نظام تحسين الطاقة الهجين للرياح والشمس: حل تصميمي شامل لتطبيقات خارج الشبكة
- مقدمة وخلفية
1.1 تحديات أنظمة توليد الكهرباء من مصدر واحد
تتميز أنظمة توليد الطاقة الشمسية (PV) التقليدية أو طاقة الرياح المستقلة بعيوب ذاتية. إذ يتأثر توليد الطاقة الشمسية بدورات النهار والطقس، بينما يعتمد توليد طاقة الرياح على مصادر رياح غير مستقرة، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في إنتاج الطاقة. لضمان التزويد المستمر بالطاقة، تكون البطاريات ذات السعة الكبيرة ضرورية لتخزين الطاقة والتوازن. ومع ذلك، فإن البطاريات التي تخضع لدورات شحن وإفراز متكررة تكون عرضة للبقاء في حالة شحن قليلة لفترات طويلة تحت ظروف التشغيل القاسية، مما يؤدي إلى فترة خدمة عملية أقصر بكثير من القيمة النظرية. وأكثر من ذلك، فإن تكلفة البطاريات العالية تعني أن تكلفتها الإجمالية خلال دورة الحياة قد تقترب أو حتى تتجاوز تكلفة الوحدات الشمسية أو توربينات الرياح نفسها. لذلك، أصبح تمديد عمر البطارية وتقليل تكاليف النظام هما التحديان الأساسيان 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 بشكل فعال على التغلب على انقطاع مصادر الطاقة الواحدة من خلال الجمع العضوي بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وهما مصدران متجددان. تظهر طاقة الرياح والطاقة الشمسية تكاملًا طبيعيًا في الوقت (نهار/ليل، الفصول): حيث يتوافق الضوء الشمسي القوي أثناء النهار غالبًا مع رياح أقوى محتملة في الليل؛ وقد يقترن الإشعاع الشمسي الجيد في الصيف بمصادر رياح وفيرة في الشتاء. هذا التكامل يسمح:
- بتوسيع كبير لوقت الشحن الفعال للبطاريات، مما يقلل من الوقت الذي تقضيه البطاريات في حالة شحن قليل، وبالتالي يطيل بشكل كبير من عمر الخدمة للبطاريات.
- بالتقليل من السعة اللازمة للبطاريات. نظرًا لأن احتمال عدم توافر كلاً من الرياح والطاقة الشمسية في نفس الوقت منخفض، يمكن للنظام غالبًا تشغيل الحمل مباشرة، مما يسمح باستخدام مجموعة بطاريات ذات سعة أصغر.
- تؤكد الدراسات المحلية والدولية أن أنظمة الطاقة الهجينة من الرياح والشمس تتفوق على أنظمة توليد الطاقة من مصدر واحد من حيث موثوقية التزويد بالطاقة وكفاءة تكاليف دورة الحياة.
1.3 نقاط الضعف في الأساليب الحالية للتصميم والحل المقترح
يواجه التصميم الحالي تحديات. البرامج المحاكية المهنية من الخارج باهظة الثمن، وغالبًا ما تكون نماذجها الأساسية سرية، مما يعيق استخدامها الواسع. في الوقت نفسه، معظم الأساليب البسيطة للتصميم غير كافية - إما أنها تعتمد بشكل كبير على المتوسطات المناخية وتتجاهل التفاصيل، أو تستخدم نماذج مبسطة خطية مما يؤدي إلى دقة محدودة وتطبيق ضعيف.
يهدف هذا الحل إلى اقتراح مجموعة من أساليب التصميم الدقيقة والمفيدة المعتمدة على الحوسبة لمعالجة هذه القضايا.
II. تركيب النظام والنماذج الفنية الأساسية
2.1 معمارية النظام
يعتبر نظام توليد الطاقة الهجينة من الرياح والشمس المصمم في هذا الحل نظامًا مستقلًا تمامًا عن الشبكة، دون مصادر احتياطية للطاقة مثل مولدات الديزل. تتضمن المكونات الأساسية:
- وحدة توليد الطاقة: مولدات توربينات الرياح، صفوف الألواح الشمسية.
- وحدة تخزين وإدارة الطاقة: مجموعة البطاريات، جهاز التحكم في الشحن (لإدارة الشحن والإفراز).
- وحدة الحماية والتحويل: الحمل الانحرافي (لمنع شحن البطارية الزائد، حماية المحول)، المحول (لتحويل التيار المباشر إلى التيار المتردد لتلبية معظم متطلبات الحمل).
- وحدة استهلاك الطاقة: الحمل.
2.2 نماذج دقيقة لحساب إنتاج الطاقة
لتحقيق التصميم الأمثل، أنشأنا نماذج دقيقة لحساب إنتاج الطاقة على أساس الساعة.
- نموذج صفوف الألواح الشمسية:
- نقل الإشعاع الشمسي: يستخدم نموذج تشتت السماء المتقدم غير المتماثل لنقل بيانات الإشعاع الشمسي الأفقي المقيسة بواسطة محطات الأرصاد الجوية إلى الإشعاع الحادث على سطح صفوف الألواح الشمسية المائل، مع مراعاة الإشعاع المباشر والإشعاع المنتشر من السماء والإشعاع المنعكس من الأرض بشكل شامل.
- محاكاة خصائص الوحدات: يستخدم نموذجًا فيزيائيًا دقيقًا لوصف الخصائص غير الخطية لإنتاج الوحدات الشمسية، مع مراعاة آثار الإشعاع والدرجة الحرارة المحيطة على الجهد والتيار الخارجي للوحدة، مما يضمن دقة حسابات إنتاج الطاقة.
- نموذج توربينات الرياح:
- تصحيح سرعة الرياح: يقوم بتصحيح سرعة الرياح المرجعية من البيانات الأرصادية إلى سرعة الرياح الفعلية عند ارتفاع مركز التوربين بناءً على القانون الأسي الذي يحكم تغير سرعة الرياح مع الارتفاع.
- تكيف منحنى الطاقة: يستخدم دالة مقسمة (معادلات ثنائية مختلفة للفترات المختلفة من سرعة الرياح) لتحقيق تكيف عالي الدقة لمنحنى إنتاج الطاقة الفعلي للتوربين، مما يتيح حساب الطاقة بدقة على أساس بيانات سرعة الرياح.
2.3 نموذج خصائص البطارية الديناميكية
تعتبر البطارية المكون الرئيسي لتخزين الطاقة، وهي تتمتع بحالات تتغير ديناميكيًا. يركز النموذج بشكل أساسي على:
- حساب نسبة الشحن (SOC): يقوم بمحاكاة ديناميكية عمليات شحن وإفراز البطارية بناءً على العلاقة بين إنتاج الطاقة واستهلاك الحمل في كل خطوة زمنية، مع حساب السعة المتبقية بدقة، مع مراعاة العوامل العملية مثل معدل التفريغ الذاتي وكفاءة الشحن وكفاءة المحول.
- إدارة الشحن والإفراز: لتمديد عمر البطارية، يتم تعريف نطاق تشغيل مقبول لنسبة الشحن (مثلًا، الحد من أعماق الإفراز القصوى إلى 50٪)، ويتم إنشاء نموذج يربط بين جهد الشحن العائم ونسبة الشحن والدرجة الحرارة المحيطة لتحديد شروط الشحن بدقة.
III. طرق تحسين وحجم النظام
3.1 مؤشرات موثوقية التزويد بالطاقة
يركز التصميم على تلبية متطلبات موثوقية التزويد بالطاقة المحددة من قبل المستخدم. تتضمن المؤشرات الرئيسية:
- احتمال فقدان التزويد بالطاقة (LPSP): نسبة وقت انقطاع النظام إلى مجموع وقت التقييم، مما يعكس بشكل مباشر استمرارية التزويد.
- احتمال فقدان الحمل (LLP): نسبة الطلب على طاقة الحمل الذي لا يتم تلبيته بواسطة النظام إلى الطلب الإجمالي. هذا هو المؤشر الأساسي الأكثر أهمية لتصميم التحسين النظامي.
3.2 عملية تصميم التحسين التدريجي
يتبنى هذا الحل عملية تحسين منهجية، تهدف إلى تقليل تكلفة الاستثمار الأولية للمعدات للوصول إلى التكوين الأمثل.
- الخطوة 1: تحسين تكوين الألواح الشمسية والبطارية لسعة ثابتة لتوربينات الرياح
- المهمة الأساسية: تحت شرط أن يكون نموذج وتعداد توربينات الرياح ثابتين، يتم العثور على مزيج من سعة الوحدات الشمسية والسعة البطارية الذي يلبي المؤشر الموثوقية المحدد (LPSP) ويؤدي إلى أقل تكلفة إجمالية للمعدات.
- طريقة التنفيذ: من خلال حسابات المحاكاة، يتم رسم "منحنى التوازن" الذي يمثل جميع تكوينات الألواح الشمسية والبطارية التي تلبي متطلبات الموثوقية. ثم، باستخدام طريقة المماس التكاليف أو غربلة البرنامج الحاسوبي بناءً على أسعار الوحدات للمعدات، يتم تحديد التركيبة المثلى الوحيدة بأقل تكلفة.
- الخطوة 2: التحسين الشامل بتغيير سعة توربينات الرياح
- المهمة الأساسية: تغيير سعة توربينات الرياح أو العدد، وتكرار عملية التحسين في الخطوة 1، والحصول على سلسلة من التكوينات المثلى وتكلفتها المقابلة لسعات توربينات الرياح المختلفة.
- القرار النهائي: مقارنة تكاليف جميع الحلول المرشحة واختيار مزيج الرياح-الألواح الشمسية-البطارية ذو التكلفة العالمية الأدنى كتكوين النظام الأمثل النهائي.
3.3 محاكاة أداء النظام والإخراج
بعد تحديد التكوين الأمثل، يمكن محاكاة تشغيل النظام سنويًا على أساس الساعة، مما ينتج تقارير مفصلة تشمل:
- الأبعاد الزمنية: نسبة شحن البطارية لكل ساعة، توازن الطاقة النظامي.
- الأبعاد الإحصائية: الطاقة غير الملتزمة اليومية/الشهرية/السنوية، مؤشرات الموثوقية (LPSP، LLP)، نسبة مشاركة توليد الطاقة من الرياح والشمس، حالات الفائض والنقص في الطاقة، وما إلى ذلك.
IV. الخاتمة
تقوم طريقة التصميم المحسنة لأنظمة توليد الطاقة الهجينة من الرياح والشمس المقترحة في هذا الحل، بناءً على النماذج الرياضية الشاملة والبيانات الأرصادية المحلية الدقيقة، بتحديد تكوين النظام بأقل تكلفة استثمارية أولية للمعدات مع تلبية متطلبات الطاقة الخاصة للمستخدم ومطالب موثوقية التزويد بالطاقة. هذه الطريقة تعالج بشكل فعال نقاط الضعف لأنظمة توليد الطاقة من مصدر واحد، وتتجاوز حدود الأساليب الحالية للتصميم، وتوفر أداة قوية لتصميم أنظمة توليد الطاقة الهجينة من الرياح والشمس بطريقة علمية وفعالة واقتصادية، مما له قيمة كبيرة في التطبيقات الهندسية.
