استخدام ماتلاب لتعظيم نظم تخزين الطاقة المتجددة

التعريف بتخزين الطاقة المتجددة على الوجه الأمثل

وقد تسارعت سرعة التحول العالمي إلى مصادر الطاقة المتجددة، مثل التربينات الضوئية الشمسية والرياح الريحية، على مدى العقد الماضي، وبينما توفر هذه المصادر الطاقة النظيفة والوفيرة، فإن تداخلها الأصيل يفرض تحديات كبيرة أمام استقرار الشبكة وتوفير الطاقة الموثوقة، إذ يجب أن يتحول توليد الطاقة الشمسية خلال منتصف النهار، وأن يهبط إلى صفر في الليل؛ ويتغير إنتاج الرياح مع أنماط الطقس ويمكن أن يتفاوت بشكل كبير من ساعة إلى ساعة.

نظم تخزين الطاقة تعمل كعازف، وتستوعب الطاقة الزائدة خلال فترات الإنتاج المرتفع وتطلقها عندما يقصر الجيل أو يرتفع الطلب، ولكن تصميم وتشغيل هذه النظم بكفاءة مشكلة هندسية معقدة، ويجب على المهندسين أن يحددوا القدرة الأمثل للتخزين، وأن يختاروا التكنولوجيات المناسبة، ويديروا دورات الشحن والتدبير، ويقللوا من التكاليف على مدى عمر النظام، وهذا هو المكان الذي تدخل فيه وزارة التجارة والتنمية في صورة بيئة نموذجية قوية.

وتوفر هذه الإدارة، التي طورتها الرياضيات، منصة متكاملة للحساب الرقمي، وتحليل البيانات، وتطوير الخوارزميات، ومحاكاة النظم، وتهيئ مكتبتها الواسعة من الوظائف القائمة في المباني، وصناديق الأدوات المتخصصة، أن تكون مناسبة بشكل خاص لمشاكل الموازنة بين التعددية الحساسية التي تنشأ في تصميم تخزين الطاقة المتجددة، ومن وضع مصارف البطاريات في المنشآت الشمسية السكنية للوصول إلى أفضل استراتيجيات الموازنة الخاصة بالتصميمات المائية.

فهم نظم تخزين الطاقة المتجددة

ويشمل تخزين الطاقة المتجددة طائفة واسعة من التكنولوجيات، التي تتسم كل منها بخصائص متميزة من حيث كثافة الطاقة، وإنتاج الطاقة، والوقت اللازم للاستجابة، وحياة الدورة، والتكلفة، ويعتمد اختيار تكنولوجيا التخزين على التطبيق المحدد، وطبيعة المصدر المتجدد، ومتطلبات الشبكة أو الحمولة التي يجري توفيرها.

Battery Energy Storage Systems

وتُعد نظم تخزين الطاقة في البطاريات أكثر التكنولوجيات انتشاراً لتخزين المواد القصيرة والمتوسطة، وتتراوح عادة بين دقائق وعدة ساعات، وتهيمن البطاريات على السوق بسبب كثافة الطاقة المرتفعة، وانخفاض التكاليف، وتحسين الحياة الوظيفية، وتُستخدم نماذج أخرى من قبيل البطاريات التي تستخدم فيها البطاريات المحتوية على الرصاص، وحاملات الفلفل، وبطارات التبريد التي تستخدم فيها نماذج دقيقة لأسعار الصرف الصحي.

تكنولوجيات تخزين ميكانيكية وحرارية

فإلى جانب البطاريات، توفر تكنولوجيات التخزين الميكانيكية مثل الهيدرولوريد المضخة وتخزين الطاقة الكهربائية المضغطة تخزيناً واسع النطاق وطويل المدة، وتعالج الطاقة المأهولة، وهي أكثر تكنولوجيات تخزينية نضجاً على نطاق الشبكة، زيادة الكهرباء إلى مضخة المياه إلى خزان مرتفع، وتطلقها من خلال التوربينات لتوليد الطاقة عند الحاجة.

Hydrogen as an Energy Carr

ويكتسب تخزين الهيدروجين الاهتمام بوصفه حلا مرنا طويل الأجل للتخزين يمكن أن يؤدي أيضا إلى إزالة الكربون من العمليات الصناعية والنقل، كما أن زيادة القوى الكهربائية المتجددة لإنتاج الهيدروجين، التي تخزن في صهاريج أو كهوف تحت الأرض، وتتحول لاحقا إلى الكهرباء عن طريق خلايا الوقود أو توربينات الاحتراق، وتوفر وزارة الطاقة الكهربائية أدوات لتكوين نماذج الطاقة الكهربائية الكاملة من حيث الطاقة إلى الغازات.

لماذا شركة "ميتلوب" هي أساسية لخزن الطاقة

إن تحقيق أفضل وسيلة لتخزين الطاقة يتطلب حل المشاكل التي تنطوي على متغيرات متعددة، والعلاقات غير الخطية، وعدم التيقن في توليد الطاقة المتجددة والشحن، والأهداف المتضاربة مثل تقليل التكلفة إلى أدنى حد، مع زيادة الموثوقية إلى أقصى حد، ونظام إدارة الطاقة في أمريكا اللاتينية والبحر الكاريبي مصمم خصيصا لمعالجة هذا التعقيد من خلال عدة قدرات رئيسية.

عدد متقدم من الحواسيب وكتبة ألغوريثم

وتوفر وزارة الشؤون الإدارية وشؤون الإدارة العامة في جوهرها لغة برمجة رفيعة المستوى تُفضى إلى عمليات المصفوفة والتحليل الرقمي، مما يجعلها مناسبة تماماً لحسابات الخيجية الكبيرة التي تشكل أساساً للعديد من الخوارزميات المثلى، وتشمل مجموعة المقاييس المثلى وظائف للبرمجة الخطية، والبرمجة الرباعية، والتصويب غير الخطي، ومشاكل الحد الأدنى من المتجانسات.

محاكاة وتصميم نموذجي مع سيمولينك

(ب) بيئة المحاكاة البيانية لـ(ميتاب) تسمح للمهندسين ببناء نماذج لبرمجة أنظمة الطاقة التي تشمل مولدات الطاقة المتجددة، وأجهزة التخزين، والإلكترونيات الكهربائية، وأجهزة التحكم في الخوارزميات، وهذا النهج القائم على النموذج يتيح للمهندسين اختبار سلوك الشبكة في ظروف تشغيلية واقعية، والتحقق من منطق التحكم، وتقييم مقاييس الأداء قبل الالتزام بتنفيذ المعدات.

نمذجة البيانات والتعلم في مجال الآلات

يعتمد تخزين الطاقة الحديثة اعتماداً متزايداً على النُهج القائمة على البيانات للتنبؤ بتوليد الطاقة المتجددة، والتوقعات، وتقدير تردي البطاريات، وجهاز الإحصاء والتعلم الماكين، وجهاز التكوين المغناطيسي المتطور، وجهاز التخزين المغناطيسي المتطور، على المقاييس، وذلك من أجل التراجع والتصنيف والتجميع والتدريب على الشبكات العصبية، ويمكن للمهندسين استخدام البيانات التاريخية في تدريب النماذج التي تتنبأهلك على الأشعة الشمسية أو السرعة القصوى

أهم صور برمجيات MATLAB لتحليل نظام التخزين

وعندما تطبق هذه الخطة على وجه التحديد على الاستخدام الأمثل لتخزين الطاقة المتجددة، فإنها تقدم عدة سمات تفصلها عن لغات البرمجة العامة الغرض أو أدوات التفوق.

نموذج شامل للمكون

كما أن نماذج الدوائر المتساوية تلتقط السلوك الكهربائي للبطاريات ذات مجموعات متماثلة بسيطة نسبياً، مما يجعلها مناسبة للدراسات على مستوى المنظومة وللتحكم في الوقت الحقيقي، كما أن النماذج الكيمائية الكهربية توفر نظرة أعمق على المتغيرات الداخلية للدولة مثل خوادم تركيز الليثيوم وإمكانات التحويل الكهرومغناطيسي، التي هي ذات قيمة بالنسبة لآليات التحلل.

بناء الوحدات العسكرية على المستوى الأمثل

(أ) توفر مجموعة أدوات التقاط الصور على الوجه الأمثل مجموعة شاملة من المذيبات تغطي أكثر أنواع المشاكل شيوعاً التي تصادف في تصميم نظام التخزين، ولتحسين القدرات في المشاكل ذات المتغيرات المستمرة والقيود على الخط، و[FLT:]] توفر حلولاً فعالة، بالنسبة للمشاكل التي تنطوي على قرارات متتالية، مثل اختيار عدد وحدات البطاريات أو تشكيل نظام متعدد الأشكال من البرامج([التدرج]).

تجهيز البيانات والتصوير

وتولد نظم الطاقة المتجددة كميات كبيرة من بيانات المخازن الزمنية من أجهزة الاستشعار، والمقاييس، ومحطات الطقس، وتعالج أدوات استيراد البيانات وتجهيزها قبل التجهيز، وتعالج عمليات تنظيف البيانات وإعادة أخذ العينات واستخراجها بكفاءة، وقدرة التخطيط والتصوير على استكشاف المهندسين لتقصي الأنماط في الجيل والحمولة، وتتصور نتائج الاستخدام الأمثل، وترسل النتائج إلى أصحاب المصلحة.

التكامل مع النظم الخارجية والبرمجيات الصلبة

ويمكن للمهندسين استيراد البيانات من نظم الوكالة، وقواعد البيانات الجوية، والمناهج الفعالة، ومن أجل اختبار المعدات الموجودة في الموقع، يمكن للشركة أن تنشر خوارزميات المراقبة في أهداف آنية مثل نظام " ديسبيك " أو " سبيدوات " ، مما يتيح التحقق من استراتيجيات التحكم في استخدام الأجهزة ذات التوقيت الأمثل.

الخطوات الرامية إلى تحقيق الاستخدام الأمثل لنظام التخزين باستخدام نظام MATLAB

ويتبع الاستخدام الأمثل لنظام تخزين الطاقة المتجددة تدفقاً منظماً للعمل يمكن تنفيذه بكفاءة في نظام إدارة الموارد المالية والتنفيذية، وتوفر الخطوات التالية إطاراً عاماً ينطبق على معظم أنواع تكنولوجيا التخزين ومقاييس التطبيقات.

الخطوة 1: نمذجة النظام ومواصفاته

وتتمثل الخطوة الأولى في وضع نموذج رياضي يستوعب الديناميات ذات الصلة لنظام التخزين، ومصدر الطاقة المتجددة، والشحن الجاري توفيره، وقد يشمل ذلك، بالنسبة لنظام تخزين البطاريات المقترنة بمصفوفة من الطاقة الشمسية، نموذجاً من نوع واحد من أنواع المواد المحتوية على مبيد الآفات، ونموذجاً من نوع ما يعادل الجرعة من البطارية، ونموذجاً لكفاءة محول الطاقة، ووصفاً موحداً لشحنات البطاريوهات.

الخطوة 2: جمع البيانات وتعريف السيناريو

إن تحقيق نتائج أفضل يتطلب بيانات مدخلات تمثل ظروف التشغيل التي سيشهدها النظام، ويشمل ذلك بيانات عن السلسلة الزمنية للإشعاع الشمسي، ودرجة الحرارة المحيطة، وسرعة الرياح، والشحن الكهربائي في القرار الزمني المرغوب فيه (الساعة أو دون الساعة) ويمكن الحصول على البيانات من مصادر متاحة للجمهور مثل نظام بيانات التلقيم المتين للعرض الوطني للطاقة المتجددة أو المركز الأوروبي للتنبؤات

الخطوة 3: تحديد الأهداف والمواقف على الوجه الأمثل

تحديد واضح للأهداف والمعوقات أمر أساسي لتحقيق الاستخدام الأمثل، وتشمل الأهداف المشتركة تقليل التكلفة العالية للطاقة إلى أدنى حد، وزيادة موثوقية النظام إلى أقصى حد ممكن، قياسا بفقدان القدرة على تحمل الحمولة، وتقليل تدهور البطاريات إلى أدنى حد على مدى عمر محدد، أو زيادة الاستهلاك الذاتي للطاقة المتجددة إلى أقصى حد ممكن، وقد تشمل القيود المفروضة على إعادة الاستخدام إلى آخر درجة لمنع الإفراط في الدفع أو تصريف الأعماق، والحد الأقصى من رسوم وتصريف الطاقة، والحدود المفروضة على موارد الطاقة.

الخطوة 4: تطبيق المعايير المحاسبية الدولية للقطاع العام على الوجه الأمثل

مع النموذج، البيانات والأهداف المحددة، يمكن للمهندسين تطبيق خوارزميات التخدير القصوى لـ MATLAB لإيجاد التصميم الأمثل أو سياسة التشغيل، ولتحسين المشاكل، يمكن أن تشمل متغيرات القرار القدرة على استخدام البطاريات وتقدير الطاقة، وآلية التفكيك الأمثل الهدف من تصميمات المرشحين من خلال تحفيز عملية النظام على كامل البيانات باستخدام نموذج النظام.

الخطوة 5: تحليل التقييم والحساسية

وبعد أن يحدد الشكل الأمثل للخيار، يجب التحقق من التصميم من خلال تحليل مفصل للمحاكاة والحساسية، ويتيح البرنامج للمهندسين إدارة محاكاة مونت كارلو التي تتفاوت معالم المدخلات في نطاقات عدم التيقن التي لديهم، وتقييم كيفية أداء النظام الأمثل في ظل ظروف غير محددة، ويحدد التحليل الحساسية البارامترات التي لها أقوى تأثير على الهدف، ويوجه المزيد من جمع البيانات، أو الجهود الرامية إلى التخفيف من المخاطر.

Advanced Optimization Techniques in MATLAB

وإلى جانب التحديث والارتقاء الأمثل، تدعم وزارة التجارة والتنمية المستدامة التقنيات المتقدمة التي تعالج التعقيد المتزايد لنظم الطاقة الحديثة.

تحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب للأهداف المتضاربة

وكثيرا ما ينطوي تصميم نظام التخزين على تبادل بين الأهداف المتنافسة، مثل تقليل التكلفة إلى أقصى حد ممكن، وزيادة الموثوقية إلى أقصى حد، كما أن قدرات الاستخدام الأمثل المتعدد الأبعاد لشبكة MATLAB، المتاحة من خلال مجموعة الأدوات العالمية لتحقيق الاستخدام الأمثل، تستخدم الخوارزميات مثل NSGA-II و MOEA/D لإيجاد واجهة للحلول غير المهيمن عليها.

نموذج المراقبة الافتراضية لعملية الزمن الحقيقي

(ب) نموذج التحكم الافتراضي هو تقنية قوية لتحقيق الاستخدام الأمثل لنموذج النظام والتنبؤات لتحديد إجراءات التحكم المثلى في الأفق المتجدد، وجهاز التحكم الافتراضي النموذجي للتحكم الارتجاعي في إنتاج المواد الكيميائية (MATLAB) يوفر وظائف متخصصة لتصميم وتحفيز أجهزة التحكم في شبكات الطاقة الكهربائية لتخزين الطاقة، ويمكن لمراقبي هذه المركبات أن يستغلوا أفضل ما يشحنونه من البطاريات ويوزعوهات في الوقت الحقيقي.

التخصيب في التخصيب تحت الظلم

توليد الطاقة المتجددة والشحن غير مؤكدين في جوهره، والتفاؤل المحدد الذي يتجاهل هذا الشك يمكن أن يُنتج تصميمات تؤدي بشكل غير سليم في الممارسة العملية، وتدعم وزارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية أساليب التفاؤل المُحدّدة، بما في ذلك البرمجة المُقيدة بالفرصة والتفكير القوي، ويمكن للمهندسين أن يعتبروا توزيعاً غير مؤكد للثراء الشمسي أو التحميل، ويضعوا مشاكل في ضمان موثوقية في السيناريوهات

دراسة حالة: تحقيق الاستفادة المثلى من برنامج " سولار - بلوس - ستورج ميكروغريدج "

ولتوضيح التطبيق العملي لشبكة MATLAB للتخزين الأمثل، والنظر في دراسة حالة عن وجود صغرى نائي يُستخدم بواسطة صفيفة كهربائية شمسية تبلغ 500 كيلوواط، ويدعمها نظام بطارية الليثيوم، ويخدم النظام مجتمعاً يبلغ ذروته 400 كيلوواط، ويصل الطلب اليومي على الطاقة إلى نحو 4 أمواه، والهدف هو تقليل التكلفة المرتدة للكهرباء إلى أدنى حد على مدى فترة مشروع تبلغ 20 سنة، مع ضمان عدم القدرة على الإمداد بالطاقة.

(بإستعمال (ميتا بي إي بي أوّل مهندس يطور نموذجاً مركباً يحتوي على توليد مُعدّل مُنطلق من بيانات الإشعال المحلي، نموذج بطارية مُميز بخصائص التحلل، وبيانات طقس تاريخي للموقع مُستوردة من قاعدة بيانات (إنر إل إس إي إل أي إن إيه إيه) باستخدام جهاز (ميتل بي إيه) للكهرباء

وتكشف النتائج عن وجود واجهة من التشكيلات المثلى، إذ أن حلاً له قدرة 1.5 مليون ومائة كيلوواط على توليد الطاقة الكهربائية يحقق تكلفة مخفضة قدرها 0.18 دولار لكل كيلوواط بينما يحافظ على 99.3 في المائة من الموثوقية، ويبين تحليل الحساسية أن القدرة المثلى أكثر حساسية من افتراضات دورة البطاريات ومعدل الخصم، مع إبراز المجالات التي يكون فيها جمع البيانات مفيداً، ثم يتم تكييف استراتيجية التحكم المثلى على أنها تُتَّمُ في عملية التوقَّف في عملية إم بيَّفْ في عملية إم بيْ في تبسيط عملية إرسالها.

منافع الاستخدام الأمثل لخزن الطاقة

ويسفر اعتماد نظام ماتا لاب لتخزين الطاقة المتجددة عن تحقيق فوائد ملموسة عبر أبعاد متعددة من تصميم النظم وتشغيلها.

تحسين كفاءة النظام وأدائه

ويؤدي الاستخدام الأمثل لنظم إدارة المعدات الحاسوبية إلى زيادة كفاءة نظم التخزين في المرحلتين ذهابا وإيابا بتحديد استراتيجيات التشغيل التي تقلل إلى أدنى حد من الخسائر في تحويل الطاقة والإدارة الحرارية والحمولات الإضافية، وبالنسبة لنظم البطاريات، تؤدي السمات الموزعة على الوجه الأمثل إلى الحد من خسائر المقاومة الداخلية وتفادي الازدحامات التي تتدهور الأداء، وبالنسبة لنظم استخدام الطاقة المائية ونظام CAES، فإن أسعار السلع والخدمات المحسنة تعمل على مواءمة عمليات التخزين.

انخفاض تكاليف رأس المال والتشغيل

ومن خلال تحسين قدرات التخزين وتقديرات الطاقة، يتجنب المهندسون الإفراط في تقدير رأس المال أو التقليل من فوائد النظام، إذ أن القدرة على التحلل النموذجي والتخطيط لاستبدال البطاريات على فترات زمنية أمثل تقلل من تكاليف دورة الحياة، وتقلل من التفاؤل التشغيلي إلى أدنى حد من الخسائر في الطاقة وتخفض من الارتداد بمكونات التخزين، وتخفض نفقات الصيانة، وتمتد فترات الاستبدال.

تعزيز الموثوقية وإدماج غريد

وتوفر نظم التخزين المثلى قدرة احتياطية أكثر موثوقية، مما يقلل من تواتر ومدة انقطاع الحمولات الحرجة، وبالنسبة للنظم المترابطة بالشبكات، يؤدي إلى تحسين نوعية خدمات الشبكة مثل تنظيم الترددات، ودعم الفولط، وتصفية الذروة.

التعجيل بوضع خطوط زمنية للتطوير والنشر

ويضغط تدفق العمل على التصميم القائم على النموذج، الذي تدعمه وزارة التجارة والتنمية والتنمية والتنمية المستدامة وشركة سيمولينك، على دورة التطوير لمشاريع التخزين، ويمكن للمهندسين أن يقيموا مئات بدائل التصميم في المحاكاة قبل الالتزام بشراء المعدات وتركيبها، وينتج إنتاج الرموز الآلية من نماذج سيمولنك شفرات لمراقبة نوعية الإنتاج يمكن نشرها مباشرة في أجهزة التحكم المتمركزة، ويلغيون أخطاء التر اليدوية ويقلص من وقت العمل.

خاتمة

وتمثِّل هذه الإدارة أداة حاسمة في الجهود الجارية الرامية إلى تحقيق الحد الأمثل من نظم تخزين الطاقة المتجددة من أجل مستقبل مستدام للطاقة، إذ إن بيئتها الشاملة من أجل حساب العدد، والتحفيز، والتحفيز، والتحسين الأمثل، تمكِّن المهندسين من معالجة المشاكل المعقدة والمتعددة الجوانب المتأصلة في تصميم نظام التخزين، ومن وضع نماذج للسلوك الكهروكيميائي للبطاريات لتحديد مدى فعالية تشغيل المرافق المائية المضخمة على نطاق الشبكة، والمرونة.

ومع استمرار تغلغل الطاقة المتجددة في العالم، فإن دور التخزين الأمثل سيصبح مركزياً بشكل متزايد لاستقرار الشبكة والحصول على الطاقة، واستمرار تطور برنامج ماتالوب، بما في ذلك التكامل مع نظم التعلم الآلي، والحساب السحابي، ونظم التوقيت الحقيقي، ووضعه ليكون منبرا لا غنى عنه لابتكار تخزين الطاقة، وسيكون المهندسون والباحثون الذين يتقنون قدرات MATLAB على التزود بالعتاد على تصميم نظم التخزين التي ستزيد من النظافة.

وبالنسبة للمهندسين الذين يبدأون رحلتهم مع شركة MATLAB من أجل التخزين الأمثل، تقدم وثائق ماث ووركس دروساً وأمثلة واسعة النطاق تغطي نماذج البطاريات، ومحاكاة نظم الطاقة المتجددة، واختيار خوارزميات الاستخدام الأمثل، وتوفر موارد مجتمعية مثل سوق الشاحنات المركزية التابعة لوزارة التجارة والتنمية الاجتماعية مجموعة أدوات موزعة على المستعملين ودراسات حالات يمكن أن تعجل بالتعلم.