نظرة عامة على المشروع

تطلبت منشأة طاقة شمسية بقدرة 50 ميجاواط على نطاق المرافق في صحراء نيفادا تصميمًا دقيقًا لنظام تجميع التيار المستمر لتقليل خسائر انخفاض الجهد في بيئة درجات الحرارة العالية للغاية. تقع هذه المنشأة في صحراء موهافي في كاليفورنيا، وتمتد على أكثر من 300 فدان مع أكثر من 125000 لوح شمسي منظمة في حوالي 4200 سلسلة شمسية تغذي 200 محول مركزي.

على عكس توزيع التيار المتردد حيث يكون انخفاض الجهد توصية، فإن انخفاض جهد التيار المستمر في المنشآت الشمسية يقلل مباشرة من إنتاج الطاقة وإيرادات المشروع. كل نقطة مئوية من انخفاض الجهد تمثل طاقة يتم توليدها بواسطة الألواح الشمسية ولكنها تُفقد كحرارة في الأسلاك قبل تحويلها إلى تيار متردد وبيعها إلى الشبكة. بالنسبة لمشروع بقدرة 50 ميجاواط يعمل لأكثر من 25 عامًا، حتى التحسينات الصغيرة في كفاءة تجميع التيار المستمر تترجم إلى ملايين الدولارات من الإيرادات الإضافية.

كان التحدي الهندسي لهذا المشروع هو تحسين أحجام الموصلات لآلاف مسارات السلاسل الرئيسية مع موازنة تكاليف التركيب مع خسائر الطاقة مدى الحياة. تُظهر دراسة الحالة هذه نهجًا منهجيًا لتطوير تصميم تجميع تيار مستمر مثالي اقتصاديًا.

تكوين النظام والمواصفات الفنية

معاملات نظام تجميع التيار المستمر

تكوين السلسلة

• وحدات لكل سلسلة: 30
• جهد الدائرة المفتوحة للسلسلة: 1200 فولت تيار مستمر
• جهد نقطة الطاقة القصوى للسلسلة: 1020 فولت تيار مستمر
• تيار الدائرة القصيرة للسلسلة: 12.5 أمبير
• تيار نقطة الطاقة القصوى للسلسلة: 11.8 أمبير
• كفاءة الوحدة: 21.3%

تكوين المجمع

• سلاسل لكل مجمع: 24
• تيار خرج المجمع: 283 أمبير
• مجمعات لكل محول: 21
• إجمالي صناديق المجمعات: 175
• إجمالي السلاسل: 4200

يلعب نظام تجميع التيار المستمر دورًا حاسمًا في اقتصاديات مزرعة الطاقة الشمسية. تتطلب كل سلسلة زوجًا منفصلاً من الموصلات إلى أقرب مجمع، بمسافات تتراوح من 50 قدمًا إلى أكثر من 500 قدم. في البيئة الصحراوية، تتجاوز درجات الحرارة المحيطة 45 درجة مئوية (113 درجة فهرنهايت) ويمكن أن تصل درجات حرارة الموصلات إلى 75 درجة مئوية (167 درجة فهرنهايت)، مما يزيد بشكل كبير من مقاومة الموصل ويفاقم تحديات انخفاض الجهد.

تحديات انخفاض الجهد والعوامل البيئية

قيود التصميم والظروف البيئية

• البيئة الحرارية: درجة حرارة محيطة قصوى 45 درجة مئوية، درجة حرارة الموصل 75 درجة مئوية
• مسافة السلسلة: نطاق من 50 قدمًا إلى أكثر من 500 قدم
• ميزانية انخفاض الجهد: حد صارم 2% لتلبية ضمانات الأداء
• اختيار الموصل: مقايضة التكلفة والأداء بين النحاس والألومنيوم
• قيود التركيب: التضاريس الصحراوية وقيود التخطيط الحالية

تطلب النموذج المالي للمشروع الحد من إجمالي خسائر تجميع التيار المستمر إلى 2.0% أو أقل. نشأ هذا القيد من ضمانات أداء المستثمرين، اللازمة لتلبية مستويات إنتاج الطاقة المضمونة. استخدام حجم موصل واحد لجميع السلاسل سيؤدي إلى إهدار المواد في المسارات القصيرة أو خسائر طاقة مفرطة في المسارات الطويلة.

استراتيجية تحسين انخفاض الجهد

بدلاً من استخدام حجم موصل واحد لجميع السلاسل (مما سيهدر النحاس في المسارات القصيرة أو يفقد الطاقة في المسارات الطويلة)، طور فريق الهندسة مصفوفة اختيار موصلات قائمة على المسافة. يحسن هذا النهج كلاً من تكلفة المواد وخسائر الطاقة.

مصفوفة اختيار الموصلات على أساس المسافة

0-45م (0-150 قدم)نحاس 10 AWGحد أقصى 1.1% انخفاض35% من السلاسل

45-90م (150-300 قدم)نحاس 8 AWGحد أقصى 1.3% انخفاض40% من السلاسل

90-150م (300-500 قدم)نحاس 6 AWGحد أقصى 1.5% انخفاض25% من السلاسل

سمح هذا الاختيار المتدرج للموصلات للفريق بتحقيق خسارة متوسطة مرجحة لتجميع التيار المستمر بنسبة 1.8%، أقل بكثير من الهدف البالغ 2.0%. ضمنت حسابات انخفاض الجهد باستخدام عامل تصحيح درجة الحرارة 75 درجة مئوية الأداء حتى في أقسى ظروف التشغيل.

حسابات تفصيلية لانخفاض الجهد

حساب السلسلة التمثيلية (300 قدم، 8 AWG)

تيار السلسلة: I = 11.8 أمبير (نقطة الطاقة القصوى)

مسافة اتجاه واحد: L = 300 قدم

مقاومة النحاس 8 AWG (75 درجة مئوية): R = 0.778 Ω/1000قدم

انخفاض الجهد: Vd = (2 × 11.8A × 300ft × 0.778) / 1000

Vd = 5.50V

جهد تشغيل السلسلة: 1020 فولت تيار مستمر

انخفاض الجهد % = (5.50 / 1020) × 100 = 0.54%

حساب أطول سلسلة (500 قدم، 6 AWG)

تيار السلسلة: I = 11.8 أمبير

مسافة اتجاه واحد: L = 500 قدم

مقاومة النحاس 6 AWG (75 درجة مئوية): R = 0.491 Ω/1000قدم

انخفاض الجهد: Vd = (2 × 11.8A × 500ft × 0.491) / 1000

Vd = 5.80V

انخفاض الجهد % = (5.80 / 1020) × 100 = 0.57%

التحليل الاقتصادي وعائد الاستثمار

التأثير المالي لتصميم تجميع التيار المستمر المحسّن كبير. كل انخفاض بنقطة مئوية في انخفاض الجهد يؤدي إلى زيادات مباشرة في إيرادات الطاقة خلال عمر المشروع.

1,050

ميجاواط ساعة سنوية محفوظة

طاقة إضافية ملتقطة

180,000$

زيادة الإيرادات السنوية

بسعر PPA 0.17$/كيلوواط ساعة

4.5 مليون$

فائدة 25 عامًا

إيرادات إضافية مدى الحياة

بلغت التكلفة الإضافية لاختيار الموصلات المحسّنة 95,000 دولار، تم استردادها في 18 شهرًا من خلال إيرادات الطاقة السنوية الإضافية. خلال عمر المشروع البالغ 25 عامًا، تجاوز هذا التصميم ضمانات الأداء وتجاوز توقعات المستثمرين.

التنفيذ والتحقق من الأداء

نتائج التشغيل

• إجمالي خسائر تجميع التيار المستمر المقاسة: 1.75% (أقل من الهدف 2.0%)
• جميع السلاسل تلبي مواصفات انخفاض الجهد الفردية
• تم تجاوز ضمانات الأداء حتى في ظروف درجات الحرارة العالية
• تحقيق عائد الاستثمار في 18 شهرًا
• إنتاج الطاقة في السنة الأولى تجاوز التوقعات بنسبة 2.3%

تحققت قياسات الأداء الفعلية أثناء التشغيل من حسابات التصميم. حتى في ظروف الصيف القاسية (درجة حرارة محيطة 47 درجة مئوية)، بقي النظام ضمن حد انخفاض الجهد 2.0%، وفي بمعايير أداء المستثمرين.

قم بتحسين مشاريعك الشمسية

هل تخطط لتركيب طاقة شمسية؟ تساعد حاسبة انخفاض جهد التيار المستمر الخاصة بنا في تحسين حجم السلسلة واختيار الموصل لتعظيم جمع الطاقة. يمكن أن يولد التصميم المناسب لنظام تجميع التيار المستمر ملايين الدولارات من الإيرادات الإضافية خلال عمر المشروع.

حاسبة الطاقة الشمسية DC

نظام تجميع التيار المستمر لمزرعة الطاقة الشمسية

التحدي

الحل