اقرأ في هذا المقال
تُستخدم الطاقة المتجددة على نطاق واسع كطاقة نظيفة في العالم، ومع ذلك يؤدي التقطع في توليد الطاقة من محطات الطاقة المتجددة إلى رداءة نوعية إمدادات الطاقة، ومع ذلك يمكن تثبيت نظام الطاقة الهجين وبعض أجهزة تخزين الطاقة للتخفيف من تذبذب الطاقة لتحقيق تجانس الطاقة بأنواعها.
أهمية التشغيل الأمثل للنظام الكهربائي الهجين
يلعب الإمداد بالكهرباء دوراً متزايد الأهمية في تنمية الاقتصاد، أما الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي هي مصادر الطاقة الأولية الرئيسية التي تستخدم لتوليد الكهرباء، ونظراً لأن الوقود الأحفوري غير متجدد وينتهك مفهوم التنمية الخضراء؛ تُستخدم الطاقة المتجددة على نطاق واسع كطاقة نظيفة ناشئة على مستوى العالم.
كذلك تعد مصادر الطاقة البديلة مثل الطاقة الكهرومائية (HP) والطاقة الكهروضوئية (PV) وطاقة الرياح (WP) حالياً أكثر مصادر الطاقة المتجددة استخداماً على نطاق واسع، كذلك قد تكون الطاقة الكهرومائية الصغيرة (MHP) المبنية على مجرى النهر مفيدة جداً لتزويد كهرباء الريف، كما أنه لا يمكن للطاقة المتجددة أن تخفف فقط من استهلاك الطاقة غير المتجددة ولكن أيضاً تقلل التكلفة الاقتصادية لتوسيع شبكات الطاقة التقليدية إلى المناطق النائية، بالإضافة إلى ذلك؛ يمكنها تعزيز التنمية الاقتصادية في المناطق النائية.
ومع ذلك؛ فإن توليد الطاقة من محطة طاقة متجددة معلومة وقائمة بذاتها يعتمد على العديد من العوامل البيئية، بحيث تتميز (HP) بالمرونة في تشغيل نظام الطاقة ويمكنها تلبية متطلبات تنظيم ذروة التردد الكهربائي بسرعة، كما يتأثر الناتج الكهروضوئي بشكل أساسي بالإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة وسرعة الرياح، أيضاً يتأثر خرج الفسفور الأبيض بسرعة الرياح واتجاه الرياح.
مساهمة أنظمة الطاقة المتجددة في عملية الامداد الكهربائي
قد يكون نظام الطاقة المتجددة الهجين (HRES) طريقة واعدة لحل المشكلات المذكورة أعلاه، مثل نظام هجين الرياح الكهروضوئية (WP-PV)، بحيث يمكن أن يكمل كل منهما الآخر على نطاق مكاني للتعويض عن التقلب اللحظي في سرعة الرياح والإشعاع الشمسي، كما يتمتع (HRES) هذا بتفوق أعلى من محطات الطاقة المتجددة المستقلة، ومع ذلك؛ فإن سرعة الرياح المتقلبة والإشعاع الشمسي المتقطع يصعب تعويض بعضهما البعض بشكل كامل، كما أن (WP-PV) سيشكل أيضاً درجة معينة من الإنتاج المتقطع.
أيضاً تتميز (HP) بالمرونة، وذلك ضمن تشغيل نظام الطاقة الكهربائية ويمكنها تلبية متطلبات تنظيم ذروة التردد، بحيث يمكن للنظام الهجين للطاقة الكهروضوئية (HP-PV) تعويض العشوائية وتقلب الناتج الكهروضوئي وكذلك تحسين كفاءة استخدام الموارد الكهروضوئية ورفع جودة إمداد الطاقة واستقرار نظام الطاقة الكُلي وتحسين هيكل شبكة الطاقة، وبالتالي يكون تفوق (HP-PV) أمر بديهي.
الوصف الخاص بالنظام الكهربائي وإجراءات النمذجة
في هذا القسم، يتم وصف مخطط النظام، كما ويتم صياغة النموذج الرياضي لـ (PV) و (PHS) من خلال النظر في جميع معطيات النظام المهمة.
- الوصف الشامل للنظام: يوضح الشكل التالي (1) مخطط النظام الفيزيائي للنظام الهجين (MHP-PV-PHS) في مقاطعة (Xiaojin) في الصين، والذي يحتوي على (MHP) للجري النهري ومحطة الطاقة الكهروضوئية و (PHS)، كما يتم توصيل جميع المكونات في النظام الهجين بنفس ناقل التيار المتردد، حيث يتم توفير طاقة الطلب على الحمل السكني بشكل أساسي من خلال النظام الهجين (MHP-PV-PHS)، كما يتم التحقيق في التشغيل الأمثل لنظام (PHS) في ظل ظروف خارج الشبكة في هذا العمل.
- النماذج الرياضية: يظهر نموذج توليد الطاقة الكهروضوئية، والذي يتأثر توليد الطاقة للمصفوفة الكهروضوئية بشكل أساسي بالإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة البيئية وسرعة الرياح، والتي يمكن صياغتها على النحو التالي:
حيث أن:
(PPV): هو توليد الطاقة مع الإشعاع الشمسي.
(Gc): تمثل درجة حرارة السطح.
(Tc): على المصفوفة الكهروضوئية.
(PSTC): هو معدل توليد الطاقة للمصفوفة الكهروضوئية في ظل الحالة القياسية، كما ويمكن أن تعطي الشركة المصنعة هذه الخاصية.
(k): هو معامل درجة الحرارة بمعدل (GSTC = 1 كيلو واط / م²).
(TSTC): هي درجة الحرارة المرجعية البالغة (25) درجة مئوية، بحيث يمكن صياغة درجة حرارة السطح على مجموعة (PV) عل النحو التالي:
حيث أن:
(Ta): هي درجة حرارة البيئة.
(μ): هو المعامل الذي يرتبط بسرعة الرياح.
وبالنسبة لتوليد الطاقة لمحطة الكهروضوئية؛ فإنه يمكن الحصول عليها بواسطة المعادلة السابقة، ومع بيانات الإشعاع الشمسي ودرجة حرارة البيئة؛ تُستخدم بيانات قدرة (MHP) التاريخية في دراسة الحالة، لذلك لم يتم تقديم نموذج (MHP) في هذا العمل.
- النموذج الرياضي لنظام الضخ المائي: يستخدم المبدأ الأساسي لنظام (PHS)، وهو العمل البديل للمضخة والتوربينات المائية لتحقيق طاقة الشحن والتفريغ، وخلال ساعات خارج الذروة لاستهلاك الطاقة؛ تعمل (PHS) في وضع المضخة أو المحرك لتخزين الطاقة الزائدة عن طريق ضخ المياه من الخزان السفلي إلى الخزان العلوي وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة الجاذبية الكامنة.
أما أثناء نقص طاقة الحمل الكهربائي؛ يعمل (PHS) في وضع التوربينات المائية أو المولد لتوليد طاقة كافية لتلبية طلب الحمل عن طريق تحويل طاقة الجاذبية الكامنة إلى كهرباء، بحيث يمكن استخدام (PHS) لتوليد الطاقة بكفاءة رحلة الذهاب والإياب بنسبة (70-80٪) في النظام الهجين، كذلك تبلغ كفاءة المضخة والتوربينات المائية (83٪ ، 86٪) على التوالي، أيضاً تتم صياغة حالة تخزين الطاقة في (PHS) على النحو التالي:
- أولاً: وضع المضخة أو وضع المحرك، وفي هذه الحالة يمكن التعبير عن كمية المياه من الخزان السفلي عن طريق الضخ، وذلك كما في المعادلة التالية:
حيث أن:
(q-Pump): هو معدل تدفق الماء الحجمي من الخزان السفلي إلى المضخة (m3 / h).
(Pump): هي الكفاءة الكلية للمضخات.
(PPumpPHS): هو قوة الشحن (MW).
(g): هو تسارع الجاذبية (9.81 م/ث2).
(H): هو ارتفاع الارتفاع (م).
- ثانياً: وضع التوربينات المائية أو المولد، وهنا يتم استخدام الماء الموجود في الخزان العلوي لتشغيل التوربينات المائية، بحيث يمكن التعبير عن الطاقة المتولدة من التوربينات المائية أو المولد من خلال المعادلة التالية:
حيث أن:
(P-TurbinePHS): هو توليد الطاقة من التوربينات المائية (MW).
(Turbine): هو الكفاءة الكلية للتوربينات المائية.
(q-Turbine): هو معدل تدفق المياه الحجمي من الخزان العلوي إلى التوربينات المائية (m3 / h).
- ثالثاً: نموذج حجم الماء للخزان العلوي، وهنا يمكن صياغة كمية المياه الإجمالية المخزنة في الخزان العلوي على النحو التالي:
حيث أن:
[Q (m3)]: هي كمية الماء في الخزان العلوي في الوقت (t).
(ϕ): هي معامل التبخر والتسرب.
ونظراً لعدم وجود قيود على كمية المياه في الخزان السفلي في هذا العم؛ فمن المفترض أن هناك سعة تخزين كافية للخزان السفلي، كما يمكن اعتبار تغيير كمية المياه في الخزان العلوي حالة الشحن (SoC) مثل البطارية، كذلك يمكن كتابة (SoC) على النحو التالي:
حيث أن (Vmax) هو حجم الخزان العلوي.
وأخيراً تم اقتراح مفهوم النظر في كل من التشابه بين التوليد الكهربائي والحمل واقتصاد نظام تخزين الطاقة لأول مرة في النظام الهجين خارج الشبكة الكهربائية (MHP-PV-PHS)، والذي تم حله عن طريق خوارزمية التحسين، بحيث تم تطوير نموذج التحسين وبرنامج المحاكاة اللازمة.
