هل تحتاج حاوية الطاقة الشمسية إلى تخزين البطاريات؟ كيف تختار التصميم المعماري المناسب؟

لا، لا تحتاج حاويات الطاقة الشمسية دائمًا إلى تخزين البطاريات. قد يكون نظام التوليد فقط هو الخيار الأمثل عندما تتوفر شبكة كهربائية مستقرة أو مولد كهربائي، وتعمل الأحمال الرئيسية خلال النهار، وتكون الطاقة الشمسية المصدرة أو غير المستخدمة لها وجهة مناسبة. يصبح تخزين البطاريات ضروريًا عندما يتطلب المشروع تشغيل الأحمال بعد غروب الشمس، أو العمل أثناء انقطاع التيار الكهربائي، أو تنظيم إمداد متذبذب، أو العمل كجزء من شبكة كهربائية صغيرة مستقلة.

يجب اتخاذ القرار قبل تحديد حجم البطارية. ابدأ بتحديد أوقات تشغيل الأحمال، وماذا يحدث عند انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية، وما هو المصدر الذي يحدد الجهد والتردد. ثم اختر من بين أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية فقط، أو الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع التخزين، أو الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع التخزين ومولد الطاقة. إذا كان مفهوم الحاويات لا يزال غير مألوف، فإن هذه النظرة العامة على حاويات الشحن التي تعمل بالطاقة الشمسية توضح كيفية دمج مولدات الطاقة القابلة للطي، ومعدات التحويل، ووحدات التخزين الاختيارية في نظام قابل للنقل.

ابدأ بالمهمة التي يجب أن تؤديها البطارية

البطارية ليست مجرد تحسين عام للموثوقية، بل هي عنصر لنقل الطاقة والتحكم بها، ولها وظيفة محددة. قد يحتاج مشروع الحاوية نفسه إلى التخزين لهدف معين، ولا يحتاج إليه لهدف آخر.

كلمة "احتياطي" تحتاج إلى رقم بجانبها. قد يحتاج أحد المشترين إلى عشر دقائق لإيقاف التشغيل بشكل منظم؛ بينما قد يحتاج آخر إلى ست ساعات من الاتصالات والضخ؛ وقد تحدد عيادة نائية استمرارية العمل خلال حدث أطول بكثير. هذه مهام تخزين مختلفة، ولا ينبغي أن ينتج عنها نفس المواصفات.

اختر من بين ثلاثة تصاميم معمارية عملية

الطاقة الشمسية فقط: الأفضل للأحمال المتزامنة والمرنة

توفر حاوية الطاقة الشمسية المخصصة لتوليد الطاقة فقط الطاقة خلال ساعات سطوع الشمس. ويمكن لوصلة كهربائية مستقرة أو مولد كهربائي استيعاب الفرق بين إنتاج الطاقة الشمسية والحمل، وذلك وفقًا للتصميم الكهربائي المعتمد. يناسب هذا الخيار المواقع المتصلة بالشبكة والتي تحتاج إلى الطاقة خلال النهار، أو العمليات التي يمكنها جدولة عمليات الضخ، ومعالجة المياه، والشحن، أو غيرها من العمليات الدورية خلال فترة سطوع الشمس.

لا تفسر عبارة "الطاقة الشمسية الكهروضوئية فقط" على أنها "طاقة في جميع الظروف". يتغير إنتاج الطاقة الشمسية بتغير الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة والتظليل والطقس. كما أن محولات الطاقة المتصلة بالشبكة تخضع لالتزامات الربط البيني ومنع العزل. وتشير وزارة الطاقة الأمريكية إلى أن أنظمة الطاقة الشمسية التقليدية المعتمدة على الشبكة تتوقف عن العمل عادةً عند انقطاع التيار الكهربائي؛ ويتطلب تشغيلها أثناء انقطاع التيار وجود محول طاقة ونظام تخزين مُهيأين بشكل صحيح. يختلف الشرط الدقيق باختلاف التصميم والولاية القضائية، ولكن الدرس المستفاد واضح للمشتري: توليد الطاقة المتصل بالشبكة ليس بالضرورة طاقة احتياطية. راجع إرشادات وزارة الطاقة الأمريكية بشأن الطاقة الشمسية والمرونة.

بطارية PV Plus: الأفضل لتأجيل التشغيل وتقليل فترات الانقطاع

أضف نظام تخزين الطاقة عند الحاجة لاستخدام الطاقة الشمسية في وقت مختلف عن وقت إنتاجها، أو عند الحاجة إلى تجاوز انقطاع محدد في النظام المحلي. تُشحن البطارية من الطاقة المولدة وتُفرغ لاحقًا عبر نظام تحويل الطاقة. قد يُساعد هذا النظام أيضًا في إدارة اختلالات الطاقة قصيرة المدى، ولكن فقط عندما يكون نظام تحويل الطاقة، وأنظمة التحكم، والحماية، وأنماط التشغيل مصممة لهذه الوظيفة.

يجب الفصل بين التقييمين. تشير سعة طاقة البطارية بالكيلوواط/ساعة إلى كمية الطاقة التي يمكن تخزينها، بينما تشير قدرة البطارية بالكيلوواط إلى سرعة شحنها أو تفريغها. ويُطبق هذا التمييز نفسه في أساسيات الطاقة الشمسية والتخزين الصادرة عن وزارة الطاقة الأمريكية . لا يُثبت ارتفاع قيمة الكيلوواط/ساعة قدرة النظام على تشغيل محرك أو تلبية ذروة استهلاك عالية، كما أن ارتفاع قدرة المحول بالكيلوواط لا يضمن ساعات تشغيل طويلة.

الألواح الكهروضوئية والبطاريات والمولدات: الأفضل في حالات انخفاض التعرض لأشعة الشمس لفترات طويلة

في موقع ناءٍ دائم، قد يؤدي تصميم بطاريات لكل فترة انخفاض محتملة في سطوع الشمس إلى متطلبات تخزين كبيرة ونادرة الاستخدام. يسمح التصميم الهجين للبطارية بتغطية التقلبات اليومية العادية ونقص الطاقة لفترات قصيرة، بينما يتولى المولد معالجة سوء الأحوال الجوية لفترات طويلة، أو الأحمال العالية غير المعتادة، أو شحن الطاقة الاحتياطية. لا يُلغي المولد الحاجة إلى إدارة الطاقة، أو تحديد أولويات الأحمال، أو تخطيط الوقود؛ بل يُغير نطاق المخاطر.

يُعدّ هذا التصميم مفيدًا بشكل خاص عندما يكون توصيل الوقود ممكنًا ولكنه غير مرغوب فيه، وعندما تكون تكلفة فقدان الطاقة أعلى من تكلفة الحفاظ على مصدر طاقة قابل للتشغيل عند الحاجة. يُقيّم إطار عمل REopt التابع للمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) الطاقة الشمسية والبطاريات والمولدات معًا، لأن المرونة تعتمد على الحمل الحرج، ومصدر الطاقة الشمسية، وحالة شحن البطارية، وتوقيت انقطاع التيار الكهربائي، وليس على قيمة اسمية واحدة. راجع شرح NREL لإطار عمل REopt الخاص بتحديد حجم نظام الطاقة وتحليل المرونة.

قم بإجراء خمسة اختبارات قرار قبل اختيار وحدة التخزين

1. تحديد الحمل مقابل النافذة الشمسية

استخدم بيانات استهلاك الطاقة بالساعة أو على فترات زمنية محددة، وليس فقط الفاتورة الشهرية. حدد الحمل الأساسي المستمر، وجدول المناوبات، والمحركات الكبيرة، وأحداث بدء التشغيل، والأحمال التي يمكن نقلها مع مرور الوقت. يختلف احتياج التخزين لموقع يستهلك 300 كيلوواط ساعة بالكامل بين الساعة 09:00 صباحًا و16:00 مساءً عن موقع يستهلك نفس الطاقة بالتساوي على مدار 24 ساعة.

حدد أيضًا الأحمال التي يمكن تقليصها. إذا كان بالإمكان إيقاف ضخ المياه مؤقتًا أثناء هطول أمطار غزيرة دون التأثير على العمليات، فقد يسمح التصميم بتقليل سعة التخزين. أما إذا تعذر إيقاف رف الاتصالات أو نظام السلامة أو الثلاجة الطبية، فاعزل هذا المستوى الحرج بدلًا من تحديد حجم النسخ الاحتياطي لكل حمل غير أساسي.

2. حدد عواقب فقدان الشبكة

إذا كان الموقع يتمتع بشبكة كهربائية قوية، ولم تؤثر انقطاعات التيار على العمليات الحيوية، فقد يكون توليد الطاقة الشمسية فقط كافيًا. أما إذا كان لا بد من استمرار العمل في حال انقطاع التيار، فيجب تحديد قدرة الحمل الحرج بالكيلوواط، وعدد الساعات المطلوبة، وفترة الانقطاع المقبولة، وتسلسل استعادة الطاقة. لا تفترض أن البطارية تُنشئ نظامًا معزولًا تمامًا. يحتاج النظام المستقل أيضًا إلى مصدر طاقة قادر على توفير الجهد والتردد، وحماية منسقة، وأنظمة تحكم، وتأريض، واستراتيجية انتقال مُختبرة.

تُعرّف وزارة الطاقة الأمريكية الشبكة المصغرة بأنها مجموعة من الأحمال المترابطة والموارد الموزعة ضمن نطاق كهربائي محدد، ويمكن التحكم بها كوحدة واحدة، وقد تعمل متصلة أو منفصلة عن الشبكة الرئيسية. وهذا يعني أن مجموعة من الألواح الشمسية والبطاريات والمولد لا تُعدّ شبكة مصغرة عاملة بعد. ويُقدّم تقرير وزارة الطاقة حول الطاقة الموزعة والشبكات المصغرة نظرة عامة على سياق النظام الأوسع.

3. تحديد ما إذا كان المولد احتياطيًا أو شريكًا أو مصدرًا رئيسيًا للطاقة

حدد دور المولد ضمن فلسفة التشغيل. قد يبدأ تشغيله فقط عندما يكون مستوى شحن البطارية أقل من حد معين، أو يعمل أثناء عملية تحميل عالية مجدولة، أو يخزن الشحنة عند نقطة تشغيل فعالة، أو يبقى مخصصًا للاستخدام في حالات الطوارئ. تؤثر هذه الخيارات على طاقة البطارية، وقدرة المحول، وتخزين الوقود، ومنطق التحكم.

تحقق من التوصيلات الكهربائية والوقود. يجب أن يكون المولد متوافقًا مع العاكس أو نظام تحويل الطاقة، ونظام الحماية، واستراتيجية التحويل. قد لا يمتلك المولد المصمم للحمل المتوسط ​​فقط هامشًا كافيًا لتلبية الحمل وإعادة شحن البطارية في آنٍ واحد. أما المولد الأكبر حجمًا فقد يعمل لفترات طويلة عند مستوى تحميل غير مرغوب فيه. ينبغي أن يُقيّم نموذج المشروع دورة التشغيل الكاملة.

4. حدد مستوى الاستقلالية المطلوب بالساعات

استخدم الساعات لشاشة القرار الأولى. لنفترض أن الحمل الحرج هو 18 كيلوواط ويجب أن يعمل لمدة ست ساعات بعد غروب الشمس. يتطلب هذا الحمل 108 كيلوواط ساعة. إذا افترض التصميم الأولي نافذة شحن قابلة للاستخدام بنسبة 80% وكفاءة مسار تفريغ بنسبة 92%، فإن شاشة لوحة البيانات الأولية هي:

108 كيلووات ساعة / 0.80 / 0.92 = 147 كيلووات ساعة

هذه نتيجة فحص توضيحية، وليست حجم البطارية النهائي. وهي لا تأخذ في الحسبان تأثيرات درجة الحرارة، وتقادم البطارية، والأحمال الإضافية، وحدود الطاقة، وسياسة الاحتياطي، وطاقة إعادة الشحن، وزيادات الوحدات. بعد اتخاذ قرار التصميم، استخدم الدليل المخصص لتحديد حجم بنك بطاريات الطاقة الشمسية خارج الشبكة لإجراء التحليل التالي.

5. تأكد من قدرة الألواح الشمسية على إعادة شحن البطارية

لا تستطيع البطارية إلا نقل الطاقة التي يوفرها مصدر آخر. قارن إنتاج الطاقة الشمسية المتوقع مع الاستهلاك النهاري المتزامن والطاقة التي يجب تخزينها. إذا كانت منظومة الألواح الشمسية بالكاد تغطي الحمل النهاري، فإن إضافة بطارية كبيرة لن تُحدث فائضًا في الشحن. سيقوم المولد أو الشبكة بشحن كمية أكبر مما قد يتوقعه المشتري.

قم بإجراء حسابات التوازن للموسم الصعب ذي الصلة، وليس فقط المتوسط ​​السنوي. توضح المقالة المتعلقة بإنتاج الطاقة من حاويات الطاقة الشمسية فصل قدرة الخلايا الكهروضوئية بالكيلوواط الذروة، وقدرة العاكس بالكيلوواط، وقدرة البطارية بالكيلوواط ساعة، والطاقة اليومية، بحيث تبدأ حسابات إعادة الشحن بالوحدات الصحيحة.

قم بمطابقة القرار مع ما تم التحقق منه HighJoule مسارات المنتجات

HighJoule تنشر الشركة مسارين مختلفين للمنتجات القابلة للطي في جداول تكوين منتجاتها. ولأغراض هذه المقارنة، تُعتبر صفوف النماذج الفردية هي المصدر الرئيسي؛ ولا تُعامل بيانات الميزات العامة كمواصفات إلا إذا تم تأكيدها لنموذج مُدرج.

يُدرج جدول معلمات حاوية الطاقة الشمسية HJ-FESS ستة تكوينات لتوليد الطاقة تتراوح قدرتها من 24 إلى 182 كيلوواط ذروة، مع ترتيبات عاكس سلسلة تتراوح قدرتها من 20 إلى 200 كيلوواط. يُشار إلى كل حقل من حقول سعة البطارية بخط مائل، لذا يجب التعامل مع HJ-FESS كمسار توليد طاقة كهروضوئية قابل للطي، ما لم تُحدد وثائق المشروع المنفصلة صراحةً واجهة تخزين خارجية.

يُدرج جدول معلمات حاوية الطاقة الشمسية HJ-FBESS ثمانية تكوينات لتخزين الطاقة الكهروضوئية تتراوح قدرتها بين 9 و136 كيلوواط ذروة، وسعتها التخزينية بين 15 و482 كيلوواط ساعة. تُنشر مواصفات العاكس ومحول الطاقة (PCS) بشكل منفصل في الإصدارات الأكبر؛ لذا يجب إبقاء هذه القيم منفصلة أثناء المقارنة. يُعد الجدول نطاقًا مرجعيًا، ولا يُغني عن التأكد من الطاقة القابلة للاستخدام، والجهد، وربط الشبكة، والحماية، ووضع التشغيل، ومخرجات المشروع.

أرسل سيناريو التشغيل، وليس مجرد تخمين بشأن البطارية.

تبدأ المراجعة الفنية المفيدة بقواعد التحميل والتشغيل. التحضير:

• إحداثيات الموقع وموسم التشغيل
• بيانات الأحمال بالساعة أو على فترات زمنية محددة بالكيلوواط والكيلوواط ساعة
• مجموعات الأحمال الحرجة، القابلة للتأجيل، والقابلة للانقطاع
• أكبر عمليات بدء تشغيل المحرك وذروات قصيرة المدة
• توافر الشبكة، وقيود التصدير، وسجل انقطاع التيار الكهربائي
• مدة النسخ الاحتياطي المطلوبة ومدة الانقطاع المقبولة
• حجم المولد الحالي أو المقترح، ونوع الوقود، ومنطق التشغيل
• متطلبات الجهد والتردد والطور والتأريض والربط البيني
• درجة الحرارة والغبار والارتفاع وغيرها من الظروف البيئية
• خطط التوسع ومتطلبات النقل

HighJoule يمكن استخدام هذه المدخلات لمقارنة مسارات توليد الطاقة فقط، وتخزين الطاقة الشمسية الكهروضوئية، والمسارات الهجينة دون اعتبار سعة البطارية فرضية أساسية. قدّم الملف من خلال نموذج الاستشارة الفنية واطلب عرض موازنة الطاقة، وموازنة القدرة، وافتراضات حالة التشغيل بشكل منفصل.