التطورات الحديثة في نظام تخزين الطاقة الكهربائية الهجينة

يوفر استخدام أنظمة تخزين الطاقة الهجينة (HESS) في مصادر الطاقة المتجددة (RES) لتوليد الطاقة الكهروضوئية (PV) العديد من المزايا، كما وتشمل هذه زيادة التوازن بين التوليد والطلب وتحسين جودة الطاقة وتسطيح التقطع الكهروضوئي وحتى التردد الكهربائي وتنظيم الجهد في عملية (Microgrid-MG).

تحليل التطورات الحديثة في نظام تخزين الطاقة الكهربائية الهجينة

مصدر الطاقة المتجددة (RES) هو وسيلة بديلة لتوليد الطاقة للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، كما أجريت على نطاق واسع دراسات أولية حول توليد الطاقة القائمة على (RES) مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) والرياح، الطاقة المائية، الكتلة الحيوية، الطاقة الحرارية الأرضية، ومع ذلك وفي العقود القليلة الماضية؛ أصبح توليد الطاقة الكهروضوئية أحد أبرز تقنيات (RES) نظراً لسهولة تركيبها وتكاليف تشغيلها المنخفضة وتشتمل على تقنية ناضجة.

كذلك يُقترح تشغيل توليد الطاقة الكهروضوئية و (Microgrid-MG) كدفعة من الحمل في وضع متصل بالشبكة الكهربائية، بحيث يحتاج توليد الطاقة الكهروضوئية المتصل بـ (MG) إلى نظام تخزين الطاقة (ESS)، والذي يساهم في تكامله عن طريق تسطيح التقلبات الكهروضوئية وتحسين جودة الطاقة واستقرار النظام وتنظيم جهد ناقل التيار المستمر والمساهمة في التردد وما إلى ذلك.

وفيما بعد تم استخدام (EES) لعدة قرون وهي تشهد تحسناً مستمراً، وفي هيكل (ESS)؛ فإنه يتم استخدام العديد من تقنيات تخزين الطاقة (ES) لتخزين الطاقة الكهربائية، كما يوضح الشكل التالي (1) تقنيات (ES) التي تُستخدم عادةً لتوليد الطاقة الكهروضوئية في وضع الاتصال بالشبكة الكهربائية، بحيث تمت دراسة تصنيف مختلف (ES) الكهربائية وكذلك عمليات تحويل الطاقة وكفاءتها.

مساهمة تخزين البطاريات في موازنة الطاقة والحفاظ على المرونة

تعتبر تقنية البطاريات الخاصة بالأنظمة البديلة بمثابة تخزيناً اقتصادياً ومناسباً لموازنة الطاقة، كما ويكون قادراً على الحفاظ على شبكة الطاقة، وفي دعم تطبيقات تخزين الطاقة على نطاق واسع؛ فإن هناك تقنيات تخزين مثل تخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES) وتخزين الطاقة المائية بالضخ (PHES)، ومع ذلك؛ فإن كلا من مخازن الطاقة هذه تعتمد على الأوضاع البيئية والجغرافية، مما يجعل تطورها صعباً.

وعلاوة على ذلك، تعتمد (ESS Flywheel) على التكنولوجيا الكهروميكانيكية مع تأثر استقرارها وكفاءتها بالأجزاء الميكانيكية، بحيث تعد تقنية (ESS Supercapacitor-SC) مثالاً على التخزين الكهروستاتيكي، وذلك مع قابلية عالية لإعادة التدوير وكثافته، كما أن عملية تخزين الطاقة المغناطيسية تكون فائقة التوصيل، حيث (SMES) هو مثال على (ESS) الذي ينتج تخزين الطاقة الكهربائية مباشرة في مجال مغناطيسي يتم الحصول عليه عن طريق تدفق التيار الكهربائي.

استراتيجيات نظام تخزين الطاقة الكهربائية الهجينة

في (MG) يمكن أن يؤدي تفريغ أو شحن المخالفات في (ESS) إلى تقصير عمر التخزين، حيث أن (HESS) هو الحل الصحيح لحل تحديات توليد الطاقة الكهروضوئية و (MG)، بحيث تناولت دراسات مختلفة التأثير الإيجابي لـ (HESS) على توليد الطاقة الكهروضوئية و (MG)، ونظراً لوجود العديد من (ESSs) ذات الخصائص المختلفة؛ فإنه يتم إنشاء العديد من مجموعات HESS الممكنة اعتماداً على الغرض من عملية التهجين.

وفي (HESS)، ومن الناحية المثالية؛ يكون التخزين الواحد هو تخزين عالي الطاقة (HE)، كذلك يتم استخدام التخزين عالي الطاقة (HES) مثل (ESS1) لتلبية الطلب على الطاقة على المدى الطويل، أيضاً التخزين الآخر هو التخزين المخصص لتغطية التطبيقات عالية الطاقة (HP)، بحيث يتم استخدام التخزين عالي الطاقة (HPS) مثل (ESS2) للتعامل مع عابرات الطاقة وتقلبات التحميل السريع.

لذلك يحتاج (HPS) إلى وقت استجابة سريع وكفاءة عالية ودورة حياة عالية، كما أنه يتم عرض العديد من تقنيات (ES) مع (HPS و HES)، من خلال الشكل السابق (1)، كما وتشمل الخصائص التقنية المثالية لـ (HESS) طاقة الكثافة وقوة الكثافة ووقت الاستجابة وكفاءة الطاقة نفسها، بالإضافة الى سهولة التنفيذ والمتانة، باختصار تستفيد (HESS) من (HES ،HPS) لتحقيق الأداء المطلوب.

كما تشير طاقة الكثافة (Wh / L) والطاقة (W / L) إلى الحد الأقصى للطاقة والطاقة المتاحة لكل وحدة حجم، في حين أن وقت الاستجابة هو طول الوقت، لذلك؛ فإن جهاز التخزين يطلق الطاقة، وعلاوة على ذلك تشير كفاءة الطاقة إلى مستوى استخدام الطاقة الكيميائية والكهربائية، كما تصف سهولة التنفيذ صعوبة تركيب وصيانة نظام جديد للتأكد من أنه يعمل بشكل صحيح في ظل الظروف المثلى.

تحسين التقطع الحاصل على تقلبات الطاقة الهجينة (RES)

استخدمت العديد من الدراسات HESS (بطارية SC) لتسوية تقلبات (RES) في الكهروضوئية وطاقة الرياح، كما يمكن دمج (ESS) لحل التقلبات في مصدر إنتاج الطاقة في توليد الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح، والتي تشتمل على العديد من مكونات التردد ذات السعات المتفاوتة.

وفي هذا الصدد؛ فإن (HESS) ذات الاستجابة المنخفضة والعالية السرعة لديها القدرة على تسهيل العملية بشكل أفضل من (ESS) واحد، كما يمكن تسطيح طاقة الرياح المتذبذبة على المدى القصير والطويل باستخدام خوارزمية تحويل الموجات في تكوين قدرة (HESS)، بحيث تُستخدم تركيبة (Battery-SC) للنظر في توزيع التردد الكهربائي لمخرجات توليد طاقة الرياح.

تحسين جودة الطاقة الهجينة ذات الأغراض المتعددة

يعتبر (HESS) ليس فقط لإدارة الطاقة من (RES)؛ بل هو أيضاً لأغراض متنوعة لجودة الطاقة، مثل تنظيم تردد الإدارة وزيادة استقرار النظام والحمل الكهربائي غير المتوازن وزيادة تنظيم جهد ناقل التيار المستمر في (MG) عن طريق الشحن أو التفريغ السريع للبطارية للتكيف مع تغيرات القوة المفاجئة، وعلاوة على ذلك يتم التحقيق في فوائد (HESS) وتقديمها من خلال:

• تنظيم التردد الكهربائي: تنقسم ضوابط إدارة التردد في استخدام (HESS) إلى نوعين، وهما النظام خارج الشبكة والنظام على الشبكة، وعلاوة على ذلك؛ فإن الاختراق العالي لتوليد الطاقة (RES) في النظام الكهربائي له تأثير سلبي على القصور الذاتي للنظام بشكل كلي.

• لائحة الحمل الكهربائي غير المتوازن: يعد توفير الطاقة عالية الجودة للمستهلكين قضية أساسية لشركة (MG)، والتي تتيح التعامل مع الظروف غير المتوازنة وغير الخطية باستخدام (HESS)، وعلاوة على ذلك تم تحسين جودة الجهد (MG) من خلال تطبيق طريقة التحكم في الجهد المتسلسل السلبي.

• تنظيم جهد ناقل التيار المستمر: تعد المشاكل المرتبطة بزيادة جهد وصلة (DC) في (MG)، ومع ذلك وعلى الرغم من هذه المشاكل، ولأسباب متنوعة؛ فإنه يفضل الكثيرون الحافلة المشتركة المستقلة (MG DC)، وبالإضافة إلى ذلك يعد تنظيم جهد ناقل التيار المستمر السريع والدقيق أحد المشكلات المهمة في (MG) المستقل.

• تنظيم حمل النبض: في حين أن متوسط الطاقة منخفض؛ فإن حمل النبض يتطلب قوة فورية عالية، بحيث تنشأ اضطرابات التوزيع في الطاقة والحرارة عند استخدام مصدر طاقة واحد لتزويد الأحمال النبضية، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يمكن تحقيق العديد من المزايا أثناء دمج تقنية الطاقة وكثافة الطاقة في النظام.

وفي النهاية؛ حللت هذه الدراسة تنفيذ (HESS) لتوليد الطاقة الكهروضوئية لتحقيق توازن ديناميكي للقوة والطاقة، كما أنها ركزت على (HESS) من خلال الجمع بين تقنيتي تخزين على أساس خصائص (HPS ،HES)، كما قدم أيضاً نظرة عامة موجزة عن حجم السعة وطوبولوجيا محول الطاقة لـ (HESS) في توليد الطاقة الكهروضوئية.