إمدادات الطاقة: المؤسسة الحرجة للهياكل الأساسية لزراعة النجوم

إن تحديث الشبكة الكهربائية إلى شبكة ذكية ومستجيبة غالبا ما تسمى شبكة ذكية - ديداندز أكثر من مجرد أجهزة استشعار وبرامجية، ويعتمد الهيكل بأكمله على نظام إيكولوجي قوي وموثوق ومكيف لتوريد الطاقة، وبدون إمدادات الطاقة التي تصمم لتلبية المطالب الفريدة للشبكة الرقمية، والتكامل المتجدد، وتدفق الطاقة ذات الاتجاهين، لا تزال شبكة ذكية مفهوما نظريا.

تحديد إمدادات الطاقة في سياقات الجريمه الذكية

وفي الشبكات التقليدية، تعني إمدادات الطاقة ببساطة توليد الكهرباء من المصانع المركزية بكميات كبيرة، وفي شبكة ذكية، يتسع نطاق المصطلح بدرجة كبيرة، وتشمل إمدادات الطاقة جميع الأجهزة والنظم الفرعية التي توفر الطاقة الكهربائية اللازمة لمكونات الشبكة، بما في ذلك المحولات، والمحولات، والبطاريات، وخلايا الوقود، وحتى الإمدادات المنخفضة الحجم من البلدان النامية التي توفر وحدات الاتصالات والمجسات، ويجب عليها معالجة المدخلات المتغيرة من مصادر الطاقة المتجددة، وتوفير خدمات دقيقة.

وتشمل الخصائص الرئيسية لإمدادات الطاقة الكهربائية في الشبكة الذكية ما يلي:

  • High efficiency] across a wide load range to minimize losses in digital communication equipment and control systems.
  • Fast transient response] to maintain stability when renewable generation fluctuates.
  • Bidirectional capacity] for systems that both consume and inject power, such as vehicle-to-grid (V2G) chargers.
  • Cybersecurity-hardened electronics] to prevent remote exploitation of power converters and storage systems.

لماذا الموثوقية غير قابلة للتفاوض

(ب) تعتمد شبكات الذكاء على تدفق البيانات المستمر من ملايين أجهزة الاستشعار، والمقاييس الذكية، ووحدات القياس على مراحل (PMUs) وترصد هذه الأجهزة صحة الشبكة في الوقت الحقيقي وتتيح الاستجابة الآلية للأخطاء أو تغير الطلب، بل إن انقطاع الكهرباء في الثانية الصغرى يمكن أن يتسبب في فقدان البيانات أو سوء المعايير أو التعاقب في إخفاقات في نظام المراقبة الأوسع نطاقاً.

وعلاوة على ذلك، تؤثر موثوقية إمدادات الطاقة تأثيرا مباشرا على ثقة المستهلكين، فالخارجات التي تعزى إلى نقص الإمدادات في الإلكترونيات الشبكية تضعف الثقة في التكنولوجيات الذكية، ويجب أن تضمن المرافق أن تكون جميع نظم الطاقة المساعدة - بما في ذلك إمدادات الطاقة غير المتعمدة للتشغيل الآلي للخضوع وبطاريات الدعم لأجهزة الاتصال - محددة لتحمل الظروف البيئية القاسية والأحداث المفاجئة.

الأدوار الأساسية لموردي الطاقة في تنمية خضراء الذكاء

1 - تخزين الطاقة ودعمها

وتخزن الطاقة منصة للشبكات الذكية الحديثة، وتأتي إمدادات الطاقة في قلبها، وتخزن البطاريات، وأجهزة الطهي، والمركبات الخارقة، الجيل الزائد من مصادر الطاقة المتجددة، ثم تحقنه في وقت لاحق أثناء ارتفاع الطلب، وتحتاج هذه النظم إلى محولات إلكترونية متقدمة للطاقة (المترجمون الشفويون/المحررون) يمكن أن تشحن وتتصرّف بكفاءة مع الحفاظ على استقرار الشبكة، وقد زادت منشآت تخزين البطاريات التي تعمل على نطاق عالمي من 30 ماء(23).

وتوفر إمدادات الطاقة أيضا دعما أساسيا لمراكز مراقبة الشبكات، كما أن التغذية الرادعة من محطات فرعية منفصلة، إلى جانب المصارف التي تعمل بالبطارية والمولدات في الموقع، تكفل عدم إفقار المشغلين إلى الشبكة أو السيطرة عليها، حتى أثناء انقطاع الكهرباء.

2 - تكامل الطاقة المتجددة المتغيرة

إن تجدد الطاقة مثل الطاقة الشمسية والريحية متقطعة بطبيعتها، حيث يتوقف ناتجها على الأحوال الجوية، مما يخلق فوائض وعجزا على حد سواء، ويجب أن تشمل إمدادات الطاقة التي تدار هذا التقلب ما يلي:

  • Maximum Power Point Tracking (MPPT) converters that extract the highest possible energy from solar panels regardless of shading or temperature.
  • Grid-tied inverters] that coincidehronize renewable output with grid frequency and voltage.
  • Dynamic reactive power compensation] to settle voltage during cloud cover or wind gusts.

وتتيح هذه الأجهزة الكهربائية إمكانية اختراق كميات كبيرة من مصادر الطاقة المتجددة دون المساس بموثوقية الشبكة، ووفقاً لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة؛ و برنامج تكامل الطاقة المتجددة ، أصبحت المهام المتطورة لللافتات إلزامية الآن في العديد من المعايير المترابطة، مما يوضح الضغط التنظيمي على إمدادات الطاقة الأذكى.

3 - تنظيم الطول والتواتر في الوقت الحقيقي

يجب أن تحافظ شبكة ذكية على فولتاج في حدود 5 في المائة من الاسمية والتواتر في حدود 0.1 هرتز لمنع إلحاق أضرار بالمعدات وتركيبها، وقد اعتمدت الشبكات التقليدية على مولدات كبيرة متزامنة لتوفير هذه اللائحة، وفي الشبكات الذكية الحديثة، فإن إمدادات الطاقة المدمجة في موارد الطاقة الموزعة ونظم التخزين تؤدي دورا أكبر، ويمكنها أن تضخ أو تستوعب الطاقة الجاهزة في الثانية، وتتغير بدرجة أسرع بكثير من الميكانيكي.

وتعمل إمدادات الطاقة المتقدمة الآن على أنها غجرية تشكل ] مغتربين، يمكن أن تخلق مرجعا ثابتا في الحاجات الصغرى الجزرية دون ارتباط بنظام الطاقة السائبة، وهذه القدرة حاسمة بالنسبة لمرونة المجتمعات المحلية النائية والمنشآت العسكرية.

4 - قوة مخفر الاستخبارات

وكل جهاز ذكي - من وحدات قياس العجلات إلى هياكل أساسية متقدمة للتدمير إلى توزيع أجهزة التشغيل الآلي - يتطلب إمدادات مكرّسة من الطاقة، ويجب أن تعمل في كثير من الأحيان في مواقع صعبة (قبوات أرضية، وبيئة غير ملائمة) ويجب أن تكون إمدادات الطاقة لهذه الأجهزة فعالة للغاية للتقليل إلى أدنى حد من التحلل الحراري، أو دعم الطاقة على شبكة إيثرنت أو دعم البطاريات، وتشمل الحماية من الإضاءة والإضاءة.

كما أن التوزيع المنخفض التفويع داخل الشركات الفرعية يكتسب دفعة كطريقة لخفض خسائر التحويل. N DCLrsquo؛ وبحوث عن أجهزة توليد الطاقة الكهربائية المتقدمة ] تبين أن توحيد الحمولات المتعددة (أجهزة الاستشعار، أجهزة التحكم، الأجهزة المتفجرة المرتجلة) يمكن أن يحسن كفاءة النظام عموما بنسبة 10 إلى 15 في المائة.

التحديات التي تواجه نظم الإمداد بالطاقة في منطقة سمارت غريدز

التدخيل ونوعية السلطة

إن ارتفاع تغلغل الطاقة الشمسية والريحية يؤدي إلى حرق فولتاج، وانحرافات في النسق، وانحرافات في الترددات، ويجب على إمدادات الطاقة أن تصقل هذه الاضطرابات أو أن تخاطر بإضرار الكترونيات الحساسة للمراقبة، كما أن ارتفاع المركبات الكهربائية التي تشحن مزيدا من التعقيد في نوعية الطاقة، حيث أن الشاحنات السريعة تخلق خطوات سريعة للتحميل تتحول إلى ضغط الدم وتزودها بالطاقة على حد سواء.

إدارة تخزين الطاقة

ولا يزال تدهور البطارية، والموازنة بين أحدث الشحنات، والإدارة الحرارية، يشكل تحديات هندسية، ويجب على دوائر الإمداد بالطاقة أن تنفذ نظما متطورة لإدارة البطاريات تطيل فترة الحياة أثناء الدورة، مع ضمان السلامة، وتؤكد حرائق الليثيوم في منشآت تخزين الشبكة الحاجة إلى أجهزة إلكترونية تعمل بالطاقة الكهربائية تعمل في أمانات مأمونة يمكن أن تعزل عبوة خلوية في الثانية.

أمن الإلكترونيات الإلكترونية للطاقة

ومع أن إمدادات الطاقة أصبحت برامجيات محددة ومتصلة بالشبكة الإلكترونية، فإنها تصبح سطح هجومية، وقد يتسبب اللافقار المهين في عدم استقرار التردد أو حتى في إحداث انقطاع في التهوية، وتؤكد إدارة الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية، والأمن الإلكتروني في مجال الهياكل الأساسية للطاقة على أن كل عنصر من عناصر الكشف عن الطاقة في شبكة ذكية يجب أن يشمل الاتصالات المأخوذة من قبل، والشعارات المشفرة.

التوتر الحراري والعمر

ويجب أن تتحمل إمدادات الطاقة في الضواحي الخارجية درجات الحرارة القصوى، والرطوبة، وضباب الملح، والهتزازات، وأجهزة التحلل الكهربي، والمغنطيسية، وشبه الموصلات، كل ذلك يتحلل بمرور الوقت، والرصد التقليدي القائم على الإمداد بالطاقة هو منطقة ناشئة، باستخدام أجهزة الاستشعار على متن السفن والمحللين للتنبؤ بالفشل قبل أن يعطل عمليات الشبكة.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

Solid-State Transformers

إن إعادة تشغيل المحولات التقليدية ذات المتغيرات الصلبة - الدول هي حدود رئيسية، ويمكن لهذه الإمدادات العالية التردد من الطاقة أن تنظم التطاير، وتوفر الدعم في مجال الطاقة الاستباقية، وتدمج مصادر الطاقة المتجددة في البلدان النامية مباشرة، مع كونها أصغر وأخف، وتظهر عمليات النشر التجاري بالفعل في مراكز البيانات والزجاجات الصناعية الصغيرة، مع توقع وجود وحدات ذات نطاق فائدة في غضون خمس سنوات.

موصلات نسقية واسعة النطاق

إن أجهزة الكاربين السيليكون ونيتريد الغاليوم تُحدث ثورة في كفاءة الإمداد بالطاقة وتُبدل السرعة، وتخفض الخسائر بنسبة 50-70 في المائة مقارنة بالسليكون، مما يتيح غرقا حرارية أصغر وكتلة طاقة أعلى، وتنشر شركة Smart Grid Pacific وغيرها من المشاريع التجريبية محررين من سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي فيرفرفرفرفرفرف وتدفق بسرعة وتدفقات الطاقة الكهربائية وتدفقات الطاقة الثنائية.

إمدادات الطاقة غير النشطة

ولن يقتصر الجيل القادم من إمدادات الطاقة على معدات الطاقة - بل سيتواصل مع مشغلي الشبكات، وباستخدام بروتوكولات مثل IEEE 15472018 وIEC 61850, يمكن لهذه الإمدادات أن تعدل أسلوب عملها استجابة لاشارات الأسعار أو انحرافات الترددات أو أوامر الطوارئ، وهذه القدرة تحول كل إمدادات الطاقة إلى أصول مرنة للشبكة يمكن أن تساعد على توازن العرض والطلب.

الهيكلان النموذجي والمقدوّل

ولتبسيط الصيانة والتوسع، يقوم المصنعون بتصميم إمدادات الطاقة كوحدات قابلة للتطبيق المباشر ذات وصلات وصلات وصلية موحدة، ويمكن أن تبدأ عملية استبدال بقدرة صغيرة وتضيف وحدات مع نمو الشبكة الذكية، ويقلل هذا النهج من رأس المال في المقدمة ويتيح للمرافق اعتماد تكنولوجيات جديدة تدريجيا.

خاتمة

إن إمدادات الطاقة أكثر بكثير من المكونات السلبية في الهياكل الأساسية للشبكات الذكية، وهي نظم نشطة وذكية تمكن من التكامل المتجدد، والتخزين، وتنظيم الفولط، وطبقة المراقبة الرقمية التي تجعل الشبكات ذكية حقا، ومع تسارع التحول في الطاقة، يجب أن تستمر صناعة أجهزة توليد الطاقة الكهربائية في الابتكار في الكفاءة والموثوقية وأمن الفضاء الإلكتروني، ووظيفية دعم الشبكات، وتتحمل المنافع، والمنظمين، ومطورو التكنولوجيا المسؤولية عن تحديدها.