تنفيذ التوزيع الإشعاعي في حلول تخزين الطاقة المتجددة

ومع تعجيل العالم في الانتقال إلى الطاقة المتجددة، فإن تشابك المصادر مثل الطاقة الشمسية والريحية يتطلب حلولاً قوية وقابلة للتقسيم وتتسم بالكفاءة، وتتزايد نشر نظم تخزين الطاقة في البطاريات على نطاقات المرافق والتجارة والأماكن السكنية، غير أن الطريقة التي تترابط بها وحدات التخزين هذه - وهي توزع الطبقات ذات الصلة - تؤثر على نحو لا مبرر له على الأداء والتكلفة والموثوقية.

ما هو التوزيع الإشعاعي في نظم تخزين الطاقة؟

ويشير التوزيع الإشعاعي إلى هيكل شبكة تتدفق فيه الطاقة باتجاه واحد من محطة فرعية مركزية أو نقطة انقلاب مشتركة إلى قطع تخزين متعددة التوزيع، مثل ثكنات البطاريات أو البطاريات الفردية، وفي نظام إشعاعي، ترتبط كل وحدة تخزين بالحافلة المركزية عبر مغذي مكرس، تشكل هيكلاً شبيهاً بالشجر، وهذا التشكيل مماثل لنموذج توزيع الطاقة على أساس محوري، حيث لا توجد وحدة تخزين مركزية.

Radial Topology vs. Ring and Mesh Networks

فعلم الطبوغرافيا الرمادية هو أبسط وأوسع استخدام في نظم التوزيع المنخفضة والمتوسطة الحجم، وعلى عكس التلويثات التي تربط كل عقد من الأعاليات في حلقة مغلقة، أو في الطبقات العلوية المتوسطة، حيث توجد طرق زائدة متعددة، لا توجد بها شبكات مشعة، وهذا التبسيط يترجم إلى تنسيق حماية أسهل، وانخفاض تكاليف التركيب، والكشف عن الأخطاء المباشرة.

الفوائد الرئيسية للتوزيع الإشعاعي للتخزين المتجدد

إن اعتماد التوزيع الإشعاعي في نظم التخزين ليس مجرد تراث تاريخي؛ بل إنه يوفر مزايا قابلة للقياس تتماشى مع الأهداف الاقتصادية والتشغيلية لمشاريع الطاقة المتجددة.

تعزيز الكفاءة والحد من الخسائر

وفي نظام إشعاعي، تُقلل المسافة المادية بين نظام تحويل الطاقة المركزي وكل وحدة تخزين إلى أدنى حد لأن المغذيات تُوجَّه إلى نمط نجمي، وهذا يقلل من الخسائر المقاومة (خسائر في مستوى ثاني أكسيد الكربون) التي يمكن أن تحدث لولا ذلك على مسارات الانتقال الأطول، وعلاوة على ذلك، ونظرا لأن تدفقات الطاقة في اتجاه واحد، فإن الخسائر في خطوط الإنتاج يمكن التنبؤ بها ويسهل وضع النماذج.

القابلية للتسويق والوحدة

فإضافات التوزيع الإشعاعي في سيناريوهات يجب أن تتوسع فيها قدرة التخزين بصورة تدريجية، فإضافات حاوية جديدة للضرب أو التخزين تتطلب ببساطة ربط مغذي جديد بالحافلة المركزية دون تعديل الروابط القائمة، ويمكن أن تؤدي هذه الوحدة إلى خفض العرض الرأسمالي - المتخلفين عن الركب إلى نظام أصغر، وأن تتوسع في عدد مراتب الطلب أو مع انخفاض أسعار البطاريات.

الموثوقية والعزلة الافتراضية

وفي حين أن الشبكات الإشعاعية ليست زائدة بطبيعتها، فإنها تعرض عزلة ممتازة، وإذا فشلت وحدة البطارية أو رحلات جهاز الحماية، فإن الفرع الإشعاعي المتأثر فقط لا يربط، بينما يستمر تشغيل بقية نظام التخزين بصورة طبيعية، وتُحدد نظم الرصد المركزية بسرعة الموقع الخطأ عن طريق المغذي المتأثر، مما يتيح الصيانة بسرعة، وعلى النقيض من ذلك، فإن الخطأ في شبكة مائية قابلة للتجديد أكثر تعقيداً لتحديد موقع المقومات التي يمكن أن تُعزل فيها الطاقة.

التكلفة - الأثر والبساطة

وتحتاج الطبقات الطوبية الإشعاعية إلى عدد أقل من الكميات، وإلى عدد أقل من أجهزة كسر الدوائر، وإلى نقلات حماية أبسط من تصميمات الخواتم أو الميكنة، مما يقلل مباشرة من تكاليف المواد والعمال، وبالإضافة إلى ذلك، فإن خوارزميات التحكم في إدارة الشحن والتصريف أبسط لأن تدفقات الطاقة بصورة غير مباشرة، ولا يحتاج العاملون إلى إدارة تدفقات معقدة ذات توجهات ثنائية أو مخططات لتوليد الطاقة.

استراتيجيات التنفيذ وأفضل الممارسات

ويتطلب نشر نظام تخزين التوزيع الإشعاعي هندسة دقيقة عبر عدة مجالات: التصميم الكهربائي، واختيار المكونات، ومنطق التحكم، والتصميم المادي، والممارسات التالية أساسية للنجاح.

تصميم النظام واختيار العناصر

The central node is typically a medium-voltage shiftgear or a low-voltage DC/AC hub. For large systems, a transformer steps up the voltage to 12 -34.5 kV for connection to the grid. Each radial branch consists of a feeder cable, a protection tool (fuse or circuit breaker), and an inverter/charger unit dedicated to a battery clusters.

نظم الرقابة والرصد

ولا غنى عن نظام مراقبة الاشراف والحصول على البيانات، وهو يرصد التطاير، والحال، والشحن، ودرجة الحرارة في كل فرع من فروع العزلة، ويسمح نظام إدارة الطاقة في الوقت الحقيقي بتعظيم رسوم الشحن وجداول التصريف استناداً إلى إشارات الشبكة، أو تحديد الوقت اللازم لتسعير الشبكة، أو التنبؤات بتوليد الطاقة المتجددة، لأن التلويث الإشعاعية غير المكررة في نظام التلقيح الرئيسي ينبغي أن تمنع المراقبة

التكامل مع مزارع شمس وريح

أما فيما يتعلق بالمزارع الشمسية، فإن إنتاج وحدات الطاقة الفلكية يمكن أن يقترن مباشرة بنظام تخزين مركب من العاصمة عن طريق حافلة مشتركة بين البلدان النامية، ولكن مفهوم التوزيع الإشعاعي لا يزال ساريا في الجانب AC بعد التحويل، وبدلا من ذلك، تستخدم التصميمات التي تستخدمها شركة AC في استخدام أجهزة انقلاب منفصلة لفرعي الفولط والتخزين، مع إدخال تقلبات سريعة في نظام الوصلات الريحية.

دراسات الحالة: التوزيع الإشعاعي في العمل

وتتجلى الفوائد العملية للتوزيع الإشعاعي بشكل جيد في منشآت العالم الحقيقي.

Microgrid Deployment in Remote Communities

وفي المجتمعات المحلية خارج المناطق في ألاسكا، يشكل التوزيع الإشعاعي العمود الفقري للزجاجات الصغرى التي تجمع بين مولدات الديزل، والصفائف الشمسية، وتخزين البطاريات، فعلى سبيل المثال، تعمل قرية كونغغاناك على نظام للكهرباء الشمسية يبلغ 600 كيلوواط + 250 كيلوواط، حيث يتم ربط كل رف البطارية بواسطة جهاز تغذية مشع إلى جهاز وسطي.

مرفق تخزين البطاريات العتيقة - Scale

ويستخدم توسيع لاندنغ ١٠٠ ميغاواط/٤٠٠ ميغاه موس في كاليفورنيا هيكلاً للتوزيع الإشعاعي يضم ١٠ فروع من طراز MW، ويضم كل فرع وحدات متعددة من طراز Tesla Megapack متصلة بمفتاح وسطي قدره ٣٤,٥ كيلو فولط، ويمك ِّن التصميم من نظم مائية سريعة شبه شبه شبه شبه شبه مدمجة تتطلب كبسولة معقدة فيما بين الوحدات، ويمكن للمشغلين أن يزيلوا فرع واحد من أجل الصيانة أو استكمالات البرمجيات دون التأثير على أسواق أخرى.

نظم تخزين الأقمار الشمسية

وعلى نطاق السكن، فإن التوزيع الإشعاعي هو المعيار الضمني، فكل بطارية منزلية مثل محطة تيسلا باوروال أو شبكة LG ReSU - تتصل بمحطة واحدة من طراز AC تبث مركز الحمولة الرئيسي، وهي تعمل كعصابة مركزية، وعندما يتم تركيب بطاريات متعددة (مثلاً، بالنسبة لشبكة احتياطية من جميع المنازل)، كثيراً ما تكون متوافقة مع نظام البرمجيات السكنية الميسرة، الذي يشكل تركيباً صغيراً.

التحديات واستراتيجيات التخفيف

ولا توجد عيوب في علم الطبقات، ويجب على المهندسين أن يتصدوا لتحديات محددة لضمان الأداء الطويل الأجل.

نظام الموازنة بين الحزم والفولط

وفي نظام إشعاعي، يجب على المحوّل المركزي أن يتعامل مع مجموع جميع تيارات الفرع، وإذا كان أحد الفروع يُقدّم بكثرة بينما يقوم فرع آخر بالشحن، فإن صافي التيار يمكن أن يتسبب في انخفاض في حجمه إلى مناطق متقدمة، ويشمل التخفيف استخدام نظام لإدارة الطاقة يوازن بين الفروع، وعند الاقتضاء، تركيب أجهزة تحميل ذاتية عالية

تنسيق الحماية ومعالجتها

فالتخفيضات في النظم الإشعاعية يتم عادة عن طريق أجهزة الحماية المفرطة، ولكن التنسيق بين الصمامات على مستوى الفرع وجهاز الكسر الرئيسي للتغذية أمر بالغ الأهمية، كما أن خطأ الفرع ينبغي أن يقطع فقط الفتيل الذي يتجه إلى الفرع وليس الكسر الرئيسي، ويجب على المهندسين أن يُجريوا دراسات حماية باستخدام برامجيات مثل نظام التبادل الالكتروني للبيانات لضمان التدرج المناسب في الوقت الراهن، بالإضافة إلى أن مخاطر الارتطام في نظام الحافلات المركزية.

الاستثمار الأولي في رأس المال ضد شركة LCOE

وعلى الرغم من أن التوزيع الإشعاعي يقلل من تكاليف ميزان النظام، فإن العقد المركزي والمغذي الرئيسي لا يزالان يمثلان نقطة فشل واحدة، ومن أجل التخفيف من ذلك، تتضمن بعض التصميمات مفتاحا احتياطيا للربط بين الفروع الإشعاعية وبين مجموعة بديلة من المصادر، بحيث تحول نصف قطرها إلى حلقة أثناء حالات الطوارئ، ويضيف هذا النهج الهجين تكلفة متواضعة، ولكن يمكن تبريره لمشاريع البنية التحتية الحرجة.

التوقعات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

وتتطور الطبقات الجغرافية للتوزيع الإشعاعي مع التقدم في أجهزة توليد الطاقة الإلكترونية والتحكم الرقمي.

دور التعلم في مجال التعليم الآي والآفات في تحقيق الاستفادة المثلى

ويمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم في مجال الآلات بأنماط تحميل على مستوى الفروع وأن تعدل نقاط التطاير التي حددها المحوِّل المركزي في الوقت الحقيقي لتقليل الخسائر ومدد فترة البطاريات، وعلى سبيل المثال، تبين أن عوامل التعاضد قد خفضت من خسائر الطاقة بنسبة تتراوح بين 5 و7 في المائة في نظم التخزين الإشعاعي المحاكاة، ومع أن الحوسبة تصبح أرخص، فإن هذه الوسائل المثلى ستنشر مباشرة على المحاورينة، مما يجعلها أكثر كفاءة.

السلف في أجهزة تحويل تابعة للدولة الصلبة وتوزيع البلدان النامية

ويمكن للمتحولين من الدول الصلبة أن يحلوا محل المحولات المركزية التقليدية وأن يوفروا أنظمة دينامية للفولط وعزلة للخطأ لكل فرع، حيث إن هذه المؤسسات، إلى جانب وحدة توزيع تابعة لبلدان العاصمة، تتيح الربط الإشعاعي بين مجموعات البطاريات في فولتات مختلفة دون تحويلات منفصلة لكل فرع، مما يلغي مراحل التحويل المتعددة، ويحسن الكفاءة بنسبة 2 إلى 3 في المائة، كما أن المشاريع الرائدة في أوروبا تبرهن بالفعل على محطات تخزين صغيرة قائمة على النطاقات.

أثر إدماج المركبات إلى القاحلة

ومع أن أساطيل المركبات الكهربائية أصبحت أصولاً متحركة للتخزين، فإن التوزيع الإشعاعي يوفر إطاراً طبيعياً لمراكز V2G، كما أن أسطولاً من أجهزة الشحن التي تمثل فرعاً مشعياً من محولات المحطة المركزية يمكن أن يرسل الطاقة من بطاريات المركبات إلى الشبكة، ويجعل التصميم الإشعاعي ببساطة فواتير وتجميعاتير لأن كل فرع يُقدَّم ويُسيطر عليه بصورة مستقلة.

خاتمة

(أ) إن التوزيع الإشعاعي في نظم تخزين الطاقة المتجددة يوفر مزيجاً ملحّاً من الكفاءة، والقدرة على التصعيد، وفعالية التكلفة، يناسب احتياجات النشر الحالية، ومن مرافق البطاريات ذات النطاق الحسن إلى المناطق النائية من المناطق الصغرى والتجهيزات السكنية، فإن الطبقات الطبقية تتيح التوسع السريع، وإدارة الأخطاء المباشرة، وانخفاض تكلفة النظام الكلي، مع عدم وجود تحديات مثل الحاجة إلى تنسيق دقيق للحماية، والتوازن الأمثل.