فهم النظم المتجددة الشمسية المستقلة ذاتياً والحاجة إلى التصميم المستدام

(ج) النظم المتجددة الشمسية الذاتية الاستخدام هي نظم طاقة غير حية تعتمد أساساً على الطاقة الشمسية، وغالباً ما تستكملها مصادر أخرى متجددة مثل الرياح أو الهيدرو الصغرى، إلى جانب تخزين الطاقة ومراقبات الذكاء، وتُنشر هذه النظم في بيئات لا تتوفر فيها شبكات أو لا يمكن الاعتماد عليها أو تُحدِّد تكاليفها: محطات البحوث النائية، ومستوصفات الصحة الريفية، ومخيمات الإغاثة في حالات الكوارث؛

وتتجاوز الاستدامة في هذا السياق توليد الطاقة المتجددة، وتشمل قابلية النظم للاستمرار، والاستخدام الفعال للموارد، وإعادة التدوير في نهاية العمر، والقدرة على البقاء اقتصاديا على مدى عمر النظام، ويضمن تصميم نظام الرصد المستمر حقا أمن الطاقة للمجتمعات النائية مع المساهمة في تحقيق أهداف عالمية في مجال إزالة الكربون، ووفقا لخيارات الوكالة الدولية للطاقة المتجددة في مرحلة ما بعد طويلة [النظام الزراعي غير المسمى]

المبادئ الأساسية في ديبث

الكفاءة

ويُعتبر تحقيق أقصى قدر من إنتاج الطاقة لكل وحدة من وحدات القدرة المُركَّبة أساس التصميم المستدام، وبالنسبة للنظم المتجددة بالطاقة الشمسية، تبدأ الكفاءة باختيار الألواح الضوئية ذات الكفاءة العالية (الفولطية) (السيليكون المكون من الملوكيات أو خلايا التطويق ذات النوعية العالية) وتستخدم أجهزة التحكم في الشحنات ذات الكفاءة القصوى (MPPT) وتُستخدم أيضاً في تقليل الخسائر الناتجة عن التحويلية من خلال عوامل عالية الجودة.

Scalability

A sustainable design anticipates future growth. Modular structures allow system capacity to be increased incrementally-adding solar panels, bat modules, or inverter capacity as load expands. This avoids the need for a complete system replacement. Scalability also applies to voltage and communication protocols: standardizing on 48 V or 400 V DC buses renewable, and using open communication standards (eg., Modbus, CAN)

الموثوقية

ويستلزم النشر الطويل الأجل الموثوقية على مدى سنوات أو عقود، وهذا يعني اختيار عناصر لها أفرقتها الميدانية المثبتة - مجهزة بمجموعات مثبتة لمدة 25 سنة، وبطاريات الليثيوم - الفوسفاتية الحمراء التي تُقيَّم بـ 000 5 إلى 000 10 دورة، ومنتجات ذات توازن صناعي مع التبريد المفرط.

الأثر البيئي

(أ) التصميم المستدام يهدف إلى التقليل إلى أدنى حد من آثار الكربون والاضطرابات الإيكولوجية في النظام بأكمله، ويشمل ذلك اختيار مواد ذات طاقة أقل ترابطاً (مثلاً، الألومنيوم المعاد تدويره لتعقبه)، وتفادي المواد السامة (مثل البطاريات الرصاصية، ووحدات موائل التخزين الخرساني، وتصميم أدوات سهلة التجزئة وإعادة التدوير في نهاية الحياة).

استراتيجيات التصميم من أجل الموثوقية الطويلة الأجل

استخدام المواد القابلة للتداول

ويجب أن تصمد العناصر في درجات الحرارة القصوى، والرطوبة، والرذاذ المال، والرمل، والإشعاع فوق البنفسج، والإجهاد الميكانيكي، وبالنسبة للألواح المحتوية على حامضين، فإن وحدات العجلات (غير الأوراق الخلفية المتعددة) توفر قدرة أعلى على التحمل، ومعدلات تدهور أقل، أما بالنسبة لمادة الفولاذ المغنطيسي أو السبيكة المحتوية على ترددات.

Energy Storage Integration

أما بالنسبة للنشر الطويل الأجل، فإن بطاريات الفوسفات الليثيومية أصبحت الكيمياء المفضلة بسبب عمرها الطويل، والاستقرار الحراري، وانخفاض السمية البيئية مقارنة بالبطارية التي تعمل في فترة طويلة أو الليثيوم المغنطيسي، ويجب أن ترصد نظم إدارة البطاريات توازن الخلايا ودرجة الحرارة ونسبة 80 في المائة من الشحنات لمنع حدوث أسوأ تصريفات.

النظم الهجينة والتكامل

ويحسن الجمع بين الطاقة الشمسية والرياح والهيدرو المصغرة أو المولدات الغازية الأحيائية الموثوقية عندما يكون المورد الشمسي متقطعا، كما أن النظام الهجيني يمكن أن يتقاسم حافلة مشتركة من طراز DC أو يستخدم جهازاً للتحكم الذكي يُعطي الأولوية للمصادر المتجددة قبل الاعتماد على المخزن أو المولد الاحتياطي، مما يقلل من تسارع البطاريات ويمتد إلى الحياة المكوِّنة، على سبيل المثال، في المناطق الساحلية ذات الريح التجارية المتسقة، إضافة قدرة على توليد الطاقة الريح الريحية الريحية الريحية الريحية الريحية الريحية الريحية الصغيرة.

الرصد الذكي والصيانة الافتراضية

ويمكن للرصد الفعلي باستخدام أجهزة استشعار بالأشعة السينية ومنابر متحركة أن يكشف المشغلون عن تدهور الأداء أو إخفاق المعدات أو أخطاء الأسلاك قبل أن يتسببوا في حدوث انقطاعات. كما أن الإنذارات المتعلقة بالبطاقات المنخفضة أو أخطاء اللافقار أو التربة تسمح بالصيانة المستهدفة، وتخفض فترات الانكماش، وتمتد فترات العمر المتوقع عند حدوث تغيرات في الأسعار عند الحاجة إلى استبدال التربة أو عند الحاجة إلى تنظيفها.

العنصر: اختيار مدة العضوية

ميدولوجات كهربية سولارية

وبالإضافة إلى الإنشاءات المزدوجة الشكل، واختيار الوحدات التي تتسم بمعاملات حرارة منخفضة ومقاومة عالية في مجال الطاقة (مثلاً، الألواح الثنائية الوجه لتحسين غلة الطاقة) وضمان اعتماد وحدات نموذجية للشبكة الدولية للطاقة 61215 و61730 للموثوقية، وبالنسبة للبيئات القاسية (الطوارئ، ارتفاع عال)، يفضل وجود وحدات مع المعاطف المضادة للتضخم التي تقاوم النسيج.

البطاريات

وكما لوحظ، فإن برنامج الأغذية العالمي هو المعيار الحالي، ففيما يتعلق بالمناخ البارد جداً، تشمل بعض البطاريات التي تستخدمها القوة العاملة الحرارية الداخلية، وينبغي أن تُوضع الإدارة الحرارية في ضواحي غير مجهزة مع التبريد/التدفئة الناشطة لإبقاء الخلايا داخل 15 إلى 35 درجة مئوية.

المفرجون والمراقبون الرسميون

(ج) استخدام المحاور الصناعية - الصناعية ذات الضميمات المختومة (IP65 أو أعلى)، ولوحات الدوائر المطابقة، والمعجبين غير المشجعين أو المتروكين، وينبغي أن يكون لأجهزة التحكم في شحنات MPPT نطاقات واسعة من المدخلات لمعالجة تشكيلات مختلفة من الألواح.

Cabling and Protection

استخدام أجهزة معالجة نحاسية مفرطة في الحد من الخسائر المقاومة وتراكم الحرارة، حماية جميع الدوائر التي لديها صمامات أو فصائل مناسبة تُصنف في تطبيقات العاصمة، وأجهزة حماية كبيرة (الصفيفة 1 أو النوع 2) على حد سواء، وتحول المدخلات اللافضة دون حدوث ضرر من الطفرة الناجمة عن البرق، وهي مهمة بصفة خاصة في المناطق المدارية أو الجبلية.

الاعتبارات الاقتصادية وتحليل دورة الحياة

ويجب أن يكون التصميم المستدام مستداماً أيضاً، فغالباً ما تُفضل تكلفة الملكية الإجمالية على مدى 25 عاماً عناصر أعلى جودة ذات فترات أطول، على الرغم من ارتفاع رأس المال في البداية، فعلى سبيل المثال، تدوم بطاريات LFP، وإن كانت أكثر تكلفة في البداية، أكثر من ثلاث إلى خمس مرات في البطاريات التي تُدفع في التدوير اليومي، مما يؤدي إلى انخفاض مستوى تكلفة التخزين، وبالمثل، فإن الاستثمار في تكاليف التعقب والرصد القوية تقلل من تكاليف العمليات.

ويمكن أن تؤدي نماذج التمويل مثل صناديق التمويل من أجل الشباب، وشركات خدمات الطاقة، أو التعاونيات المجتمعية، إلى خفض الحواجز التي تعترض التبني، وكثيرا ما تقدم الحكومات والوكالات الإنمائية إعانات أو منح لنظم الطاقة المتجددة من خارج الشبكة؛ ويمكن الاستفادة منها أن تحسن القدرة المصرفية للمشاريع.() وتوفر المؤسسة المالية الدولية موارد للتمويل الشمسي غير الناقص في البلدان النامية.

وينبغي أن يُحسب تقييم دورة الحياة للصناعة والنقل والتركيب والتشغيل والتخلص من النفايات أو إعادة التدوير، وأن يُختار المواد القابلة لإعادة التدوير (اليوم والزجاج والنحاس) وأن يصمم للتشرد (الضغوط النمطية، والوصلات الطرفية بدلا من المفاصل المشوهة) يقلل العبء البيئي.() وتُقلل الشهادات الصادرة عن الأطراف الثالثة مثل خيارات كرادلي في المشتريات أو معدات تبادل المعلومات الإلكترونية.

التغلب على تحديات النشر

التكاليف الأولية المرتفعة

وفي حين أن التكلفة الإجمالية للملكية قد تكون منخفضة، فإن رأس المال الأولي يظل حاجزاً، وتشمل الحلول تجميع أجهزة ذات كفاءة في الطاقة، باستخدام نظم نموذجية يمكن إدخالها تدريجياً، وتعبئة أرصدة الكربون أو السندات الخضراء، ويمكن أن تقلل من تكاليف شراء العطور، كما أن بعض المنتجين يقدمون " خدمة " عندما يدفع الزبائن كل كيلوواط.

التعقيد التكنولوجي

إن تصميم نظام يوازن بين الطاقة الشمسية والتخزين والحمولات يتطلب الخبرة الهندسية على الوجه الأمثل، فالمجموعات المعمارة من أجل تطبيقات محددة تبسط نشر العاملين في القطاع غير المتخصص، وبرامج التدريب للفنيين المحليين ضرورية من أجل التشغيل المستدام على المدى الطويل، كما أن العديد من المنظمات غير الحكومية (مثل المهندسين بلا حدود) توفر تصميمات وأدلة مفتوحة المصدر.

التغير البيئي

ويمكن أن يؤدي تقلب المناخ (فترات الغيوم الممتدة والعواصف الغبارية ودرجات الحرارة القصوى) إلى تدهور الأداء، وينبغي تصميم النظم بطريقة تحفظية مع هامش أمان (مثلاً، 20-30 في المائة من الإفراط في ضخ الطاقة الشمسية أو البطارية) وبالنسبة للمناطق التي تساقط فيها الثلوج الثقيلة، ينبغي أن تسمح الزوايا بالثديث الثلجية؛ أما بالنسبة للبيئات الغبارية، أو نظم التنظيف الآلية أو الألواح السهلة في التنظيف.

القيود اللوجستية والأمنية

وكثيرا ما تكون للمواقع النائية هياكل أساسية محدودة للنقل والعمل الماهر، وتشمل الحلول نظما محجوبة تصل إلى مجمعة بالكامل، واستخدام مكونات الوزن الخفيف (أفرقة متطورة للنظم المحمولة)، ومعدات مضادة للدبابات (خزائن البطاريات غير المجهزة، وعوامل الصوم المقاوم للسرقة) ويمكن للتشفير عن بعد من نظم الرصد أن يوقفوا أكوام إلكترونية عن أجهزة التحكم الذكية.

دراسات الحالة: نجاح عملية نشر طويلة الأجل في إطار نظام RS

Solar Microgrid for a Remote Alaskan Village

وفي كوتزيبو، ألاسكا، حلت محل توليد الديزل المختلط بالطاقة الشمسية المختلطة الريحية، حيث بلغ عدد الديزل 200 3 ميغاواط، ويستخدم النظام 1.8 ميغاواط من الألواح الشمسية ذات الفولط المحتوي على مخزن للديزل (متر م) والديزل الاحتياطي، وقد تم تصميمه على 50 درجة مئوية، وتوضع الألواح على مسارات فولاذ قابلة للتكيف يمكن رفعها لإزالة الثلج.

برج تليكوم ذو الطاقة الشمسية في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى

وقد نشر مشغل كبير للاتصالات السلكية واللاسلكية أكثر من 000 2 موقع من مواقع البرج خارج الشبكة في نيجيريا وكينيا باستخدام نظم البطاريات الشمسية (1-5 كيلوواط، 5-20 كيلو فولط أمبير)، ويشمل كل موقع الرصد عن بعد ونسخة احتياطية صغيرة من الديزل لحالات الطوارئ، وبعد ثلاث سنوات، ارتفع متوسط الوقت الإضافي إلى 98.7 في المائة، وانخفض استهلاك الوقود بنسبة 85 في المائة مقارنة مع تشغيل أجهزة غبار الديزل في السابق، ويتيح التصميم النموذجي إضافة القدرة الشمسية على التنظيف في حالة زراعة الحمولة.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم الطاقة المستدامة

وستزيد التكنولوجيات الناشئة من تعزيز استدامة وطول خلايا الترسانات ذات التردد العالي جداً. وتقترب خلايا الترسبات البروفسكيتية من 30 في المائة من الكفاءة، مما يمكن أن يقلل من مساحة الأفرقة بنسبة 30 في المائة، ويمكن أن توفر البطاريات ذات الحجم العالي التي تستخدم كهروليكات غير قابلة للتنقية 000 15 دورة.

والسياسات التي تُعيد تدوير الألواح والبطاريات الشمسية تشدد في الاتحاد الأوروبي وفي أماكن أخرى؛ وسيصبح تصميم التعميم شرطاً تنظيمياً، وسيؤدي المعيار القادم لنظم تخزين الطاقة، وهو المعيار الذي سيتبعه IEC 63112، إلى تحسين السلامة والتشغيل المتبادل، ومع استمرار انخفاض حجم التصنيع، يتوقع أن تخفض التكاليف إلى مستوى الطاقة الشمسية غير المزروعة بنسبة 40 في المائة بحلول عام 2030.

خاتمة

فتصميم حلول مستدامة للطاقة من أجل نشر النظام على المدى الطويل يتطلب النظر بعناية في الكفاءة، والقابلية للتقسيم، والموثوقية، والأثر البيئي، ومن خلال اختيار المواد الدائمة، وإدماج تخزين الطاقة الذكية، واستخدام البنى المهجنة، واستخدام الرصد القائم على أساس التوحيد، يمكن للنظم أن تعمل بشكل موثوق به منذ عقود مع الحد الأدنى من الصيانة، وتتحقق القدرة الاقتصادية من خلال تحليل تكاليف دورة الحياة، والتمويل الابتكاري، والنمو العالمي النموذجي.