محطات الطاقة الكهروضوئية وتحسين أنشطة التشغيل والصيانة

أهمية محطات الطاقة الكهروضوئية وتحسين أنشطة التشغيل والصيانة

نمت القدرة الكهروضوئية المركبة بسرعة منذ عام 2010م، وكما هو موضخ في الشكل التالي (1)، مما يعني أن التقنيات الكهروضوئية لم تنضج بعد وقد تطورت تدريجياً خلال السنوات الثماني الماضية، وفي أوروبا، كان ذلك في الواقع نتيجة مباشرة لاستراتيجية الاتحاد الأوروبي لتعزيز الحوافز المختلفة ودمج المزيد من الطاقة الخضراء في أنظمة القدرة الكهربائية واستبدال المصادر التقليدية وتقليل التلوث واعتماد الاتحاد الأوروبي على الطاقة.

لذلك لا يزال الاتحاد الأوروبي يحافظ بقوة على هذه السياسة، بل إنه فرض أهدافاً جديدة لمصادر الطاقة المتجددة.

لذلك يجب أن تحقق أنشطة التشغيل والصيانة المثلى توازناً بين تطوير الإنتاج وتقليل التكلفة، مع العلم أن تكاليف التشغيل والصيانة يمكن أن تصل إلى 40 كيلوواط / سنة، أيضاً يمكن للتشغيل والصيانة المصمم جيدًا تحسين متوسط نسبة أداء (PV-PP) من (88٪) إلى (94٪)، علاوة على ذلك تتراوح تكاليف التشغيل والصيانة بين (30) و (70٪) من مصاريف التشغيل (OPEX) التي تمثل (11-25٪) من تكاليف الحياة.

حالياً وبالنسبة للتشغيل والصيانة (PV-PP)، بحيث يتم استخدام عدة أنواع من الحلول البرمجية، خاصة لمراقبة (PV-PP) على نطاق واسع، واستناداً إلى البيانات التي تم جمعها من التحكم الإشرافي واكتساب البيانات (SCADA)، يقدم المنتجون المشهورون حلولاً أكثر تقدماً، بما في ذلك التنبؤ وإدارة الأصول، والتي يمكن الوصول إليها عبر خدمات الويب القائمة على السحابة.

كما أن هناك حل آخر معقد يوفر تكامل أجهزة الاستشعار والتحليلات المرئية لنوعين من (PV-PP)، وذلك على الأرض وأسطح المنازل، ومع ذلك، لا تزال هذه الحلول أولية ولم يتم تطويرها على منصات مفتوحة وقابلة للتطوير لتخصيصها لأنواع مختلفة من (PV-PP) ولا تدمج حالياً معالجة الصور أو خوارزميات التحسين لتوفير دعم كامل لأنشطة التشغيل والصيانة.

كما أن الموثوقية تعني قدرة عنصر أو جهاز أو مصنع على أداء وظيفته على النحو المحدد في ظل ظروف معينة خلال فترة مرجعية معينة، كذلك مفهوم الموثوقية مرادف لمفهوم السلامة في العملية، بحيث تم اقتراح مؤشر موثوقية جديد لإظهار جدوى أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة (الشمسية وطاقة الرياح)، ليتوافق مع الحد الأدنى من الطاقة الكهربائية بالساعة الناتجة عن نظام الطاقة المتجددة الهجين باستخدام نهج احتمالي، بحيث يقيس المؤشر المقترح موثوقية النظام من خلال تعظيم استخدام المصادر المتجددة.

المنهجية القائمة على تحسين أنشطة التشغيل والصيانة

تم القيام بتطوير منهجية يتم تمثيلها بيانياً في الشكل التالي (2)، بحيث تم نصمم نموذجاً احتمالياً للموثوقية استناداً إلى سلاسل ماركوف، كما نحلل مؤشرات الموثوقية (القيم المتوسطة) بناءً على الاحتمالات، كما نقترح خوارزمية لحساب قيم الموثوقية الكهربائية القصوى التي تتكون من الحد الأقصى لعدد الانقطاعات (Nmax) والمدة القصوى لمقاطعة واحدة (TFmax).

ونظراً لأن تقنيات المكونات الكهروضوئية لم تنضج بعد (مقارنة بالمعدات الأخرى مثل الخط والمحول وما إلى ذلك)، كما وتختلف بناءً على حجم (PV-PP) والظروف البيئية، كما نقترح هذه المنهجية أيضاً حساباً إحصائياً، كما أن طريقة معدلات الفشل على أساس الأحداث أو الأحداث التاريخية.

النموذج الاحتمالي للموثوقية على أساس سلاسل ماركوف

في نظرية الاحتمالات؛ فإن المفاهيم الأساسية هي التجربة (بالمعنى الحالي) والأحداث الناتجة عن التجربة واحتمالات تحقيق الأحداث، كما أن الحدث عبارة عن تجريد رياضي يمكن رؤيته كنتيجة لتجربة، و على سبيل المثال إذا كان الجهاز في حالة تشغيلية؛ فإنه يبين إن الحدث المحدد على أنه “يعمل الجهاز” يحمل علامة (A)، لذلك إذا لم تعمل هذه المعدات، يبقى حدثاً مكملاً لـ (A) مشار إليه بـ (Ā)، كما أن التجارب التي عولجت بنظرية الاحتمالات لها طابع عشوائي وليس طابع حتمي.

لذا فإن احتمال وقوع حدث (A) يُعرَّف بأنه النسبة بين عدد المواقف المواتية للحدث وعدد المواقف المحتملة:

ومن تعريفات الاحتمالات؛ فإن التعريف البديهي لـ (Kolmogorov) هو:

1- يتوافق مجال الأحداث دائماً مع تجربة (أحداث قد تحدث نتيجة لتلك التجربة).

2- يتوافق كل حدث (A) من الحقل مع رقم موجب [P (A)] يسمى احتمالية الحدث (A) الذي يفي بالشروط التالية:

• بين (0) و (1: 0≤P (A) ≤1).

• احتمال الحدث المؤكد هو (1).

•  احتمال لقاء حدثين غير متوافقين يساوي مجموع احتمالات الحدثين.

كما يتميز تشغيل أي عنصر من عناصر نظام الطاقة (اللوحة الكهروضوئية، المحولات، العاكس، الخط، إلخ) بسلسلة من الحالات التي تصف التشغيل العادي أو أوضاع الفشل، ونظراً لطبيعة الاحتمالية للحالات التي يمر من خلالها التثبيت؛ فإنه يمكن الاعتراف بأن تطور العملية يتم وصفه بسلوك عشوائي، بحيث يتم تحديد تطور العملية من خلال مجموعة من المتغيرات التي تصف مسار العملية.

كما أن معرفة حالات النظام عند (t1، t2،…، tn) يساهم في معرفة الحالة في الوقت (t) من خلال جمع بيانات عن الحالة من اللحظات السابقة، ولكن جميعها متضمنة في أحدث حالة، أي الحالة من اللحظة (tn)، بحيث يجب ألا يغيب عن الأذهان أنه بشكل عام يمكن أن يكون النظام في حالة معينة من خلال عدة حالات متعاقبة، كما وكيف أتى النظام هنا يؤثر على وظيفته اللاحقة، وبالتالي المؤشرات التي تميز موثوقية النظام للحظة (tn).

تعتبر العملية التي لها مثل هذا التطور تتميز بحقيقة أن الحالة التي سيذهب فيها النظام تعتمد على حالته والطريقة التي وصل بها النظام إلى هذه الحالة تسمى “عملية ماركوف”، وفي حالة وجود “عملية ماركوف”، كما تتم الإشارة إلى [P (t ، e ، θ ،)] احتمال أن تكون العملية في الحالة (ξ) في الوقت الحالي (θ) مع العلم أن نفس النظام كان في الحالة (e).

ومع ذلك؛ فإن عمليات ماركوف غير المتجانسة تسمى عمليات ماركوف المنفصلة أو سلاسل ماركوف، بحيث يتكون المخطط التكنولوجي لأي محطة طاقة من مرافق ومعدات مرتبة في تكوين معين توفر وظائف مختلفة من أجل تحقيق الهدف النهائي للمركب بأكمله وهو توليد الكهرباء في هذه الحالة بالذات، وهناك مجموعات مختلفة ممكنة من المكونات قيد التشغيل أو التي تم إيقاف تشغيلها أو إصلاحها نتيجة للفشل تحدد الحالات التي قد تتطور من خلالها محطة الطاقة.

كما تؤدي بعض هذه الشروط إلى تحقيق الهدف التشغيلي لمحطة الطاقة وتسمى حالات النجاح والبعض الآخر يؤدي إلى الفشل الكلي أو الجزئي لهذه الوظيفة وتسمى حالات الفشل أو حالات العيب، وذلك أثناء العملية، كما تنتقل المجموعة من حالة إلى أخرى بسبب تعطل بعض مكوناتها وإعادة تشغيل بعضها نتيجة للإصلاح واستبدال البعض الآخر.

وفي ظل ظروف التشغيل العادية؛ فإنه يُعتبر أن فشل أي عنصر أو إعادة دخوله إلى الخدمة بعد الإصلاح لا يعتمد بشكل مباشر على الوقت، ولكن فقط على وقت دخوله الخدمة أو دخوله في الإصلاح، كما أن هذا النوع من الافتراض يتوافق مع عمليات ماركوف المتجانسة.