دليل اختيار محولات الطاقة الشمسية في المملكة العربية السعودية: التصميم لمشاريع الطاقة الكهروضوئية في درجات الحرارة المرتفعة
في العام الماضي، وبعد أن أكملنا التسليم الإجمالي للمحطات الفرعية المعبأة لمشروع طاقة شمسية بقدرة 300 ميجاوات في منطقة الخفجي بالمملكة العربية السعودية، أدلى مشرف الموقع بتعليق ظل عالقاً في ذاكرتي:
“منحنى ارتفاع درجة الحرارة لهذه الدفعة من محولات الطاقة الشمسية" في الواقع أكثر تسطحاً عند درجة حرارة 50 مئوية مما تم ذكره في وثائق المناقصة.”
خلف هذا التعليق أكثر من أربعين يوماً من التشغيل التجريبي في درجات حرارة عالية، وثلاث جولات من تحسين التصميم، وعدد لا يحصى من التوضيحات الفنية مع مالك المشروع. لقد قمت بتنظيم هذه الخبرات هنا لتقديم مرجع عملي للمهندسين وفرق العمل التي تنفذ حالياً مشاريع الطاقة الشمسية في الشرق الأوسط.
1. المتطلبات الخاصة للمحولات الرافعة للجهد في مشاريع الطاقة الشمسية بالمملكة العربية السعودية
تستخدم محطات الطاقة الشمسية واسعة النطاق في المملكة العربية السعودية عادةً إما عاكس مركزي + وحدة رفع جهد مركزية تكوين أو عاكس سلسلة + رافع جهد مركزي تكوين.
في كلتا الحالتين، فإن محول رفع الجهد يتم تركيبه بين مخرج التيار المتردد للمحول ونقطة الربط بالشبكة، مما يؤدي إلى رفع الجهد من 690 فولت أو 1,140 فولت إلى 33 كيلوفولت أو 110 كيلوفولت.
عادةً لا تُعد قدرة المحول بحد ذاتها الجزء الأكثر صعوبة في عملية الاختيار، بل تكمن التحديات الحقيقية في ظروف التشغيل المحلية ومتطلبات المشروع التي تؤثر بشكل مباشر على تصميم المحول:
درجة الحرارة المحيطة: تستند المواصفة IEC 60076 إلى درجة حرارة محيطة قصوى تبلغ 40 درجة مئوية في ظروف الخدمة العادية، في حين يمكن أن تصل درجات الحرارة الصيفية القصوى في مواقع المشاريع الداخلية في المملكة العربية السعودية إلى حوالي 52 درجة مئوية، لا سيما في المناطق القريبة من الرياض. لذا، يجب إعادة التحقق من سعة المحول مقابل حدود ارتفاع درجة الحرارة البالغة 65 درجة مئوية أو 75 درجة مئوية وظروف الموقع المحيطة الفعلية.
قدرة التحميل الزائد: يختلف ملف تعريف الحمل لمحطة الطاقة الشمسية عن حمل المنشآت الصناعية التقليدية. فخلال فترات الإشعاع الشمسي العالي في منتصف النهار، قد يعمل المحول بحمل مرتفع ومستمر لعدة ساعات. يجب التحقق مما إذا كانت هناك حاجة إلى قدرة تحمل زائدة لفترة قصيرة بمقدار 1.1 أو 1.2 ضعف الحمل المقنن، وذلك وفقاً لمواصفات المشروع، ودرجة الحرارة المحيطة، والنموذج الحراري المحدد في معيار IEC 60076-7، ولا ينبغي الاكتفاء بنسخ افتراضات الحمل الزائد المستخدمة في محولات التوزيع التقليدية.
معاوقة القصر: ممانعة محول بجهد 33 كيلوفولت محول رفع الجهد للطاقة الشمسية يجب تحديدها بالاشتراك مع سعة قصر الدائرة عند نقطة الربط بالشبكة، وخصائص تيار العطل للمحول، وقدرة الفصل لمعدات التبديل. تساعد المعاوقة الأعلى في الحد من تيار العطل، لكنها تؤثر أيضاً على تنظيم الجهد. لذا، يجب تأكيد قيمة المعاوقة النهائية من خلال دراسة قصر الدائرة الخاصة بالمشروع بدلاً من اختيارها كمعامل منفصل للمحول.
درجة الحماية: يجب أن يتبع تصنيف IP المطلوب للمحطات الفرعية الخارجية وخزائن التحكم المواصفات الفنية للمشروع. في البيئات الصحراوية، لا يعبر تصنيف IP وحده عن الصورة الكاملة؛ إذ يجب مراعاة إحكام إغلاق الأبواب، وفلاتر التهوية، وتدابير منع التكثيف داخل صناديق التحكم، وقدرة تبديد الحرارة الفعلية للمبردات بعد تراكم الرمال.
2. مرجع اختيار المحولات لمحطات الطاقة الشمسية بمختلف أحجامها
التكوينات التالية هي مراجع مجهولة المصدر تستند إلى حلول مشاريع سابقة لشركة Zisheng Electric. ولا ينبغي اعتبارها تصميماً قياسياً لجميع مشاريع الطاقة الشمسية في المملكة العربية السعودية. يعتمد التكوين النهائي على حجم كتلة المحول، ونسبة التيار المستمر/المتردد، وجهد نظام التجميع، ومخطط الربط بالشبكة.
| سعة محطة الطاقة الشمسية | جهد خرج المحول | ترتيب رفع الجهد | تصنيف المحول لكل وحدة | جهد الجانب عالي الجهد (HV) | مجموعة المتجهات | طريقة التبريد | الكمية النموذجية |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 50–80 MW | 690 V | رفع الجهد أحادي المرحلة | 3.15 MVA | 33 kV | Dyn11 | ONAN | 18–22 وحدة |
| 100–200 MW | 1,140 V | رفع الجهد أحادي المرحلة | 4.5 MVA | 33 kV | Dyn11 | ONAN | 30–40 وحدة |
| 300–500 MW | 1,140 V | رفع الجهد أحادي المرحلة | 6.3 MVA | 33 kV | Dyn11 | أونان / أونا ف | 55–75 وحدة |
| 600 MW–1.2 GW | 1,140 V | رفع الجهد على مرحلتين | 6.3 ميجا فولت أمبير (المرحلة الأولى) / 150 ميجا فولت أمبير (المرحلة الثانية) | 33 kV / 110 kV | Dyn11 / YNd11 | ONAF / OFAF | 100–160 وحدة + 2–4 محولات رئيسية |
هناك بضع نقاط تحتاج إلى توضيح.
A رفع الجهد على مرحلة واحدة يعني هذا الترتيب رفع جهد مخرج العاكس مباشرة إلى جهد الربط بالشبكة، وعادة ما يكون 33 كيلو فولت أو 110 كيلو فولت.
A رفع الجهد على مرحلتين يعني هذا الترتيب رفع جهد مخرج العاكس أولاً إلى نظام تجميع بجهد 33 كيلو فولت داخل محطة الطاقة الشمسية. ثم يتم نقل الطاقة المجمعة عبر محول طاقة رئيسي ورفعها مرة أخرى إلى 110 كيلو فولت أو 220 كيلو فولت لنقلها إلى الشبكة.
تستخدم مشاريع الطاقة الشمسية السعودية الكبيرة، وخاصة تلك التي تقترب من نطاق الجيجاواط، بنية رفع الجهد على مرحلتين لتقليل خسائر نظام التجميع ودعم الربط المركزي بالشبكة. في هذا الترتيب، قد يتطلب المحول الرئيسي في المرحلة الثانية أيضاً مغير جهد تحت الحمل (OLTC) لإدارة تباين جهد الشبكة بين ذروة التوليد في النهار وفترات الإنتاج المنخفض.
3. مجالات استخدام أنواع المحولات الثلاثة الشائعة
تُستخدم حالياً ثلاثة مسارات تقنية في مشاريع الطاقة الشمسية السعودية، ولكل منها حدود تطبيق واضحة إلى حد ما.
1. المحولات المغمورة في الزيت (ONAN/ONAF)
تظل هذه الخيار الرئيسي لمشاريع الطاقة الشمسية واسعة النطاق في المملكة العربية السعودية وتمثل أكثر من 80% من الوحدات التي قمنا بتوريدها. مزاياها واضحة ومباشرة: قدرة قوية على تحمل الأحمال الزائدة، وتكلفة يمكن التحكم فيها، ونظام صيانة ناضج.
بالنسبة لمشاريع الطاقة الشمسية في الصحراء، النقاط التي تستحق مزيداً من الاهتمام هي هيكل إحكام الخزان، ومقاومة مواد الإحكام لدرجات الحرارة العالية، وحماية الملحقات، وخطر تسرب الزيت بعد دورات حرارية طويلة الأمد ومتكررة. يجب أن تستخدم خزانات التحكم وصناديق التوصيل مستوى الحماية IP أو NEMA المناسب المحدد في المشروع.
في أحد المشاريع العام الماضي، تم اختيار حلقات إحكام تقليدية لتقليل التكلفة. وبعد ثلاثة أشهر من التشغيل، تسرب الرمل والغبار إلى زيت المحول، مما أدى إلى ارتفاع معامل التبديد العازل من 0.3% إلى 1.2%. اضطررنا إلى إعادة العمل على الوحدات المتضررة في جميع أنحاء الموقع. وفي النهاية، كانت التكلفة أعلى بثلاثة أضعاف تقريبًا مما لو تم استخدام مواد إحكام أفضل منذ البداية.
2. المحولات من النوع الجاف (راتنج مصبوب)
تعد المحولات الجافة مناسبة لمحطات التبديل الداخلية أو نقاط رفع الجهد القريبة من المناطق السكنية، حيث تكون السلامة من الحرائق أولوية ولا يفضل وجود حفرة لاحتواء الزيت.
يتمثل القيد في الأداء الحراري. عند درجة حرارة محيطة تبلغ 50 درجة مئوية، يمكن أن تنخفض قدرة التبريد لـ المحول الجاف بشكل ملحوظ. لذا، بالنسبة لنفس حمل المشروع، قد تكون هناك حاجة إلى محول ذي قدرة أعلى؛ فعلى سبيل المثال، قد يتطلب حمل بقدرة 4.5 ميجا فولت أمبير وحدة جافة بقدرة 5.5 ميجا فولت أمبير، وذلك اعتمادًا على حدود ارتفاع درجة الحرارة المحددة وظروف التركيب.
يواجه راتنج الإيبوكسي أيضًا مخاطر التقادم المتسارع تحت درجات الحرارة المرتفعة المستمرة والتعرض القوي للأشعة فوق البنفسجية. لذا تتطلب التركيبات الخارجية توفير تظليل مناسب أو حماية عبر حاويات، مما يضيف تكلفة إضافية على الأعمال المدنية والتركيب.
3. المحولات المعزولة بالإستر الطبيعي
على مدى العامين الماضيين، بدأت بعض المشاريع السعودية ذات المواصفات العالية، بما في ذلك المشاريع المرتبطة بـ NEOM، في تحديد سوائل عازلة من الإستر الطبيعي.
يتميز الإستر الطبيعي بنقطة وميض تزيد عن 300 درجة مئوية، وهو قابل للتحلل الحيوي ويمكن أن يوفر مزايا في أداء تقادم العزل مقارنة بالزيت المعدني التقليدي.
المقايضة هنا تتعلق بسلسلة التوريد والتكلفة. لا يزال هناك عدد قليل نسبيًا من المصنعين في الصين القادرين على التوريد المستمر لـ محولات الطاقة الشمسية التي تعمل بالإستر الطبيعي لمتطلبات المشاريع الكبيرة. عادة ما تكون فترات التوريد أطول بستة إلى ثمانية أسابيع مقارنة بوحدات الزيت المعدني التقليدية، بينما قد تكون الأسعار أعلى بنحو 25% إلى 30%.
ما لم يكن لدى المالك متطلبات واضحة تتعلق بالاستدامة أو السلامة من الحرائق أو الشهادات البيئية، فإننا عادة ما نتعامل مع الإستر الطبيعي كخيار بديل وليس كتوصية افتراضية.
4. ثلاث مشكلات في الواجهات غالباً ما يتم تجاهلها في مواصفات مشاريع الطاقة الشمسية السعودية
① يجب ألا يتبع نطاق تغيير الجهد (Tap Range) التكوين القياسي فحسب
② يجب تأكيد طريقة تأريض نظام 33 كيلوفولت خلال مرحلة التصميم
③ يجب إدراج قيم الفقد المضمونة في الاتفاقية الفنية والتحقق منها أثناء اختبار القبول في المصنع (FAT)
5. ملاحظات التشغيل الفعلية من مشاريع شركة "زيشنغ" الكهربائية في المملكة العربية السعودية
عبر أربعة مشاريع للطاقة الشمسية تم تشغيلها بالفعل في المملكة العربية السعودية، بقدرة إجمالية تبلغ حوالي 1.2 جيجاوات، جمعنا العديد من الملاحظات التشغيلية من الوحدات المثبتة محولات الطاقة الشمسية" والتي تستحق المشاركة.
هامش ارتفاع درجة الحرارة: سجلت المحولات المصممة بحد ارتفاع في درجة الحرارة يبلغ 65 كلفن درجات حرارة قصوى للزيت تتراوح بين 92 و95 درجة مئوية تقريبًا عند التشغيل بكامل الحمل في درجة حرارة محيطة تبلغ 52 درجة مئوية، مما يترك هامشًا معقولًا تحت عتبة الإنذار البالغة 105 درجات مئوية.
كان لتفصيلين في التصنيع تأثير ملحوظ على النتيجة الحرارية، وهما: هيكل توجيه الزيت في الملفات و المسافة بين مشعات الألواح.
إذا كانت المسافة بين المشعات ضيقة للغاية، فقد يؤدي تراكم الرمال إلى تقييد تدفق الهواء. وإذا كانت واسعة جدًا، تصبح مساحة تبديد الحرارة المتاحة غير كافية لنفس مساحة التركيب. بعد ثلاث تكرارات للتصميم، استقررنا على مسافة بين المشعات تبلغ تقريبًا 45 mm لتهيئة هذا المشروع.
موثوقية الملحقات: تميل المكونات مثل مرحلات الغاز، وأجهزة تخفيف الضغط، ومقاييس مستوى الزيت إلى تسجيل معدل أعطال أعلى بكثير في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة في المملكة العربية السعودية مقارنة بمشاريعنا المحلية. نحن نستخدم الآن هياكل مصنوعة بالكامل من الفولاذ المقاوم للصدأ كمعيار لهذه الملحقات، وتمت ترقية جميع حلقات الإحكام إلى مطاط الفلوروكربون (FKM). تبلغ التكلفة الإضافية حوالي 2%، لكن معدل استبدال الملحقات انخفض من حوالي 12% في مشاريعنا المبكرة إلى أقل من 1%.
النقل والتموضع في الموقع: يمكن أن تكون مرحلة النقل البري النهائية لمشاريع المملكة العربية السعودية - عادةً من ميناء الدمام إلى موقع المشروع - صعبة لأن ظروف الطرق ليست مثالية دائمًا.
ممارستنا الحالية هي نقل خزان المحول تحت ضغط نيتروجين جاف يتراوح بين 0.02 و 0.03 ميجا باسكال. بعد وضع الوحدة على قاعدتها، نتركها ثابتة لمدة لا تقل عن 48 ساعة قبل تعبئة الزيت، مما يمنح أي جزيئات دقيقة قد تكون تحركت أثناء النقل وقتًا كافيًا للاستقرار.
قد يبدو هذا إجراءً متحفظًا، لكنه ساعدنا في تجنب جولتين إضافيتين من عمليات ترشيح الزيت في الموقع.
6. توصيات التكوين للسوق السعودي
إذا كنت تقوم حاليًا بإعداد مناقصة لمحول أو إجراء مراجعة فنية لمشروع في المملكة العربية السعودية، فقد تكون النقاط التالية مفيدة لك.
لا تقم بتحديد حجم المحول عند الحد المحسوب تماماً: إن اختيار محول بحجم يعادل 1.0 ضعف الحمل المحسوب يترك هامش تشغيل ضئيلاً جداً. بالنسبة للمشاريع في المملكة العربية السعودية، نوصي عموماً باعتماد معامل تحجيم يبلغ حوالي 1.15–1.20, ، مع مراعاة مواصفات المشروع الفعلية والدراسة الحرارية.
تحدد العديد من المشاريع درجة حرارة محيطة للتصميم تبلغ حوالي 45 درجة مئوية. ومع ذلك، من الناحية العملية، غالباً ما تحدث الظروف الأكثر تطلباً بين الساعة 2:00 و 4:00 مساءً، عندما يكون الإشعاع الشمسي في ذروته، ويكون خرج العاكس قريباً من أقصى مستوياته، وتكون درجة الحرارة المحيطة في أعلى مستوياتها أيضاً. هذه حالة تشغيل متزامنة نموذجية. إذا كان الهامش الحراري صغيراً جداً، فقد يضطر المحول للعمل بحمل مخفض.
مسافة الزحف لعازل الجهد العالي (HV bushing): لا ينبغي اختيار مسافة الزحف للمشاريع في المملكة العربية السعودية بناءً على اسم الدولة فقط. فالمناطق الساحلية المعرضة للضباب الملحي، ومناطق الغبار الصحراوي، والمواقع الملوثة صناعياً يمكن أن تشهد ظروف تلوث مختلفة تماماً.
لذلك، يجب اختيار العزل الخارجي وفقاً لشدة التلوث الفعلية في الموقع ومبادئ IEC 60815. بالنسبة لأنظمة 33 كيلوفولت، نوصي بتحديد مسافة زحف العازل، ومادة الغطاء، وأساس تصميم مستوى التلوث بوضوح خلال مرحلة الاتفاقية الفنية.
بروتوكول واجهة الاتصال: تتطلب الشركة السعودية للكهرباء (SEC) إرسال إشارات المحول الذكية—بما في ذلك درجة حرارة الزيت، ودرجة حرارة الملفات، وحالة مرحل الغاز، والضغط، ووضع مغير الجهد—إلى مستوى التحكم في المحطة عبر IEC 61850 GOOSE الاتصال.
لذلك، يجب تأكيد طراز جهاز الحماية والتحكم الذكي (IED) وإصدار حزمة البروتوكول في وقت مبكر من المشروع. إذا تم تأجيل ذلك إلى مرحلة التشغيل التجريبي، فقد يلزم استخدام بوابة إضافية لتحويل البروتوكول، مما يضيف تكلفة إضافية وواجهة أخرى تتطلب الاختبار.
استراتيجية قطع الغيار: بالنسبة للمشاريع الحيوية، نوصي بالاحتفاظ بـ محول احتياطي واحد من نفس التصميم في الموقع، أو على الأقل تجميعة قطع غيار نشطة تتكون من الملفات والقلب الحديدي.
بالنسبة للمشاريع في المملكة العربية السعودية، يمكن أن تتجاوز الفترة الزمنية من تحديد مشكلة خطيرة في المحول إلى استلام وحدة بديلة من الصين بسهولة 45 يوماً، بمجرد احتساب وقت التحضير للتصنيع والشحن البحري والتخليص الجمركي. قد تكون خسارة الإيرادات أثناء فترة التوقف الطويلة أكبر بكثير من تكلفة شراء محول احتياطي واحد.
عادةً لا يُعد المحول الرافع للطاقة الشمسية أغلى قطعة معدات في محطة الطاقة الكهروضوئية، ولكنه قد يصبح أحد أكثر المكونات تكلفة عند تعطلها.
يمكن أن يؤثر التوقف غير المخطط له على توافر المحطة، وأداء الامتثال للشبكة، وإيرادات المشروع. ولهذا السبب، نفضل التعامل مع المحول كقطعة معدات طويلة الأمد يجب تكييفها مع البيئة المحلية بدلاً من مجرد توريدها وفقاً لتصميم كتالوج قياسي.
بدءاً من اختيار درجة الفولاذ الكهربائي والتحكم في خصائص زيت العزل وصولاً إلى مقاومة الأشعة فوق البنفسجية لنظام الطلاء الخارجي، يجب مراجعة كل تفصيل في التصميم مقابل ظروف التشغيل في المملكة العربية السعودية. يمكن إزالة بعض الهوامش غير الضرورية، بينما يجب تعزيز نقاط الضعف التي تكشفها البيئة المحلية.
يمكن لشركة Zisheng Electric تقديم الدعم في اختيار المحولات، ومراجعة الانحرافات الفنية، ووثائق التصنيع، واختبارات القبول في المصنع (FAT)، وتنسيق تسليم الصادرات بناءً على المواصفات الفنية للمشروع، والمخطط أحادي الخط (SLD)، وظروف الموقع الفعلية.
تشمل مجموعة منتجاتنا المحوّلات المغمورة بالزيت, المحوّلات المركبة على القواعد, المحوّلات المثبتة على الأعمدة ， محولات من النوع الجاف،ومعدات توزيع الطاقة ذات الصلة.
إذا كنت تعمل على مشروع محدد في المملكة العربية السعودية وغير متأكد من اختيار المحول أو المتطلبات الفنية، أرسل لنا معايير المشروع وسنقوم بمراجعتها مباشرة. يتم حل بعض المشكلات الهندسية بشكل أسرع من خلال مناقشة فنية مركزة بدلاً من جولة أخرى من مراجعات الوثائق.
يستجيب فريقنا الهندسي لاستفسارات المشروع في غضون 24 ساعة.
عن شركة ZISHENG ELECTRICAL
زيشينغ هي شركة متخصصة ذات خبرة تمتد لأكثر من 19 عاماً في التصنيع والإنتاج المحوّلات المغمورة بالزيت, المحطات الفرعية المدمجة, المحوّلات المركبة على القواعد, المحوّلات المثبتة على الأعمدة و المحوّلات الجافة. نحن نمتلك شهادات ISO/CE/IEC 60076 وTUV Rheinland.
تخضع المحولات لاختبارات FAT واختبار المواصفات النوعية بشكل صارم، وتدعم تخصيص الجهد/السعة. نرحب باستشارتكم بشأن كتالوج و المنتج. يمكنك الاتصال بنا عبر البريد الإلكتروني [email protected].
