نظام تحسين الطاقة الهجين للرياح والطاقة الشمسية: حل تصميم شامل لتطبيقات خارج الشبكة
- مقدمة وخلفية
1.1 تحديات أنظمة توليد الكهرباء من مصدر واحد
تتميز الأنظمة التقليدية لتوليد الطاقة الشمسية (PV) أو طاقة الرياح بأنها تعاني من عيوب جوهرية. يتأثر توليد الطاقة الشمسية بدورات النهار والليل وظروف الطقس، بينما يعتمد توليد طاقة الرياح على موارد الرياح غير المستقرة، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في إنتاج الطاقة. لضمان تزويد مستمر بالطاقة، تكون البطاريات ذات السعة الكبيرة ضرورية للتخزين والتوازن. ومع ذلك، فإن البطاريات التي تخضع لدورات شحن وتفريغ متكررة تكون عرضة للبقاء في حالة شحن ناقص لفترات طويلة تحت ظروف التشغيل القاسية، مما يؤدي إلى عمر خدمة عملي أقصر بكثير من القيمة النظرية. وبشكل أكثر أهمية، فإن التكلفة العالية للبطاريات تعني أن التكلفة الإجمالية لدورة حياتها قد تقترب أو حتى تتجاوز تكلفة الوحدات الشمسية أو توربينات الرياح نفسها. لذلك، تمديد عمر البطارية وتقليل تكاليف النظام أصبحا التحديين الأساسيين في تحسين الأنظمة المستقلة لتوليد الطاقة.
1.2 المزايا الهامة لأنظمة توليد الطاقة الهجينة من الرياح والشمس
تعمل تقنية توليد الطاقة الهجينة من الرياح والشمس على التغلب على المتغيرات في مصدر الطاقة الواحد من خلال الجمع العضوي بين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وهما مصدران للطاقة المتجددة. تظهر الطاقة الشمسية والرياح تكاملًا طبيعيًا في الوقت (نهار / ليل، فصول): الضوء الشمسي القوي خلال النهار غالبًا ما يتزامن مع رياح أقوى ليلاً؛ والإشعاع الشمسي الجيد في الصيف قد يتناسب مع موارد الرياح الكافية في الشتاء. هذا التكامل يسمح:
- بتوسيع كبير لوقت الشحن الفعال للبطاريات، مما يقلل من الوقت الذي تقضيه في حالة الشحن الناقص، وبالتالي يطيل بشكل كبير من عمر الخدمة للبطارية.
- بخفض السعة المطلوبة للبطاريات. بما أن احتمال عدم توافر كلا من الرياح والطاقة الشمسية في نفس الوقت منخفض، يمكن للنظام غالبًا تزويد الحمل مباشرة، مما يسمح باستخدام بنك بطاريات ذو سعة أصغر.
- تؤكد الدراسات المحلية والدولية أن أنظمة الطاقة الهجينة من الرياح والشمس تتفوق على أنظمة توليد الطاقة من مصدر واحد في موثوقية تزويد الطاقة وكفاءة التكلفة على مدى دورة الحياة.
1.3 نقاط الضعف في الأساليب الحالية للتصميم والحل المقترح
واجه تصميم النظام الحالي تحديات. برامج المحاكاة المهنية من الخارج باهظة الثمن، وأنظمتها الأساسية غالبًا ما تكون سرية، مما يعيق انتشارها الواسع. في الوقت نفسه، معظم الأساليب المبسطة للتصميم غير كافية - إما أنها تعتمد بشكل كبير على المتوسطات الجوية وتتجاهل التفاصيل، أو تستخدم نماذج مبسطة خطية تؤدي إلى دقة محدودة وتطبيق ضعيف.
يهدف هذا الحل إلى اقتراح مجموعة من أساليب التصميم الدقيقة والعملية المعتمدة على الكمبيوتر لمعالجة هذه القضايا.
II. تركيب النظام والأنماط الفنية الأساسية
2.1 هندسة النظام
يعتبر نظام توليد الطاقة الهجين من الرياح والشمس المصمم في هذا الحل نظامًا مستقلًا تمامًا دون شبكات، بدون مصادر احتياطية للطاقة مثل المولدات الديزلية. تتضمن المكونات الأساسية:
- وحدة توليد الطاقة: توربينات الرياح، صفائف الألواح الشمسية.
- وحدة تخزين وإدارة الطاقة: بنك البطاريات، جهاز التحكم في الشحن (لإدارة الشحن والتفريغ).
- وحدة الحماية والتحويل: الحمل المنحرف (لمنع الشحن الزائد للبطارية، حماية المحوّل)، المحوّل (يحول التيار المباشر إلى التيار المتناوب لتلبية معظم متطلبات الحمل).
- وحدة استهلاك الطاقة: الحمل.
2.2 نماذج دقيقة لحساب إنتاج الطاقة
لتحقيق التصميم الأمثل، قمنا بإنشاء نماذج دقيقة لحساب إنتاج الطاقة على أساس الساعة.
- نموذج صفائف الألواح الشمسية:
- نقل الإشعاع الشمسي: يستخدم نموذج انتشار السماء اللامتجانس المتقدم لنقل بيانات الإشعاع الشمسي الأفقي المسجلة بواسطة محطات الأرصاد الجوية إلى الإشعاع الوارد على سطح صفائح الألواح الشمسية المائل، مع مراعاة الإشعاع المباشر والإشعاع المنتشر من السماء والإشعاع المنعكس من الأرض.
- محاكاة خصائص الوحدة: يستخدم نموذجًا فيزيائيًا دقيقًا لوصف الخصائص غير الخطية لإنتاج الوحدات الشمسية، مع مراعاة تأثيرات الإشعاع ودرجة الحرارة المحيطة على الجهد والتيار الخارجيين من الوحدة، مما يضمن دقة حسابات إنتاج الطاقة.
- نموذج توربين الرياح:
- تصحيح سرعة الرياح: يقوم بتصحيح سرعة الرياح المرجعية من بيانات الأرصاد الجوية إلى سرعة الرياح الفعلية عند ارتفاع مركز التوربين بناءً على قانون الأسي الذي يحكم تغير سرعة الرياح مع الارتفاع.
- تكيف منحنى الطاقة: يستخدم دالة مقسمة (معادلات ثنائية مختلفة للفترات المختلفة من سرعة الرياح) لتحقيق مطابقة عالية الدقة لمنحنى إنتاج الطاقة الفعلي للتوربين، مما يتيح حساب الطاقة على أساس البيانات الزمنية لسرعة الرياح بدقة.
2.3 نموذج خصائص البطارية الديناميكية
تعتبر البطارية المكون الرئيسي لتخزين الطاقة، وهي في حالة تغيير مستمر. يركز النموذج بشكل أساسي على:
- حساب نسبة الشحن (SOC): يحاكي بشكل ديناميكي عمليات شحن وتفريغ البطارية بناءً على العلاقة بين إنتاج الطاقة واستهلاك الحمل في كل خطوة زمنية، ويحسب بدقة القدرة المتبقية مع مراعاة العوامل العملية مثل معدل التفريغ الذاتي وكفاءة الشحن وكفاءة المحوّل.
- إدارة الشحن والتفريغ: لتمديد عمر البطارية، يتم تحديد نطاق تشغيلي معقول لنسبة الشحن (مثل تحديد عمق التفريغ الأقصى بنسبة 50%)، وإنشاء نموذج يربط الجهد العائم بنسبة الشحن ودرجة الحرارة المحيطة لتحديد بدقة شروط الشحن.
III. منهجية تحسين وحجم النظام
3.1 مؤشرات موثوقية تزويد الطاقة
يولي التصميم الأولوية لتلبية متطلبات موثوقية تزويد الطاقة المحددة من قبل المستخدم. تشمل المؤشرات الرئيسية:
- احتمال فقدان تزويد الطاقة (LPSP): نسبة وقت انقطاع النظام إلى وقت التقييم الإجمالي، مما يعكس بشكل مباشر استمرارية التزويد.
- احتمال فقدان الحمل (LLP): نسبة الطلب على طاقة الحمل الذي لا يلبيه النظام إلى الطلب الإجمالي. يعتبر هذا المؤشر الأكثر أهمية للمؤشرات الأساسية لتصميم التحسين.
3.2 عملية تصميم التحسين خطوة بخطوة
يتبنى هذا الحل عملية تحسين منهجية، يهدف إلى تقليل تكلفة الاستثمار الأولية للمعدات للعثور على التكوين الأمثل.
- الخطوة 1: تحسين تكوين الألواح الشمسية والبطارية لسعة ثابتة لتوربين الرياح
- المهمة الأساسية: تحت شرط أن يكون نموذج وتعداد توربين الرياح ثابتين، العثور على توليفة من سعة الوحدات الشمسية والبطارية التي تفي بالمؤشر الموثوقية المحدد (LPSP) وتنتج أقل تكلفة إجمالية للمعدات.
- طريقة التنفيذ: من خلال الحسابات المحاكاة، رسم "منحنى التوازن" الذي يمثل جميع توليفات الألواح الشمسية والبطارية التي تفي بمتطلبات الموثوقية. ثم، باستخدام طريقة الظل التكاليف أو الفرز بواسطة برنامج كمبيوتر بناءً على أسعار الوحدات للمعدات، تحديد التوليفة الأمثل الوحيدة بأقل تكلفة.
- الخطوة 2: التحسين الشامل بتغيير سعة توربين الرياح
- المهمة الأساسية: تغيير سعة توربين الرياح أو العدد، وتكرار عملية التحسين في الخطوة 1، والحصول على سلسلة من التكوينات الأمثل وتكاليفها المقابلة لسعات توربين الرياح المختلفة.
- القرار النهائي: مقارنة تكاليف جميع الحلول المرشحة واختيار التركيبة الهجينة من الرياح والألواح الشمسية والبطارية ذات التكلفة العالمية الدنيا كتكوين النظام الأمثل النهائي.
3.3 محاكاة أداء النظام والانتاج
بعد تحديد التكوين الأمثل، يمكن محاكاة تشغيل النظام سنويًا على أساس الساعة، مما ينتج تقارير تفصيلية تشمل:
- بعد الوقت: نسبة شحن البطارية على أساس الساعة، توازن الطاقة في النظام.
- بعد الإحصائي: الطاقة غير المنجزة للحمل يوميًا / شهريًا / سنويًا، المؤشرات الموثوقة (LPSP, LLP)، حصة توليد الطاقة من الرياح والشمس، حالات الفائض والنقص في الطاقة، وما إلى ذلك.
IV. الخاتمة
تقوم الطريقة المحسنة لتصميم أنظمة توليد الطاقة الهجينة من الرياح والشمس المقترحة في هذا الحل، والتي تعتمد على النماذج الرياضية الشاملة والبيانات الجوية المحلية الدقيقة، بتحديد التكوين النظامي الوحيد بأقل تكلفة استثمار أولية للمعدات مع تلبية متطلبات استخدام الكهرباء الخاصة بالمستخدم ومتطلبات موثوقية تزويد الطاقة. هذه الطريقة تعالج بشكل فعال نقاط الضعف في أنظمة توليد الطاقة من مصدر واحد، وتتجاوز حدود الأساليب الحالية للتصميم، وتوفير أداة قوية للتصميم العلمي والفعال والاقتصادي لأنظمة توليد الطاقة الهجينة من الرياح والشمس، مما له قيمة كبيرة في التطبيقات الهندسية.
