا، منشآت مثبتة على الأرض على نطاق واسع عبر شبه الجزيرة الأيبيرية. مع 200 موظف وخط أنابيب سنوي بقدرة 80 ميجاوات، تعمل الشركة بشكل روتيني في مشاريع حيث يتم ترتيب مساحة الأرض وطرق الكابلات والعاكسات في مناطق جغرافية ضيقة.

فازت الشركة بعقد لإعادة تشغيل محطة الطاقة الشمسية الحالية بقدرة 1.6 ميجاوات وتوسيعها عن طريق إضافة 0.8 ميجاوات من القدرة الجديدة. لم يعد المصنع يفي باحتياجات السلامة والأداء الأكثر صرامة لمعدات التيار المستمر الحالية، لذلك كان لا بد من استبدال صناديق الصفيف والكابلات القديمة. بحث الفريق الهندسي عن حل من شأنه خفض تكاليف توازن النظام مع الحفاظ على التثبيت آمنًا والحد الأدنى من حالات التوقف.

التحديات ونقاط الألم

استخدمت محطة الطاقة الشمسية الأصلية صناديق تجميع ذات تصنيف 600 فولت مقترنة بخط عاكس 380 فولت. تم دمج كل أربع دوائر سلسلة في وحدة تغذية واحدة، مما يتطلب تشغيل كابلات طويلة ذات جهد منخفض. في القسم الجديد، خطط الفريق لاستخدام وحدات شمسية بقدرة 1000 فولت وعاكس مركزي بقدرة 1000 فولت لتقليل المقاطع العرضية للكابل وتحسين كفاءة العاكس.

كانت المشكلة هي أن صناديق التجميع القياسية 600 فولت لا يمكنها قبول الفولتية الأعلى. ولذلك، كان مديرو المشروع بحاجة إلى صندوق مجمع قادر على التعامل مع 1000 فولت تيار مباشر أثناء تغذية مدخلين عاكسين مستقلين. لم تتمكن حوامل الكابلات والخنادق الحالية من توفير مسارات جديدة مهمة، لذلك احتاج المشروع إلى صندوق مدمج يسمح بدخول ستة سلاسل ومخرجين جماعيين للمغادرة، مما يحد من عمليات سحب الكابلات الجديدة وتقصير أطوال وحدة التغذية.

صداع آخر جاء من الصيانة. في التركيب القديم، تم عزل الدوائر القصيرة أو أعطال السلسلة باستخدام صمامات ميكانيكية بطيئة. وقد تسبب ذلك في استغراق وقت طويل في تتبع الأخطاء وخسائر غير مخطط لها في التوليد كل بضعة أشهر. ومع إعادة تزويد المحطة بالطاقة، كانت شركة EPC تتطلع إلى تجنب تلك الخسائر.

لماذا صندوق الموحد Soutya 1000V DC 6 في 2 خارج نوع MCB؟

قام الفريق الهندسي بتقييم ثلاثة بدائل: صناديق التوصيل القياسية محلية الصنع مع حاملات الصمامات، وصناديق التجميع عالية الجهد المستوردة التي يقدمها شريك الوحدة، وصندوق التجميع Soutya 1000V DC. تم استبعاد الحل الأول لأن الصناديق المبنية ميدانيًا تفتقر إلى العبوات المناسبة ذات تصنيف IP وقواطع الدائرة ذات تصنيف التيار المستمر. أما الخيار الثاني فكان أكثر تكلفة وكان يستغرق أكثر من عشرة أسابيع.

تميز صندوق التجميع Soutya 1000V DC بسبب ثلاث ميزات للمنتج تتوافق تمامًا مع متطلبات المشروع.

• ستة مداخل DC ومخرجين، مما يمنح التصميم القدرة على تغذية مدخلين MPPT منفصلين من العاكس دون لوحة فرعية إضافية.
• حماية من نوع MCB بدلاً من حاملات الصمامات. وقد أتاح ذلك سهولة إعادة الضبط واستكشاف الأخطاء وإصلاحها دون الحاجة إلى صمامات احتياطية.
• تم تصنيفه بـ 1000 فولت تيار مباشر وفقًا لتخطيط جهد السلسلة الخاص بالمشروع، لذلك يمكن وضع الصندوق بالقرب من المصفوفة ويظل متوافقًا مع عتبات الجهد الآمن للمحطة.

بالإضافة إلى ذلك، جاء الصندوق من مورد محلي خلال فترة زمنية قصيرة مدتها أسبوعين. قام مديرو المشتريات بمقارنة تكلفة وحدة Soutya بالمنافسة وحسبوا توفيرًا بنسبة 22% لكل حاوية، قبل النظر في توفير الأسلاك والعمالة.

عملية التنفيذ والتطبيق

قدم المشروع عملية إعادة الطاقة والتوسعة الكاملة خلال فترة بناء مدتها ثلاثة أشهر. واستغرق تركيب صناديق التجميع 1000 فولت تيار مستمر ستة أيام عبر عشر مصفوفات جديدة وبديلة.

اتبع الفريق تسلسلاً واضحًا:

1. بعد تثبيت رفوف التثبيت، قام الفنيون بتثبيت خطوط سلسلة التيار المستمر في مواضع صندوق الموحد مع اختبار الجهد عند 1000 فولت تيار مستمر.
2. تم تركيب كل صندوق مجمع Soutya 1000V DC على الحامل بحيث تكون مداخله المحايدة ومدخل القناة متجهة للأسفل، مما يحمي حجرة MCB من تسرب المطر.
3. تم إنهاء ستة موصلات سلسلة داخل كل صندوق وتم فحص عزم الدوران وفقًا لقيم الملصق.
4. تم توجيه تغذيتي الإخراج إلى أقسام إدخال MPPT للعاكس، ولم يتم تشغيل قواطع التيار المستمر إلا بعد التحقق من جميع التوصيلات.

نشأت صعوبة رئيسية في الأسطح المكسوة بالفولاذ حيث لا يمكن تثبيت لوحة التأريض الخاصة بالعلبة. اقترح مهندس ما قبل البيع بالشركة المصنعة استخدام مجموعة أدوات التأريض مع أطراف ضغط ذات فتحة واحدة. قام طاقم الموقع بتطبيق أداة العقص الموصى بها واجتازوا اختبار الاستمرارية. أدى ذلك إلى القضاء على تأخير محتمل لمدة يومين.

النتائج الكمية

بعد بدء التشغيل وموسم تشغيل صيفي كامل، قامت EPC بمقارنة أداء المحطة التي تم إعادة تزويدها بالطاقة مع القسم الأقدم الذي يعمل بنفس فئة العاكس.

• انخفض وزن الكابل النحاسي لكل وحدة تغذية سلسلة بنسبة 35%، لأن سلاسل 1000 فولت تعمل بجهد أعلى وتيار أقل مع الحفاظ على نفس حد انخفاض الجهد.
• تم تخفيض التكلفة الإجمالية لمواد توازن النظام للجزء المضاف بقدرة 0.8 ميجاوات بنسبة 15% مقارنة بالتصميم الأساسي 600 فولت، بما في ذلك السعر الفعلي لصندوق الدمج Soutya 1000V DC.
• انتقل وقت إعادة ضبط الخطأ من 55 دقيقة في المتوسط ​​إلى 8 دقائق بفضل قواطع من نوع MCB وترتيب 6 في 2 خارج الذي يسهل الوصول إليه.
• تحسن توفر الجيل بنسبة 3.4% خلال الأشهر الثلاثة الأولى مقارنة بالأداء التاريخي لصناديق المصفوفات الأقدم ذات الحماية القائمة على الصمامات.

وبسبب الحاجة إلى عدد أقل من المغذيات الفرعية، تم أيضًا تقصير طول الخنادق بنسبة 18%. أدى ذلك إلى توفير أسبوع من أعمال الحفر وتقليل أعمال الضغط قبل تركيب العاكسات.

منظور العملاء

صرح رئيس الهندسة الكهربائية في EPC:

"لقد أعطانا صندوق التجميع بقدرة 1000 فولت تيار مستمر تخطيط الإخراج المزدوج الذي نحتاجه دون الحاجة إلى تصنيع خاص. لقد خفضنا تكاليف المواد لدينا، وأكثر من ذلك، عندما تتعطل السلسلة الآن، يقوم الطاقم باستعادتها في دقائق بدلاً من قضاء ساعات في البحث عن فتيل منفجر."

ردد مالك المصنع هذا الرأي، مشيرًا إلى أن التكوين الجديد يسمح بالتوسع المستقبلي دون استبدال البنية التحتية الأصلية للتيار المباشر.

الدروس والتوصيات

بالنسبة لشركات EPC الأخرى التي تخطط لأعمال الطاقة الشمسية ذات الجهد العالي المماثلة، تبرز ثلاث نقاط:

• اختر صندوقًا مدمجًا يحتوي على العدد المناسب من المدخلات والمخرجات لطوبولوجيا العاكس قبل بدء التخطيط. يمكن لوحدة 6 في 2 مخرج أن تقلل بشكل كبير من عدد وحدات التغذية ولوحات التوزيع الثانوية.
• تستحق الحماية المستندة إلى MCB التكلفة الأولية الأعلى قليلاً، نظرًا لأنه يتم التقليل من وقت التوقف التشغيلي في حالة العمل. يمكن للمرء الذي تم تجنب انقطاعه لمدة نصف يوم أن يدفع مقابل المبلغ الإضافي.
• تأكد من متطلبات التأريض وحماية IP مع المورد قبل الشحن. يمكن لتفاصيل صغيرة مثل مجموعة التأريض أن تؤثر على سرعة التثبيت وموثوقيته في مواقع الأسطح المرتفعة.

إذا تم إعادة بناء المشروع، فسيقوم الفريق بطلب مجموعات الغدة المثقوبة مسبقًا وأنابيب تحديد الموصلات الموسومة في نفس الوقت الذي يتم فيه طلب الصناديق. سيؤدي هذا التغيير البسيط إلى تقليل وقت الفحص الدقيق لمدة يومين آخرين عبر المصنع بأكمله.

مراجع معايير الصناعة

يتبع التثبيت والاختيار المطبق لصندوق تجميع التيار المستمر بقدرة 1000 فولت متطلبات IEC ذات الصلة: IEC 62548:2016 لتصميم المصفوفة الكهروضوئية والمتطلبات الهيكلية، وIEC 61643-11:2011 لتنسيق الحماية من زيادة التيار في جانب التيار المستمر.

• IEC 62548:2016 — المصفوفات الكهروضوئية – متطلبات التصميم.https://webstore.iec.ch/publication/62548
• IEC 61643-11:2011 — أجهزة الحماية من زيادة الجهد المنخفض — أجهزة SPD المتصلة بأنظمة الطاقة ذات الجهد المنخفض.https://webstore.iec.ch/publication/61643-11