۱. فعلی وضعیت صنعت فتوولتائیک (انرژی خورشیدی)

۱.۱ رشد سریع بازار جهانی فتوولتائیک

در سال‌های اخیر، صنعت جهانی فتوولتائیک شاهد رشد انفجاری بوده است. طبق داده‌های آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، در سال ۲۰۲۳، ظرفیت نصب‌شده جدید جهانی انرژی فتوولتائیک از ۳۵۰ گیگاوات و ظرفیت نصب‌شده تجمعی از ۱.۵ تراوات فراتر رفته است. کشورها و مناطقی مانند چین، ایالات متحده، اروپا و هند به نیروهای محرک اصلی در بازار فتوولتائیک تبدیل شده‌اند.

- چین: چین به عنوان بزرگترین بازار فتوولتائیک خورشیدی جهان، در سال ۲۰۲۳ بیش از ۲۰۰ گیگاوات به ظرفیت فتوولتائیک خورشیدی خود اضافه کرد که بیش از ۵۷ درصد از ظرفیت نصب شده جدید جهانی را تشکیل می‌دهد. حمایت سیاست‌های دولتی، پیشرفت فناوری و کاهش هزینه‌ها از عوامل کلیدی توسعه صنعت فتوولتائیک خورشیدی چین هستند.

- اروپا: اروپا تحت تأثیر درگیری روسیه و اوکراین، گذار انرژی خود را تسریع کرد. در سال 2023، ظرفیت جدید نصب شده فتوولتائیک خورشیدی از 60 گیگاوات فراتر رفت و رشد قابل توجهی در کشورهایی مانند آلمان، اسپانیا و هلند داشت.

- ایالات متحده: با تشویق قانون کاهش تورم (IRA)، بازار فتوولتائیک خورشیدی ایالات متحده به رشد خود ادامه داد و ظرفیت نصب شده جدید تقریباً 40 گیگاوات در سال 2023 بود.

- هند: دولت هند به شدت توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر را ترویج می‌دهد. در سال ۲۰۲۳، ظرفیت جدید نصب‌شده فتوولتائیک خورشیدی از ۲۰ گیگاوات فراتر رفت و هدف آن دستیابی به ۵۰۰ گیگاوات ظرفیت نصب‌شده انرژی تجدیدپذیر تا سال ۲۰۳۰ است.

۱.۲پیشرفت مداوم در فناوری فتوولتائیک

نوآوری مداوم در فناوری فتوولتائیک منجر به افزایش راندمان و کاهش هزینه‌ها در تولید انرژی خورشیدی شده است:

- فناوری‌های باتری با راندمان بالا مانند PERC، TOPCon و HJT: سلول‌های PERC (ایمیتر غیرفعال و تماس از عقب) همچنان جریان اصلی هستند، اما فناوری‌های TOPCon (اتصال غیرفعال اکسید تونلی) و HJT (اتصال ناهمگون) به دلیل راندمان تبدیل بالاتر (>24%)، به تدریج سهم بازار خود را گسترش می‌دهند.

سلول‌های خورشیدی پروسکایت: به عنوان فناوری فتوولتائیک نسل بعدی، سلول‌های پروسکایت به راندمان آزمایشگاهی بیش از ۳۳٪ دست یافته‌اند و انتظار می‌رود در آینده از نظر تجاری مقرون به صرفه باشند.

- ماژول‌های دوطرفه و پایه‌های ردیاب: ماژول‌های دوطرفه می‌توانند تولید برق را 10 تا 20 درصد افزایش دهند، در حالی که پایه‌های ردیاب زاویه تابش نور خورشید را بهینه می‌کنند و راندمان سیستم را بیشتر افزایش می‌دهند.

۱.۳ هزینه تولید برق فتوولتائیک همچنان رو به کاهش است

طی دهه گذشته، هزینه تولید برق فتوولتائیک بیش از ۸۰ درصد کاهش یافته است. طبق گزارش IRENA (آژانس بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر)، هزینه تراز شده جهانی برق (LCOE) برای برق فتوولتائیک در سال ۲۰۲۳ به ۰.۰۳ تا ۰.۰۵ دلار آمریکا به ازای هر کیلووات ساعت کاهش یافته است که کمتر از تولید برق با زغال سنگ و گاز طبیعی است و آن را به یکی از رقابتی‌ترین منابع انرژی تبدیل می‌کند.

۱.۴ توسعه هماهنگ ذخیره‌سازی انرژی و فتوولتائیک

با توجه به ماهیت متناوب تولید برق فتوولتائیک، استفاده از سیستم‌های ذخیره انرژی (مانند باتری‌های لیتیومی، باتری‌های سدیم-یونی، باتری‌های جریانی و غیره) به طور همزمان به یک روند تبدیل شده است. در سال 2023، ظرفیت جدید نصب شده پروژه‌های جهانی فتوولتائیک به علاوه ذخیره انرژی از 30 گیگاوات فراتر رفت و انتظار می‌رود که این نرخ رشد بالا در دهه آینده نیز حفظ شود.

۲. اهمیت صنعت فتوولتائیک

۲.۱ پرداختن به اقلیم تغییر و ترویج اهداف خنثی‌سازی کربن

کشورهای جهان در حال تسریع گذار انرژی خود برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای هستند. انرژی خورشیدی، به عنوان یکی از اجزای اصلی انرژی پاک، نقش مهمی در دستیابی به هدف "خنثی‌سازی کربن" ایفا می‌کند. طبق توافق‌نامه پاریس، تا سال ۲۰۳۰، سهم جهانی انرژی‌های تجدیدپذیر باید به بیش از ۴۰ درصد برسد و انرژی خورشیدی به یکی از منابع اصلی انرژی تبدیل خواهد شد.

۲.۲ امنیت و استقلال انرژی

منابع انرژی سنتی (مانند نفت و گاز طبیعی) به شدت تحت تأثیر ژئوپلیتیک قرار دارند، در حالی که منابع انرژی خورشیدی به طور گسترده توزیع شده‌اند و می‌توانند وابستگی به انرژی وارداتی را کاهش دهند. به عنوان مثال، اروپا با استقرار نیروگاه‌های فتوولتائیک در مقیاس بزرگ، تقاضای خود را برای گاز طبیعی روسیه کاهش داده و در نتیجه استقلال انرژی خود را افزایش داده است.

۲.۳ ارتقای رشد اقتصادی و اشتغال

زنجیره صنعت فتوولتائیک شامل حلقه‌های متعددی مانند مواد سیلیکونی، ویفرهای سیلیکونی، باتری‌ها، ماژول‌ها، اینورترها، براکت‌ها و ذخیره‌سازی انرژی است که میلیون‌ها شغل در سراسر جهان ایجاد کرده‌اند. تعداد کارمندان مستقیم در صنعت فتوولتائیک چین از 3 میلیون نفر فراتر رفته و صنایع فتوولتائیک در اروپا و ایالات متحده نیز به سرعت در حال گسترش هستند.

۲.۴ برق‌رسانی روستایی و کاهش فقر

در کشورهای در حال توسعه، ریزشبکه‌های فتوولتائیک و سیستم‌های خورشیدی خانگی، برق مناطق دورافتاده را تأمین کرده و شرایط زندگی ساکنان را بهبود می‌بخشند. به عنوان مثال، «سیستم‌های خانگی خورشیدی» در آفریقا به ده‌ها میلیون نفر کمک کرده است تا از وضعیت بی‌برق بودن رهایی یابند.

۳.ضرورت استفاده از دستگاه حفاظت در برابر نوسانات برق (SPD) در سیستم فتوولتائیک

۳.۱ خطرات برخورد صاعقه و افزایش ناگهانی ولتاژ در سیستم‌های فتوولتائیک

نیروگاه‌های فتوولتائیک معمولاً در مناطق باز (مانند بیابان‌ها، پشت بام‌ها و کوه‌ها) نصب می‌شوند و در برابر صاعقه و اثرات اضافه ولتاژ بسیار آسیب‌پذیر هستند. خطرات اصلی عبارتند از:

- برخورد مستقیم صاعقه: برخورد مستقیم صاعقه به ماژول‌ها یا پایه‌های فتوولتائیک که باعث آسیب به تجهیزات می‌شود.

- رعد و برق القایی: پالس الکترومغناطیسی ناشی از رعد و برق ولتاژهای بالایی را در کابل‌ها القا می‌کند و به دستگاه‌های الکترونیکی مانند اینورترها و کنترل‌کننده‌ها آسیب می‌رساند.

نوسانات شبکه: اضافه ولتاژهای عملیاتی در سمت شبکه (مانند عملکرد کلیدها، خطاهای اتصال کوتاه) ممکن است به سیستم فتوولتائیک منتقل شوند.

۳.۲ عملکرد دستگاه محافظ ولتاژ (SPD)

محافظ‌های ولتاژ تجهیزات کلیدی برای حفاظت در برابر صاعقه و اضافه ولتاژ در سیستم‌های فتوولتائیک هستند. وظایف اصلی آنها عبارتند از:

- محدود کردن اضافه ولتاژهای گذرا: کنترل ولتاژهای بالای تولید شده توسط صاعقه یا نوسانات شبکه در محدوده ایمن.

- تخلیه جریان‌های ضربه‌ای: هدایت سریع جریان‌های اضافی به داخل زمین برای محافظت از تجهیزات پایین‌دست.

- افزایش قابلیت اطمینان سیستم: کاهش خرابی‌ها و از کارافتادگی تجهیزات ناشی از صاعقه یا نوسانات برق.

۳.۳ کاربرد SPD در سیستم‌های فتوولتائیک

حفاظت در برابر نوسانات برق برای سیستم‌های فتوولتائیک باید در چندین سطح طراحی شود:

- حفاظت در سمت جریان مستقیم (از ماژول‌های فتوولتائیک تا اینورتر):

- برای جلوگیری از رعد و برق القایی و اضافه ولتاژهای عملیاتی، SPD نوع II را در انتهای ورودی رشته نصب کنید.

- برای مقابله با تهدید ترکیبی رعد و برق مستقیم و القایی، SPD نوع I + II را در انتهای ورودی DC اینورتر نصب کنید.

- حفاظت در سمت AC (از اینورتر به شبکه):

- برای جلوگیری از نفوذ اضافه ولتاژ سمت شبکه، SPD نوع II را در انتهای خروجی اینورتر نصب کنید.

- برای محافظت دقیق از تجهیزات حساس، SPD نوع III را در کابینت توزیع نصب کنید.

۳.۴ نکات کلیدی برای انتخاب محافظ‌های ولتاژ

- تطبیق سطح ولتاژ: حداکثر ولتاژ کار مداوم (Uc) SPD باید بالاتر از ولتاژ سیستم باشد (برای مثال، یک سیستم فتوولتائیک 1000Vdc به SPD با Uc ≥ 1200V نیاز دارد).

- ظرفیت جریان: جریان تخلیه اسمی (In) SPD سمت DC باید ≥ 20kA و حداکثر جریان تخلیه (Imax) باید ≥ 40kA باشد.

- سطح حفاظت: نصب در فضای باز باید دارای حفاظت IP65 یا بالاتر باشد، مناسب برای محیط‌های خشن.

- استانداردهای صدور گواهینامه: مطابق با IEC 61643-31 (استاندارد SPD های مخصوص فتوولتائیک) و UL 1449 و سایر گواهینامه های بین المللی.

۳.۵ خطرات احتمالی عدم نصب SPD

- آسیب به تجهیزات: دستگاه‌های الکترونیکی دقیق مانند اینورترها و سیستم‌های نظارتی در برابر ضربات ناشی از نوسانات برق آسیب‌پذیر هستند و هزینه‌های تعمیر آنها بالاست.

- تلفات تولید برق: برخورد صاعقه باعث خاموشی سیستم می‌شود و بر سود تولید برق تأثیر می‌گذارد.

- خطر آتش‌سوزی: اضافه ولتاژ ممکن است باعث آتش‌سوزی الکتریکی شود و تهدیدی برای ایمنی نیروگاه باشد.

۴. جهانی روندهای بازار محافظ ولتاژ PV

۴.۱ رشد تقاضای بازار

با افزایش سریع ظرفیت نصب فتوولتائیک، بازار محافظ‌های ولتاژ نیز به طور همزمان گسترش یافته است. پیش‌بینی می‌شود که حجم بازار جهانی SPD فتوولتائیک تا سال 2025 از 2 میلیارد دلار آمریکا فراتر رود و نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) آن 15 درصد باشد.

۴.۲ جهت‌گیری نوآوری فناورانه

- SPD هوشمند: مجهز به عملکردهای نظارت بر جریان و هشدار خطا و پشتیبانی از عملکرد از راه دور.

- سطوح ولتاژ بالاتر: SPDها با ولتاژ نامی بالاتر (مانند ۱۵۰۰ ولت) به جریان اصلی تبدیل شده‌اند.

- طول عمر بیشتر: استفاده از مواد حساس جدید (مانند فناوری کامپوزیت اکسید روی)، دوام SPDها را افزایش می‌دهد.

۴.۳ سیاست و استاندارد تبلیغات

- استانداردهای بین‌المللی مانند IEC 62305 (استاندارد حفاظت در برابر صاعقه) و IEC 61643-31 (استاندارد SPD فتوولتائیک) الزام می‌کنند که سیستم‌های فتوولتائیک به حفاظت در برابر نوسانات برق مجهز باشند.

- «مشخصات فنی حفاظت از نیروگاه‌های فتوولتائیک در برابر صاعقه» (GB/T 32512-2016) در چین، الزامات انتخاب و نصب SPD را به وضوح تصریح می‌کند.

۵.نتیجه‌گیری: صنعت فتوولتائیک بدون محافظ‌های ولتاژ نمی‌تواند کار کند

توسعه سریع صنعت فتوولتائیک، انگیزه قوی به گذار جهانی انرژی تزریق کرده است. با این حال، خطرات ناشی از صاعقه و نوسانات ولتاژ را نمی‌توان نادیده گرفت. محافظ‌های ولتاژ، به عنوان تضمین اصلی برای عملکرد ایمن سیستم‌های فتوولتائیک، می‌توانند به طور موثر خطر آسیب به تجهیزات را کاهش دهند، راندمان تولید برق را بهبود بخشند و طول عمر سیستم را افزایش دهند. در آینده، با رشد مداوم تاسیسات فتوولتائیک و توسعه شبکه‌های هوشمند، SPD های با کارایی بالا و قابلیت اطمینان بالا به اجزای ضروری نیروگاه‌های فتوولتائیک تبدیل خواهند شد.

برای سرمایه‌گذاران فتوولتائیک، شرکت‌های EPC و تیم‌های بهره‌برداری و نگهداری، انتخاب محافظ‌های ولتاژ با کیفیت بالا که مطابق با استانداردهای بین‌المللی باشند، اقدامی حیاتی برای تضمین عملکرد پایدار بلندمدت نیروگاه و به حداکثر رساندن بازده سرمایه‌گذاری است.