تخزين البطاريات في الشبكات الصغيرة التجارية: كيفية تحديد حجم وتصميم بطارية نظام تخزين الطاقة بالبطاريات

أصبحت الشبكات الصغيرة التجارية أكثر شيوعًا في المصانع والفنادق ومراكز البيانات والمزارع والمجمعات الصناعية والمنشآت النائية حيث لم تعد تكلفة الطاقة وسعة الشبكة وموثوقية الطاقة قضايا منفصلة.

في العديد من المشاريع، لا يقتصر الأمر على حاجة الموقع إلى طاقة احتياطية فحسب. فقد يكون الموقع مزودًا بالفعل بألواح شمسية كهروضوئية، ومولد ديزل، ووصلة بشبكة الكهرباء، لكن هذه الأصول تعمل بشكل مستقل. ويتمثل دور تخزين البطاريات في الشبكات الصغيرة التجارية في ربط هذه الموارد في نظام طاقة أكثر مرونة.

قد تجمع شبكة كهربائية صغيرة تجارية نموذجية بين الشبكة الرئيسية، والطاقة الشمسية الكهروضوئية، ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات، والمولد، ونظام إدارة الطاقة، والأحمال الحرجة. يمنح نظام تخزين الطاقة بالبطاريات الشبكة الصغيرة القدرة على تحويل الطاقة الشمسية، وتقليل ذروة استهلاك الشبكة الرئيسية، ودعم الأحمال أثناء انقطاع التيار الكهربائي، والحد من وقت تشغيل المولد، والاستجابة للتغيرات في الطلب على الكهرباء.

أما بالنسبة لشركات الهندسة والمشتريات والإنشاءات ومطوري المشاريع، فإن التحدي الرئيسي لا يكمن في تحديد جدوى تخزين الطاقة بالبطاريات، بل في تحديد كمية البطاريات المطلوبة فعلياً، وكمية الطاقة اللازمة لنظام تحويل الطاقة، وكيفية تفاعل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات مع بقية الشبكة المصغرة.

للحصول على نظرة عامة أشمل حول تطبيقات النظام الكاملة، وأنماط التشغيل، وسيناريوهات المشاريع، راجع GSL ENERGY حلول الشبكات الصغيرة الصناعية والتجارية .

ما هو دور تخزين الطاقة بالبطاريات في الشبكة الكهربائية الصغيرة التجارية؟

يمكن أن تعمل الشبكة المصغرة التجارية بطرق مختلفة تبعًا للموقع. بعض المشاريع تبقى متصلة بشبكة الكهرباء الرئيسية بشكل شبه دائم. في هذه الأنظمة، يُستخدم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بشكل أساسي للاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية، وتقليل ذروة الطلب، وتحسين أوقات الاستخدام، والحفاظ على استيراد الطاقة من الشبكة دون حد معين.

تتطلب بعض المشاريع الأخرى وجود نظام احتياطي. ففي حال انقطاع التيار الكهربائي، يجب فصل النظام بأمان عن الشبكة ومواصلة تزويد الأحمال المختارة بالطاقة باستخدام نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، والطاقة الشمسية، والمولد الكهربائي عند الضرورة. وقد تعمل المواقع النائية دون أي اتصال موثوق بالشبكة الكهربائية. في هذه الحالات، يصبح تخزين الطاقة بالبطاريات جزءًا أساسيًا من نظام الطاقة، حيث يوازن بين توليد الطاقة الكهروضوئية، واحتياجات الموقع، وتشغيل المولد الكهربائي على مدار اليوم.

لهذا السبب، يمكن لبطارية بسعة 1 ميغاواط/ساعة أن تخدم مشاريع مختلفة تمامًا. فنظام 1 ميغاواط/ساعة مُثبّت في مصنع لتخفيف ذروة الطلب قد يُصمّم بشكل مختلف تمامًا عن بطارية 1 ميغاواط/ساعة تُستخدم في شبكة كهربائية صغيرة معزولة تعمل بالطاقة الشمسية والديزل. قد تبدو سعة الطاقة متشابهة نظريًا، لكن استراتيجية تحويل الطاقة، وإدارة الطاقة، والتحويل، والحماية، والاحتياطي قد تكون مختلفة تمامًا.

ابدأ بحمل الموقع، وليس سعة البطارية

من الأخطاء الشائعة في المشاريع في مراحلها الأولى البدء بحجم المنتج. فقد يطلب المقاول نظام تخزين طاقة بالبطاريات بسعة 500 كيلوواط/ساعة أو 1 ميغاواط/ساعة قبل تحديد احتياجات الموقع الفعلية من الطاقة. والنهج الأمثل هو البدء بتحليل نمط الحمل وتحديد المشكلة التي يجب أن تحلها الشبكة المصغرة.

على سبيل المثال، لنفترض مصنعًا تبلغ ذروة حمولته 700 كيلوواط، ولكن لديه اتصالًا متاحًا بالشبكة بقدرة 500 كيلوواط فقط. فجوة الطاقة المباشرة هي:

700 كيلوواط - 500 كيلوواط = 200 كيلوواط

إذا استمرت تلك الفجوة عادةً لمدة ساعتين، فإن متطلبات الطاقة الأساسية هي تقريبًا:

200 كيلوواط × ساعتان = 400 كيلوواط ساعة

بعد مراعاة فاقد التحويل، وحالة الشحن الاحتياطية، وتدهور البطارية، وهامش التشغيل، قد يكون نظام بسعة 500 كيلوواط/ساعة حجمًا عمليًا للتقييم. في موقع آخر، قد يكون هناك نقص في الطاقة بقدرة 400 كيلوواط لمدة ثلاث ساعات. سيحتاج هذا المشروع بالفعل إلى حوالي 1.2 ميغاواط/ساعة قبل إضافة هوامش التصميم.

لهذا السبب، يتطلب تحديد حجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات دائمًا إجراء حسابين منفصلين. تُخبرك القدرة بالكيلوواط أو الميغاواط بمقدار الحمل الذي يجب أن تدعمه البطارية، بينما تُخبرك الطاقة بالكيلوواط ساعة أو الميغاواط ساعة بالمدة التي يجب أن تدعم فيها البطارية ذلك الحمل.

ما مقدار تخزين البطاريات الذي تحتاجه شبكة كهربائية صغيرة تجارية؟

لا يوجد حجم قياسي للبطاريات في الشبكات الصغيرة التجارية، ولكن تظهر نطاقات سعة معينة بشكل متكرر في المشاريع الحقيقية.

قد يكون نظام طاقة شمسية بقدرة 100-300 كيلوواط/ساعة كافيًا لفندق صغير أو مشروع طاقة شمسية تجاري، حيث تُستخدم البطارية بشكل أساسي لنقل الطاقة الكهروضوئية المُنتجة خلال النهار إلى الطلب المسائي. أما نظام بقدرة 500 كيلوواط/ساعة إلى 1 ميغاواط/ساعة فهو أكثر شيوعًا عندما يحتاج المشروع أيضًا إلى سدّ فجوة كبيرة في الطاقة، أو تقليل استهلاك الديزل، أو توفير طاقة احتياطية محدودة.

بمجرد أن يصل استهلاك الطاقة في الموقع إلى نطاق 1-2 ميغاواط/ساعة، يصبح نظام تخزين الطاقة بالبطاريات عادةً جزءًا من البنية التحتية الكهربائية الأوسع للموقع، بدلاً من كونه جهازًا مستقلاً لتوفير الطاقة. وهنا تبرز أهمية تحديد حجم نظام تحويل الطاقة، وسعة المحولات، والتحكم في نظام إدارة الطاقة، وتخطيط التوسع.

يُعد نظام الطاقة الشمسية + نظام تخزين الطاقة بالبطاريات + المولد أحد أكثر أنظمة الشبكات الصغيرة عمليةً.

تُبنى العديد من الشبكات الصغيرة التجارية حول توليد الطاقة الشمسية والديزل، لأن لكلٍّ منهما مزايا مختلفة. فالطاقة الشمسية تُنتج طاقة منخفضة التكلفة خلال النهار، لكنها لا تستطيع تزويد الموقع بالطاقة ليلاً. أما مولدات الديزل، فيمكنها العمل في أي وقت، لكن تكاليف الوقود والصيانة مرتفعة. وتُعدّ أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات حلاً وسطاً بينهما.

خلال النهار، يمكن للألواح الشمسية تزويد الأحمال وشحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات. وفي المساء، يمكن للبطارية الاستمرار في دعم الموقع دون تشغيل المولد فورًا. إذا وصلت البطارية إلى الحد الأدنى لحالة الشحن التشغيلية، يمكن للمولد بدء التشغيل وتزويد الأحمال أو إعادة شحن البطارية وفقًا لاستراتيجية إدارة الطاقة.

لا ينتج عن ذلك بالضرورة نظام خالٍ من الديزل. ففي العديد من التطبيقات التجارية، يتمثل الهدف الأكثر عملية في تقليل وقت تشغيل المولد وزيادة كفاءته.

يمكن التعبير عن بنية مبسطة على النحو التالي:

الطاقة الشمسية الكهروضوئية + الشبكة + المولد ← نظام إدارة الطاقة ← نظام تخزين الطاقة بالبطاريات + الأحمال

يُحدد نظام إدارة الطاقة متى يجب شحن البطارية، ومتى يجب تفريغها، ومتى يجب تشغيل المولد. وفي المشاريع الأكثر تطوراً، قد يُدير أيضاً حدود استيراد الطاقة من الشبكة، ورسوم الطلب، وتعريفات وقت الاستخدام، وأولويات الأحمال الحرجة.

شركة جي إس إل للطاقة حلول الشبكات الصغيرة التجارية تم تصميمها حول هذا النوع من بنية الطاقة متعددة المصادر، حيث يتم دمج تخزين البطاريات مع توليد الطاقة المتجددة والمولدات وأحمال الموقع بدلاً من التعامل معها كجهاز معزول.

كيف يمكن لتخزين البطاريات أن يقلل من وقت تشغيل المولد؟

يُعدّ خفض استهلاك الديزل أحد أهم الأسباب التجارية لتركيب نظام تخزين الطاقة بالبطاريات في المشاريع ذات الشبكات الضعيفة والمناطق النائية. ويتم عادةً تحديد حجم المولد لتغطية أقصى طلب للموقع، حتى وإن كان ذروة الحمل قد تحدث لفترة قصيرة فقط من اليوم.

خلال فترات انخفاض الأحمال، قد يعمل المولد لساعات طويلة دون مستوى كفاءته الأمثل. يُغيّر تخزين الطاقة في البطاريات نمط التشغيل هذا. فبدلاً من تشغيل المولد باستمرار، يمكن للشبكة المصغرة استخدام الطاقة الشمسية وطاقة البطاريات خلال فترات انخفاض الطلب، وتشغيل المولد فقط عندما تتطلب حالة شحن البطارية أو الحمل أو ظروف التشغيل ذلك.

على سبيل المثال، قد تقوم منشأة تجارية نائية بتشغيل مولد كهربائي لمدة 20 ساعة يوميًا. بعد إضافة ألواح شمسية كافية وبطاريات تخزين، قد لا يحتاج المولد إلى التشغيل إلا خلال فترات انخفاض النشاط الشمسي لفترات طويلة، أو عند ارتفاع الطلب بشكل غير معتاد، أو عندما تصل البطارية إلى أدنى مستوى احتياطي لها.

ينبغي حساب نسبة توفير الوقود بدقة بناءً على منحنى كفاءة المولد الفعلي، وسعر الوقود، وموارد الطاقة الشمسية، وحمل الموقع، واستراتيجية تشغيل البطاريات. ولا ينبغي لأي مقترح مشروع موثوق أن يطبق نسبة توفير وقود موحدة على جميع المواقع.

ومع ذلك، فإن مبدأ التشغيل واضح: تقليل ساعات تشغيل المولد يمكن أن يقلل من استهلاك الوقود وفترات الصيانة وتآكل المعدات.

مشاريع الشبكات الصغيرة الحقيقية توضح أهمية تصميم النظام

إن أفضل طريقة لفهم تخزين البطاريات في الشبكات الصغيرة التجارية هي النظر في كيفية استخدام المشاريع المختلفة لنفس التقنيات الأساسية بطرق مختلفة.

في اليمن، دعمت شركة GSL ENERGY مشروعًا للبنية التحتية للمياه باستخدام ما يقارب 2.49 ميغاواط/ساعة من تخزين البطاريات عالية الجهد، وعدة محولات هجينة بقدرة 80 كيلو فولت أمبير، ومجموعة كبيرة من الألواح الشمسية الكهروضوئية، ونظام إدارة الطاقة القائم على نظام إدارة الطاقة. صُمم النظام خصيصًا لمواجهة ظروف الشبكة الكهربائية الضعيفة، ولضمان استمرارية التشغيل الموثوقة للبنية التحتية الحيوية للمياه.

في ولاية صباح الماليزية، تخدم شبكة طاقة شمسية صغيرة بسعة 50 كيلوواط/120 كيلوواط ساعة مجتمعًا ريفيًا يضم 45 منزلًا. ورغم صغر السعة، إلا أن مبدأ التشغيل متشابه: حيث يتم تنسيق توليد الطاقة الشمسية وتخزين البطاريات والأحمال المحلية كنظام واحد بدلًا من إدارتها بشكل منفصل.

يستخدم مشروع آخر للطاقة في منطقة نائية في غابات الأمازون البيروفية ما يقارب 500 كيلوواط/ساعة من تخزين البطاريات في موقع استلزم نقله عبر النهر لعدة أيام للوصول إلى موقع المشروع. في مشاريع كهذه، قد تكون الخدمات اللوجستية وسهولة التركيب والمراقبة عن بُعد وموثوقية النظام بنفس أهمية سعة البطارية الاسمية.

توضح هذه المشاريع لماذا لا يمكن تصميم شبكة كهربائية صغيرة تجارية بالاعتماد على سعة البطاريات وحدها. فالمناخ، والنقل، وجودة الشبكة، واستراتيجية المولدات، وظروف الخدمة المحلية، وموارد الطاقة الشمسية، كلها عوامل تؤثر على بنية النظام النهائية.

نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المعياري يسهل التوسع المستقبلي

نادراً ما يبقى الطلب التجاري على الكهرباء ثابتاً. فقد يضيف مصنع خط إنتاج جديداً، وقد يقوم فندق بتركيب المزيد من شواحن السيارات الكهربائية، وقد يقوم مركز بيانات بتشغيل قاعة خوادم أخرى، أو قد يزيد موقع ناءٍ من قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بعد السنة الأولى من التشغيل.

بالنسبة لهذه المشاريع، يمكن أن يقلل تخزين البطاريات المعياري من الحاجة إلى تركيب السعة النهائية لمدة خمس سنوات في اليوم الأول.

على سبيل المثال، يمكن لخزانة C&I من فئة 125 كيلوواط / 261 كيلوواط ساعة أن توضح منطق التوسع الأساسي:

يُعد هذا النوع من التصميم المعماري مفيداً للمواقع الصناعية التي يُتوقع فيها نمو في الأحمال مستقبلاً. ومع ذلك، يجب التخطيط للتوسع منذ البداية.

ينبغي على مهندس المشروع التأكد من قدرة المحول، ولوحة التوزيع، وبنية نظام تحويل الطاقة، ونظام إدارة الطاقة، ووصلة الموقع على دعم سعة بطاريات إضافية لاحقًا. ولا يُعدّ إضافة الخزائن أمرًا بسيطًا إلا إذا كان التصميم الكهربائي العام يسمح بالتوسع المستقبلي.

تحتاج الشبكات الصغيرة المتصلة بالشبكة والشبكات الصغيرة غير المتصلة بالشبكة إلى تصميمات مختلفة

يمكن لشبكة كهربائية صغيرة تجارية متصلة بالشبكة الرئيسية الاعتماد على شبكة الكهرباء العامة كمرجع للجهد والتردد أثناء التشغيل العادي. أما النظام غير المتصل بالشبكة فلا يمكنه ذلك، مما يؤثر على اختيار نظام تحويل الطاقة واستراتيجية التحكم.

في الشبكة المصغرة المعزولة، قد يحتاج نظام البطارية إلى تحديد الجهد والتردد المحليين، وتنسيق بدء تشغيل المولد وإيقافه، والحفاظ على التشغيل المستقر مع تغير توليد الطاقة الكهروضوئية والأحمال.

لذا، تحتاج شهادات أداء الطاقة إلى تأكيد أكثر من مجرد سعة البطارية. قد تتضمن أسئلة التصميم المهمة ما يلي:

• وضع تشغيل PCS
• إمكانية تشكيل الشبكة عند الحاجة
• استراتيجية النقل
• متطلبات STS أو ATS
• إمكانية بدء التشغيل من الصفر
• اتصال المولد
• الحد الأدنى للاحتياطي SOC
• أولويات تخفيف الأحمال الكهربائية

لا ينبغي أبدًا افتراض أن النظام المصمم فقط لتقليل ذروة الطلب على الشبكة يدعم التشغيل الكامل خارج الشبكة دون التأكد من هذه المتطلبات.

ما الذي يجب على شركات الهندسة والمشتريات والإنشاءات تقديمه قبل طلب عرض أسعار لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات للشبكات الصغيرة

تعتمد جودة مقترح نظام تخزين الطاقة بالبطاريات النهائي عادةً على جودة معلومات المشروع المقدمة في البداية.

بفضل هذه المعلومات، يمكن لموردي البطاريات تقييم المشروع كنظام طاقة بدلاً من مجرد تقديم عرض سعر لخزانة قياسية.

ما الذي يجب على المشترين مقارنته بالإضافة إلى سعر البطارية؟

نادراً ما تُحسم مشاريع الشبكات الصغيرة التجارية بناءً على سعر البطارية فقط. فقد تصبح البطارية منخفضة التكلفة باهظة الثمن إذا اكتشف المقاول لاحقاً أن المورد لا يستطيع توفير بروتوكول الاتصال المطلوب، أو واجهة المولد، أو وثائق نظام إدارة الطاقة، أو دعم التشغيل.

فيما يتعلق بشراء أنظمة الشبكات الصغيرة، ينبغي على المشترين أيضاً مقارنة ما يلي:

• توافق PCS
• إمكانية الاتصال بالشبكة الكهربائية والتشغيل خارجها
• وظائف نظام إدارة الطوارئ
• تكامل المولد
• الحماية من الحرائق
• تصميم التبريد
• بروتوكولات الاتصال
• شهادة
• الوثائق الفنية
• دعم التشغيل
• المراقبة عن بعد
• ضمان
• دعم ما بعد البيع محلياً

يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية، لا سيما بالنسبة للمشاريع التي تتراوح سعتها بين 500 كيلوواط/ساعة و5 ميغاواط/ساعة. عند هذا الحجم، يصبح نظام تخزين الطاقة بالبطاريات جزءًا من البنية التحتية الكهربائية للموقع، لذا غالبًا ما تكون مخاطر التكامل أهم من بضعة دولارات لكل كيلوواط/ساعة.

أصبحت الشبكات الصغيرة التجارية قرارًا في مجال البنية التحتية للطاقة

لم تعد أقوى مشاريع الشبكات الصغيرة التجارية تُنشأ لسبب واحد فقط. قد يحتاج مصنع إلى طاقة أكثر مما توفره الشبكة المحلية حاليًا. قد يرغب فندق في استخدام المزيد من الطاقة الشمسية المولدة لديه. قد يحتاج مركز بيانات إلى مرونة أكبر. قد تسعى مزرعة إلى تقليل استهلاك الديزل.

يمكن لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات أن تدعم كل هذه الأهداف، ولكن فقط عندما تُصمم كجزء من نظام الطاقة الأوسع. هذا هو الفرق الرئيسي بين شراء بطارية وبناء شبكة طاقة مصغرة.

تجمع الشبكة المصغرة التجارية المصممة جيدًا بين التوليد والتخزين والشبكة والمولد والتحكم ، وتحدد كيفية استخدام كل مورد على مدار اليوم.

بالنسبة لشركات الهندسة والمشتريات والإنشاءات والمطورين والشركات التي تحتاج إلى نهج شامل على مستوى النظام، استكشفوا GSL ENERGY حلول الشبكات الصغيرة الصناعية والتجارية للتطبيقات المتصلة بالشبكة، والتطبيقات الاحتياطية، والتطبيقات غير المتصلة بالشبكة.

هل تخطط لمشروع تخزين بطاريات في شبكة كهربائية صغيرة تجارية؟

لإجراء تقييم فني أولي، يرجى إعداد معلومات المشروع التالية:

البلد | التطبيق | ذروة الحمل | سعة الشبكة | سعة الألواح الكهروضوئية | الحمل الحرج | مدة النسخ الاحتياطي | سعة المولد | جهد الموقع | التوسع المتوقع

تتيح هذه المدخلات تقييم طاقة نظام تحويل الطاقة المطلوبة، وسعة البطارية، ومدة التشغيل، والبنية المتصلة بالشبكة أو غير المتصلة بها، واستراتيجية المولد والتوسع المستقبلي.

ينبغي اختيار نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المناسب بناءً على متطلبات تشغيل الموقع - وليس بناءً على سعة البطارية المفضلة.