أصبحت الطاقة المتجددة أكثر شعبية بالنسبة للبلدان لتبنيها وإدراجها في شبكة الطاقة الوطنية. كما أصبح أيضًا خيارًا متزايدًا للمجتمعات الصغيرة والأفراد. تعد القدرة على توليد الطاقة الخاصة بك والعيش دون الاعتماد على شبكة الطاقة العامة خيارًا قابلاً للتطبيق بالنسبة للكثيرين.
أنظمة الطاقة الهجينة يمكن دمج واستيلاء أشكال مختلفة من الطاقة الطبيعية، بما في ذلك الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والمياه، وكذلك الاتصال بالمولدات المستقلة وشبكة الطاقة العامة. تشرح هذه المقالة كيفية عمل هذه الأنظمة والخيارات المتاحة.
جدول المحتويات
نمو سوق أنظمة الطاقة الهجينة
مقدمة لأنظمة الطاقة الهجينة
مكونات نظام الطاقة الهجين
كيفية اختيار الحجم المناسب لنظام الطاقة الهجين
الأفكار النهائية
نمو سوق أنظمة الطاقة الهجينة
أصبحت أنظمة الطاقة الهجينة ذات شعبية متزايدة في جميع أنحاء العالم، للمنازل التي ترى المرونة وتوفير التكاليف في الاستفادة من الطاقة المتجددة لتقليل الاعتماد على الشبكة العامة باهظة الثمن بشكل متزايد.
في العديد من البلدان، هناك دعم حكومي ومزايا ضريبية للمنازل التي تستخدم أنظمة الطاقة المتجددة، وسوف تقوم بعض البلدان بإعادة شراء الطاقة الفائضة من المستخدمين حيثما كان ذلك متاحا.
كان السوق العالمي لأنظمة الطاقة الهجينة 2 مليار دولار أمريكي في عام 2022ومن المتوقع أن ينمو بشكل إيجابي للغاية 10.4٪ معدل النمو السنوي المركب (CAGR)، من 2.4 مليار دولار أمريكي في عام 2023 إلى حوالي 4 مليارات دولار أمريكي بحلول عام 2028. وتظهر مناطق أوروبا وآسيا والمحيط الهادئ أعلى معدلات النمو كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه.
مقدمة لأنظمة الطاقة الهجينة
يمكن توليد الطاقة من العديد من المصادر الطبيعية، وتوجد التكنولوجيا اللازمة لالتقاط هذه الطاقة ودمجها على المستوى الوطني. ومع ذلك، فإن كل هذه التقنيات متاحة الآن على نطاق صغير يمكن استخدامه في المزارع والمجتمعات الصغيرة وحتى في المنازل الفردية.
يعرف معظم الناس استخدام الألواح الشمسية في المنازل للمساعدة في توليد الطاقة للمنزل. قد يكون أولئك الذين يعيشون في المزارع على دراية أيضًا باستخدام توربينات الرياح لتوليد الطاقة. وقد يستخدم البعض مصادر المياه المتدفقة القريبة لتوليد الطاقة. كل هذه وسائل راسخة لاستخدام مصادر الطاقة الطبيعية لتكملة أو توفير احتياجات الطاقة الكهربائية الكاملة للمنزل.
يشار إلى المنازل التي تستخدم الطاقة من شبكة المرافق العامة فقط باسم "مرتبطة بالشبكة" أو "متصلة بالشبكة"، في حين أن المنازل التي تولد الطاقة بالكامل تحتاج إلى نفسها ولا تستخدم الشبكة العامة تسمى "خارج الشبكة". . غالبًا ما يعيش الأشخاص الذين يعيشون في مناطق معزولة خارج نطاق الشبكة تمامًا، سواء بدافع الضرورة أو باختيارهم.
يمكن لأنظمة الطاقة الهجينة، مثل نظام 5-10 كيلوواط الموضح أعلاه، دمج الكهرباء المولدة من مصادر طبيعية متعددة. وإذا لزم الأمر، فيمكن دمجها مع مصادر الطاقة الأخرى مثل الشبكة العامة ومولدات الوقود المستقلة. يمكن للأنظمة التبديل بين أوضاع الشبكة المختلفة اعتمادًا على مصادر الطاقة المتاحة.
يمكن لأنظمة الطاقة الهجينة استخدام وسيلة واحدة أو أكثر لالتقاط الطاقة، وعادةً ما تكون الخيارات عبارة عن ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) وتوربينات الرياح صغيرة الحجم، ولكنها قد تشمل أيضًا توربينات مائية صغيرة.
لكل مصدر، يتم التقاط الطاقة، إما كتيار مباشر (DC) أو كتيار متردد (AC). يتم تنظيمه وتخزينه كتيار مستمر في بنك أو مجموعة من البطاريات. يتم بعد ذلك توفير تيار التيار المستمر للمنزل كتيار مستمر، أو عن طريق التحويل إلى تيار متردد باستخدام العاكس، والذي يمكن بعد ذلك استخدامه بواسطة الأجهزة المنزلية حسب الحاجة.
مكونات نظام الطاقة الهجين
الأكثر متاحًا تجاريًا أنظمة الطاقة الهجينة تأتي شاملة لحلول الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وهي لا تتضمن عادةً أي حلول أخرى مثل المولدات أو المحاليل المائية أو غيرها من أشكال توفير الطاقة مثل الكتلة الحيوية. عادةً ما يتم الإعلان عن الأنظمة التي تشتمل فقط على الألواح الشمسية الكهروضوئية، ولا توجد خيارات لتوربينات الرياح، على أنها أنظمة "طاقة شمسية" هجينة.
تأتي الألواح الشمسية بمجموعة من الأحجام والقوى المختلفة، بدءًا من حوالي 100 واط إلى ما يزيد عن 700 واط لكل لوحة. من المعتاد بناء مجموعة من الألواح عبر السطح أو عبر مساحة مسطحة أو بزاوية مواجهة للشمس.
تأتي توربينات الرياح في نسختين رئيسيتين، النوع الأفقي (المروحي)، والنوع الرأسي (خافق البيض). تتوفر حزم أنظمة الطاقة الهجينة مع كلا النوعين من التوربينات.
يقوم بعض مقدمي الخدمة بتسعير باقاتهم من سعر ابتدائي، وسعر نهائي اعتمادًا على عدد الألواح الشمسية وتوربينات الرياح وقوة جهاز التحكم والعاكس.
وحدة تحكم الطاقة والعاكس
يوجد في "قلب" نظام الطاقة الهجين جهاز التحكم والعاكس.
الدور الرئيسي لل عاكس الطاقة الهجين هو تحويل التيار المباشر (DC) إلى تيار متردد (AC). تستخدم شبكة الطاقة العامة التيار المتردد لأنه التيار الأكثر كفاءة للنقل عبر المسافة. يتم أيضًا توفير التيار الكهربائي المنزلي بالتيار المتردد، كما هو الحال مع معظم الأجهزة المنزلية.
ومع ذلك، تولد الألواح الشمسية الكهروضوئية تيارًا مباشرًا غير مستقر، في حين تولد توربينات الرياح والمياه طاقة تيار متردد غير مستقرة. تستخدم بطاريات التخزين التيار المستمر باعتباره الطريقة الأكثر فعالية للاحتفاظ بالتيار. لذلك يجب أن يكون النظام قادرًا على تثبيت أي طاقة يتم استلامها، وتحويلها إلى تيار مستمر للتخزين. هذه هي وظيفة وحدة تحكم الطاقة الهجينة.
يمكن إدارة تثبيت وتحويل الطاقة باستخدام وحدة تحكم منفصلة، كما هو الحال في الرسم التخطيطي خارج الشبكة الخاص بالمورد أعلاه نظام طاقة الرياح والطاقة الشمسية الهجين، تُظهر وحدة تحكم هجينة للرياح/الشمس تتغذى في البطارية. يتم بعد ذلك تحويل طاقة البطارية المخزنة إلى تيار متردد بواسطة العاكس الذي يغذي الأجهزة المنزلية.
ومع ذلك، تعمل بعض المحولات الحديثة كوحدة تحكم بالإضافة إلى عاكس، ويمكنها أيضًا توفير وظائف الإدارة المتقدمة، مثل الإبلاغ عن البيانات السحابية والكمبيوتر.
في الرسم البياني أعلاه لنظام الطاقة الهجين، تتصل جميع الإمدادات مباشرة بالعاكس، بما في ذلك مصادر الطاقة المتجددة (الطاقة الخضراء)، والشبكة العامة والمولدات المنزلية. ال عاكس الطاقة الهجين ينظم التيار من جميع المصادر المختلفة، ويخزنه، ويصل إليه عند الحاجة لإمدادات المنزل.
توفر المحولات الذكية الحديثة إدارة مرنة للطاقة من أجل:
- التحكم في شحن الطاقة المتجددة،
- تخزين الطاقة في مجموعة البطاريات،
- مراقبة مستويات شحن البطارية والإبلاغ عنها،
- تبديل الاستخدام بين شبكة المرافق العامة والبطاريات،
- تحويل تيار DC المخزن إلى تيار متردد،
- توفير الكهرباء للتطبيقات المنزلية،
- توريد أي فائض من الطاقة إلى شبكة المرافق العامة
- توفير البيانات في الوقت الحقيقي إلى السحابة وأجهزة الكمبيوتر المحلية.
تنتج محولات الموجة الجيبية النقية تيارًا مترددًا عالي الاستقرار يتوافق مع تيار شبكة المرافق العامة. يعد ذلك ضروريًا لتوفير طاقة نظيفة وموثوقة عالية الجودة للأجهزة المنزلية، والتي يحتوي الكثير منها على إلكترونيات حساسة.
مصفوفات بطارية ليثيوم أيون
مهما كانت الطاقة التي يتم التقاطها، يجب تخزينها لاستخدامها عند الحاجة. يتم ذلك باستخدام مجموعة أو بنك من بطاريات الليثيوم أيون. يأتي تخزين البطاريات بأشكال عديدة، بدءًا من البطاريات الأساسية جدًا "المرتبطة ببعضها البعض" بالكابل، إلى الخزانات النظيفة الحديثة التي لا تبدو في غير مكانها في المنزل وتسمح أيضًا بالمراقبة عن بعد.
يعتمد مقدار سعة تخزين البطارية المطلوبة على متطلبات استهلاك الطاقة المحلية للمستخدم، وإلى أي مدى يريد المستخدم أن يظل مستقلاً عن الشبكة المحلية. كلما زادت الطاقة المخزنة، زادت كمية الكهرباء المتاحة للاستخدام خارج الشبكة.
هذه بطارية مكدسة ومجموعة العاكس تتمتع بمظهر خزانة نظيف يجعلها مناسبة داخل المنزل. إنه قابل للتكديس والتكوين في عدة طبقات بطارية بقدرة 5 كيلو وات، ويأتي كنظام الكل في واحد مع عاكس وطبقة تحكم. ومع أربع طبقات من البطاريات، يمكنها توصيل 20 كيلووات من الطاقة في الساعة إلى المنزل. يمكن مراقبة مستويات الأداء والبطارية من خلال شاشات LED وكذلك عبر الإنترنت من خلال السحابة والكمبيوتر. يبدأ السعر بحوالي 749 دولارًا أمريكيًا وسيعتمد على عدد طبقات البطارية المطلوبة.
كيفية اختيار نظام الطاقة الهجين المناسب
خيارات التقاط الطاقة المتجددة
عند اختيار نظام الطاقة الهجين، يجب أن يكون القرار الأول هو أنواع الطاقة المتجددة المزمع تركيبها، مع معظم الأنظمة الكاملة بما في ذلك طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وما إذا كان النظام سيكون خارج الشبكة أو هجينًا.
هناك العديد من الأنظمة المتاحة التي تقدم خيارات لتوربينات الرياح والألواح الشمسية. تحقق من تصنيف الطاقة (بالكيلووات) الذي تم تحديد النظام لإنتاجه، لكل من مكونات الرياح والألواح الشمسية.
إذا كانت هناك حاجة أيضًا إلى طاقة مائية أو مولد محلي، فيجب على المشتري التحقق من وجود أي مشكلات تتعلق بالاتصال مع المورد. إذا كان النظام متصلاً بشبكة المرافق العامة، فيجب أن يكون المشتري واضحًا بشأن ما إذا كانت الطاقة ستأتي بشكل أساسي من الطاقة المتجددة، أو بشكل أساسي من الشبكة العامة، وكيف سيتحول النظام بين الاثنين.
قدرة العاكس
يتم تحديد القرار بشأن العاكس من خلال مقدار الطاقة التي سيستخدمها المنزل في أي وقت.
يجب على المشتري حساب الحد الأقصى المتوقع للطلب المتزامن على الطاقة، ومقدار الطاقة التي من المحتمل أن تكون مطلوبة على أساس كل ساعة. على سبيل المثال، كم عدد الأجهزة المختلفة التي سيتم تشغيلها في نفس الوقت، وما هي الأجهزة التي سيتم تشغيلها؟
يعد الطهي مثالاً على ارتفاع الطلب حيث يتم استخدام معظم أدوات المطبخ في نفس الوقت ويمكن أن تستهلك جميعها ما يزيد عن 3 كيلو وات بشكل فردي. يجب أن يتمتع العاكس بقدرة كافية على كيلووات في الساعة (Kwh) لتلبية الاحتياجات القصوى، وإلا يمكن تحميل العاكس بشكل زائد.
وحدة التحكم وتخزين الطاقة ومصفوفات البطارية
يتم تحديد القرار بشأن وحدة التحكم وسعة البطارية بمقدار الطاقة التي سيتم جمعها وتخزينها. يجب على المشتري حساب مقدار تخزين البطارية المطلوب على أساس يومي وتقدير أين (ومتى) سيتم توليد هذه الطاقة.
على سبيل المثال، إذا تم استخدام توربينات الرياح، ما هي الكمية المحتملة من الطاقة المولدة خلال اليوم في يوم عاصف متوسط؟ ما هي كمية ضوء الشمس التي ستتمكن الألواح الشمسية الكهروضوئية من التقاطها وخلال أي ساعات ضوء النهار؟ إذا كان سيتم استخدام شبكة المرافق العامة، فهل سيتم ذلك في ساعات محددة، خارج أوقات الذروة مثلاً؟
يجب أن يكون اختيار وحدة التحكم مناسبًا لمصادر الطاقة المختلفة، ويجب أن تكون سعة البطارية كافية لجميع الاحتياجات المحتملة خلال اليوم، مع الأخذ في الاعتبار الموعد المحتمل لشحن البطارية.
مساعدة الموردين
يجب أن يكون المورد الخاص بك قادرًا على المساعدة في الحسابات، وقد يقدم جدول بيانات لمساعدتك في تقدير احتياجاتك اليومية، بما في ذلك فترات الذروة لالتقاط الطاقة بالإضافة إلى فترات الذروة لاستخدام الطاقة.
من المعتاد تخطيط الاستخدام بالكيلووات، بناءً على الاستخدام اليومي المحسوب والمتزامن. يمكن أن توفر فواتير الخدمات الشهرية، المقسمة إلى مبلغ يومي، متوسط الاستخدام الإجمالي، وبالتالي مساحة التخزين الإجمالية المطلوبة.
ومع ذلك، يجب عليك أيضًا البحث عن قمم الاستخدام. تعتبر أوقات الوجبات ذروة شائعة، والعديد من الأجهزة شائعة الاستخدام تتطلب طاقة عالية. تعتبر الأفران وأجهزة الميكروويف والغلايات الكهربائية والمقالي الهوائية والمحامص كلها أمثلة يمكن أن تستخدم ما بين 1 إلى 4 كيلو وات، لذلك عندما يتم جمعها جميعًا معًا، فإنها تعطي احتمال سحب الطاقة المتزامنة. تذكر أيضًا أنه يمكن استخدام أجهزة أخرى في نفس الوقت. تدفئة منزلية، تسخين مياه، مكبرات صوت، تلفزيون وواي فاي منزلي، وشحن سيارة كهربائية. كل هؤلاء يستخدمون القوة أيضًا.
فائض الطاقة وردود الفعل على الشبكة
إذا كان نموذج التكلفة يهدف إلى توليد فائض في العرض يمكن تغذيته مرة أخرى إلى شبكة المرافق العامة، فيجب أن يتضمن التقدير هذا الفائض، لأن ذلك قد يتطلب توربينات رياح أو ألواح شمسية إضافية.
عند تركيب نظام طاقة هجين، من المهم أن تضع في اعتبارك أن هناك تكلفة أولية كبيرة قبل تحقيق وفورات في التكاليف. يمكن أن تكون التوربينات والألواح الكهروضوئية وجهاز التحكم والعاكس ومجموعة البطاريات باهظة الثمن، بالإضافة إلى تكاليف التركيب ومبلغ إضافي للصيانة الدورية.
قد يستغرق العائد على الاستثمار سنوات، بدلاً من أشهر، لذلك يجب ألا يتناسب النظام المقصود مع الميزانية فحسب، بل يجب أيضًا أن يأخذ في الاعتبار التكاليف المستمرة.
الأفكار النهائية
يتيح توفر أنظمة الطاقة الهجينة صغيرة الحجم للسوق السكني تحقيق أفضل استفادة من مصادر الطاقة المتجددة المختلفة، جنبًا إلى جنب مع شبكة المرافق العامة. تأتي الأنظمة النموذجية إما مع توربينات الرياح الرأسية أو الأفقية المناسبة للاستخدام المنزلي. يتم أيضًا تعبئة هذه الأنظمة بألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية التي يمكن وضعها بشكل ملائم على السطح.
هناك مجموعة واسعة من أنظمة الطاقة الهجينة المتاحة، والتي تشمل المكونات الرئيسية لوحدات التحكم في الطاقة الهجينة، والعاكسات، ومصفوفات بطاريات التخزين، وبرامج المراقبة الذكية. سيحتاج المشتري إلى أن يكون واضحًا بشأن احتياجاته من الطاقة، ومقدار الطاقة المطلوب توليدها، ومقدار الطاقة التي يجب أن يستخدمها المنزل في أي وقت.
تتطلب أنظمة الطاقة الهجينة استثمارًا مقدمًا في المعدات والتركيب، ويجب أن يدرك المشتري أن عائد الاستثمار من المرجح أن ينتشر على مدى فترة طويلة. يجب أن يكون المورد قادرًا على المساعدة في الحسابات لتحديد الحجم المناسب للنظام، ويمكن العثور على مجموعة من الاختيارات في صالة العرض عبر الإنترنت على Chovm.com.
