التنفيذ التقني لعملية الصهر بالحث باستخدام الطاقة الشمسية: تنعيم الطاقة ودمجها في الشبكة
يُعدّ صهر المعادن بالحثّ باستخدام الطاقة الشمسية ممكنًا من الناحية التقنية، نظرًا لقدرة أفران الحثّ على تحمّل مدخلات طاقة متغيرة، إلا أن تطبيقه يتطلب عناية فائقة بإلكترونيات الطاقة، ونظام التحكم، وربطه بشبكة الكهرباء. يتغير إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية تبعًا لموقع الشمس، وغطاء السحب، ودرجة الحرارة، كما يتغير حمل فرن الحثّ تبعًا لمرحلة الصهر. لذا، يجب أن تتوافق إلكترونيات الطاقة ونظام التحكم مع هذين المصدرين والحملين المتغيرين في الوقت الفعلي. تتناول هذه المقالة بالتفصيل التطبيق التقني وقرارات التصميم الرئيسية.
هندسة إلكترونيات الطاقة
تتألف بنية إلكترونيات الطاقة لنظام صهر الحث الذي يعمل بالطاقة الشمسية من ثلاثة مكونات رئيسية: عاكس الطاقة الكهروضوئية، وعاكس الطاقة ثنائي الاتجاه لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات، وعاكس فرن الحث. لكل عاكس دور محدد، والتنسيق بينها أمر بالغ الأهمية.
محول الطاقة الشمسية الكهروضوئية: يحول خرج التيار المستمر من مصفوفة الخلايا الكهروضوئية إلى تيار متردد بتردد الشبكة. تتميز محولات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحديثة بتقنية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) التي تضبط نقطة تشغيل التيار المستمر لزيادة إنتاج الطاقة إلى أقصى حد. عادةً ما يكون تصميم محول الطاقة الشمسية الكهروضوئية مركزيًا، حيث يحتوي على وحدة MPPT واحدة للمصفوفة بأكملها، أو تصميمًا متسلسلًا يحتوي على وحدات MPPT متعددة لمصفوفات فرعية مختلفة.
محول الطاقة ثنائي الاتجاه لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات: يحول التيار المستمر الخارج من البطارية إلى تيار متردد بتردد الشبكة، ويحول التيار المتردد من الشبكة أو محول الطاقة الشمسية إلى تيار مستمر لشحن البطارية. يدير محول الطاقة ثنائي الاتجاه حالة شحن البطارية، ومعدلات الشحن والتفريغ، وموازنة الخلايا. كما يوفر محول الطاقة لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات خدمات الشبكة (استجابة التردد، ودعم الجهد) عند توصيل النظام بالشبكة.
محول فرن الحث: يحول طاقة التيار المتردد من الشبكة إلى تردد متوسط (من 150 هرتز إلى 10 كيلوهرتز) لتشغيل ملف الحث. يتميز محول الفرن بتصميم إلكتروني قياسي مزود بمفاتيح IGBT أو ثايرستور. يتم التحكم في خرج الطاقة بواسطة نظام التحكم في الفرن بناءً على درجة الحرارة المطلوبة ومرحلة الصهر.
تتصل المحولات الثلاثة بناقل تيار متردد مشترك بتردد الشبكة، ويتولى متحكم الشبكة المصغرة إدارة جهد وتردد الناقل. يراقب المتحكم تدفقات الطاقة على الناقل، وحالة شحن البطارية، واستهلاك الفرن، ويضبط نقطة ضبط محول الطاقة الشمسية، ونقطة ضبط محول نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، وعند الاقتضاء، يضبط استيراد/تصدير الطاقة من الشبكة لتحقيق توازن النظام.
تنعيم الطاقة والتحكم في معدل التدرج
قد يتغير إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية بسرعة بسبب الغيوم. إذ يمكن لسحابة عابرة أن تخفض إنتاج الطاقة بنسبة تتراوح بين 50 و80 بالمئة في غضون ثوانٍ معدودة، ثم يعود الإنتاج إلى مستواه الطبيعي في وقت مماثل بعد انقشاع السحابة. لا يتحمل فرن الحث هذه التغيرات السريعة، لذا يجب على نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) تنظيم إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية للحفاظ على استقرار طاقة الفرن.
تعمل خوارزمية تنعيم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) على نطاق زمني مدته ثانية واحدة. تقارن الخوارزمية إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية الفعلي بقيمة مستهدفة (عادةً ما تكون متوسطًا متحركًا على مدى 30 إلى 60 ثانية)، وتُعدِّل شحن أو تفريغ نظام تخزين الطاقة بالبطاريات للحفاظ على مجموع إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات قريبًا من القيمة المستهدفة. يقلل التنعيم معدل التغير من 10 إلى 30 بالمئة في الثانية (للطاقة الشمسية الكهروضوئية الخام) إلى 1 إلى 3 بالمئة في الثانية (للطاقة المُنعَّمة).
في حالة السحب الكبيرة، تستخدم خوارزمية التنعيم متوسطًا متحركًا أطول (من 5 إلى 15 دقيقة)، ويتم تحديد حجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات لتوفير طاقة كاملة لمدة تتراوح بين 15 و30 دقيقة. هذا هو الحجم القياسي لأنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة مع التخزين، وهو يمنح نظام تخزين الطاقة بالبطاريات طاقة كافية لتجاوز معظم حالات السحب.
تعديلات على نظام التحكم في فرن الحث
يفترض نظام التحكم القياسي لأفران الحث وجود مدخلات طاقة ثابتة من الشبكة. أما في حالة التشغيل بالطاقة الشمسية، فيجب تعديل نظام التحكم ليقبل نقطة ضبط طاقة متغيرة بناءً على الطاقة الشمسية المتاحة بالإضافة إلى الطاقة المخزنة.
يتمثل التعديل في تغيير برمجي في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الخاصة بالفرن. تستقبل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) نقطة ضبط الطاقة من وحدة التحكم في الشبكة المصغرة، وتقوم بضبط معدل الاحتراق ليتوافق مع نقطة الضبط. كما تُبلغ وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وحدة التحكم في الشبكة المصغرة باستهلاك الطاقة الفعلي، وتستخدم وحدة التحكم هذه المعلومات لتحديث توزيع الطاقة من نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) ونقطة ضبط عاكس الطاقة الشمسية الكهروضوئية.
تتضمن حلقة التحكم بعض الحالات الخاصة. أثناء الشحن البارد، يستهلك الفرن ما يقارب 100% من طاقته المقدرة، ويجب على وحدة التحكم في الشبكة المصغرة ضمان حصول نظام تخزين الطاقة بالبطاريات على طاقة كافية لتغذية الحمل بالكامل. أثناء النقع، يستهلك الفرن ما بين 50% و70% من طاقته المقدرة، ويمكن لوحدة التحكم شحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات من فائض إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية. أثناء وضع الخمول، يستهلك الفرن ما بين 20% و30% من طاقته المقدرة (للحفاظ على درجة حرارة الحمام فقط)، ويمكن لوحدة التحكم شحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بالكامل.
يحتوي جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) أيضًا على حد أدنى للطاقة يُوقف تشغيل الفرن عند انخفاضها. يتراوح هذا الحد الأدنى عادةً بين 30 و40 بالمائة من الطاقة المقدرة، ويجب على وحدة التحكم في الشبكة المصغرة الالتزام بهذا الحد. إذا انخفض إنتاج الطاقة الكهروضوئية عن الحد الأدنى، يتم تفريغ نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) بأقصى معدل للحفاظ على تشغيل الفرن، وإذا نفدت طاقة نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، يتوقف الفرن عن العمل ويتم تزويد الحمل بالطاقة من الشبكة (إن وُجدت).
التكامل مع الشبكة
معظم منشآت صهر المعادن بالحث التي تعمل بالطاقة الشمسية مزودة بوصلة شبكة كهربائية احتياطية. توفر هذه الوصلة الطاقة عندما تكون الطاقة الشمسية غير كافية (في الأيام الغائمة، أو أثناء الليل، أو في فصل الشتاء)، كما أنها تتيح لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) تصريف الطاقة الزائدة في حال توقف الفرن عن العمل.
تتضمن وصلة الشبكة عدة تكوينات قياسية. وأكثرها شيوعًا هو التكوين المتصل بالشبكة حيث يغذي كل من نظام الطاقة الشمسية مع التخزين والشبكة الكهربائية نظام التدفئة، ويتولى جهاز التحكم في الشبكة المصغرة إدارة تدفقات الطاقة. في هذا التكوين، تعمل الشبكة كنسخة احتياطية، ويمكن للنظام بيع الطاقة الفائضة إلى الشبكة إذا سمحت بذلك شركة الكهرباء المحلية.
يتمثل التكوين الثاني في تكوين الشبكة، حيث يشكل نظام الطاقة الشمسية مع التخزين الشبكة المحلية، بينما تعمل شبكة الكهرباء العامة كشبكة احتياطية. في هذا التكوين، يمكن للنظام العمل بشكل مستقل عن الشبكة العامة إلى أجل غير مسمى، ولا تُستخدم شبكة الكهرباء العامة إلا عند استنفاد مخزون الطاقة الشمسية في نظام التخزين وعدم كفاية إنتاج الطاقة الشمسية. يُعد تكوين الشبكة أكثر تعقيدًا وتكلفة، ولكنه ضروري للمواقع التي تتطلب توافرًا كاملًا للطاقة.
أما التكوين الثالث فهو تكوين هجين يضم مصادر توليد متعددة: الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والديزل، وشبكة الكهرباء. يقوم متحكم الشبكة المصغرة بتشغيل المصدر الأقل تكلفة أولاً، ولا تُستخدم المصادر الأعلى تكلفة إلا عند عدم كفاية المصادر الأقل تكلفة. يُعدّ التكوين الهجين شائعًا في مواقع التعدين والنفط والغاز النائية، حيث تكون تكلفة تمديد شبكة الكهرباء باهظة، وتكلفة وقود الديزل مرتفعة.
السلامة والحماية
تتطلب عملية الصهر بالحث التي تعمل بالطاقة الشمسية نفس متطلبات السلامة التي تتطلبها عملية الصهر بالحث التي تعمل بالطاقة الكهربائية، بالإضافة إلى بعض الاعتبارات الإضافية. وأهمها ما يلي:
حماية من القوس الكهربائي للتيار المستمر: تعمل منظومة الخلايا الكهروضوئية بجهد تيار مستمر عالٍ (من 600 إلى 1500 فولت)، وقد يؤدي حدوث قوس كهربائي إلى اشتعال كابلات الخلايا الكهروضوئية أو العاكس. يستخدم نظام الحماية قواطع دوائر مقاومة للقوس الكهربائي (AFCIs) على كل سلسلة، ويحتوي العاكس على وظيفة إيقاف تشغيل سريع تخفض جهد التيار المستمر إلى أقل من 30 فولت في غضون 30 ثانية من حدوث العطل.
نظام الحماية من الحرائق لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات: بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم أقل عرضةً للهروب الحراري من بطاريات فوسفات الحديد النانوية، لكن الخطر ليس معدومًا. يستخدم نظام الحماية كاشفات الغاز والدخان والمراقبة الحرارية للكشف عن أي هروب حراري، بينما يستخدم نظام إخماد الحرائق عاملًا نظيفًا (نوفيك 1230 أو إف إم-200) لإخماد الحريق دون إتلاف البطاريات.
الحماية من التوصيل العكسي: عند تشغيل النظام خارج الشبكة، يجب فصل وصلة الشبكة لمنع تغذية الشبكة الكهربائية عكسيًا. تراقب هذه الحماية جهد الشبكة وترددها، وتفصل وصلة الشبكة في غضون ثانيتين من انقطاع التيار الكهربائي. تُعد هذه الحماية إلزامية بموجب معظم قوانين الشبكة الكهربائية، وهي ضرورية لسلامة عمال الكهرباء.
التأريض: يتم تأريض كل من مصفوفة الخلايا الكهروضوئية ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات والفرن إلى قضيب تأريض مشترك، وهذا القضيب موصول بأرضية المنشأة. يُعد التأريض بالغ الأهمية لسلامة المشغلين وحماية المعدات.
تواصل مع مونتي إنتليجنس للاستفسار عن التنفيذ التقني
بالنسبة للمشترين الذين يفكرون في تركيب فرن صهر يعمل بالطاقة الشمسية، يمكن لشركة مونتي إنتليجنس الهندسية تصميم بنية إلكترونيات الطاقة، ونظام التحكم، وأنظمة السلامة لموقع محدد وظروف تشغيل معينة. يشمل التصميم تحديد حجم عاكس الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وحجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، وتعديل نظام التحكم في الفرن، وربطه بالشبكة الكهربائية. تفضل بزيارةwww.cnlymonte.com/products-solar-induction-furnace.html للحصول على مواصفات المنتج. لإجراء مناقشة فنية، يرجى إرسال بريد إلكتروني إلى helenxu@cnlymonte.com بعنوان "التقنية الفنية للحث الشمسي" مع تفاصيل حول حجم الفرن وساعات التشغيل وتوصيله بالشبكة.
