تكنولوجيا النوابض الكهربائية ومعاينة الحمل الذكي

يأتي الاستخدام المتزايد لمصادر الطاقة المتجددة لمكافحة تغير المناخ مع التحدي المتمثل في اختلال توازن الطاقة وقضايا عدم الاستقرار في شبكات الطاقة الناشئة، وذلك للتخفيف من تقلبات الطاقة الناشئة عن الطبيعة المتقطعة لمصادر الطاقة المتجددة.

التركيز على أهمية تكنولوجيا النوابض الكهربائية لمعاينة الأحمال

على سبيل المثال يعتبر الانكماش السريع للجليد البحري في القطب الشمالي والقارة القطبية الجنوبية وحرائق الغابات الضخمة في غابات الأمازون، بالإضافة الى تجاوز تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بمعدل (400) جزء في المليون والارتفاع المستمر في حموضة مياه البحر ودرجة الحرارة العالمية، كلها عوامل أدت الى أدت إلى احتياجات ملحة لمعالجة قضايا تغير المناخ.

لذلك تعد الطاقة المتجددة وتحويل الطاقة النظيفة وتخزين الطاقة والطاقة النووية واحتجاز الكربون وعزله واستبدال مركبات الاحتراق بأخرى كهربائية وتصميمات المباني المستدامة جزءاً من الحلول الحالية لمكافحة تغير المناخ، واستناداً إلى بيانات عام (2019)م، والتي قدمتها الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA)؛ فإن الطاقة الشمسية (94 جيجاوات/ + 24٪ مقارنة بعام 2017) وطاقة الرياح (49 جيجاوات / + 10٪ مقارنة بعام 2017) هما أهم اثنين من مصادر الطاقة المتجددة المهيمنة تم تركيب قدرات الطاقة في عام (2018)م.

تحقيق التوازن بين الأحمال الكهربائية والحاجة للطاقة

يطرح الاستخدام المتزايد لطاقة الرياح والطاقة الشمسية ذات الطبيعة المتقطعة؛ تظهر تحديات جديدة لاستقرار نظام الطاقة، الأمر الذي يتطلب توازناً فورياً بين إمدادات الطاقة والطلب على الأحمال، وفي الواقع لن تؤدي مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة إلى انهيار نظام الطاقة فحسب؛ بل قد يتم أيضاً تصدير مشكلات عدم الاستقرار إلى البلدان المجاورة بشبكات الطاقة المتصلة بنفس الشبكة الفائقة.

كما تتبنى أنظمة الطاقة التقليدية مبدأ التوليد المركزي مع نموذج التحكم في “توليد الطاقة (العرض) بعد طلب الحمل” وتدفق الطاقة أحادي الاتجاه من محطات الطاقة إلى مراكز التحميل، ومع زيادة قدرات توليد الطاقة المتجددة الموزعة؛ لم يعد نموذج التحكم لتوليد الطاقة المركزية صالحاً لشبكة الطاقة المستقبلية.

لذلك يشير توليد الطاقة المتجددة الموزعة في مراكز التحميل إلى تدفق طاقة ثنائي الاتجاه في شبكات الطاقة وتوليد الطاقة المتجددة له طبيعة عشوائية، وبالنسبة لشبكة الطاقة الناشئة؛ فإن هناك حاجة إلى تغيير جذري في نموذج التحكم من أجل “تحميل الطلب بعد توليد الطاقة” لتحقيق توازن الطاقة من أجل استقرار النظام، كما يتم إبراز الاختلافات الرئيسية بين شبكات الطاقة التقليدية والناشئة في الجدول التالي (1).

معاينة استجابة الطلب حسب طبيعة استخدام الأحمال الكهربائية

استجابة الطلب أو (DSM) ليست مفهوماً جديداً، بحيث تستخدم شركات الطاقة طرق الاستجابة التقليدية للطلب مثل:

• جدولة الأحمال القابلة للإلغاء (مثل الغسالات ذات المحركات وغسالات الصحون).

• تخزين الطاقة والتسعير في الوقت الفعلي والتشغيل المباشر مروراً الى إيقاف التحكم في (NCLs) للتخفيف من متطلبات الذروة.

وعلى الرغم من أن هذه الأساليب لها مزاياها؛ إلا أن لها قيوداً متأصلة، على سبيل المثال لا يمكن تحقيق جدولة الحمل إلا بعد أيام أو ساعات ولا يمكن أن توفر استجابة فورية للطلب وقد يتسبب التحكم المباشر بين التشغيل والإيقاف في أحمال العملاء في إزعاج المستخدم.

وعلاوة على ذلك، قد لا تقدم طرق الاستجابة للطلب التقليدية حلولاً حتى إذا كان العرض الكلي لطاقة النظام والطلب على الحمل متوازنين، على سبيل المثال، قد يؤدي الحقن المفرط للطاقة الكهروضوئية في خط التوزيع المحلي إلى جهد زائد عابر، لذلك تستحق طرق الاستجابة السريعة والموزعة للطلب مزيداً من الاهتمام.

تحليل المفهوم العميق والمفصل للنوابض الكهربائية ES

يعتبر الزنبرك الميكانيكي عبارة عن جهاز مرن يمكن استخدامه من أجل:

• توفير الدعم الميكانيكي.

• تخزين الطاقة الميكانيكية.

• التذبذبات الميكانيكية الرطبة.

وعند ضغطه أو شده؛ فإنه يبذل قوة معاكسة تتناسب مع تغيره في الإزاحة، بحيث يتم تخزين الطاقة الكامنة (PE) في الزنبرك الميكانيكي عندما ينحرف طول الزنبرك عن طوله الطبيعي، وهو وصف هوك الخاص بمبدأ الزنبركات الميكانيكية في (1678)، بحيث ينص قانون هوك على أن قوة الزنبرك الميكانيكي المثالي هي:

حيث أن:

(F): هو متجه القوة.

(k): هو ثابت النابض (الزنبرك).

(x): متجه الإزاحة، بحيث يتم تخزين (PE) في الزنبرك الميكانيكي.

وعلى غرار الزنبرك الميكانيكي؛ فإن (ES) هو جهاز كهربائي يمكن استخدامه من أجل:

• توفير دعم الجهد الكهربائي.

• تخزين الطاقة الكهربائية.

التذبذبات الكهربائية الرطبة حسب الشكل التالي (1)، بحيث يتم التعبير عن العلاقة المادية الأساسية لـ (ES) كـ:

حيث أن:

(q): هي الشحنة الكهربائية المخزنة في مكثف بالسعة (C).

(va): هو فرق الجهد الكهربائي عبر المكثف.

(ic): هو التيار المتدفق إلى المكثف وذلك حسب الشكل التالي (2)، بحيث يمكن رؤية قدرة تخزين الطاقة في (ES) من الطاقة الكهربائية الكامنة المخزنة في المكثف من خلال:

لذا؛ فإن المكثف الكهربائي (C) يعمل كعنصر تخزين الطاقة لـ (ES)، كما ويمكن اعتبار الجهد (va) كجهد (ES) (VES).

مستوى توزيع الطلب والاستهلاك على الطاقة بشكل منتظم

يتم توزيع (NCLs) على نطاق واسع على جانب الطلب وتستهلك نسبة عالية نسبياً من استخدام الكهرباء، كما أن استهلاك الكهرباء يكون حسب الاستخدام النهائي على سبيل المثال في هونغ كونغ  في عام (2016)م، وذلك كما هو مبين في الجدول التالي (2)، بحيث يشير إلى أن (TCL) الذي يتضمن أحمال (HVAC) (مثل التدفئة والتهوية ومكيف الهواء)، (EWHs) والثلاجات تمثل (27٪ – 57٪) من إجمالي استخدام الكهرباء في الاستهلاك السكني والتجاري والصناعي حول العالم.

كما يوضح الشكل التالي (3) مفهوم موازنة الطاقة اللحظية لإمداد الطاقة والطلب باستخدام تقنية (ES)، بحيث ينظم (ES) جهد التيار المتردد القياسي لـ (CL)، كما ويصبح خرجه جهداً متكيفاً للتيار المتردد لـ (NCL)، بحيث يستهلك (NCL) الطاقة (PNCL) بشكل تكيفي لمتابعة ملف توليد الطاقة المتقلب في الوقت الفعلي.

في النهاية تستعرض هذه الدراسة مجمل الأبحاث والتطويرات الحديثة لتكنولوجيا (ES) وتطبيقاتها في الشبكة الذكية، وذلك على غرار الينابيع الميكانيكية للهياكل الميكانيكية، بحيث تم إدخال (ESs) لدعم واستقرار شبكة الطاقة مع زيادة الاضطرابات الناجمة عن الاختراق العالي لمصادر الطاقة المتجددة ذات الطبيعة المتقطعة.

وحتى الآن؛ فإنه تم اقتراح العديد من إصدارات (ES) واستراتيجيات التحكم المرتبطة بها والتحقق منها عملياً في الشبكات الصغيرة، إلى جانب التخفيف من تقلبات الجهد والتردد في التيار الكهربائي، بحيث توفر (ES) أيضاً وظائف مساعدة أخرى مثل تحسين جودة الطاقة وتقليل اختلال توازن الطاقة وفقدان طاقة التوصيل في أنظمة الطاقة الكهربائية.

كذلك تظهر مراجعة الدراسات أن هناك اتجاهاً متزايداً لدراسة مجموعة كبيرة من (ES) الموزعة في أنظمة الطاقة واسعة النطاق، وذلك مع وصول (ES) إلى مرحلة التقييم العملي من قبل صناعة الطاقة، كما من المتصور أن تقدم تقنية (ES) حلاً عملياً لتسريع اعتماد مصادر الطاقة المتجددة دون التسبب في عدم الاستقرار في شبكة الطاقة لمكافحة تغير المناخ.