مقدمة
يشير نطاق تخزين الطاقة الممتد إلى أي تكوين تخزين حيث يعمل جهاز تحويل الطاقة الثانوي على تجديد وسط التخزين الأساسي أثناء دورات التفريغ. يتضمن هذا التعريف أنظمة مولدات البطاريات بالإضافة إلى مجموعات خلايا وقود البطارية. يتمثل الاختلاف الرئيسي عن التخزين المختلط في أن الجهاز الثانوي يعمل بشكل متقطع بناءً على حالة تخزين الشحن وليس بشكل مستمر. أجرت Injet HanCang قياسًا أداءً لمدى تخزين الطاقة الممتد عبر خمسة مواقع نشر مختلفة. تعرض هذه المقالة الإطار الفني ومقاييس الكفاءة والنتائج المحددة للتطبيق من هذه المعايير.
الإطار الفني لتخزين الطاقة الممتدة
يعتمد الإطار الفني لتخزين الطاقة الممتد على ثلاثة مبادئ. المبدأ الأول هو أن وحدة التخزين الأساسية تتعامل مع جميع حالات التحميل العابرة وتقلبات المدة القصيرة. المبدأ الثاني هو أن موسع النطاق يعمل فقط عند مستوى الطاقة الأكثر كفاءة. المبدأ الثالث هو أن موسع النطاق يبدأ ويتوقف بناءً على حالة عتبات الشحن، وليس على حجم الحمل. تميز هذه المبادئ بين التخزين الممتد النطاق والأنظمة الهجينة المتوازية حيث يمكن لكلا المصدرين توفير الحمل في وقت واحد. يستخدم Injet HanCang وحدة تحكم مع نطاقات تباطؤ الشحن القابلة للبرمجة. عادةً ما يتم ضبط النطاق السفلي على حالة شحن تبلغ ثلاثين بالمائة لبدء تشغيل المولد. تم ضبط النطاق العلوي على سبعين بالمائة لإيقاف المولد. يمنع شريط التباطؤ هذا المكون من أربعين نقطة مئوية ركوب الدراجات بسرعة.
منهجية قياس الكفاءة
يتطلب قياس الكفاءة في نطاق تخزين الطاقة الممتد مراعاة مسارات طاقة متعددة. مقياس الكفاءة الأساسي هو كفاءة استهلاك الوقود والكهرباء عندما يكون موسع النطاق نشطًا. يتم حساب هذا المقياس من خلال تقسيم الطاقة الكهربائية التي يتم تسليمها للحمل على محتوى الطاقة الكيميائية للوقود المستهلك. المقياس الثاني هو كفاءة الرحلة ذهابًا وإيابًا عندما يتم شحن البطارية من الشبكة. المقياس الثالث هو فقدان وضع الاستعداد، والذي يقيس الطاقة التي تستهلكها وحدة التحكم ونظام إدارة البطارية عندما يكون النظام خاملاً. قامت Injet HanCang بقياس هذه المقاييس عبر أسطول مكون من اثني عشر نظامًا. بلغ متوسط كفاءة استخدام الوقود إلى الكهرباء ثلاثة وثلاثين بالمائة في جميع الأنظمة. وبلغ متوسط كفاءة الشبكة ذهابًا وإيابًا تسعة وثمانين بالمائة. بلغ متوسط الخسارة في وضع الاستعداد فاصل واحد بالمائة من طاقة النظام المقدرة في الساعة.
معايير اختيار المكونات
يؤثر اختيار المكونات لتخزين الطاقة الممتد على كل من الأداء وطول العمر. يجب أن تظهر كيمياء البطارية دورة حياة جيدة في حالة التشغيل الجزئي للشحن. تختار شركة Injet HanCang خلايا فوسفات حديد الليثيوم لأنها تتحمل التشغيل بنسبة تتراوح بين عشرين وثمانين بالمائة من حالة الشحن مع الحد الأدنى من الشيخوخة المتسارعة. يجب أن يكون المولد قادرًا على التشغيل بسرعات متغيرة ليتناسب مع قوة الشحن المثالية للبطارية. تتمتع المولدات ذات السرعة الثابتة التي تعمل عند دورة واحدة ثابتة في الدقيقة بكفاءة أقل عند الأحمال الجزئية. يجب أن يتمتع المقوم الذي يربط المولد بناقل التيار المستمر بكفاءة أعلى من خمسة وتسعين بالمائة عند طاقة التشغيل المتوقعة. يستخدم Injet HanCang مقومات تعتمد على كربيد السيليكون للأنظمة التي تزيد عن مائة كيلووات.
البيانات التشغيلية من تطبيق التعدين
قدم نظام تخزين الطاقة الممتد النطاق والمنتشر في موقع التعدين خارج الشبكة في غرب أستراليا بيانات تشغيلية مفصلة على مدى ثمانية عشر شهرًا. كان متوسط حمل الموقع مائتين وخمسين كيلووات وحمل الذروة سبعمائة كيلووات. كان حجم بنك البطارية هو ألف كيلووات ساعة. تم تصنيف المولد على مائتين وخمسين كيلووات. سجل النظام ثلاثمائة وعشرين مولدًا يبدأ خلال هذه الفترة. وكان متوسط مدة التشغيل ثلاث ساعات. أكملت البطارية مائة وأربعين دورة كاملة مكافئة. تم قياس تدهور القدرات بنسبة ثلاثة فاصلة اثنين بالمائة. استهلك المولد اثني عشر ألف لتر من وقود الديزل. كان من الممكن أن يستهلك حل المولد الوحيد الذي يعمل في نفس الموقع ما يقدر بخمسة وثلاثين ألف لتر بناءً على البيانات التاريخية. وقد نتج توفير الوقود بنسبة ستة وستين بالمائة بشكل مباشر عن بنية النطاق الممتد.
الأداء الحراري في ظل التشغيل المستمر
قد تعمل أنظمة تخزين الطاقة الممتدة لفترات طويلة دون الاتصال بالشبكة. تصبح الإدارة الحرارية حاسمة خلال مثل هذه الأحداث. قام Injet HanCang بقياس الأداء الحراري خلال اختبار التشغيل المستمر لمدة 72 ساعة. استخدم الاختبار نظام مائتي كيلووات مع تبريد سائل للبطارية وتبريد الهواء القسري لحجرة المولد. تراوحت درجة الحرارة المحيطة أثناء الاختبار من ثمانية وعشرين إلى ستة وثلاثين درجة مئوية. ظلت درجات حرارة خلايا البطارية بين ستة وعشرين وأربعة وثلاثين درجة. كان الحد الأقصى لفرق درجة الحرارة بين أي خليتين ثلاث درجات. بلغت درجة حرارة حجرة المولد ذروتها عند أربع وخمسين درجة، وهي ضمن الحد المحدد من قبل الشركة المصنعة وهو خمسة وستين درجة. استهلك نظام التبريد السائل ما متوسطه ثلاثة فاصل خمسة كيلووات، وهو ما يمثل فاصل ثمانية بالمائة من متوسط إنتاجية النظام.
مقارنة أداء خوارزمية التحكم
تؤثر خوارزمية التحكم التي تحدد وقت بدء تشغيل موسع النطاق وإيقافه بشكل كبير على كفاءة النظام. قام Injet HanCang بمقارنة ثلاث خوارزميات تحكم على نفس النظام الأساسي للأجهزة على مدار ثلاثة أشهر. استخدمت الخوارزمية الأولى عتبات حالة الشحن البسيطة دون أي تنبؤ. أضافت الخوارزمية الثانية تحليل اتجاه التحميل باستخدام المتوسط المتحرك للساعات الست الماضية. استخدمت الخوارزمية الثالثة ذاكرة ملف تعريف التحميل لمدة سبعة أيام للتنبؤ باحتياجات الطاقة المستقبلية. أدت خوارزمية العتبة البسيطة إلى تشغيل أربعة مولدات في المتوسط يوميًا بمتوسط مدة تشغيل تبلغ ساعة واحدة. تم تقليل خوارزمية اتجاه التحميل إلى ثلاث مرات في اليوم بمتوسط مدة تشغيل تبلغ فاصل ثلاثة ساعات. تم تقليل الخوارزمية التنبؤية إلى اثنتين يوميًا بمتوسط مدة تشغيل تبلغ ساعتين. كان إجمالي استهلاك الوقود هو الأدنى بالنسبة للخوارزمية التنبؤية، حيث استهلك خمسة وثمانين بالمائة من الوقود الذي تستخدمه خوارزمية العتبة البسيطة.
إحصائيات الموثوقية من عمليات النشر المتعددة
قامت Injet HanCang بتجميع بيانات الموثوقية من اثنين وعشرين نظامًا لتخزين الطاقة ممتد النطاق تم نشرها بين عامي 2022 و2025. وتجاوز إجمالي ساعات التشغيل عبر جميع الأنظمة مائة وخمسين ألف ساعة. وكان متوسط الوقت بين حالات فشل النظام الكامل أربعة آلاف ومائتي ساعة. كان وضع الفشل الأكثر شيوعًا هو فشل بطارية بدء تشغيل المولد، وهو ما يمثل ثلاثة وأربعين بالمائة من جميع المشكلات التي تم الإبلاغ عنها. ثاني أكثر حالات الفشل شيوعًا هو تلوث الوقود، وهو ما يمثل اثنين وعشرين بالمائة. وشكلت الأعطال المتعلقة بالبطارية اثني عشر بالمائة. وشكلت مشكلات أجهزة التحكم والبرمجيات ثمانية عشر بالمائة. أما الخمسة بالمائة المتبقية فكانت قضايا متنوعة. تشير هذه الإحصائيات إلى أن موثوقية النظام الفرعي للمولد هي العامل الرئيسي في توفر النظام بشكل عام.
المقارنة الاقتصادية مع التقنيات البديلة
يحتل تخزين الطاقة الممتد نطاقًا مكانًا اقتصاديًا محددًا بين البطاريات المستقلة وأنظمة المولدات فقط. أجرت شركة Injet HanCang مقارنة اقتصادية لموقع تبلغ متطلبات الطاقة اليومية فيه ألف كيلووات/ساعة وقوة قصوى تبلغ ثلاثمائة كيلووات. أخذت المقارنة بعين الاعتبار أفق التشغيل لمدة عشر سنوات. يتطلب تخزين البطارية المستقل بنك بطارية بقدرة 2000 كيلووات في الساعة لتوفير الطاقة اليومية الكاملة دون إعادة الشحن. بلغت التكلفة الأولية أربعمائة ألف دولار مع الاستبدال في السنة السابعة بإضافة مائتي وعشرين ألف دولار. يتطلب تخزين المولد فقط مولدًا بقوة ثلاثمائة كيلووات مع مخزن للوقود. كانت التكلفة الأولية سبعين ألف دولار ولكن تكلفة الوقود السنوية كانت أربعين ألف دولار لمدة عشر سنوات بإجمالي أربعمائة وسبعين ألف دولار. استخدم نطاق التخزين الموسع بطارية بقوة ألف كيلووات في الساعة ومولدًا بقدرة مائة وخمسين كيلووات. وكانت التكلفة الأولية مائتين وخمسين ألف دولار بالإضافة إلى سبعين ألف للمولد، بإجمالي ثلاثمائة وعشرين ألف دولار. كانت تكلفة الوقود السنوية عشرة آلاف دولار لمدة عشر سنوات بإجمالي مائة ألف دولار. بلغت التكلفة الإجمالية للتخزين الموسع لمدة عشر سنوات أربعمائة وعشرين ألف دولار، مقارنة بستمائة وعشرين ألفًا للبطارية المستقلة وخمسمائة وأربعين ألفًا للمولد فقط.
خاتمة
يوفر نطاق تخزين الطاقة الممتد فوائد اقتصادية وأداءية قابلة للقياس للتطبيقات التي تتراوح فترات التفريغ اليومية بين أربع وعشر ساعات. تُظهر بيانات الكفاءة المستمدة من عمليات نشر Injet HanCang كفاءة استهلاك الوقود والكهرباء بنسبة ثلاثة وثلاثين بالمائة وكفاءة الشبكة ذهابًا وإيابًا بنسبة تسعة وثمانين بالمائة. أظهرت البيانات التشغيلية من موقع التعدين توفيرًا في الوقود بنسبة ستة وستين بالمائة مقارنة بتشغيل المولد فقط. تظهر إحصائيات الموثوقية متوسط الوقت بين حالات الفشل وهو أربعة آلاف ومئتي ساعة، مع تشغيل بطارية المولد كوضع الفشل الرئيسي. تؤكد المقارنة الاقتصادية أن نطاق التخزين الممتد له أقل تكلفة إجمالية لمدة عشر سنوات لملف تعريف الحمل النموذجي.