في مقالنا السابق بعنوان "ما هو التجاري و تخزين الطاقة الصناعية (أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية)؟ – دليل شامل للأسئلة والأجوبة، قدمت شركة GSL ENERGY أساسيات تخزين الطاقة في القطاع التجاري والصناعي. بعد فهم المفاهيم الأساسية، يبرز السؤال العملي التالي: كيف يتم تحديد حجم نظام تخزين الطاقة التجاري والصناعي؟ في هذه المقالة، تُلقي GSL ENERGY، وهي شركة متخصصة في تصنيع أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية، نظرة فاحصة على العوامل الرئيسية وطرق الحساب المستخدمة في تحديد حجم النظام.
يُعدّ تحديد حجم نظام تخزين الطاقة للمنشآت التجارية والصناعية أكثر تعقيداً من مجرد اختيار قدرة الطاقة وسعة البطارية. فهو يتطلب تقييم نمط استهلاك الطاقة في الموقع، والأهداف التشغيلية، وظروف الربط بالشبكة، وتوليد الطاقة المتجددة في الموقع، ومدة الطاقة الاحتياطية المطلوبة.
يُعدّ تحديد حجم النظام الأمثل أمرًا بالغ الأهمية. فإذا كان النظام أصغر من اللازم، فقد لا يُخفّض ذروة الطلب بكفاءة أو يدعم الأحمال الحرجة للفترة المطلوبة. أما إذا كان أكبر من اللازم، فسيتطلب المشروع استثمارًا أوليًا أعلى، وقد يبقى جزء من سعة البطارية غير مُستغلّ لفترات طويلة.
يساعد هذا الدليل مقاولي الهندسة والمشتريات والإنشاءات ومطوري المشاريع على تقدير طاقة نظام تحويل الطاقة المطلوبة وسعة البطارية ومدة النظام قبل طلب عرض تفصيلي لتخزين الطاقة.
قد تتطلب المنشأة نفسها تكوينات بطاريات مختلفة تمامًا، وذلك بحسب ما يتوقعه المالك من النظام. قبل اختيار المعدات، حدد حالة الاستخدام الأساسية ورتب أي أهداف ثانوية حسب الأهمية.
تشمل أهداف تخزين الطاقة الشائعة في القطاع التجاري والصناعي ما يلي:
قد تحتاج البطارية المصممة أساسًا لتلبية ذروات الطلب القصيرة إلى تصنيف PCS عالٍ نسبيًا ولكن بسعة طاقة محدودة. أما النظام المصمم لتوفير طاقة احتياطية لعدة ساعات، فسيحتاج عادةً إلى سعة بطارية أكبر بكثير، حتى لو كان تصنيف الطاقة مماثلاً.
الطاقة والقدرة تصفان جزأين مختلفين من نظام تخزين الطاقة بالبطارية.
تشير الكيلوواط (kW) إلى مقدار الطاقة التي يمكن للنظام شحنها أو تفريغها في لحظة معينة. ويتم تحديد هذا التصنيف عادةً بناءً على ذروة الحمل للمنشأة، والحد المستهدف للشبكة، وأقصى تقلب متوقع في الطاقة.
تشير وحدة الكيلوواط ساعة (kWh) إلى كمية الطاقة التي يمكن للبطارية تخزينها وتوفيرها على مدار فترة زمنية. وهذا يحدد المدة التي يمكن للنظام خلالها الحفاظ على الإنتاج المطلوب.
على سبيل المثال، يمكن لنظام بقدرة 125 كيلوواط/261 كيلوواط ساعة أن يوفر ما يصل إلى 125 كيلوواط في ظل ظروف التشغيل المقدرة. وبقسمة 261 كيلوواط ساعة على 125 كيلوواط، نحصل على مدة تشغيل اسمية تبلغ حوالي 2.1 ساعة. وتتأثر مدة التشغيل الفعلية بعمق التفريغ المتاح، وكفاءة التحويل، ودرجة حرارة التشغيل، وإعدادات الاحتياطي، وضوابط النظام.
لذلك يجب حساب كلتا القيمتين بشكل مستقل.
تعتمد جودة تصميم النظام على جودة بيانات الموقع. من الأفضل أن يقوم فريق المشروع بجمع سجلات استهلاك الكهرباء لمدة لا تقل عن 12 شهرًا، بالإضافة إلى بيانات الفترات الزمنية بدقة 15 دقيقة أو 30 دقيقة.
نادراً ما تُظهر فواتير الكهرباء الشهرية وحدها مدة ذروة الطلب. وتُعدّ بيانات الفترات الزمنية بالغة الأهمية لتحديد ما إذا كان الموقع يحتاج إلى نظام بطاريات قصير المدة، لمدة ساعتين أو أربع ساعات.
يجب أن يكون نظام تحويل الطاقة قادراً على الاستجابة لمتطلبات الطاقة اللازمة للشحن والتفريغ في الموقع. وتعتمد الطريقة المناسبة على التطبيق.
بالنسبة لمشروع تقليل ذروة الطلب، يمكن حساب متطلبات طاقة التفريغ الأولية على النحو التالي:
إذا وصل إنتاج مصنع ما إلى 320 كيلوواط ويريد إبقاء الطلب على الشبكة أقل من 200 كيلوواط:
لذا، يجب أن يكون نظام التخزين قادراً على توفير ما لا يقل عن 120 كيلوواط خلال فترات الذروة. ويمكن لنظام تخزين الطاقة بقدرة 125 كيلوواط أن يوفر توافقاً تقنياً مناسباً، شريطة إجراء مراجعة دقيقة لتقلبات الأحمال، ووقت الاستجابة، واحتياطي التشغيل.
للحصول على طاقة احتياطية، أضف متطلبات الطاقة المتزامنة لجميع الأحمال الحيوية. قد تسحب المحركات والمضخات والضواغط ومعدات التكييف تيارات بدء عالية، لذا يجب مراجعة خصائص بدء تشغيلها بدلاً من الاعتماد فقط على طاقة التشغيل الاسمية.
إذا كان إجمالي الحمل الحرج 90 كيلوواط، فيجب أن يدعم نظام تحويل الطاقة هذا الحمل على الأقل بشكل مستمر. وقد يلزم توفير هامش إضافي لطاقة بدء التشغيل، وتغييرات الحمل، والتوسعات المستقبلية.
في مشاريع الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية، يجب على نظام تحويل الطاقة استيعاب فائض الطاقة الشمسية المتوقع دون تجاوز حد الشحن المسموح به. ينبغي على فريق المشروع مقارنة الطاقة المُصدَّرة في منتصف النهار، ووقت شحن البطارية، واستهلاك الموقع في المساء.
قد يؤدي تركيب سعة بطارية أكبر دون توفير طاقة شحن كافية إلى منع البطارية من التقاط فائض الطاقة الشمسية المتاح خلال الفترة الزمنية المطلوبة.
بمجرد معرفة متطلبات الطاقة، احسب المدة التي يجب أن تحافظ فيها البطارية على هذا الإنتاج.
حساب الطاقة الأساسي هو:
إذا كان النظام يجب أن يوفر 120 كيلوواط لمدة ساعتين:
مع ذلك، فإنّ 240 كيلوواط ساعة هي الطاقة المطلوبة، وليست بالضرورة السعة الاسمية للبطارية. يجب أن يراعي التصميم الواقعي عمق التفريغ القابل للاستخدام وكفاءة النظام.
السعة الاسمية المطلوبة = الطاقة المُوَصَّلة المطلوبة ÷ (عمق التصريف القابل للاستخدام × كفاءة النظام)
باستخدام افتراضات التخطيط الأولية التي تنص على أن عمق التصريف القابل للاستخدام يبلغ 90% وكفاءة النظام تبلغ 92%:
240 كيلوواط ساعة ÷ (0.90 × 0.92) = حوالي 290 كيلوواط ساعة
هذه النسب المئوية هي أمثلة للتقدير الأولي. يجب أن تستخدم الحسابات النهائية البيانات المعتمدة وشروط الضمان وحدود التشغيل للبطارية ونظام التحكم في الطاقة المختارين.
مدة التخزين هي العلاقة بين سعة طاقة البطارية وقدرة التفريغ. وتُحدد المدة المناسبة بناءً على طول مدة المشكلة التي تحتاج البطارية إلى حلها.
مدة التخزين | الغرض النموذجي | اعتبارات تحديد حجم المفاتيح |
أقل من ساعة واحدة | ارتفاعات الطلب القصيرة، وتنعيم الطاقة | قدرة عالية مقارنة بالسعة |
1-2 ساعة | تقليل ذروة الطلب، وتحسين التعرفة، والاحتياطي القصير | مدة فترات الذروة المتكررة |
2-4 ساعات | التحول الشمسي، وفترات الذروة الممتدة، والشبكات الصغيرة | فائض الطاقة اليومي والحمل المسائي |
أكثر من 4 ساعات | فترات احتياطية طويلة، تشغيل بشبكة ضعيفة أو خارج الشبكة | استراتيجية استبدال الوقود، والاستقلالية، وإعادة الشحن |
لا يُعدّ نظام الأربع ساعات بالضرورة أفضل من نظام الساعتين. يجب أن تتوافق سعة البطارية مع منحنى الحمل الفعلي وجدول التشغيل. فإذا استمرت ذروة استهلاك الطاقة في المنشأة 45 دقيقة فقط، فقد لا تُستغلّ نسبة كبيرة من سعة البطارية التي تعمل لمدة أربع ساعات، ما لم تُؤدِّ أيضًا وظائف أخرى مثل موازنة الطاقة، أو النسخ الاحتياطي، أو تحويل الطاقة إلى مصادر متجددة.
لا تتطابق السعة الاسمية المطبوعة على مواصفات البطارية دائمًا مع الطاقة المتاحة للحمل. يجب على مصمم النظام التمييز بين ما يلي:
بالنسبة للمواقع التي تتطلب طاقة احتياطية، قد يحتفظ نظام إدارة الطاقة بمستوى شحن أدنى بدلاً من استخدام البطارية بالكامل لتحسين التعرفة اليومية. على سبيل المثال، يؤدي تخصيص 20% من البطارية لانقطاعات التيار الكهربائي إلى تقليل الطاقة المتاحة لتخفيف ذروة الاستهلاك أثناء التشغيل العادي.
لذلك يجب مراعاة استراتيجية التحكم أثناء تحديد الحجم، وليس إضافتها بعد اختيار المعدات.
تتناقص سعة البطارية تدريجياً مع مرور الوقت وتكرار استخدامها. قد لا يفي النظام المصمم خصيصاً لعام تشغيله الأول بمتطلبات وقت التشغيل الكاملة لاحقاً في المشروع.
يُعدّ التخطيط للتوسع أمرًا بالغ الأهمية للمصانع المتنامية والمجمعات التجارية ومحطات شحن المركبات الكهربائية. يُمكن للنظام المعياري تبسيط إضافة السعات لاحقًا، ولكن يجب تقييم التوافق بين مجموعات البطاريات القديمة والجديدة، وحدود نظام تحويل الطاقة، وسعة لوحة التوزيع، وتصميم الموقع مسبقًا.
لنفترض وجود مصنع بالبيانات الأولية التالية:
320 كيلوواط - 200 كيلوواط = 120 كيلوواط
ينبغي أن يوفر نظام التحكم في الطاقة ما لا يقل عن 120 كيلوواط، لذا فإن نظام 125 كيلوواط هو نقطة بداية منطقية.
120 كيلوواط × ساعتان = 240 كيلوواط ساعة
240 كيلوواط ساعة ÷ (0.90 × 0.92) = سعة اسمية تقريبية تبلغ 290 كيلوواط ساعة
في هذا السيناريو المبسط، قد يتمكن نظام بقدرة 261 كيلوواط ساعة من التحكم في ذروة الطلب البالغة 120 كيلوواط لمدة تقل عن ساعتين، أو قد يحقق الهدف إذا انخفض الحمل الفعلي خلال فترة الذروة. أما نظام بقدرة 418 كيلوواط ساعة فيوفر هامش طاقة أكبر، وقد يدعم أيضًا احتياطيًا احتياطيًا، أو تحكمًا أطول في ذروة الطلب، أو نموًا مستقبليًا في الأحمال.
ينبغي التحقق من صحة الاختيار النهائي عن طريق محاكاة ملف تعريف الحمل الكامل للفترة بدلاً من استخدام قيمة الطلب الأقصى الفردية فقط.
تقدم شركة GSL ENERGY تكوينات C&I المبردة بالسوائل والتي يمكن تقييمها مقابل فترات التحميل المختلفة وأهداف التشغيل.
نقطة التقييم | نظام بقدرة 125 كيلوواط/261 كيلوواط ساعة | نظام بقدرة 125 كيلوواط / 418 كيلوواط ساعة |
نسبة الطاقة إلى القدرة الاسمية | حوالي ساعتين و1 دقيقة | حوالي 3.3 ساعات |
نقطة انطلاق مناسبة | تقليل ذروة الطلب وتحسين التعرفة اليومية | فترات ذروة أطول، وتحولات في النشاط الشمسي، ومتطلبات احتياطية أكبر |
متطلبات الموقع | انخفاض سعة الطاقة المركبة | قدرة طاقة مركبة أعلى ضمن حل خزانة متكامل |
قرار التوسع | يمكن دعم تطوير المشاريع المعيارية | قد يقلل ذلك من عدد الخزائن المطلوبة للتطبيقات ذات الطاقة العالية |
أفضل طريقة للاختيار | التحقق من صحة البيانات بناءً على بيانات الطلب على فترات زمنية محددة | التحقق من صحة متطلبات الحمل وإنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية ومتطلبات النسخ الاحتياطي |
يمكن لمطوري المشاريع مراجعة نظام تخزين طاقة مبرد بالسوائل بقدرة 125 كيلوواط/261 كيلوواط ساعة و نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المبرد بالسوائل بقدرة 125 كيلوواط/418 كيلوواط ساعة كإعدادات مرجعية. يجب أن يعتمد اختيار المنتج على البيانات الكهربائية والتشغيلية الخاصة بالمشروع.
بالنسبة لمشروع الطاقة الشمسية بالإضافة إلى التخزين، ابدأ بطاقة الخلايا الكهروضوئية التي كان من الممكن تصديرها أو تقليصها لولا ذلك.
التقدير الأولي للقدرة الاستيعابية اليومية هو:
سعة البطارية القابلة للاستخدام المطلوبة = فائض الطاقة الشمسية اليومي المخصص للتخزين
لنفترض أن موقعًا تجاريًا يُصدّر ما يقارب 300 كيلوواط ساعة بين أواخر الصباح وأوائل فترة ما بعد الظهر، بينما قد تستهلك عمليات المساء الكمية نفسها. يمكن النظر في استخدام بطارية بسعة قابلة للاستخدام تبلغ حوالي 300 كيلوواط ساعة قبل تعديل فاقد التحويل، وإعدادات الاحتياطي، والتغيرات الموسمية.
يجب أن تكون طاقة شحن نظام الطاقة الاحتياطية كافية. إذا توفر فائض 300 كيلوواط ساعة خلال ساعتين فقط، فقد يحتاج النظام إلى استيعاب 150 كيلوواط في المتوسط. نظام طاقة احتياطي بقدرة 125 كيلوواط لن يستوعب سوى جزء من هذا الفائض ما لم تكن فترة الشحن أطول، أو كان نمط تصدير الطاقة أقل تركيزًا، أو تم استخدام أنظمة متعددة.
يوضح هذا سبب ضرورة تقييم سعة البطارية وطاقة نظام تحويل الطاقة معًا.
تحديد حجم الطاقة الاحتياطية
يبدأ تحديد حجم النسخ الاحتياطي بجدول الأحمال الحرجة بدلاً من إجمالي الحمل المتصل بالمنشأة.
الحساب الأساسي هو:
الطاقة المطلوبة = الحمل الحرج × وقت النسخ الاحتياطي المطلوب
إذا احتاجت منشأة ما إلى دعم أحمال حرجة بقدرة 80 كيلوواط لمدة ثلاث ساعات:
80 كيلوواط × 3 ساعات = 240 كيلوواط ساعة من الطاقة المُوَصَّلة
يجب تعديل السعة الاسمية للبطارية وفقًا لعمق التفريغ القابل للاستخدام، وكفاءة التحويل، وهامش الاحتياطي، والتقادم. كما يجب أن يكون النظام قادرًا على العمل في وضع التشغيل المستقل، وإنشاء شبكة كهربائية صغيرة مستقرة أو اتباعها، والتنسيق مع المولدات، ومحولات الطاقة الشمسية، ومعدات التحويل عند الاقتضاء.
قد تفشل البطارية ذات الحجم الصحيح بالكيلوواط ساعة كمصدر احتياطي إذا كانت وحدة التحكم في الطاقة أو بنية النقل أو قدرة بدء تشغيل المحرك غير كافية.
قد يختلف نمط ذروة الطلب بشكل كبير بين منشأتين لهما نفس الاستهلاك الشهري للكهرباء. ولا توفر الفواتير الشهرية تفاصيل كافية لتصميم حلول فعّالة لتقليل ذروة الطلب.
إن تجاهل عمق التصريف، وفقدان التحويل، وإعدادات الاحتياطي يمكن أن يؤدي إلى نظام صغير الحجم.
لا يمكن لخزانة بطاريات كبيرة التحكم في ارتفاع حاد في الطلب إذا لم يتمكن نظام تحويل الطاقة الخاص بها من توفير الطاقة المطلوبة.
يجب أن يتوفر للنظام وقت كافٍ وطاقة كافية من الشبكة الكهربائية أو الطاقة الشمسية لإعادة الشحن قبل حدث التفريغ التالي.
ينبغي إدراج نمو الأحمال وتدهور البطارية في التصميم طويل الأجل.
لا يمكن تخصيص نفس الطاقة المخزنة في جميع الأوقات لتقليل ذروة الطلب، وموازنة الأسعار، وتوفير الطاقة الاحتياطية في حالات الطوارئ. يجب أن تعكس استراتيجية إدارة الطاقة والقدرة الاحتياطية أولويات المالك.
للحصول على عرض أسعار ذي مغزى من الناحية الفنية، يرجى تزويد مورد النظام بما يلي:
باستخدام هذه المعلومات، يمكن للمورد تقييم تصنيف نظام التحكم في الطاقة، وسعة البطارية، وعدد الخزائن، واستراتيجية التحكم، والبنية الكهربائية، وخطة التوسع.
أولاً، احسب أقصى قدرة للشحن أو التفريغ بالكيلوواط. ثم اضرب الناتج المطلوب في مدة التشغيل لتقدير الطاقة المُوَصَّلة بالكيلوواط ساعة. وأخيراً، اضبط الطاقة وفقاً لعمق التفريغ القابل للاستخدام، والكفاءة، واحتياطي التشغيل، والتدهور، والتوسع المستقبلي.
تبلغ نسبة الطاقة إلى القدرة الاسمية ساعتين. أما المدة الفعلية عند 100 كيلوواط فستكون عادةً أقصر بعد مراعاة السعة القابلة للاستخدام، وفقدان النظام، وإعدادات الاحتياطي، وظروف التشغيل.
لا توجد سعة تخزين قياسية لكل مصنع. يعتمد حجم التخزين المطلوب على نمط الحمل، وهدف ذروة الطلب، وتعرفة الكهرباء، وتوليد الطاقة الشمسية، والأحمال الحرجة، ووقت التشغيل المطلوب.
في الغالب لا. تُصمَّم معظم أنظمة الطاقة التجارية والصناعية لتناسب جزءًا محددًا من الحمل، مثل فترات الذروة، أو فائض الطاقة الشمسية المُولَّدة، أو دوائر النسخ الاحتياطي الحيوية. وقد يؤدي اختيار البطارية المناسبة لإجمالي الاستهلاك اليومي إلى زيادة كبيرة في حجمها.
تدعم العديد من الأنظمة التوسع المعياري، ولكن يجب أن يأخذ التصميم الأصلي في الاعتبار سعة نظام تحويل الطاقة، وتوافق البطارية، وبنية التيار المستمر، ومفاتيح التبديل، والاتصالات، والمساحة المتاحة، ومتطلبات التشغيل.
الخيار الأفضل هو الذي يتوافق مع الهدف التشغيلي للموقع. غالبًا ما تكون الأنظمة التي تعمل لمدة ساعتين مناسبة لذروات الطلب القصيرة وإدارة التعرفة، بينما قد تكون الأنظمة ذات المدة الأطول أكثر ملاءمةً للتحويل الممتد للطاقة الشمسية، أو التشغيل في شبكة ضعيفة، أو الطاقة الاحتياطية.
ناجح نظام تخزين الطاقة التجاري والصناعي يبدأ الأمر ببيانات الموقع، وليس بحجم الخزانة القياسي. يجب أن تتطابق طاقة نظام تحويل الطاقة مع متطلبات الحمل اللحظي، بينما يجب أن تدعم سعة البطارية المدة المطلوبة بعد مراعاة الطاقة القابلة للاستخدام والكفاءة واحتياطي التشغيل والتدهور على المدى الطويل.
تُقدّم شركة GSL ENERGY بطاريات عالية الجهد مُصممة كوحدات نمطية، وخزائن تبريد سائل متكاملة، وحلول تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) مُعبأة في حاويات، وذلك للمشاريع التجارية والصناعية والمشاريع التي تتجاوز قدرتها عدة ميغاواط/ساعة. يُمكن لفرق المشاريع تقديم بيانات استهلاك الطاقة، وتكوين الطاقة الشمسية، وهيكل التعرفة، ومتطلبات الطاقة الاحتياطية، وذلك لإجراء تقييم خاص بالقدرة واقتراح نظام مُناسب لكل مشروع.