Multi-objective graph partitioning-based two-stage planning of agriculture-PV-storage systems in rural distribution networks
تقترح هذه الورقة إطار عمل للتخطيط التعاوني ثنائي المراحل لشبكات التوزيع الريفية، والذي يستخدم تقسيم الرسوم البيانية متعدد الأهداف لإنشاء محطات طاقة افتراضية، ومن ثم التحسين المشترك للقدرة والتشغيل لتعزيز العوائد الاقتصادية، والاستهلاك الذاتي للطاقة الكهروضوئية، واستقرار الشبكة بشكل كبير.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في الريف الهادئ، يتغير المشهد الطبيعي؛ حيث تزداد أسطح المنازل والحقول بانتشار الألواح الشمسية، التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء لتشغيل المنازل، ومضخات الري، ومزارع المواشي. يوفر هذا التحول مساراً نحو طاقة أنظف، لكنه يجلب نوعاً جديداً من التعقيد لخطوط الطاقة المحلية التي تنقل تلك الكهرباء. فعندما يتم توليد الكثير من الطاقة الشمسية في وقت واحد، أو عندما تُنتج بعيداً عن مكان الحاجة إليها، يمكن أن تصبح الشبكة المحلية غير مستقرة. قد ترتفع مستويات الجهد بشكل خطير أو تنخفض بشدة، مما قد يؤدي إلى تلف المعدات أو حدوث انقطاعات في التيار الكهربائي. ولم يعد التحدي الذي يواجه المهندسين مقتصرًا على بناء المزيد من خطوط الطاقة فحسب، بل في كيفية تنظيم هذه المصادر المتناثرة وغير المستقرة من الطاقة لتعمل معاً بسلاسة مع الأشخاص والآلات التي تستخدمها.
لقد عالج فريق من الباحثين من جامعة شمال الصين للكهرباء وحالة شبكة نانتشانغ لإمداد الكهرباء هذه المشكلة باستخدام طريقة تخطيط جديدة مصممة خصيصاً للمناطق الريفية. ركزوا على نظام يجمع بين الزراعة، والألواح الشمسية، وتخزين البطاريات. وبدلاً من التعامل مع شبكة التوزيع الريفية بأكملها ككتلة واحدة ضخمة وغير متمايزة، قام نهجهم بتقسيم الشبكة إلى أحياء أصغر يمكن إدارتها. وقد أطلقوا على هذه الأحياء اسم "محطات الطاقة الافتراضية". فكر في هذه المحطات ليس كمبانٍ مادية، بل كمجموعات منطقية من المنازل والمزارع القريبة من بعضها البعض جغرافياً والمتصلة بخطوط طاقة قصيرة وفعالة. ومن خلال تجميع هؤلاء الجيران معاً، يمكن للباحثين إدارة تدفق الكهرباء بشكل أكثر ذكاءً، مما يضمن استخدام الطاقة الشمسية المتولدة في حقل ما في نفس المكان لتشغيل مضخة أو شحن بطارية، بدلاً من انتقالها لمسافات طويلة حيث قد تسبب مشاكل.
قام الباحثون بتطوير عملية مكونة من خطوتين لإنجاح ذلك. أولاً، استخدموا نموذجاً حاسوبياً لتقسيم شبكة توزيع ريفية نموذجية، تغطي حوالي 25 كيلومتراً مربعاً مع 33 نقطة اتصال، إلى خمسة من هذه الأحياء الافتراضية. لم يكتفوا بمجرد رسم خطوط على الخريطة، بل نظروا في المسافة التي يجب أن تقطعها الكهرباء، ومدى تشابه الاحتياجات الكهربائية للجيران المختلفين، وكيفية سلوك الجهد في أجزاء مختلفة من الشبكة. فعلى سبيل المثال، حددوا أن لمركز البلدة احتياجات تختلف عن احتياجات الأراضي الزراعية في الشرق أو مزارع المواشي في التلال. ومن خلال إنشاء هذه المجموعات المتميزة، ضمنوا قدرة كل حي على العمل باستقلالية معينة مع بقائه جزءاً من النظام الأكبر.
بمجرد تحديد الأحياء، انتقل الباحثون إلى الخطوة الثانية: وهي تحديد مقدار الطاقة الشمسية وتخزين البطاريات المراد تركيبها في كل موقع محدد داخل تلك المجموعات. لقد استخدموا طريقة تجميع متطورة للنظر في الأجهزة الفردية، مثل مضخة ري معينة أو منزل، وتجميعهم بناءً على موقعهم، وكمية الطاقة التي يستخدمونها، ومدى حساسية الجهد لديهم للتغيرات. سمح هذا بوضع البطاريات والألواح الشمسية في الأماكن التي ستقدم فيها أكبر فائدة. وبدلاً من توزيع الاستثمار بالتساوي عبر المنطقة بأكملها، استهدفوا مواقع محددة حيث يمكن للمعدات أن تحل أكثر المشكلات إلحاحاً، مثل منع انخفاض الجهد أثناء أوقات الذروة أو تخزين فائض الطاقة الشمسية لاستخدامها لاحقاً.
وعندما اختبر الباحثون هذه الطريقة على شبكة ريفية محاكية في شمال الصين، كانت النتائج مذهلة. فمقارنة بالنهج التقليدي حيث يتم توزيع الاستثمار دون النظر إلى هذه المجموعات المحلية، زادت طريقتهم الجديدة من القيمة الاقتصادية الإجمالية للمشروع بنسبة 87.7 بالمئة. وحتى مقارنة بالطريقة التي تجمع المناطق ولكنها تظل توزع الاستثمار بالتساوي، فقد حسنت طريقتهم القيمة بنسبة 20.2 بالمئة. أصبح النظام أفضل بكثير في استخدام الطاقة الشمسية التي يولدها؛ ففي الإعداد التقليدي، كان يتم هدر حوالي 30 بالمئة من الطاقة الشمسية لأن الشبكة لا تستطيع التعامل معها، أما مع طريقة التخطيط الجديدة، فقد انخفض هذا الهدر إلى 9.3 بالمئة فقط، مما يعني أن 90.2 بالمئة من الطاقة الشمسية المتولدة تم استخدامها محلياً.
تجاوزت التحسينات مجرد توفير المال واستخدام المزيد من الطاقة الخضراء؛ فقد تحسن استقرار إمدادات الطاقة بشكل كبير أيضاً. قللت الطريقة الجديدة من كمية الطاقة المفقودة على شكل حرارة في الأسلاك من خلال خفض معدل فقدان الشبكة إلى 4.1 بالمئة. والأهم من ذلك، أنها قامت بتلطيف تقلبات الجهد التي يمكن أن تتلف المعدات؛ حيث انخفض الفرق بين أعلى وأدنى مستويات الجهد إلى النصف، وانخفض عدد المرات التي خرج فيها الجهد عن الحدود الآمنة بنسبة تقارب 70 بالمئة. وهذا يعني مخاطر أقل لفشل المعدات وإمدادات طاقة أكثر موثوقية للمزارعين والسكان.
كما درست الدراسة مدى صمود هذا النظام في حال تغيرت أسعار الكهرباء. ووجدوا أنه نظراً لأن الأحياء الافتراضية يمكنها مشاركة الطاقة مع بعضها البعض، فإن النظام كان أقل حساسية لتقلبات الأسعار مقارنة بنظام يتعين فيه على كل حي الاعتماد حصرياً على الشبكة الرئيسية لأي طاقة إضافية. ويشير هذا إلى أن هذا النهج لا يجعل الشبكة أكثر كفاءة اليوم فحسب، بل يجعلها أيضاً أكثر مرونة ضد التغيرات الاقتصادية المستقبلية. ومن خلال معاملة الشبكة الريفية كمجموعة من الأحياء المتعاونة والمنظمة جيداً بدلاً من كونها شبكة واحدة فوضوية، أظهر الباحثون طريقة عملية لدمج مستويات عالية من الطاقة الشمسية في الريف، مما يضمن أن يكون الانتقال إلى الطاقة النظيفة سليماً اقتصادياً ومستقراً تقنياً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.