موازنة أحمال موفرة للطاقة الكهربائية في ظل الإمداد الأمثل

أهمية موازنة أحمال موفرة للطاقة الكهربائية في ظل الإمداد الأمثل

على مدى العقد الماضي، أدى التقدم التكنولوجي الفائق في الأجهزة المحمولة جنباً إلى جنب مع زيادة شعبية تطبيقات الوسائط المتعددة المكثفة إلى تسريع الارتفاع المذهل في الطلب على البيانات، كما توقعت دراسة حديثة حول حركة البيانات المتنقلة العالمية أن يزيد عدد المشتركين الفريدين في الهاتف المحمول إلى (6.2) مليار بحلول نهاية عام 2023م.

ولتلبية الطلب المتزايد من المستخدمين، يقوم مشغلو الاتصالات بنشر المزيد من (BS)، مما يؤدي إلى زيادة جزء حيوي من استخدام الطاقة في الاتصالات المتنقلة؛ أفادت وكالة الطاقة الدولية (IEA) في أحدث توقعاتها العالمية للطاقة، وحب توقعات الطاقة العالمية 2018م (WEO2018)، أنه من المتوقع أن ينمو الطلب العالمي على الطاقة بنحو (27٪) أو (3،743) مليون طن من المكافئ النفطي في جميع أنحاء العالم من 2017م إلى 2040م.

كما أن الاستهلاك السنوي للطاقة من قبل صناعة الهاتف المحمول قد زاد من (219) تيراوات ساعة في عام 2007م إلى (519) تيراواط ساعة في عام 2019م، كما ومن المتوقع أن يرتفع الطلب بمعدل سنوي قدره (10٪)، وعليه؛ فإن فاتورة الكهرباء لشبكات الاتصالات على مستوى العالم تزيد عن عشرة مليارات في السنة.

كما من المتوقع أن يزداد تدفق غازات الاحتباس الحراري المنبعث من قطاع تكنولوجيا المعلومات والاتصالات من (1700) قنطار في عام 2014م إلى (235) قنطاراً بحلول عام 2020م، وذلك مع توليد (51٪) من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من صناعة الاتصالات.

كما أن هناك جانب سلبي آخر، بحيث تساهم (BS) في شبكات الوصول اللاسلكي (RAN)، وذلك بحوالي (60-80٪) من إجمالي نفقات الطاقة وتضع عبئاً ثقيلاً على إمدادات الشبكة الكهربائية (EG) للتعامل مع مسألة الطاقة المستدامة، بحيث استجابة لطلب تقليل استهلاك طاقة الشبكة والجوانب البيئية، كما يركز مشغلو الهواتف الخلوية على نطاق واسع على الاتصالات الخضراء مع التركيز على الآثار البيئية.

وفي الآونة الأخيرة، حققت شبكات الوصول في أنظمة الاتصالات اللاسلكية الخضراء التي توفرها الطاقة المتجددة المستدامة والموثوقة نتيجة ملحوظة، والتي جذبت اهتماماً كبيراً في كل من الصناعة والأوساط الأكاديمية، وعلى سبيل المثال، صممت شركة (Huawei) قواعد بيانات خضراء تحت شبكة (3G) في بنغلاديش تعمل بالطاقة الشمسية الكهروضوئية لتقليل الاعتماد الوحيد على الشبكة الكهربائية.

لذلك من الشائع أن نظام الشبكة الكهربائية كافٍ كمصدر طاقة لمحطة القاعدة حيث يوجد اتصال الشبكة، بحيث ينتج عن استخدام الطاقة الشبكية محتويات كربونية ضارة تؤدي بشكل كبير إلى تلوث الهواء وارتفاع درجة حرارة العالم وتلف طبقة الأوزون، علاوة على ذلك؛ فإن الكفاءة المنخفضة والتشغيل والصيانة الروتينية تجعل النظام أقل موثوقية ويؤدي إلى انقطاع التيار أثناء فشل الشبكة الكهربائية.

هندسة النظم والنمذجة الخاصة بموازنة الأحمال الكهربائية

يظهر الرسم التخطيطي لنظام الشبكة الخلوية الشمسية الكهروضوئية (EG)، والتي تعمل بالبطارية في الشكل التالي (1)، بحيث تتكون قاعدة بيانات (LTE) الماكرو عادةً من أجهزة الإرسال والاستقبال (TRXs) ومضخمات الطاقة (PAs) ووحدة التردد الراديوي (RF، ووحدة النطاق الأساسي (BB) ومصدر طاقة (DC-DC) ونظام تبريد خاص.

كما يتم تشغيل (BS) بواسطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بالإضافة إلى شبكة المرافق العامة ويتم توفير الطاقة الاحتياطية بواسطة بنك البطارية، بحيث تستهلك (BS) الطاقة من نظام الشبكة الكهربائية في حالة نقص الطاقة المولدة من الشمس.

لذلك؛ فإن هناك ثلاثة تكوينات (BS) مختلفة وهي الماكرو (2/2/2)، وهي الماكرو أومني والجزئي، بحيث تبنت (BSs) الخلوية الكلية الحديثة على نطاق واسع مفهوم المحطة الأساسية الموزعة التي يتم فيها فصل وحدة معالجة إشارة النطاق الأساسي عن وحدة التردد الراديوي التي يتم تعريفها على أنها رأس راديو بعيد.

لوحة الطاقة الشمسية الكهروضوئية: تعتبر الألواح الشمسية الكهروضوئية عبارة عن ألواح تتكون من خلايا شمسية متعددة متصلة ومتسلسلة ومتوازية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، بحيث تتأثر كمية الطاقة الشمسية التي تولدها الألواح الكهروضوئية الشمسية في الغالب بالموقع والمواد وإمالة الألواح الشمسية وتكنولوجيا تجميع الطاقة.

وعلاوة على ذلك؛ فإنه يمكن دمج نظام المراقبة الذكي القائم على إنترنت الأشياء (IoT) للتحكم في الطاقة المولدة لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، كما يمكن تحديد الطاقة السنوية التي تنتجها الألواح الشمسية الكهروضوئية على النحو التالي:

حيث تعبر (RPV) عن السعة المقدرة للوحة الكهروضوئية الشمسية (kW)، كما وتعني (PSH) ساعة الذروة الشمسية المحسوبة من متوسط القيمة و (PV) هي كفاءة اللوحة، بحيث يعرض الشكل التالي (2) الإحصاء الشهري للإشعاع الشمسي ومؤشر الوضوح.

الشبكة الكهربائية: بشكل عام تعتبر الشبكة الكهربائية عبارة عن نظام مترابط يستخدم لتزويد الطاقة بالحمل الكهربائي، وفي هذا العمل تم ربط نظام البطاريات الشمسية أو الكهروضوئية المقترح بشبكة المرافق لتقاسم الكهرباء الزائدة من الشبكة أو إليها، مما يضمن أقصى استفادة من الطاقة المتجددة من خلال الحفاظ على جودة الخدمات (QoS).

البنك أو البطارية: يعتبر بنك البطارية هو جهاز مساعد يخزن فائض الكهرباء أثناء توليد الذروة، كما ويزود (BS) في حالة نقص الطاقة أو انقطاعها، بحيث تعد حالة شحن البطارية (BSOC) عاملاً مهماً في اختيار أجهزة التخزين، كذلك الحد الأدنى لحالة الشحن هو الحد الأدنى لتفريغ البطارية، كما يشير عمق التفريغ (BDOD) إلى الحد الأقصى لإمداد الطاقة من بنك البطارية المحدد من المعادلة أدناه:

ومع ذلك؛ فإن استقلالية نظام البطارية (Baut) تشير إلى حد الفترة المحتملة حتى أن جهاز التخزين يمكنه توفير الكهرباء الأساسية لتشغيل حمولة (BS) إذا كانت مصفوفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في حالة فشل؛ فإنه يمكن تمثيل استقلالية بنك البطارية على النحو التالي:

حيث أن (Nbatt) هو العدد الإجمالي للبطارية المستخدمة في بنك البطارية، كذلك (Vnom) هو القيمة النظرية للجهد لبطارية واحدة (V)، أيضاً (Qnom) هي السعة الاسمية للبطارية الفردية (Ah) و (LBS) هو متوسط حمل (BS) اليومي بالكيلوواط /ساعة.

أيضاً يمكن حساب دورة حياة البطارية (Lbatt) مباشرة بتكاليف الاستبدال للمشروع المقترح باستخدام المعادلة التالية:

حيث أن (Tbatt) هو عمر بطارية واحدة (kWh)، و (Ta) هو الإنتاجية السنوية للبطارية (kWh / year) و (Rbatt ، f) هو عمر تعويم البطارية (سنة).

المحول الخاص بالقدرة (Converter): من بين أنواع المحولات المختلفة، العاكس وهو أداة تستخدم لتحويل جهد التيار المتردد إلى جهد تيار مستمر، بحيث تعتمد سعة العاكس في الغالب على حجم الحمل وكفاءة العاكس ويمكن حسابها على النحو التالي:

حيث تمثل (LAC) ذروة حمل التيار المتردد بالكيلوواط، وهي كفاءة العاكس بالنسبة المئوية و (sf) هي عامل الأمان.

نموذج استهلاك الطاقة (BS): ترتبط النمذجة والتحجيم الأمثل للنظام المقترح ارتباطًا مباشراً باستهلاك الطاقة في المحطة الأساسية، بحيث يلخص الجدول التالي (1) استهلاك الطاقة لكل مكون منفرد من (LTE) الماكرو / الجزئي (BS) لأعلى كثافة حركة مرور. من ناحية أخرى، كما يمثل الجدول (2) معطيات المفتاح (BS).