Table of Contents
Understanding Flywheel Energy Storage
وتطبق نظم تخزين الطاقة بالعجلات على مبدأ مباشر ولكنه قوي: فالدورة تدور في ضجة قريبة من الشقيق، وتخزن الطاقة كطاقة حركية تناوبية، وعندما تتطلب الشبكة الطاقة، يعكس النظام العملية، ويحول تلك الطاقة الحركية المخزنة إلى الكهرباء عن طريق مولد متكامل، ويضع هذا التحول المباشر من تكنولوجيا الطاقة الكهربائية إلى جانب الطاقة الكهربائية، ويضع أوقاتاً تُقاس في الثانية.
وعلى عكس البطاريات الكهروكيميائية، لا تعتمد الطيور على ردود الفعل الكيميائية التي تتدهور بمرور الوقت، وتُحدَّد دورة حياتها أساساً بالاستمرار الآلي لنظام الرواد والحمل الذي يمكن أن يتجاوز 20 عاماً مع الصيانة المناسبة، وهذه الطول، إلى جانب القدرة على أداء مئات الآلاف من دورات الشحن دون تردد تواتر، تجعل مناديل التصفير ذات أهمية خاصة بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تواتراً عالياً.
والفيزياء هي فريدة: فالطاقات المخزنة في نطاقات الذباب مع مربع الصنع الدوار، والسرعة التناوبية، والخط مع لحظة التخلف، وهذه العلاقة تعني أن الزيادات الصغيرة في سرعة الإنتاج تنتج مكاسب تفوق طاقتها، وتدفع الجهود الهندسية نحو ارتفاع سرعة التناوب، وتدور المواد الحديثة من الطراز الطي بسرعة تتراوح بين 000 15 و 000 60 ثورة.
الابتكارات الأخيرة في مجال تكنولوجيا الفلويكل
وقد شهد العقد الماضي تقاربا في أوجه التقدم في علوم المواد، والانحرافات المغناطيسية، والإلكترونيات الكهربائية التي حولت تخزين الطاقة من العجلات من تكنولوجيا النيتشير إلى حل عملي تجاريا لخدمات شبكات الاستجابة السريعة، وتعالج هذه الابتكارات القيود التاريخية على الذباب: انخفاض كثافة الطاقة، وخسائر الاحتكاك، وارتفاع تكلفة النظام.
المركبان المركبان والمواد المتقدمة
والدوار هو قلب أي نظام من أجهزة الطهي، ويقضي اختيار المواد على الحدود العليا للأداء، وقد استخدمت العجلات المبكِّرة المُتَخَلِّفة الفولاذية التي تكون ثقيلة ومحدودة في سرعة التناوب بقوامها الضعيف، كما أن مركبي الفولاذ يعرضون مخاطر السلامة بسرعة عالية بسبب احتمال الفشل الكارثوي، وقد انتقلت نظم الذباب الحديثة إلى حد كبير إلى مركبين من ألياف الكربون.
ويمكن أن تحقق أجهزة التداول في الألياف الكربونية سرعة التناوب تصل إلى 000 50 ريم أو أعلى، مما يزيد بشكل كبير من قدرة تخزين الطاقة بالنسبة لكتلة روابر معينة.() وقد قامت شركات مثل S4 الطاقة بتسويق تصميمات مركبة تعمل بصورة موثوقة تحت حمولات الطرد المركزي القصوى الموجودة في هذه السرعة.() وتستكشف البحوث المركبة الجارية مواد جديدة مثل مصفوفة الأداء المغناطيسي
وثمة مجال آخر للتنمية النشطة هو قياس الأرضيات المزروعة، حيث يتيح تحليل العناصر المحتوية على الزوايا وتقنيات التصنيع المضافة للمهندسين الآن الاستفادة المثلى من أشكال الرواد للحد من توزيع الإجهاد وكثافة الطاقة، وتخفض هذه القياسات الجيولوجية المثلى تركيزات الإجهاد المحلية، مما يتيح زيادة سرعة التناوب دون زيادة خطر الإصابة بمرض الإجهاد المادي.
الحملات السحرية والهواء النشط
وكان الارتطام بالوصلات الميكانيكية مصدر رئيسي لفقد الطاقة في نظم الذبابة المبكرة، وأدى إدخال العلامات المغناطيسية إلى إزالة هذا الاحتكاك تماما، حيث تستخدم العلامات المغناطيسية النشطة نظماً للتحكم بالكهرباء والارتداد المتطور لتطهير الدوار في داخل الضميمة، مع الحفاظ على ثغرة جوية مستقرة تقل عن مقياس، مع عدم وجود أي اتصال مادي بين قطع الغيار المتحركة،
والطاقة المطلوبة لتشغيل نظام AMB هي جزء صغير من الطاقة المخزنة في الدوار، وهي عادة أقل من 1 إلى 2 في المائة، وهذا النوع من الطاقة العالية؛ والارتفاع في مستوى الطاقة؛ والكفاءة تجعل من الذبابات القدرة على المنافسة مع تكنولوجيات التخزين الأخرى في التطبيقات القصيرة الأجل، والتطبيقات ذات التقلبات العالية، وتشمل بعض التصميمات الانحراف المغناطيسي السلبي باستخدام المغناطيسات الدائمة التي يكملها نظام تثبيت الاستقرار النشط، مما يزيد من استهلاك الطاقة.
وتكمل الضواحي الغامضة المؤثرات المغناطيسية بإزالة المقاومة الجوية، مما يؤدي إلى إحداث جر كبير في سرعة التناوب العالية، ويتطلب الحفاظ على فراغ كبير داخل مساكن الطهي الطائر حُكماً قوية ونفقة من حين لآخر للمضخات، ولكن المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة كبيرة، ويمكن لنظام الذبابة المصمم جيداً أن يحقق كفاءة في المراحل المستديرة تتراوح بين 85 و90 في المائة، تبعاً لنظام الشحنات والشروط الاحتياطية.
نظم إلكترونية ونظم رقابة متقدمة
والتفاعل بين أجهزة توليد الطاقة الكهربائية هو الصلة الحاسمة بين أجهزة الطهي وشبكة الكهرباء، إذ يمكن لهذه الأجهزة أن تتحول إلى أجهزة مترجمة ثنائية القطب مجهزة حديثا، تنتج عناوين نسيجية نظيفة تتوافق مع معايير التدفق الحراري.
كما نضجت خوارزميات التحكم بدرجة كبيرة، حيث إن الرصد الفوري لموقع الرواد، والهزاز، ودرجات الحرارة، والضغط الفراغي يسمح بالصيانة التنبؤية ويكفل التشغيل الآمن في جميع الأحوال، كما أن مخططات المراقبة الأولية المتقدمة مثل التحكم في العروق المباشرة والتحكم التنبؤي النموذجي تحقق أفضل عملية تحويل الطاقة ذات الاتجاهين، وتخفف الخسائر أثناء الشحنات وتصريف الترددات، ويمكن لهذه النظم الانتقال من توجيه 2 مليمتر إلى القيام بخدمات احتياطية سريعة.
وقد أصبح إدماج تخزين الذبابات في نظم إدارة الطاقة، ومنصات الرقابة الإشرافية واقتناء البيانات معيارية الآن، وتتيح هذه التكاملات لمشغلي الشبكات إرسال موارد من الطحالب بالتنسيق مع الأصول الأخرى، بما في ذلك البطاريات والتوليد الحراري، لتحقيق أكبر قدر من الفعالية من حيث التكلفة من النتائج المتوازنة للشبكة، كما أن بروتوكولات الاتصال المفتوحة مثل مودبوس TCP وDNP3 تحظى بدعم واسع النطاق، مما يبسط الانتشار في كل من المنشآت الجديدة.
استحقاقات خدمات المحاجرين المستجيبين السريعين
فالجمعة الفريدة من نوعها المتمثلة في الاستجابة السريعة، وحياة الدورة العالية، والنفقة المنخفضة تجعل تخزين الطاقة من الطحالب يناسب بشكل استثنائي مجموعة محددة من خدمات الشبكة، وهذه الخدمات تتطلب أصولا يمكن أن تعمل فورا تقريبا وتعمل باستمرار بأقل قدر من التدهور، وتزيد الطحالب من هذا الدور، وتكمل الموارد الأكثر استجابة مثل الذروة في الغاز الطبيعي والتخزين المضخ للهيدرو.
تنظيم الترددات الأولية والثانوية
فتنظيم التردد هو أكثر الطلبات نضجاً لتخزين الذبابة على نطاق الشبكة، وتواتر الجرود " مضمار " ، و50 هرتز أو 60 هرتز تبعاً لحجم المنطقة، ويجب أن يظل في حدود تسامح شديد للحفاظ على استقرار النظام، وعندما تولد رحلات وحدات أو تفككات كبيرة، تنحرف الترددات عن نقطة البداية، ويمكن أن تُعدل الطاقة في أقل من 10 آلاف ثانية أو تُستوعبها.
وفي العديد من الأسواق، تكسب نظم الطاقة المتجددة الآن إيرادات من خلال توفير خدمات التنظيم عن طريق مشغلي النظام المستقل ومنظمات النقل الإقليمية.() وقد نشر مختبر الطاقة المتجددة الوطني تحليلاً واسعاً يبين أن أجهزة الطهي يمكن أن تقدم خدمات التنظيم بتكلفة أقل لكل ميغاوات من الاحتياطيات التقليدية، ولا سيما في النظم ذات المداخن العالية.
Synthetic Inertia and Grid Stability
ومع تقاعد المولدات الكهربائية المتزامنة التقليدية لصالح الموارد المتجددة القائمة على اللافقار، تفقد الشبكة الذكاء المادي؛ وتخزن الطاقة الحركية في مواقد التربين الدوارة التي تقاوم تغير التردد، ويمكن أن توفر شبكات العجلات " اللدخو " ، وتستقر فترات التردد الحرجة في نظم التحكم في العمود الفقري، مع تثبيت معدل الاضطرابات في الطاقة الكهربائية.
وهذه القدرة الاصطناعية للتوتر السطحي ذات قيمة خاصة في الشبكات الجزرية والشبكات الصغرى حيث تكون معدلات عدم انتظام النظام منخفضة بطبيعتها، وقد نشرت عدة دول جزرية، بما فيها دول منطقة البحر الكاريبي والمحيط الهادئ، نظما لعجلات الطيران كجزء من مبادرات أكبر لتحديث الشبكة، وقدرة على توفير الاستجابة السريعة للترددات وتخزين الطاقة في إطار مجموعة واحدة من مجموعات المواد المدمجة، وتخفض عدد المكونات المتفككة المطلوبة.
دعم تكامل الطاقة المتجددة
فالكهرباء الشمسية والريحية تُحدث تقلباً في مقياس الزمن يتراوح بين ثوانٍ وساعات، فالعجلات الملتهبة مناسبة بشكل مثالي لسد التقلبات في الدقائق الفرعية وفي الثانية الفرعية التي تنشأ عن الغطاء الغيومي، والريح الغزيرة، وآثار إيقاظ التوربين، ومن خلال استيعاب تقلبات الطاقة السريعة هذه، تحول دون حدوث اضطرابات في الفولطية والترددات التي من شأنها أن تضغط على معدات الشبكات الأخرى وتحلل نوعية الطاقة الكهربائية بالنسبة للزائن الصناعية الحساسة.
وفي التشكيلات الهجينة، تعمل أجهزة الطهي بالعجلات بالتنسيق مع نظم تخزين الطاقة بالبطارية لمعالجة مختلف مستويات التقلبات الزمنية، وتعالج الطاقة ذات التردد العالي في حين تدير البطارية تحولات الطاقة في فترة أطول، وتُحسن النظام الموحد لكل من الأداء والتكلفة، ويكتسب هذا النهج الهجينة انتعاشا في المزارع الشمسية ذات النطاق العنيف، ويسعى إلى إقامة مواصفات ريحية متزايدة.
طلبات اعتماد الأسواق والصناعة
وقد تسارع الانتشار التجاري لتخزين الطاقة بالعجلات على مدى السنوات الخمس الماضية، بسبب انخفاض التكاليف، وإثبات الموثوقية، والأطر التنظيمية المواتية في الأسواق الرئيسية، حيث يتجاوز مجموع القدرات في جميع أنحاء العالم الآن 250 ميغاوات، مع مشاريع تعمل في أمريكا الشمالية وأوروبا والشرق الأوسط وآسيا والمحيط الهادئ.
Utility-Scale Grid Projects
وتدير المرافق ومشغلو الشبكات بعض أكبر منشآت الطوابع من أجل تنظيم الترددات، وقد كان مرفق بيكون باور في ستيفن تاون بنيويورك، الذي يبلغ عدد طاقته 20 ميغاواط، معلما مبكرا أثبت التكنولوجيا على النطاق التجاري، وقد وسعت المشاريع الحديثة أكثر من ذلك القدرة إلى 100 ميغاواط أو أكثر، مستخدمة في كثير من الأحيان وحدات من الطهي الطائر المزودة بالحاويات يمكن نشرها تدريجيا عند نمو الطلب.
وتقيم المرافق الطيوريات قدرتها على توفير خدمات التنظيم التي لا تحمل تكاليف الوقود الصفري والانبعاثات الصفرية، مما يسهم في تحقيق أهداف إزالة الكربون مع الحفاظ على الموثوقية، كما أن الوقت السريع للتحول يتيح أيضاً المشاركة في خدمات متعددة الشبكات بشكل متتابع، مما يزيد من إمكانات الإيرادات من أصل واحد إلى أقصى حد.
التطبيقات الصناعية والتجارية
وفيما عدا قطاع المرافق، فإن نظم عجلات الذباب تعثر على تطبيقات في نوعية الطاقة الصناعية والطاقة الاحتياطية، وتستفيد مرافق التصنيع التي لها روبوتات حساسة ومراكز بيانات ذات متطلبات صارمة في وقت العمل، والمستشفيات التي لديها نظم حيوية لدعم الحياة من الدعم الفوري للفولط الذي توفره أجهزة الطيار أثناء النسور والتوقفات اللحظية.
وفي هذه البيئات، تعمل أجهزة الطهي كجسر للمولدات الاحتياطية، مع الحفاظ على جودة الطاقة خلال الفترة الفاصلة بين خطأ في المرافق العامة وبدء استخدام أجهزة قياسية متبادلة، وتستفيد بشكل خاص من دورة الحياة العالية من المناشف التي تحلق على ذبابة المستخدمين الصناعيين الذين يواجهون اضطرابات متعددة في الطاقة في السنة؛ وعلى عكس البطاريات، يمكن أن تستجيب نظم العجلات لمئات الآلاف من الأحداث دون ترد في الأداء.
مقارنة مع تكنولوجيات التخزين البديلة
ولا توجد تكنولوجيا تخزين واحدة هي أفضل من أي تطبيق، وتشغل أجهزة الطهي الهوائية مكاناً متميزاً يحدده ارتفاع الطاقة، وقصر المدة، والتدوير المكثف، وفهم كيفية مقارنة أجهزة الإرسال بالبدائل، يساعد مصممي النظم على اختيار التكنولوجيا الصحيحة أو الجمع بين التكنولوجيات في حالة استخدام معينة.
وبالمقارنة مع بطاريات الليثيوم -يون، فإن المناشف التي تعمل بالعجلات توفر حياة أطول من دورة (تتجاوز في كثير من الأحيان 000 100 دورة مقابل 000 2 إلى 000 10 دورة للبطاريات)، والاستجابة السريعة، وانخفاض تكلفة العمر بالنسبة للتطبيقات ذات التردد العالي في التدوير، غير أن البطاريات توفر كثافة أعلى للطاقة ومدة تصريف أطول بتكلفة رأسمالية أقل لكل كيلوواط ساعة، وبالنسبة للطلبات التي تتطلب فترات صرف تتجاوز 15 إلى 30 دقيقة، لا تزال البطاريات الاقتصادية أكثر.
فالعاملون في مجال الطاقة يقدمون استجابة أسرع وحياة عالية للغاية، ولكن كثافة الطاقة فيها أقل من حجم الطيور، مما يحد من استخدامها في تطبيقات نوعية الطاقة دون الثانية، ويوفر تخزين الطاقة الكهربائية المأهولة وغير المجهزة تكلفة منخفضة جدا لكل كيلوواط ساعة من طاقة التخزين، ولكن فترات الاستجابة تقاس في دقائق وتواجه قيودا جغرافية.
التحديات والاتجاهات المستقبلية
وعلى الرغم من التقدم الهائل الذي أحرز في العقد الماضي، يواجه تخزين الطاقة بالعجلات تحديات مستمرة تحد من الاعتماد الأوسع نطاقا، ولا تزال جهود البحث والتطوير تستهدف هذه التحديات، بهدف فتح المجال التكنولوجي أمام المركب؛ وإمكانات كاملة لشبكة المستقبل.
مسارات خفض التكاليف
ولا تزال التكلفة الرأسمالية لنظم الطيور النحلية أعلى من تكلفة البطاريات التي تستخدم الليثيوم في التطبيقات القائمة على الطاقة النقية، غير أنه عندما يتم تقييم التكلفة على أساس كل دورة أو على أساس كل ميغاوات على مدى عمر النظام الكامل، فإن العجلات الهوائية غالبا ما تكون أكثر اقتصادا بالنسبة للحالات ذات الاستخدام العالي التدوير، وسيؤدي استمرار التخفيضات في تكلفة ألياف الكربون ونموذج الطاقة الإلكترونية العالية إلى زيادة تضييق هذه الفجوة.
تحسين كثافة الطاقة
إن كثافة الطاقة هي أهم القيود التقنية لتخزين الذبابات، في حين أن كثافة الطاقة النظرية لجهاز سطوانات الألياف الكربونية أعلى بكثير من اليوم، كما أن التصميمات العملية، إدراكا منها أن الإمكانات تتطلب حل التحديات المتصلة بنقاء المواد، والمواءمة بين الألياف، وتوزيع الإجهاد، كما أن البحث في المواد المغناطيسية والكثيفة الارتجاعية بالنسبة لسرقة ومحور الطاقة يمكن أن يؤدي إلى تحسينات في كل من هذين المجالين.
السلامة والحاويات
وتثير السرعة العالية للتناوب المتأصلة في نظم عجلات الذبابة شواغل تتعلق بالسلامة فيما يتعلق بالفشل في الطوابق، وتصمم أجهزة الكشف الحديثة على أنها سفن احتواء قوية قادرة على استيعاب الشظايا بطريقة آمنة في حالة حدوث فشل كارثي، وتُبنى هذه السفن عادة من الصلب المطبق أو الخرسانة المعززة، ويجب أن يمتثل تصميمها لمعايير السلامة الصارمة.
وتشكل التحسينات في تصميم الاحتواء التي تقلل من الوزن والتكاليف دون المساس بالسلامة مجالا نشطا من مجالات البحث، ويستكشف بعض الصانعين استخدام الدوارات المهددة التي تخترق شظايا صغيرة منخفضة الطاقة عند الفشل، وتخفض احتياجات الاحتواء وتخفض تكاليف النظام.
التكامل مع الهيدروجين المتجدد وتخزين المواد الطويلة الأجل
ويمكن أن تؤدي نظم عجلات الذباب دورا في نظم الطاقة الناشئة القائمة على الهيدروجين، ويمكن استخدام أجهزة الطهي ذات السرعة العالية في سد مدخلات الطاقة في المصانع الكهربائية، وتحسين كفاءتها ومداها، وذلك بإزالة الوصلات السريعة للطاقة التي تتدهور، وبالمثل، يمكن أن تعطل أجهزة الطيار إنتاج خلايا الوقود، بما يكفل استقرار توصيل الطاقة إلى الشبكة، وتزيد من كفاءة هذه المفاهيم التي يمكن أن تُستخدم فيها عمليات التحويل إلى نطاق أوسع.
الطريق إلى خدمات فلوفيليويل غريد
ومسار تخزين الطاقة من الطحالب واضح: إن استمرار التحسينات في المواد والتصنيع والإلكترونيات الكهربائية سيخفض التكاليف ويحسن الأداء، مما يجعل من استخدام أجهزة الطهي العجلة خياراً جذاباً بصورة متزايدة لمشغلي الشبكات في جميع أنحاء العالم، كما أن التكنولوجيا المصممة على أساس القوة، والاستجابة الثانية من المليمتر، والتقلب الصفري للتدهور، والحياة التشغيلية الطويلة، وانخفاض الصيانة " تتواءم تماماً مع متطلبات شبكة الطاقة التي أصبحت في آن واحد من التآكل.
ومع تزايد تغلغل الطاقة المتجددة، فإن الحاجة إلى خدمات شبكة الاستجابة السريعة لن تكثف إلا؛ فالعجلات، وحدها أو في التشكيلات الهجينة التي تحمل البطاريات وأنواع التخزين الأخرى، ستكون أداة أساسية للحفاظ على الاستقرار والموثوقية؛ والأطر التنظيمية في العديد من الولايات القضائية آخذة في التطور للاعتراف بالقيمة الفريدة للاستجابة السريعة وتعويض مقدمي الخدمات على النحو المناسب، وهذه الإشارات السوقية، إلى جانب التقدم التقني المستمر.
وبالنسبة للمرافق، ومنتجي الطاقة المستقلين، ومطوري المشاريع الصناعية، فإن الوقت قد حان لتقييم تكنولوجيا الذبابة كجزء من استراتيجية شاملة لتخزين الطاقة، ولا تعتبر الابتكارات المذكورة هنا فضول مختبرية، ويجري نشرها اليوم في مشاريع تجارية تحقق فوائد اقتصادية وتشغيلية حقيقية، وقد اكتسبت هذه الطاقة مكانها في مجموعة الأدوات المتزايدة لإدارة الشبكات الحديثة، ولن ينمو دورها إلا مع ظهور التحول في مجال الطاقة.