كيف يعمل شاحن سيارات الطاقة الشمسية: استكشف نظام شحن سيارات الطاقة الشمسية

جزء من دليل شحن الطاقة الكهروضوئية + الطاقة الكهربائية + السيارات الكهربائية

أحد“محول شحن السيارات الكهربائية بالطاقة الشمسية”قد يبدو الأمر أشبه بشاحن خاص متكامل مع وحدات شمسية. في الواقع، يشير المصطلح عادةً إلى حل شحن الطاقة الشمسية الكامل قد يشمل ذلك مجموعة الخلايا الشمسية، ومحولات المركبات الكهربائية، وشبكة الكهرباء، وتخزين البطاريات، ومعدات إدارة الطاقة.

يوضح هذا المقال كيفية عمل نظام شحن المركبات الكهربائية بالطاقة الشمسية، فضلاً عن فوائده العملية، بالإضافة إلى التصاميم الإثنين الأكثر شيوعاً الاستخدام في المشاريع الحقيقية.

ما هو شاحن السيارات الكهربائية الشمسية؟

تعتبر مساحة شاحن المركبات الكهربائية محدودة جدًا لكي تستوعب وحدات الطاقة الشمسية الكافية لتشغيل المركبات بشكل عملي. لذلك، تستخدم معظم المشاريع الطاقة الشمسية على السطح أو مراكز الطاقة الشمسية في الأماكن المغلقة أو وحدات الطاقة الشمسية المثبتة على الأرض.

[صورة: موقع شحن تجاري مزود بمواقد شمسية على السطح ومواقد شمسية خاصة بالسيارات الكهربائية ومحولات شحن]

يمكن أن تكون معدات الشحن نفسها هي شاحن التيار المتردد القياسي أو الشاحن السريع التيار المستمر. والفرق الرئيسي عن مشروع الشحن التقليدي لا يكمن بالضرورة في الشاحن، بل في الطريقة التي يتم بها توفير الكهرباء وتوزيعها وإدارتها.

نموذج نموذجي نظام شحن السيارات الكهربائية بالطاقة الشمسية قد يتضمن ذلك:

• نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية: يولد كهرباء تيار مستمر من ضوء الشمس
• مغير الطاقة الشمسية: يتحول إخراج التيار المستمر لنظام الطاقة الكهروضوئية إلى كهرباء تيار متردد، ويتحكم في إخراج الطاقة
• محول شحن للسيارات الكهربائية AC أو DC: يوفر قوة الشحن وفقًا لمتطلبات السيارة
• شبكة المرافق: يؤمن إمدادات كهرباء إضافية عندما تكون إنتاج الطاقة الشمسية غير كافية
• نظام تخزين طاقة البطارية (BESS): مكون اختياري يستخدم لتخزين الطاقة الشمسية أو الكهرباء الزائدة عن الحاجة من الشبكة الكهربائية.
• نظام إدارة الطاقة (EMS): تُحدد هذه البيانات التوزيع الجغرافي لتوليد الطاقة الشمسية وتخزين البطاريات واحتياجات الشحن، بالإضافة إلى الأحمال الأخرى في الموقع، وقدرة الشبكة المتاحة.

عادةً ما تكون الأنظمة السكنية بسيطة نسبياً. يربط نظام الطاقة الشمسية على السطح شبكة التوزيع في المنزل عبر محول، ويعمل مع شبكة المرافق الكهربائية ومحول شحن المركبات الكهربائية المنزلية. قد تكون وظائف التحكم متكاملة بالفعل في المحول أو في المقاس الكهربائي الذكي أو المحول أو التطبيق الجوال، لذا قد لا تكون هناك حاجة دائمًا إلى نظام إدارة الطاقة المنفصل.

تتضمن المشاريع التجارية معدات أكثر وظروف تحميل أكثر تعقيدًا. قد يتضمن الموقع عدة نقاط شحن، ومواضع تحميل للمباني، ومواقف شمسية، ومحطة تخزين الطاقة الكهربائية، ووسيط إدارة الطاقة المستقل. يجب على نظام التحكم تنسيق هذه المكونات دون تجاوز القدرة الكهربائية المتاحة للموقع.

ملاحظة عملية: غالباً ما تكون تخزين البطاريات واحدة من أكثر الأجزاء تكلفة في مشروع شحن السيارات الكهربائية بالطاقة الشمسية. يجب تقييم استخدامها وفوائدها التشغيلية وفترة الاسترداد المتوقعة قبل إضافتها إلى المشروع.

كيف يعمل شاحن السيارات الكهربائية بالطاقة الشمسية؟

في نظام AC-Coupled النموذجي، تولد مصفوفة الطاقة الشمسية الكهرباء المستقطبة. يقوم محول الطاقة الشمسية بتحويلها إلى كهرباء AC ويقوم بتوصيلها إلى نظام التوزيع في الموقع. ثم يقوم شاحن السيارة بتوصيل الطاقة وفقًا لمتطلبات شحن السيارة.

عندما يتم شحن المركبة، يمكن للطاقة الشمسية المتوفرة توفير جزء من الحمل الكهربائي. وفي حال انعدام إنتاج الطاقة الشمسية، تقوم شبكة الكهرباء بتوفير الفارق. وعند تركيب نظام تخزين الطاقة (BESS)، يمكن للطاقة المخزنة أيضاً دعم الحمل الكهربائي عند الحاجة.

عندما لا يتم شحن أي مركبات، يمكن للطاقة الشمسية توفير الكهرباء لمعدات أخرى في الموقع، أو شحن نظام تخزين الطاقة الكهربائية (BESS)، أو تصديرها إلى شبكة الكهرباء عند الاقتضاء.

هذا نقطة أساسية لفهم الأمر محول شحن السيارات الكهربائية بالطاقة الشمسيةيجب أن يكون لدى الكهرباء الشمسية مكانًا للذهاب إليه. يمكن أن تكون السيارات الكهربائية، والزيادات في استهلاك الطاقة، وتخزين البطاريات، وشبكة المرافق العامة جميعًا وجهات يمكن أن تتوجه إليها هذه الكهرباء.

لماذا يُضاف الطاقة الشمسية إلى شحن السيارات الكهربائية؟

• خفض مشتريات الكهرباء من الشبكة وتخفيض تكاليف الشحن
• زيادة الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية في الموقع
• توزيع جزء من الحمل الشمسي أثناء النهار
• تقليل الانبعاثات غير المباشرة من الكربون المرتبطة بالبطاريات
• تحويل الطاقة الشمسية خلال النهار لاستخدامها في المساء مع استخدام البطارية الاحتياطية (BESS)
• دعم أهداف الاستدامة والحد من الانبعاثات للشركات

هام تختلف قدرة شاحن EV بالطاقة الشمسية باختلاف الطقس ووقت اليوم. لا ينبغي عادةً اعتبار سعة الألواح الكهروضوئية ثابتة عند تحديد حجم المحول أو الربط بالشبكة. وتتطلب الفوائد مثل تحويل الطاقة والكهرباء الاحتياطية أيضًا نظامًا فعالًا لتخزين الطاقة وإدارتها.

ثلاثة تركيبات شائعة لنظام شحن السيارات الكهربائية الشمسية

الطاقة الشمسية + الشبكة + شحن السيارات الكهربائية

هذا هو التكوين الأبسط والأكثر شيوعًا لأنه لا يتطلب تخزين ثابت للبطارية.

يمكن للسيارات استخدام الطاقة الشمسية الموجودة في الموقع أثناء الشحن خلال النهار. وعندما تنخفض إمدادات الطاقة الشمسية أو تزداد طلب الشحن، تزود شبكة الكهرباء الموفرة الطاقة المتبقية. لذا، فإن عملية الشحن ليست تعتمد بالكامل على الظروف الجوية.

هذه التكوين مناسبة أكثر عندما:

• عادةً ما يتم إيقاف المركبات خلال النهار
• يتمتع المبنى أو موقع الشحن بطلب متسق على الكهرباء خلال النهار.
• تُسمح بتصدير الطاقة الشمسية
• يهدف المشروع إلى التحكم في التكاليف الاستثمارية الأولية وتعقيد النظام.

عندما لا يتم شحن أي مركبات، لا يزال النظام الشمسي قادرًا على تزويد مواقع أخرى بالطاقة. يصبح التصدير أو الحد من الإنتاج ضروريًا فقط عندما يتجاوز إنتاج الطاقة الشمسية الطلب الإجمالي للموقع في الوقت الفعلي.

الطاقة الشمسية + الشبكة الكهربائية + تخزين البطارية + شحن السيارات الكهربائية

تضيف هذه التكوينة وحدة تخزين طاقة كهربائية إلى النظام المربوط بالشبكة. يمكن للبطارية نقل الطاقة الشمسية غير المستهلكة خلال النهار إلى مرحلة الشحن في المساء أو الليل. كما يمكنها توفير طاقة إضافية عند ارتفاع الطلب على الطاقة أثناء الشحن بشكل مفاجئ.

في مشاريع الشحن السريع بالولايات المتحدة، قد يساعد تخزين البطاريات في خفض الطلب الذروي على الشبكة. تشير ورقة معلومات مفيدة من مكتب مشترك تستند إلى تحليل من NREL إلى أن تخزين البطاريات في سيناريوهات الشحن المحددة التي تتضمن شواحن DC سريعة بقوة 150 كيلوواط قد يقلل من القدرة المطلوبة على خدمة الشبكة بنحو 50%–80%.

هذا ليس نتيجة مضمونة لجميع المشاريع. يعتمد الأداء الفعلي على أنماط وصول المركبات، وسعة الشحن، وسعة البطارية، والقدرة المتاحة على الشبكة. راجع مراجع مكتب مشترك و NREL.

يكون وجود BESS أكثر قيمة عندما:

• تُشحن المركبات بشكل رئيسي في المساء أو في الليل
• تنتج هذه المنطقة بشكل منتظم كهرباء إضافية من الطاقة الشمسية خلال النهار.
• تتضمن أسعار الكهرباء معدلات زمنية للاستخدام أو رسوم الطلب.
• تتمتع وصلة المحول أو الشبكة بقدرة محدودة متاحة.
• تتطلب احتياطية الطاقة
• لا يمكن تصدير الكهرباء الشمسية إلى الشبكة الكهربائية أو لا ينبغي تصديرها إليها.

البيس ليست جزءًا أساسيًا في كل جهاز. محول شحن السيارات الكهربائية بالطاقة الشمسية. هذا يزيد من تكاليف المعدات وتعقيد التحكم في العملية، ويزيد من متطلبات الصيانة. فإذا كانت المركبات أو الأحمال الأخرى في الموقع قادرة على استهلاك معظم إنتاج الطاقة الشمسية خلال النهار مباشرةً، فقد لا يؤدي إضافة التخزين إلى تحسين اقتصادية المشروع.

نظرة XYDF: لا ينبغي اختيار سعة البطارية وسعة المولد ومحولات الطاقة باستخدام نسبة بسيطة بنسبة 1:1. يجب أن يأخذ تصميم النظام في الاعتبار طاقة الشحن اليومية، واحتياجات الشحن المتزامنة، وفترة إقامتك في السيارة، ومستويات إنتاج الطاقة الشمسية، والقدرة المتاحة على الشبكة. قد يؤدي مقارنة التصنيفات الاسمية وحدها إلى استخدام بطارية غير مستخدمة بالكامل أو توفير طاقة غير كافية خلال فترات الذروة في الشحن.

أسئلة متكررة

هل يمكن لبطاريات الطاقة الشمسية أن تمدّ مباشرة شاحن السيارة الكهربائية بالطاقة؟

نعم، لكن الطاقة الشمسية يجب أن تمر أولاً عبر محول التيار المستمر أو محول التيار المتردد/التيار المستمر، إلى جانب عناصر التحكم اللازمة بالبطارية وتدابير الحماية والسلامة. نظرًا لأن عملية الشحن بالكهرباء فقط تتغير مع توفر أشعة الشمس، فإن معظم الأنظمة تستخدم الشبكة أو البطارية الاحتياطية.

هل يتطلب شحن سيارة سولار EV تخزين البطارية؟

لا. يمكن لنظام متصل بالشبكة استخدام الطاقة الكهربائية من الشبكة عندما تكون إمدادات الطاقة الشمسية غير كافية. تكون وحدة تخزين الطاقة الكهربائية أكثر قيمة عندما تتزامن إنتاج الطاقة الشمسية واحتياجات الشحن في أوقات مختلفة، أو عندما يواجه الموقع قيودًا على القدرة الكهربائية أو تعريفات الكهرباء أو صادرات الطاقة.

هل موقعي مناسب لشاحن السيارات الكهربائية الشمسية؟

قد يكون الموقع مناسبًا إذا كان يحتوي على مساحة كافية من السقف أو المرآب أو المساحة الأرضية لاستيعاب الألواح الشمسية، وإذا تمّ ركوب السيارات فيه بشكل منتظم أو شحنها خلال النهار. كما يجب تقييم سعة الشبكة، واحتياجات الشحن، والظروف الشمسية المحلية، وأسعار الكهرباء، وقواعد تصدير الطاقة الشمسية.