كيفية حماية نظام الطاقة الشمسية الخاص بك من الصواعق

البرق سبب شائع لأعطال أنظمة الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح. قد تحدث زيادة مدمرة نتيجة البرق الذي يضرب مسافة بعيدة عن النظام، أو حتى بين السحب. لكن معظم أضرار البرق قابلة للوقاية. إليك بعض أكثر التقنيات فعالية من حيث التكلفة، والتي يقبلها عمومًا مُركِّبو أنظمة الطاقة، استنادًا إلى عقود من الخبرة. اتبع هذه النصائح، وستكون لديك فرصة كبيرة لتجنب أضرار البرق لنظام الطاقة المتجددة لديك.

احصل على الأرض

التأريض هو التقنية الأساسية للحماية من أضرار الصواعق. لا يمكنك إيقاف موجة البرق، ولكن يمكنك منحها مسارًا مباشرًا إلى الأرض يتجاوز معداتك القيّمة، ويفرغها بأمان إلى الأرض. سيؤدي المسار الكهربائي إلى الأرض إلى تفريغ الكهرباء الساكنة المتراكمة في الهياكل فوق الأرض باستمرار. غالبًا ما يمنع هذا انجذاب البرق من البداية.

صُممت مانعات الصواعق وأجهزة حماية التيار الزائد لحماية المعدات الإلكترونية من خلال امتصاص طفرات التيار الكهربائي. ومع ذلك، لا تُغني هذه الأجهزة عن التأريض الجيد، فهي لا تعمل إلا بالتزامن مع تأريض فعال. يُعد نظام التأريض جزءًا مهمًا من البنية التحتية للأسلاك الكهربائية. ركّبه قبل أو أثناء تركيب أسلاك الطاقة. وإلا، فبمجرد أن يعمل النظام، قد لا يُنجز هذا الجزء المهم من قائمة المهام المطلوبة.

الخطوة الأولى في التأريض هي إنشاء مسار تفريغ كهربائي إلى الأرض عن طريق ربط (ربط) جميع المكونات الهيكلية المعدنية والهياكل الكهربائية، مثل هياكل وحدات الطاقة الشمسية، ورفوف التركيب، وأبراج مولدات الرياح. يحدد القانون الوطني للكهرباء (NEC)، المادة 250 والمواد من 690.41 إلى 690.47، أحجام الأسلاك والمواد والتقنيات المتوافقة مع القانون. تجنب الانحناءات الحادة في أسلاك التأريض، فارتفاعات التيار الكهربائي لا تميل إلى الانعطاف في الزوايا الضيقة، ويمكن أن تنتقل بسهولة إلى الأسلاك القريبة. انتبه جيدًا لوصلات الأسلاك النحاسية بالعناصر الهيكلية المصنوعة من الألومنيوم (وخاصةً هياكل وحدات الطاقة الشمسية). استخدم موصلات تحمل علامة "AL/CU" ومثبتات من الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يقلل من احتمالية التآكل. سيتم أيضًا توصيل أسلاك التأريض لدوائر التيار المستمر والتيار المتردد بنظام التأريض هذا. (راجع مقالات "ركن الكود" حول تأريض مصفوفات الطاقة الشمسية في HP102 وHP103 لمزيد من النصائح).

قضبان أرضية

أضعف جانب في العديد من التركيبات هو اتصالها بالأرض نفسها. ففي النهاية، لا يمكنك ببساطة ربط سلك بالأرض! بدلاً من ذلك، يجب دفن أو دق قضيب من معدن موصل غير قابل للتآكل (عادةً النحاس) في الأرض، والتأكد من أن معظم مساحة سطحه تلامس التربة الموصلة (أي الرطبة). بهذه الطريقة، عندما تتدفق الكهرباء الساكنة أو ترتفع درجة الحرارة عبر الخط، يمكن للإلكترونات أن تتسرب إلى الأرض بأقل مقاومة.

على غرار تبديد حقل التصريف للماء، يعمل التأريض على تبديد الإلكترونات. إذا لم يُفرّغ أنبوب التصريف شحناته في الأرض بشكل كافٍ، تحدث تراكمات. عندما تتراكم الإلكترونات، تتخطى الفجوة (مُشكّلةً قوسًا كهربائيًا) إلى أسلاك الطاقة، مرورًا بأجهزتك، ثم إلى الأرض فقط.

لمنع حدوث ذلك، قم بتركيب قضيب أرضي واحد أو أكثر مطلي بالنحاس بطول 8 أقدام (2.4 متر) و5/8 بوصة (16 مم)، ويفضل أن يكون ذلك في أرض رطبة. قضيب واحد لا يكفي عادةً، وخاصة في الأرض الجافة. في المناطق التي تكون فيها الأرض جافة للغاية، قم بتركيب عدة قضبان، مع ترك مسافة لا تقل عن 6 أقدام (3 أمتار) بينها وتوصيلها معًا بسلك نحاسي مكشوف مدفون. وهناك طريقة بديلة تتمثل في دفن سلك نحاسي مكشوف رقم 6 (13 مم2) أو سلك نحاسي مزدوج رقم 8 (8 مم2) أو سلك نحاسي مكشوف أكبر في خندق لا يقل طوله عن 100 قدم (30 مترًا). (يمكن أيضًا تشغيل سلك التأريض النحاسي المكشوف على طول الجزء السفلي من خندق يحمل أنابيب المياه أو الصرف الصحي أو الأسلاك الكهربائية الأخرى). أو قم بقطع سلك التأريض إلى نصفين ونشره في اتجاهين. قم بتوصيل أحد طرفي كل سلك مدفون بنظام التأريض.

حاول توجيه جزء من النظام إلى مناطق أكثر رطوبة، مثل أماكن تصريف مياه الأمطار من الأسطح أو أماكن ري النباتات. إذا كان هناك غلاف فولاذي للبئر قريب، يمكنك استخدامه كقضيب تأريض (قم بتوصيله بمسامير قوية).

في المناخات الرطبة، لا توفر القواعد الخرسانية لمصفوفة مثبتة على الأرض أو على عمود، أو برج مولد رياح، أو قضبان التأريض المغطاة بالخرسانة تأريضًا مثاليًا. في هذه المواقع، عادةً ما تكون الخرسانة أقل توصيلًا من التربة الرطبة المحيطة بالقواعد. في هذه الحالة، ركّب قضيب تأريض في الأرض بجوار الخرسانة عند قاعدة المصفوفة، أو عند قاعدة برج مولد الرياح وعند كل مرساة سلك تثبيت، ثم وصّلها جميعًا معًا باستخدام سلك مكشوف مدفون.

في المناخات الجافة أو القاحلة، غالبًا ما يكون العكس صحيحًا - قد تحتوي القواعد الخرسانية على نسبة رطوبة أعلى من التربة المحيطة بها، مما يوفر فرصة اقتصادية للتأريض. إذا كان من المقرر غرس حديد تسليح بطول 20 قدمًا (أو أكثر) في الخرسانة، فيمكن استخدام حديد التسليح نفسه كقضيب تأريض. (ملاحظة: يجب التخطيط لذلك قبل صب الخرسانة). هذه الطريقة للتأريض شائعة في الأماكن الجافة، وهي موصوفة في المادة 250.52 (A3) من قانون الكهرباء الوطني، "القطب الكهربائي المغلف بالخرسانة".

إذا لم تكن متأكدًا من أفضل طريقة تأريض لموقعك، فتحدث مع مفتش الكهرباء خلال مرحلة تصميم نظامك. لا يجب الإفراط في التأريض. في الأماكن الجافة، استغل كل فرصة لتركيب قضبان تأريض إضافية، أو أسلاك مدفونة، وما إلى ذلك. لتجنب التآكل، استخدم فقط الأدوات المعتمدة لتوصيل قضبان التأريض. استخدم مسامير نحاسية مقسمة لتوصيل أسلاك التأريض بشكل موثوق.

دوائر الطاقة الأرضية

بالنسبة لأسلاك المباني، يشترط قانون الكهرباء الوطني (NEC) توصيل أحد طرفي نظام الطاقة المستمر (DC) بالأرضي. كما يجب تأريض جزء التيار المتردد من هذا النظام بالطريقة التقليدية المتبعة في أي نظام متصل بالشبكة. (هذا صحيح في الولايات المتحدة، بينما تُعد دوائر الطاقة غير المؤرضة هي القاعدة في دول أخرى). يُعد تأريض نظام الطاقة أمرًا ضروريًا في أنظمة المنازل الحديثة في الولايات المتحدة. من الضروري توصيل طرفي التيار المستمر السالب والمتردد المحايد بالأرضي عند نقطة واحدة فقط في نظاميهما، وكلاهما بنفس النقطة في نظام التأريض. يتم ذلك في لوحة الطاقة المركزية.

يُوصي مُصنِّعو بعض الأنظمة المُستقلة ذات الاستخدام الواحد (مثل مضخات المياه الشمسية ومُكرِّرات الإشارة اللاسلكية) بعدم تأريض دائرة الطاقة. يُرجى مراجعة تعليمات الشركة المُصنِّعة للاطلاع على التوصيات المُحدَّدة.

تقنية توصيل المصفوفات و"الأزواج الملتوية"

يجب استخدام أسلاك المصفوفات بأطوال دنيا، مدسوسة في الهيكل المعدني. يجب أن تكون الأسلاك الموجبة والسالبة متساوية الطول، ومتصلة ببعضها كلما أمكن. هذا سيقلل من تحريض الجهد الزائد بين الموصلات. كما أن الأنابيب المعدنية (المؤرضة) تضيف طبقة حماية. ادفن أسلاكًا خارجية طويلة بدلًا من مدها فوق الرأس. سلك بطول 30 مترًا أو أكثر يشبه الهوائي - سيستقبل طفرات التيار حتى من البرق في السحاب. قد تحدث طفرات مماثلة حتى لو كانت الأسلاك مدفونة، لكن معظم الفنيين يتفقون على أن دفن أسلاك النقل يحد من احتمالية حدوث أضرار البرق.

استراتيجية بسيطة لتقليل قابلية التعرض للارتفاعات المفاجئة في التيار الكهربائي هي تقنية "الزوج المجدول"، والتي تساعد على معادلة وإلغاء أي جهد مستحث بين موصلين أو أكثر. قد يكون من الصعب العثور على كابل طاقة مناسب ملتوي بالفعل، لذا إليك ما يجب فعله: ضع زوجًا من أسلاك الطاقة على طول الأرض. أدخل عصا بين الأسلاك، ولفهما معًا. كل 30 قدمًا (10 أمتار)، بدّل الاتجاه. (هذا أسهل بكثير من محاولة لف المسافة بأكملها في اتجاه واحد). يمكن أحيانًا استخدام مثقاب كهربائي للف الأسلاك أيضًا، حسب حجم السلك. ما عليك سوى تثبيت أطراف الأسلاك في ظرف المثقاب واترك حركة المثقاب تلف الكابلات معًا. تأكد من تشغيل المثقاب بأقل سرعة ممكنة إذا جربت هذه التقنية.

ليس من الضروري لف سلك التأريض مع أسلاك الطاقة. في حالة تمديدات الدفن، استخدم سلك نحاس مكشوفًا؛ أما في حالة استخدام أنابيب، فمدّ سلك التأريض خارجها. سيُحسّن هذا التلامس الأرضي الإضافي من تأريض النظام.

استخدم كابلًا مزدوجًا مجدولًا لأي كابلات اتصال أو تحكم (على سبيل المثال، كابل مفتاح تعويم لإيقاف تشغيل مضخة مياه شمسية عند امتلاء خزانها). يتوفر هذا السلك ذو القياس الأصغر بسهولة في كابلات مجدولة مسبقًا، أو كابلات متعددة، أو كابلات أحادية الزوج. يمكنك أيضًا شراء كابل مزدوج مجدول محمي، والذي يُحيط بالأسلاك المجدولة برقاقة معدنية، وعادةً ما يكون مزودًا بسلك "تصريف" منفصل مكشوف. قم بتأريض غطاء الكابل وسلك التصريف من طرف واحد فقط، لتجنب احتمالية تكوين حلقة تأريض (مسار أقل مباشرة إلى الأرض) في الأسلاك.

حماية إضافية من الصواعق

بالإضافة إلى إجراءات التأريض المكثفة، يوصى باستخدام أجهزة حماية متخصصة من زيادة التيار الكهربائي و(ربما) قضبان الصواعق للمواقع التي تعاني من أي من الحالات التالية:
• موقع معزول على أرض مرتفعة في منطقة معرضة للصواعق الشديدة
• التربة الجافة أو الصخرية أو ذات التوصيل الضعيف
• يمتد السلك لمسافة أطول من 100 قدم (30 مترًا)

مانعات الصواعق

صُممت مانعات الصواعق (الاندفاعات) لامتصاص طفرات الجهد الناتجة عن العواصف الكهربائية (أو التيار الكهربائي غير المطابق للمواصفات)، وتسمح بفعالية للاندفاعات بتجاوز أسلاك الطاقة ومعداتك. يجب تركيب واقيات الاندفاع على طرفي أي سلك طويل متصل بأي جزء من نظامك، بما في ذلك خطوط التيار المتردد من العاكس. تُصنع مانعات الصواعق لجهدات مختلفة لكل من التيار المتردد والتيار المستمر. تأكد من استخدام مانعات الصواعق المناسبة لتطبيقك. يستخدم العديد من مُركّبي الأنظمة مانعات الصواعق دلتا بشكل روتيني، وهي غير مكلفة وتوفر بعض الحماية في حالات خطر الصواعق المعتدل، ولكن هذه الوحدات لم تعد مُدرجة في قائمة UL.

مانعات الصواعق من نوعي PolyPhaser وTranstector منتجات عالية الجودة للمواقع المعرضة للصواعق والمنشآت الكبيرة. توفر هذه الوحدات المتينة حماية قوية وتوافقًا مع مجموعة واسعة من جهدات النظام. بعض الأجهزة مزودة بمؤشرات لعرض حالات الأعطال.

قضبان الصواعق

"قضبان الصواعق" هي أجهزة تفريغ ساكنة تُوضع فوق المباني وألواح الطاقة الشمسية، ومتصلة بالأرض. صُممت هذه القضبان لمنع تراكم الشحنات الساكنة وتأين الغلاف الجوي المحيط. تساعد هذه القضبان في منع الصواعق، وتوفر مسارًا للتيار الكهربائي العالي جدًا إلى الأرض في حال وقوعها. تتخذ الأجهزة الحديثة شكلًا شوكيًا، وغالبًا ما تكون متعددة النقاط.

تُستخدم قضبان الإضاءة عادةً فقط في المواقع التي تتعرض لعواصف كهربائية شديدة. إذا كنت تعتقد أن موقعك يندرج ضمن هذه الفئة، فاستعن بمقاول ذي خبرة في مجال الحماية من الصواعق. إذا لم يكن مُركّب النظام لديك مؤهلًا، ففكّر في استشارة أخصائي حماية من الصواعق قبل تركيب النظام. إن أمكن، اختر مُركّبًا معتمدًا من المجلس الأمريكي الشمالي لممارسي الطاقة المعتمدين (NABCEP) لأنظمة الطاقة الكهروضوئية (انظر Access). على الرغم من أن هذه الشهادة ليست خاصة بالحماية من الصواعق، إلا أنها قد تكون مؤشرًا على مستوى كفاءة المُركّب بشكل عام.

بعيد عن العين، ليس بعيدا عن القلب

الكثير من أعمال الحماية من الصواعق مدفونة وبعيدة عن الأنظار. لضمان إنجازها على النحو الصحيح، دوّنها في عقدك/عقودك مع مُثبّت النظام، أو الكهربائي، أو الحفار، أو السباك، أو حفار الآبار، أو أي شخص يقوم بأعمال الحفر التي ستُؤطّر نظامك.