طاقة متجددة التقارير تقارير الطاقة المتجددة رئيسية

دراسة تعظّم الاستفادة من الطاقة المتجددة بـ"نظام هجين".. ثورة تقنية

داليا الهمشري

2024-09-19

0 454

في ظل التوسع في مشروعات الطاقة المتجددة، يسعى الباحثون إلى تعظيم الاستفادة من هذه الطاقات من خلال تصميم أنظمة هجينة تعتمد على طاقتي الشمس والرياح معًا.

وفي هذا الإطار، توصل باحثون مصريون إلى تقنية جديدة -اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)- تقترح تصميمًا أمثل لنظام طاقة متجددة هجين باستعمال الخوارزم الجيني.

ويتكوّن الفريق البحثي من أستاذ مساعد هندسة القوى والآلات الكهربية في كلية الهندسة بجامعة الفيوم الدكتور خالد حسني إبراهيم، والمدرس في الجامعة نفسها الدكتور إسلام عبدالعزيز.

وتهدف التقنية الجديدة إلى التغلب على تحديات الأنظمة التقليدية لمصادر الطاقة المتجددة من ارتفاع التكلفة وعدم الموثوقية.

فشل الطرق التقليدية

قال أستاذ مساعد هندسة القوى والآلات الكهربائية في كلية الهندسة بجامعة الفيوم الدكتور خالد حسني، إن التوصل إلى تصميم أمثل لنظام طاقة هجين يُعد أمرًا بالغ الصعوبة في ظل وجود عدد هائل من عوامل التصميم، بجانب الطبيعة غير المنتظمة للإشعاع الشمسي ومصادر طاقة الرياح.

وأضاف حسني، في تصريحات خاصة إلى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، أن حل هذه المشكلات باستعمال الطرق التقليدية قد يواجه كثيرًا من التحديات.

وتابع أن عدم موثوقية مصادر الطاقة المتجددة لها تأثير كبير في التصميم الاقتصادي لنظام الطاقة الهجين.

واستطرد قائلًا إن نقص المصادر المتجددة قد يؤثر في شحن نظام البطارية المُستعمل في توفير الطاقة لتغذية الأحمال بأوقات الذروة، كما قد تعجز عن توفير الكهرباء للحمل المفترض تغذيته.

تحقيق الجدوى الاقتصادية

تعتمد هذه التقنية على استعمال الطرق العددية لإيجاد التصميم الأمثل لمجموعات مختلفة من أنظمة الطاقة الهجينة، وتحديد النظام الهجين الأكثر جدوى اقتصادية.

كما استعمل الفريق البحثي التقنية الخوارزمية الرياضية من أجل تحسين التصميم عن طريق زيادة عدد العوامل المستعملة.

وتناول البحث عددًا من عوامل التصميم مثل عدد الخلايا الشمسية، وعدد توربينات الرياح وارتفاعها، وعدد البطاريات وسعتها، وعدد المولدات وسعتها، وزاوية ميل الخلايا.

ودرس الباحثون تأثير عوامل التصميم في التكلفة الكلية للنظام الهجين، بهدف تقليل التكلفة مع ضمان تغذية الأحمال بصورة مستمرة، ولا سيما في المناطق البعيدة عن شبكة الكهرباء.

تركيب الخلية الشمسية

تتكوّن الخلية الشمسية الفوتوفولتية من وصلة أحادية من الرقائق الإلكترونية الموجبة والسالبة، وعند تعرضها للضوء يزداد فرق جهد العائق، الذي يُستعمل بمثابة قوة دافعة لتوليد الكهرباء ومرور تيار بالحمل، وتتكوّن من 6 طبقات مختلفة.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- تركيب الخلية الشمسية:

شكل يوضح تركيب الخلية الشمسية

ويزداد مقدار القدرة الكهربائية المتولدة من الخلية الشمسية بزيادة الاستضاءة الشمسية، وتتغيّر شدة الاستضاءة الشمسية على مدار اليوم مع ساعات النهار، التى تزيد صيفًا وتقل شتاءً، وتكون أقصى قدرة متولدة في منتصف النهار.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- منحنى الشعاع الشمسي اليومي:

شكل يوضح منحنى الشعاع الشمسي اليومي

تختلف الخلية الشمسية عن مصدر فرق الجهد المعتاد في أن القوة الدافعة الكهربائية لها ليست مستقلة، ولكن تعتمد على قيمة مقاومة الحمل، بمعنى أن الخلية الشمسية يمكن أن تُعد مصدر فرق جهد وتيار في آن واحد، إذ إنه عند كل قيمة لمقاومة الحمل، يجري الحصول على قيمتين مختلفتين لفرق الجهد والتيار.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- سمات فرق الجهد والتيار للخلية الشمسية:

ويوضح الإنفوغرافيك السابق سمات تحميل الخلية الشمسية الممثلة بـ3 نقاط تشغيل أساسية، لقياس فرق جهد الخلية ذات الدائرة المفتوحة وتيار الخلية في حال قصر دائرة الحمل، ونقطة التشغيل ذات أقصى قدرة، وحالة التشغيل المثلى للخلية.

دمج طاقة الرياح

تستعمل توربينات الرياح لتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة ميكانيكية يمكن تحويلها إلى كهرباء من خلال المولدات، وتنقسم تلك التوربينات اعتمادًا على اتجاه محور الدوران إلى رأسية وأفقية.

وتُعد التوربينات الأفقية الأكثر انتشارًا نظرًا إلى أنه يمكن التحكم في ارتفاعها ونصف قطرها بما يتناسب مع سرعات الرياح المنخفضة.

وفي العموم تتناسب القدرة المتولدة من توربينات الرياح مع مكعب فرق سرعة الرياح وأقل سرعة تشغيل للتوربينة.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- منحنى تغير القدرة المتولدة من التوربينة مع سرعة الرياح:

نظام الطاقة الهجين

يتكوّن نظام الطاقة الهجين من كل من الخلايا الشمسية، وتوربينات الرياح، والبطاريات لتخزين الطاقة، بالإضافة إلى مولد الديزل لأوقات الذروة.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- نظام الطاقة الهجين المعزول:

ويتمثّل الهدف من نظام الطاقة الهجين في التغلب على الطبيعة الاحتمالية لكل من الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح، إذ تتكامل مكونات النظام لتغذية الحمل الكهربائي.

وتنقسم أنظمة الطاقة الهجينة إلى نوعين رئيسين: نظام معزول غير متصل بشبكة الكهرباء، وآخر متصل بالشبكة.

الخوارزم الجيني المقترح

أوضح الدكتور خالد حسني أن الخوارزم الجيني -في العموم- يُعد نموذجًا رياضيًا لمحاكاة الهندسة الوراثية ومبدأ البقاء للأصلح، التي تتلاشى فيه الصفة المتنحية وتتعاظم الصفة السائدة مع مرور الأجيال، وبالتالي الوصول لأقوى الأفراد.

وأشار حسني -خلال تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة- إلى إمكان استعمال الخوارزم الجيني لحل المشكلات الهندسية وإيجاد التصميم الأمثل.

ويتكون الخوارزم الجيني المقترح، إذ يكون عدد الخلايا الشمسية وعدد توربينات الرياح وسعة البطاريات وعدد وحدات الديزل بالإضافة إلى ارتفاع توربينة الرياح وزاوية ميل الخلايا الشمسية بمثابة متغيرات تصميم، في حين تكون تكلفة النظام دالة عزم الخوارزم الجيني.

وتنتج عدة حلول عشوائية في الخوارزم المقترح، شريطة أن تزيد القدرة الكمية المتولدة من النظام عن الحمل الكلي طول الوقت.

ويُراعى -أيضًا- هذا الشرط في أثناء تتابع الأجيال للحصول على الحل الأمثل، الذي يحقق أعلى موثوقية وأقل تكلفة.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- منحنيات الحمل والإشعاع الشمسي وسرعة الرياح للحالة الدراسية:

منحنيات الحمل والإشعاع الشمسي وسرعة الرياح للحالة الدراسية

أهم النتائج

اختبر الفريق البحثي الطريقة المقترحة بمواقع مختلفة في الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح لإظهار تأثير شكل التغير في سرعة الرياح على التصميم المقترح.

كما ناقش البحث تأثير الطبيعة الاحتمالية لسرعة الرياح والإشعاع الشمسي في تصميم النظام الهجين، باستعمال قيم محددة من خلال افتراض 10% تغيرًا في سرعة الرياح، ما أدى إلى مشكلة فقدان التغذية الكهربائية للأحمال.

وقدّم الباحثون بعض الحلول لهذه المشكلة بطريقتين مختلفتين، الأولى تعتمد على التصميم للنظام الهجين عن أقل قيم محددة للإشعاع الشمسي وسرعة الرياح، في حين تعتمد الطريقة الأخرى على منحنى التوقع للطاقة المتولدة من الخلايا الشمسية وتوربينات الرياح.

وكشفت النتائج عن أن التكلفة تنخفض مع زيادة عوامل التصميم، كما يتناسب متوسط سرعة الرياح عكسيًا مع التكلفة للموقع قيد الدراسة.

كما تظهر النتائج أن تأثير زاوية ميل الخلايا الشمسية وارتفاع توربينات الرياح يعتمد بصورة كبيرة على متوسط سرعة الرياح، وتقلبات هذه السرعة، والوقت الذي تكون فيه سرعة الرياح ذات قيمة قصوى.

وأخيرًا تظهر النتائج أن تغير سرعة الرياح له تأثير كبير في التصميم الأمثل للنظام الهجين، سواء في حالة التصميم على أسوأ قيم محددة أو توقع القدرة المتولدة من الخلايا والتوربينات.

كما أظهرت طريقة التصميم اعتمادًا على منحنى التوقع للقدرة المتولدة انخفاضًا في التكلفة عن التصميم الذي جرى اعتماده بناءً على أسوأ قيم محددة للإشعاع الشمسي وسرعة الرياح.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..