تعزيز الكفاءة من خلال ربط أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات والطاقة الشمسية

إجابة سريعة

يُعدّ دمج أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات مع الطاقة الشمسية في الموقع البنية الأمثل لمحطات شحن السيارات الكهربائية الحديثة، إذ يُقلّل الفاقد في كل مرحلة من مراحل سلسلة الطاقة. تُحوّل الألواح الشمسية ضوء الشمس إلى تيار مستمر بكفاءة تتراوح بين 20 و24%؛ ويستعيد نظام تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) الطاقة التي قد تُهدر بسبب التظليل أو عدم التوافق؛ وتفصل البطارية بين توليد الطاقة وطلب الشحن، فلا يتم تصدير أي كيلوواط/ساعة بأسعار الجملة أو تقليصها. عادةً ما يُحسّن نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات المُدمجة جيدًا قيمة الطاقة الشمسية المُولّدة بنسبة تتراوح بين 30 و50% مقارنةً بالأنظمة الكهروضوئية وحدها، ويُقلّل مشتريات الطاقة من الشبكة بنسبة تتراوح بين 40 و70%، ويُمكّن من التشغيل الخالي تمامًا من الانبعاثات خلال ساعات النهار. يشرح هذا الدليل كيفية تحديد حجم أنظمة الطاقة الشمسية والتخزين وربطها وتشغيلها لتحقيق أقصى كفاءة في دورة الطاقة.

أهم النقاط

• يؤدي الربط المباشر بين الخلايا الكهروضوئية وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات إلى تجنب خسائر التحويل المزدوجة، مما يحسن كفاءة النظام بنسبة 2-4 نقاط مئوية.
• تمتص البطارية الطاقة الشمسية الزائدة وتؤجلها إلى أوقات ذروة الشحن، مما يلغي التقليص والتصدير ذي القيمة المنخفضة.
• وحدات MPPT ذات نطاقات الجهد الواسعة تستعيد 5-10% من إنتاج الطاقة الكهروضوئية المفقودة بسبب التظليل الجزئي وعدم تطابق الألواح.
• يؤدي تحديد الحجم الصحيح للبطاريات الشمسية إلى الحفاظ على دورة التخزين من 1 إلى 1.5 مرة في اليوم، مما يحمي عمر الدورة والاقتصاد.
• يمكن لمحطات تخزين الطاقة بالبطاريات التي تعمل بالطاقة الشمسية أن تعمل كجزر خالية من الانبعاثات، مما يحل محل مولدات الديزل في المواقع النائية والمقيدة بالشبكة.

لماذا يُعدّ نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات الخيار الأمثل؟

يتباين إنتاج الطاقة الشمسية والطلب على شحن السيارات الكهربائية بشكل طبيعي. تبلغ ذروة سطوع الشمس عند الظهيرة، بينما يبلغ الطلب على الشحن ذروته في ساعات الذروة الصباحية وفترة ما بعد الظهر وحتى المساء. يواجه موقع يعتمد على الطاقة الشمسية فقط خيارًا صعبًا: إما تصدير فائض الطاقة عند الظهيرة بأسعار الجملة، أو تقليصه تمامًا. يزيل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات هذا الخيار، حيث تمتص البطارية الفائض وتطلقه بالضبط عندما تحتاج إليه أجهزة الشحن.

يتكون مكسب الكفاءة من ثلاثة عناصر:

1. زيادة الاستخداميتم استهلاك كل كيلوواط ساعة من الطاقة الشمسية في الموقع بسعر التجزئة أو التعريفة بدلاً من تصديرها بسعر الجملة أو اقتطاع جزء منها. وهذا يوفر عادةً إيرادات إضافية تتراوح بين 30 و50% لكل كيلوواط ساعة مُولّد. 2.مكاسب التحويلفي بنية التيار المستمر المقترن، يتدفق التيار المستمر الشمسي مباشرةً إلى ناقل التيار المستمر للبطارية أو ناقل التيار المستمر للشاحن، متجنبًا دورة التيار المتردد ذهابًا وإيابًا. ويؤدي إلغاء عمليتي تحويل العاكس إلى استعادة 2-4 نقاط مئوية من كفاءة النظام. 3.زيادة الطلب على الشبكة: يستورد الموقع كميات أقل من الشبكة، وتكون وارداته المتبقية أكثر استقراراً، مما يقلل من رسوم الطاقة ورسوم الطلب.

بالنسبة للمشغل الذي يقارن بين مركز PV+BESS وموقع الشحن السريع المتصل بالشبكة فقط، فإن التكلفة المستوية للطاقة المقدمة للنظام المزدوج تكون في كثير من الأحيان أقل بنسبة 20-35% على مدى عشر سنوات.

تدفق الطاقة: من اللوحة إلى البطارية إلى المركبة

إن فهم بنية الربط يوضح أين تتحسن الكفاءة أو تتراجع. وهناك بنيتان رئيسيتان:

اقتران التيار المترددتُغذي محولات الطاقة الشمسية ناقل التيار المتردد، بينما يقوم محول بطارية منفصل بشحن البطارية. تصميم بسيط ووحدات قابلة للتخصيص، لكن الطاقة الشمسية تعاني من فقد الطاقة في محولات الطاقة الشمسية، ثم فقد الطاقة في محولات البطارية: كفاءة دورة كاملة تتراوح بين 85 و88% تقريبًا.

اقتران التيار المستمرتتصل مصفوفات الخلايا الكهروضوئية بناقل التيار المستمر للبطارية عبر محول MPPT؛ ويتولى نظام تحويل الطاقة المركزي تبادل الطاقة مع الشبكة. تدخل الطاقة الشمسية إلى البطارية بتحويل واحد، وتتحسن كفاءة دورة الشحن والتفريغ لتصل إلى حوالي 90-93%. وعندما تستطيع الشواحن سحب التيار المستمر مباشرةً من الناقل المشترك، يتم الاستغناء عن تحويل آخر.

يُعزى نجاح منتجات الطاقة الشمسية المتكاملة مع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات في التطبيقات التجارية إلى تصميمها الموصول بالتيار المستمر. ويتضاعف فرق الكفاءة يوميًا: ففي نظام طاقة شمسية ينتج 1 ميغاواط/ساعة يوميًا، تُوفر 3-5 نقاط مئوية من فاقد التحويل ما يعادل 30-50 كيلوواط/ساعة يوميًا، أي ما يقارب 11-18 ميغاواط/ساعة سنويًا من الطاقة القابلة للاسترداد.

تُوضح محطة شحن السيارات الكهربائية الحديثة التي تعمل بالطاقة الشمسية وبطارية تخزين الطاقة بقدرة 200 كيلوواط/ساعة (https://www.midapower.com/news/200kwh-solar-bess-ev-charging-station-for-zero-emission-sites/) سلسلة الشحن الكاملة: مصفوفة الألواح الكهروضوئية ← وحدة تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) ← ناقل التيار المستمر للبطارية ← الشاحن السريع بالتيار المستمر ← بطارية السيارة. صُممت كل مرحلة لتقليل الفاقد إلى أدنى حد، ويتولى نظام إدارة الطاقة تنسيق التدفق بحيث تُغذي الطاقة الشمسية الأحمال أولاً، ويُشحن الفائض منها بطارية تخزين الطاقة، ويتم تقليل واردات الطاقة من الشبكة إلى أدنى حد.

تحديد حجم المصفوفات الشمسية مقابل سعة نظام تخزين الطاقة بالبطاريات

تؤدي أخطاء تحديد الحجم - كزيادة حجم الألواح الكهروضوئية أو سعة التخزين - إلى تدمير اقتصاديات الأنظمة المتصلة دون أن تشعر. وتعتمد النسبة الأساسية على إنتاج الطاقة الشمسية اليومي مقارنةً بسعة البطارية واحتياجات الموقع.

ثلاث قواعد لتحديد الحجم تحافظ على كفاءة عملية الربط:

1. حجم الألواح الكهروضوئية لتغطية 40-80% من الطاقة السنوية للموقعليس بنسبة 100%. التغطية الكاملة تُجبر على استخدام بطاريات ذات سعة أكبر من اللازم وفترات خمول طويلة؛ التغطية الجزئية تزيد من قيمة الطاقة الشمسية لكل واط مُثبّت. 2.قم بتحديد حجم نظام BESS بحيث يستوعب دورة كاملة واحدة في اليوممن الفائض الشمسي المتوقع. تحقق البطارية التي يتم شحنها وتفريغها مرة واحدة يوميًا بنسبة 80% من عمق التفريغ كامل عمرها الافتراضي المحدد؛ أما البطاريات ذات السعة الصغيرة فتتعرض لدورات شحن وتفريغ زائدة، بينما تتدهور البطاريات ذات السعة الكبيرة مع مرور الوقت دون استخدامها. 3.قم بمطابقة نطاق إدخال MPPT مع نافذة التشغيل الحقيقية للمصفوفة.تستعيد وحدة MPPT ذات الجهد الواسع الطاقة في ظل التظليل الجزئي، وضباب الصباح، وتقادم الألواح، وهي الطاقة التي تتخلص منها وحدة ذات نطاق ضيق.

تحسينات الكفاءة: تتبع نقطة الطاقة القصوى، التحويل، وخسائر وضع الاستعداد

تُكتسب الكفاءة من خلال التفاصيل، وتسيطر ثلاث فئات من الخسائر على الأنظمة المترابطة:

خسائر نقطة تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT).قد يؤدي التظليل الجزئي لسلسلة واحدة من الألواح الشمسية إلى خفض إنتاجية المصفوفة بأكملها بنسبة تتراوح بين 10 و20% دون تحسين لكل سلسلة على حدة. وتقوم وحدات الطاقة عالية الأداء بتقنية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، مثل وحدات MIDA بقدرة 30-60 كيلوواط المستخدمة في أنظمة الشحن الشمسي، بتتبع نقطة الطاقة القصوى لكل سلسلة بشكل مستقل، مما يستعيد ما بين 5 و10% من الإنتاج السنوي في المواقع الواقعية التي تعاني من التظليل أو عدم تطابق الوحدات.

خسائر التحويل والخسائر في وضع الاستعداد.يعمل كل عاكس بشكل أسوأ عند الأحمال المنخفضة. موقع تخزين الطاقة بالبطاريات الذي يُبقي نظام تحويل الطاقة الخاص به في وضع الخمول عند حمل يتراوح بين 2-5% طوال الليل يُهدر كيلوواط ساعة على مدار الساعة. تستخدم الأنظمة الحديثة أوضاع الاستعداد منخفضة الطاقة للغاية (

إدارة الحرارة.يستهلك تبريد البطاريات الطاقة؛ إذ تحافظ حزم البطاريات المبردة بالسوائل على درجات حرارة مثالية للخلايا باستهلاك طاقة أقل بكثير من تلك المستخدمة في أنظمة التبريد الهوائي. في المناطق ذات المناخ الحار، يمكن للتبريد بالسوائل توفير ما بين 3 و5% من طاقة نظام البطارية مقارنةً بالتبريد بالهواء القسري، مع إطالة عمر الخلايا.

مجتمعة، ترفع هذه التدابير النظام المزدوج من "كفاءة اسمية 90٪" إلى "كفاءة تشغيلية 93-96٪" - وهو الفرق بين محطة شحن تعمل بالطاقة الشمسية بسعة 2 ميجاوات ساعة مزودة بنظام تخزين الطاقة الكهربائية (BESS) والتي توفر طاقتها المقدرة، ومحطة أخرى تفقد بهدوء ما يعادل طاقة جلسة واحدة كل أسبوعين.

مواقع خالية من الانبعاثات واستبدال الديزل

تتمثل الفائدة الاستراتيجية لهذا الربط في الاستقلال التشغيلي. ففي المواقع النائية أو التي تعاني من محدودية الشبكة الكهربائية أو التي تتطلب الاستجابة للكوارث، يحل مركز الطاقة الشمسية + نظام تخزين الطاقة بالبطاريات محل مولد الديزل - وهو الحل التقليدي لمشكلة "عدم وجود شبكة كهربائية هنا".

الفرق شاسع. مولد الديزل في محطة خدمة على الطريق السريع يستهلك من 3 إلى 4 لترات من الوقود في الساعة عند التحميل الجزئي، وينتج عنه من 2.5 إلى 3 كيلوغرامات من ثاني أكسيد الكربون لكل لتر، ويتطلب نقل الوقود. في المقابل، توفر محطة الطاقة الشمسية المزودة بنظام تخزين الطاقة (BESS) بقدرة 150-400 كيلوواط ذروة من الألواح الكهروضوئية وسعة تخزين من 500 كيلوواط ساعة إلى 2 ميغاواط ساعة، خدمة الشحن نفسها بدون أي انبعاثات في الموقع، وتشغيل صامت، وتكلفة هامشية شبه معدومة بعد التركيب.

تُبلغ مراكز التشغيل عن ثلاث نتائج قابلة للقياس:

• توفير في تكاليف الوقود والخدمات اللوجستية يتراوح بين 15000 و 60000 دولار سنوياًمقارنة بتشغيل الديزل المكافئ؛
• خفض انبعاثات الكربون بمقدار 40-120 طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياًلكل موقع، وهو ما يؤهل أيضاً لبرامج أرصدة الكربون في بعض الأسواق؛
• وقت التشغيل أعلى من 95%بالنسبة لجداول الشحن التي يهيمن عليها ضوء النهار، مع تغطية الشبكة أو مولد احتياطي لذروة الطلب في المساء.

تُعد بنية [محطة شحن BESS المعبأة في حاويات بسعة 500 كيلوواط ساعة](https://www.midapower.com/news/500kwh-containerized-bess-charging-station-for-grid-constrained-areas/) - وهي عبارة عن بطارية معبأة في حاوية مع مدخلات شمسية متكاملة - بمثابة اللبنة الأساسية القياسية لمثل هذه المواقع، حيث يتم شحنها كوحدة واحدة ويتم تشغيلها دون أعمال مدنية.

خاتمة

لا تُعدّ الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة تحسينات إضافية لمحطة الشحن، بل هما نظام متكامل تتجاوز كفاءته مجتمعةً مجموع كفاءة مكوناته. يعمل الربط بالتيار المستمر على إزالة فاقد التحويل، بينما يعوض نظام تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) فائض الطاقة الشمسية في منتصف النهار، ويحوّل نظام البطارية فائض الطاقة الشمسية إلى إيرادات شحن مسائية. عند اختيار الحجم المناسب - بحيث تغطي الألواح الكهروضوئية ما بين 40% و80% من طاقة الموقع، ويتم تشغيل نظام تخزين الطاقة بالبطارية مرة واحدة يوميًا، مع وحدات MPPT واسعة النطاق - يُقلل مركز تخزين الطاقة بالبطارية الذي يعمل بالطاقة الشمسية من مشتريات الشبكة بنسبة تتراوح بين 40% و70%، ويُغني عن استخدام الديزل في المواقع النائية، ويوفر شحنًا خاليًا من الانبعاثات حيث تشتد الحاجة إليه. بالنسبة للمشغلين، لم يعد السؤال عن الكفاءة هو "هل تتكامل الطاقة الشمسية مع التخزين؟" بل "أي بنية ربط تستغل كل كيلوواط ساعة على أكمل وجه؟"

التعليمات

1. ما الفرق بين اقتران التيار المتردد والتيار المستمر في أنظمة الطاقة الشمسية وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات؟في نظام الربط بالتيار المتردد، يمتلك كل من الألواح الشمسية والبطارية عاكسًا خاصًا به على ناقل التيار المتردد، مما يؤدي إلى فقدان 2-4 نقاط من كفاءة دورة التحويل. أما في نظام الربط بالتيار المستمر، فتغذي الطاقة الشمسية ناقل التيار المستمر للبطارية عبر محول تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، مما يتجنب التحويل المزدوج ويرفع الكفاءة إلى 90-93%.

2. ما مقدار الطاقة الشمسية التي يجب أن أربطها بموقع شحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات؟يجب أن يغطي نظام الألواح الكهروضوئية ما بين 40% و80% من استهلاك الطاقة السنوي للموقع. التغطية الكاملة تستلزم استخدام بطاريات ذات سعة أكبر من اللازم، بينما التغطية الجزئية تزيد من قيمة الطاقة الشمسية لكل واط مُركّب مع الحفاظ على كفاءة دورة شحن البطارية.

3. كم عدد الدورات التي يجب أن يستهدفها نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المترابط يوميًا؟حوالي دورة شحن كاملة واحدة يوميًا عند مستوى تفريغ 80%. هذا المعدل يحقق العمر الافتراضي للبطارية ويحافظ على جدواها الاقتصادية؛ فالإفراط في دورات الشحن والتفريغ يُضعف البطارية، بينما التقليل منها يُهدر رأس المال.

4. هل يمكن لموقع تخزين الطاقة بالبطاريات الذي يعمل بالطاقة الشمسية أن يعمل بشكل كامل خارج الشبكة؟نعم، مع توفر الطاقة الشمسية الكهروضوئية الكافية، وتخزين الطاقة، وتلبية الطلب المرجح خلال النهار. تحتفظ المواقع الهجينة بوصلة الشبكة لضمان المرونة وتلبية ذروة الطلب في المساء؛ أما الجزر المعزولة فتضيف عادةً مولدًا احتياطيًا للحالات القصوى.

5. ما مدى أهمية تقنية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) في النظام المزدوج؟في المصفوفات المظللة أو غير المتطابقة، يستعيد نظام تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) المستقل لكل سلسلة ما بين 5 و10% من إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية السنوي، وهي طاقة كانت ستُفقد لولا ذلك. أما في المصفوفات النظيفة غير المظللة، فتتقلص هذه الفائدة، ولذلك تُعدّ الدراسات الميدانية ضرورية.

6. ما هي الكفاءة التي يجب أن أتوقعها من محطة شحن حديثة تعمل بالطاقة الشمسية ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات؟يمكن تحقيق كفاءة التشغيل ذهابًا وإيابًا بنسبة 93-96% باستخدام اقتران التيار المستمر، وحزم البطاريات المبردة بالسوائل، ونظام تحويل الطاقة منخفض الاستعداد - مقابل 85-88% للمجموعات الأساسية المقترنة بالتيار المتردد.

7. هل يؤدي ربط الطاقة الشمسية إلى تقليل رسوم الطلب على الموقع؟نعم. يؤدي توليد الطاقة الشمسية إلى خفض واردات الشبكة خلال فترات ذروة الأسعار، ويعمل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات على تسوية ذروة الـ 15 دقيقة المتبقية - مما يؤثر على مكونات الطاقة والطلب في الفاتورة في وقت واحد.