شرح كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية: الاختلافات الهيكلية والمادية مقارنةً بالكابلات التقليدية

مع التطور العالمي السريع لأنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية، تلعب كابلات الطاقة الكهروضوئية - باعتبارها المكونات الأساسية التي تربط وحدات الطاقة الكهروضوئية، والمحولات، وصناديق التجميع - دورًا حاسمًا في السلامة العامة وعمر الخدمة لمحطة الطاقة الشمسية. وبالمقارنة مع كابلات الطاقة التقليدية، تتميز كابلات الطاقة الكهروضوئية بتصاميم هيكلية متخصصة للغاية واختيارات دقيقة للمواد المستخدمة فيها.

1. ما هو كابل الخلايا الكهروضوئية؟

يُستخدم كابل الطاقة الشمسية، المعروف أيضًا باسم كابل الطاقة الشمسية أو الكابل المخصص للطاقة الشمسية، بشكل أساسي في محطات الطاقة الشمسية، وأنظمة الطاقة الشمسية الموزعة، وتركيبات الطاقة الشمسية على أسطح المنازل. ومن بين النماذج الشائعة PV1-F وH1Z2Z2-K، والتي تتوافق مع المعايير الدولية مثل EN 50618 وIEC 62930.

نظراً لتعرض كابلات الطاقة الشمسية باستمرار للعوامل الجوية الخارجية، يجب أن تعمل بكفاءة عالية في ظل درجات حرارة مرتفعة، وأشعة فوق بنفسجية قوية، ودرجات حرارة منخفضة، ورطوبة عالية، وتعرض للأوزون. ونتيجة لذلك، فإن متطلباتها من مواد العزل والتغليف أعلى بكثير من متطلبات الكابلات العادية. تشمل الخصائص النموذجية مقاومة درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة، ومقاومة ممتازة للتقادم الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية، ومقاومة للتآكل الكيميائي، ومقاومة للاشتعال، وملاءمة للبيئة، وعمر افتراضي مصمم يبلغ 25 عاماً أو أكثر.

2. تحديات مواد الكابلات في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية

في التطبيقات العملية، تُركّب كابلات الخلايا الكهروضوئية عادةً في الهواء الطلق مباشرةً. فعلى سبيل المثال، في المناطق الأوروبية، قد تصل درجة الحرارة المحيطة بأنظمة الخلايا الكهروضوئية إلى 100 درجة مئوية في ظل ظروف مشمسة. وفي الوقت نفسه، تتعرض هذه الكابلات للأشعة فوق البنفسجية لفترات طويلة، وتقلبات درجات الحرارة بين الليل والنهار، والإجهاد الميكانيكي.

في ظل هذه الظروف، لا تستطيع كابلات PVC القياسية أو كابلات المطاط التقليدية الحفاظ على أداء مستقر على المدى الطويل. حتى كابلات المطاط المصممة للعمل عند درجة حرارة 90 درجة مئوية أو كابلات PVC المصممة للعمل عند درجة حرارة 70 درجة مئوية تكون عرضة لتلف العزل، وتشقق الغلاف، وتدهور الأداء السريع عند استخدامها في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الخارجية، مما يُقصر بشكل كبير من عمر النظام.

3. الأداء الأساسي لكابلات الخلايا الكهروضوئية: مواد العزل والتغليف المتخصصة

تُستمدّ المزايا الرئيسية لأداء كابلات الخلايا الكهروضوئية بشكل أساسي من مركبات العزل والتغليف المصممة خصيصًا لهذا الغرض. ويُعدّ نظام المواد السائد المستخدم حاليًا هو البولي أوليفين المُتشابك بالإشعاع، والذي يعتمد عادةً على البولي إيثيلين عالي الجودة أو أنواع أخرى من البولي أوليفينات.

من خلال تشعيع حزمة الإلكترونات، تخضع السلاسل الجزيئية للمادة لعملية تشابك، مما يحول بنيتها من لدن حراري إلى متصلبة حراريًا. تُحسّن هذه العملية بشكل كبير مقاومة الحرارة، ومقاومة التقادم، والأداء الميكانيكي. تسمح مواد البولي أوليفين المتشابكة بالإشعاع لكابلات الخلايا الكهروضوئية بالعمل بشكل مستمر عند درجات حرارة تتراوح بين 90 و120 درجة مئوية، مع توفير مرونة ممتازة في درجات الحرارة المنخفضة، ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية، ومقاومة للأوزون، ومقاومة للتشقق الناتج عن الإجهاد البيئي. إضافةً إلى ذلك، فإن هذه المواد خالية من الهالوجينات ومتوافقة مع المعايير البيئية.

4. مقارنة هيكلية ومادية: كابلات الخلايا الكهروضوئية مقابل الكابلات التقليدية

4.1 البنية النموذجية والمواد المستخدمة في كابلات الخلايا الكهروضوئية

الموصل: موصل نحاسي مُلدّن أو موصل نحاسي مطلي بالقصدير، يجمع بين الموصلية الكهربائية العالية ومقاومة التآكل

طبقة العزل: مركب عزل من البولي أوليفين المتشابك بالإشعاع (مادة عزل خاصة بكابلات الخلايا الكهروضوئية)

طبقة الغلاف: مركب غلاف من البولي أوليفين المتشابك بالإشعاع، يوفر حماية خارجية طويلة الأمد

4.2 البنية النموذجية والمواد المستخدمة في الكابلات التقليدية

الموصل: موصل نحاسي أو موصل نحاسي مطلي بالقصدير

طبقة العزل: مركب عازل من البولي فينيل كلوريد (PVC) أوXLPE (البولي إيثيلين المتشابك)مركب عازل

طبقة الغلاف:مادة PVCمركب التغليف

5. اختلافات الأداء الأساسية الناتجة عن اختيار المواد

من منظور الموصل، فإن كابلات الطاقة الشمسية والكابلات التقليدية متطابقة إلى حد كبير. وتكمن الاختلافات الأساسية في اختيار مواد العزل ومواد التغليف.

تُعدّ مركبات العزل والتغليف المصنوعة من البولي فينيل كلوريد (PVC) المستخدمة في الكابلات التقليدية مناسبة بشكل أساسي للاستخدام الداخلي أو في البيئات المعتدلة نسبيًا، حيث توفر مقاومة محدودة للحرارة والتعرض للأشعة فوق البنفسجية والتقادم. في المقابل، صُممت مركبات العزل والتغليف المصنوعة من البولي أوليفين المتشابك بالإشعاع، والمستخدمة في كابلات الخلايا الكهروضوئية، خصيصًا للتشغيل الخارجي طويل الأمد، ويمكنها الحفاظ على أداء كهربائي وميكانيكي مستقر في ظل الظروف البيئية القاسية.

لذلك، على الرغم من أن استبدال الكابلات التقليدية بكابلات الطاقة الشمسية قد يقلل من التكاليف الأولية، إلا أنه يزيد بشكل كبير من مخاطر الصيانة ويقصر العمر التشغيلي الإجمالي لنظام الطاقة الشمسية.

6. الخلاصة: اختيار المواد يحدد موثوقية أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على المدى الطويل

لا تُعدّ كابلات الخلايا الكهروضوئية بدائل بسيطة للكابلات العادية، بل هي منتجات كابلات متخصصة مصممة خصيصًا لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية. وتعتمد موثوقيتها على المدى الطويل بشكل أساسي على اختيار مواد عزل وتغليف عالية الأداء، ولا سيما التطبيق السليم لأنظمة مواد البولي أوليفين المتشابكة بالإشعاع.

بالنسبة لمصممي أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ومركبيها، وموردي مواد الكابلات، فإن الفهم الشامل للاختلافات على مستوى المواد بين كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية والكابلات التقليدية أمر ضروري لضمان التشغيل الآمن والمستقر وطويل الأمد لمحطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.