Optimal Grid Connection Capacity of a Hybrid Renewable Microgrid: An Energy Management and Economic Optimisation Model
تقدم هذه الورقة نموذجاً لإدارة الطاقة والتحسين الاقتصادي لتحديد السعة المثلى للربط بالشبكة لشبكة ميكروجريد هجينة متجددة، مما أدى بنجاح إلى خفض تكلفتها المستوية بنسبة 2.8% عبر سيناريوهات أحمال مختلفة من خلال خوارزمية قائمة على الأولويات توازن بين تكاليف الاستيراد، والتوليد الاحتياطي، والتخزين.
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
تخيل حياً سكنياً صغيراً ومكتفياً ذاتياً، يولد كهرباءه الخاصة من أشعة الشمس والرياح، ويخزن الطاقة الفائضة في بطارية ضخمة، ويبقي مولداً يعمل بالغاز في وضع الاستعداد للأيام الغائمة والهادئة. هذه هي الشبكة الصغيرة (microgrid). في الماضي، كان المهندسون يصممون هذه الأنظمة بناءً على تخمين كمية الطاقة التي قد يسحبونها من شبكة المدينة الرئيسية أو الكمية التي يمكنهم إرسالها إليها. وغالباً ما كانوا يحددون حجم الاتصال بالشبكة الرئيسية بناءً على تخمين لأسوأ سيناريو ممكن، مما يعني دفع مبالالغ طائلة مقابل كابل ضخم يظل غير مستخدم في معظم الأوقات. لكن أسواق الكهرباء تتغير؛ فأسعار شراء وبيع الطاقة تتقلب كل ساعة، وتكلفة إبقاء الاتصال مفتوحاً هي فاتورة ثابتة يجب دفعها بغض النظر عن كمية الكهرباء التي تتدفق فعلياً. والسؤال الذي يطرحه الباحثون الآن بسيط ولكنه صعب: ما هو الحجم الدقيق لذلك الاتصال بالشبكة الرئيسية الذي يجعل النظام بأكمله يعمل بأقل تكلفة ممكنة، دون أن يترك أي شخص في الظلام؟
قام فريق من الباحثين من أوكرانيا ببناء نموذج حاسوبي للإجابة على هذا السؤال لنوع محدد من الشبكات الهجينة الصغيرة. لم يكتفوا بالنظر في كمية الطاقة التي يمكن أن تنتجها الألواح الشمسية أو توربينات الرياح فحسب، بل أنشأوا محاكاة اقتصادية مفصلة توازن بين كل تكلفة ممكنة وكل فائدة ممكنة. يتضمن نظامهم مصفوفة شمسية بقدرة ستين كيلوواط، وتوربين رياح بقدرة عشرين كيلوواط، ومولداً احتياطياً يعمل بالغاز بقدرة أربعين كيلوواط، ونظام بطاريات قادراً على تخزين مائتي كيلوواط/ساعة من الطاقة. كما يأخذ النموذج في الاعتبار واقعاً حاسماً: ليس جميع مستخدمي الكهرباء متساوين؛ فبعض الأحمال، مثل المستشفيات أو أنظمة الأمن، هي أحمال حرجة ويجب ألا تفقد الطاقة أبداً، بينما يمكن قطع أحمال أخرى، مثل إنارة الشوارع أو تدفئة المكاتب، إذا لزم الأمر. وقد وضع الباحثون عقوبة مالية على أي نقص في الطاقة، مما جعل تكلفة انقطاع التيار الكهربائي رقماً حقيقياً في معادلتهم، تماماً مثل سعر الوقود.
جوهر عملهم هو طريقة جديدة لاتخاذ القرار بشأن مصدر الحصول على الكهرباء عندما لا تشرق الشمس ولا تهب الرياح. فبدلاً من تشغيل مولد الغاز الاحتياطي بشكل عشوائي، يقارن النموذج بين تكلفة الوقود اللازمة لتشغيله وبين السعر الحالي لشراء الكهرباء من الشبكة الرئيسية. إذا كان سعر الشبكة أقل من تكلفة الغاز، يقوم النظام بشراء الطاقة. وإذا كان الغاز أرخص، يقوم بتشغيل المولد. يحدث هذا القرار كل ساعة، استجابةً لتغيرات السوق. ثم يقوم النموذج بتشغيل آلاف عمليات المحاكاة، مختبراً أحجاماً مختلفة للاتصال بالشبكة الرئيسية، بدءاً من سلك صغير وصولاً إلى كابل ضخم قادر على تحمل أقصى طاقة يمكن للنظام تصديرها على الإطلاق. ولكل حجم، يحسب النموذج التكلفة اليومية الإجمالية، والتي تشمل سعر الوقود، وتآكل البطارية، والرسوم الخاصة بالاتصال نفسه، والعقوبات المفروضة على أي طاقة لم يتمكن النظام من توفيرها للمستهلكين.
تكشف نتائج عمليات المحاكاة هذه عن نمط واضح. فكلما زاد الطلب الإجمالي على الكهرباء في الشبكة الصغيرة، يزداد الحجم الأمثل للاتصال بالشبكة الرئيسية أيضاً، ولكن ليس في خط مستقيم. فبالنسبة لحمل صغير قدره أربعون كيلوواط، يكون حجم الاتصال الأمثل صغيراً بشكل مفاجئ، وهو أقل من ثمانية عشر كيلوواط بقليل. ومع نمو الحمل إلى مائتي كيلوواط، يرتفع حجم الاتصال الأمثل إلى مائة وسبعين كيلوواط، وهو الحد الأقصى للطاقة التي يمكن للنظام تصديرها فعلياً. ومع ذلك، فإن الفائدة المالية لإيجاد هذا الحجم المثالي تتضاءل مع كبر حجم النظام؛ فبالنسبة لسيناريو الحمل الأصغر، أدى تحسين حجم الاتصال إلى تقليل التكلفة اليومية الإجمالية بنسبة تقارب ثلاثة بالمائة. أما بالنسبة للأحمال الأكبر، فقد أصبحت الوفورات أصغر، حيث انخفضت إلى أقل من واحد بالمائة، لأن النظام كان مضطراً بالفعل لاستخدام اتصال كبير لتلبية الطلب العالي.
ومن الأهمية بمكان أن الدراسة وجدت أنه إذا نما الحمل بشكل كبير جداً — وتحديداً إلى مائتين وأربعين كيلوواط — فإن النظام يصطدم بجدار صلب. فحتى مع أكبر اتصال ممكن، لا تستطيع الطاقة المتاحة من الشمس والرياح والبطارية والمولد تلبية الطلب. في هذا السيناريو، يظهر النموذج أن النظام سيفشل حتماً في توفير ستة وستين كيلوواط/ساعة من الكهرباء يومياً، مما يؤدي إلى تفعيل العقوبات المالية الناتجة عن فقدان الطاقة. وهذا يشير إلى وجود حد لمدى قدرة النظام على النمو دون إضافة المزيد من التوليد أو التخزين. كما لاحظ الباحثون قصوراً في نموذجهم الحالي: حيث تُدار البطارية بواسطة قاعدة بسيطة تقوم بملئها عند وجود طاقة زائدة وتفريغها عند وجود نقص، دون النظر مسبقاً فيما إذا كانت أسعار الكهرباء ستنخفض في وقت لاحق من ذلك اليوم. وهذا يعني أن البطارية قد لا تُستخدم بكفاءة يمكن أن تصل إليها إذا كان بإمكان النظام التنبؤ بأسعار الطاقة في المستقبل.
في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل أداة عملية للمهندسين والمخططين. فهو يثبت أن التعامل مع الاتصال بالشبكة الرئيسية كمتغير مرن، بدلاً من كونه تخميناً ثابتاً، يمكن أن يؤدي إلى وفورات حقيقية في التكاليف. ومن خلال الموازنة بين سعر الطاقة المستوردة وتكلفة التوليد المحلي والتخزين، ومع مراعاة التكلفة الحقيقية لانقطاع التيار الكهربائي، يجد النموذج "النقطة المثالية" لحجم الاتصال. يضمن هذا النهج بقاء الشبكة الصغيرة موثوقة لمستخدميها الأكثر أهمية مع تجنب هدر المال في دفع ثمن اتصال أكبر من احتياجاتها الفعلية. وتؤكد الدراسة أنه بينما قد تبدو الوفورات صغيرة من حيث النسب المئوية، إلا أنها تمثل استخداماً أكثر كفاءة للموارد، مما يثبت أنه حتى في نظام معقد من الأسلاك والبطاريات والمولدات، يمكن للحساب الاقتصادي الصحيح أن يحدث فرقاً ملموساً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.