مقدمة
يجمع نظام تخزين الطاقة الممتد النطاق بين بطارية أساسية ومصدر طاقة ثانوي يقوم بإعادة شحن البطارية أثناء التشغيل. يختلف هذا التكوين عن التخزين التقليدي لأن المصدر الثانوي لا يوفر الحمل مباشرة. وبدلاً من ذلك، يتم تنشيطه فقط عندما تصل حالة شحن البطارية إلى حد أدنى. قامت Injet HanCang بنشر أنظمة تخزين الطاقة الممتدة متعددة النطاق في التطبيقات الصناعية والمناطق النائية. توفر البيانات الميدانية من هذه المنشآت أدلة قابلة للقياس على تحسينات الأداء. تعرض هذه المقالة البنية وطرق تغيير حجم المكونات والنتائج التشغيلية من عمليات النشر في العالم الحقيقي.
التعريف والهندسة الأساسية
يتكون نظام تخزين الطاقة الممتد من ثلاثة عناصر رئيسية. العنصر الأول هو بنك البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وعادةً ما تكون كيمياء فوسفات الحديد الليثيوم. العنصر الثاني هو وحدة الطاقة المساعدة، وعادة ما تكون مولدة للديزل أو الغاز الطبيعي. العنصر الثالث هو وحدة التحكم التي تراقب حالة شحن البطارية وتصدر أوامر للوحدة المساعدة بالبدء أو التوقف. تتصل الوحدة المساعدة بالنظام من خلال مقوم يحول خرج التيار المتردد الخاص بها إلى تيار مستمر لشحن البطارية. يستمد الحمل دائمًا الطاقة من البطارية ومسار العاكس، وليس مباشرة من المولد. يسمح هذا الترتيب للمولد بالعمل عند نقطة طاقة مثالية ثابتة بغض النظر عن اختلافات الحمل.
إرشادات تحجيم المكونات
يتطلب تحديد الحجم المناسب لنظام تخزين الطاقة الممتد تحليل ملف تعريف الحمل المتوقع. يجب أن يكون حجم بنك البطارية مناسبًا للتعامل مع متوسط الحمل لفترة مستهدفة دون دعم المولد. يستخدم Injet HanCang خط أساس مدته أربع ساعات لمعظم التطبيقات التجارية. تم تصميم المولد ليتناسب مع متوسط الحمل، وليس الحمل الأقصى. على سبيل المثال، موقع بمتوسط حمل يبلغ مائة كيلووات وذروة حمل تبلغ ثلاثمائة كيلووات، سيحصل على مولد بمعدل مائة إلى مائة وعشرين كيلووات. تحافظ نسبة الحجم هذه على تشغيل المولد بنسبة تتراوح بين سبعين وتسعين بالمائة من سعته المقدرة عند التشغيل، وهو النطاق الأكثر كفاءة. يتم بعد ذلك حساب سعة البطارية بالكيلووات/ساعة كمتوسط حمل مضروبًا في ساعات الاستقلالية المرغوبة مطروحًا منها مساهمة المولد المتوقعة.
بيانات الأداء من المنشآت الميدانية
قدم نظام تخزين الطاقة الممتد المدى الذي تم تركيبه في منشأة اتصالات في شمال كندا اثني عشر شهرًا من البيانات التشغيلية. كان متوسط الحمل في الموقع خمسة وثمانين كيلووات وشهد انقطاعًا في الشبكة لمدة أربع إلى ست ساعات، مرتين في الأسبوع. كان حجم بنك البطارية خمسمائة كيلووات ساعة. تم تصنيف المولد المساعد بمائة كيلووات. خلال فترة الاثني عشر شهرًا، تم تشغيل المولد مائة وأربع مرات. وكان متوسط مدة التشغيل ساعتين وعشرين دقيقة. ظلت حالة شحن البطارية بين ثلاثين وسبعين بالمائة لمدة ثلاثة وتسعين بالمائة من ساعات التشغيل. تم قياس تدهور سعة البطارية بنسبة 2.1%، مقارنة بنسبة 5.5% المتوقعة لنظام غير موسع في ظل ظروف ركوب الدراجات المماثلة. بلغ إجمالي استهلاك الوقود ثلاثة آلاف ومائتي لتر، وهو ما يمثل انخفاضًا بنسبة ستين بالمائة مقارنةً بحل المولد فقط.
التحليل الاقتصادي على أساس التكاليف الحقيقية
تعتمد تكلفة التخزين المستوية لنظام تخزين الطاقة الممتد على نسبة دورات البطارية إلى ساعات المولد. قامت Injet HanCang بتطوير نموذج اقتصادي باستخدام أسعار المكونات اعتبارًا من عام 2025. بالنسبة لنظام تبلغ مدة التفريغ اليومي فيه ست ساعات، كانت التكلفة المتساوية لكل كيلووات ساعة يتم تسليمها مائة وخمسة عشر دولارًا. أنتج نظام البطارية المستقل تحت نفس ملف تعريف الحمل تكلفة متساوية قدرها مائة وخمسة وخمسون دولارًا. الفرق يأتي من عاملين. أولاً، يستخدم نظام النطاق الموسع بنك بطارية أصغر لأن المولد يوفر إعادة الشحن أثناء أحداث التفريغ الطويلة. ثانيًا، تتعرض البطارية لعمق تفريغ أقل في كل دورة، مما يطيل عمرها الإنتاجي من سبع سنوات إلى أحد عشر عامًا. يضيف المولد تكاليف صيانة تبلغ حوالي ثمانمائة دولار سنويًا، وهي مدرجة في النموذج.
أمثلة تطبيقية لمختلف الصناعات
تناسب أنظمة تخزين الطاقة الموسعة النطاق ثلاث فئات رئيسية من التطبيقات. الفئة الأولى هي مواقع الاتصالات والمراقبة النائية حيث لا تتوفر طاقة الشبكة أو لا يمكن الاعتماد عليها. تحتوي هذه المواقع عادةً على أحمال منخفضة ثابتة وأحمال عالية في بعض الأحيان من معدات التدفئة أو التبريد. يمنع التصميم الممتد للنطاق استنفاد البطارية أثناء أحداث الغطاء السحابي المتعددة الأيام عند تركيب الطاقة الشمسية الكهروضوئية أيضًا. والفئة الثانية هي محطات الشحن السريع للسيارات الكهربائية في المناطق ذات سعة الشبكة المحدودة. تتعامل البطارية مع ذروة الطلب على الشحن، ويقوم المولد بإعادة شحن البطارية بين المركبات. الفئة الثالثة هي حلاقة الذروة الصناعية حيث تكون رسوم الطلب مرتفعة ولكن قدرة الاتصال بالشبكة محدودة. قامت Injet HanCang بنشر الأنظمة في جميع الفئات الثلاث مع وقت تشغيل موثق يتجاوز تسعة وتسعين بالمائة.
متطلبات الصيانة والجداول الزمنية
يتطلب نظام تخزين الطاقة الممتد النطاق صيانة كل من البطارية والمولد. تتطلب البطارية اختبار السعة السنوية والموازنة السلبية لجهود الخلايا. توصي Injet HanCang باستبدال البطارية عندما تقل السعة عن ثمانين بالمائة من تصنيف اللوحة. يتطلب المولد تغيير الزيت كل خمسمائة ساعة تشغيل، واستبدال فلتر الهواء كل مائتي ساعة في البيئات المتربة، وتغيير فلتر الوقود سنويًا. يجب تحديث برنامج وحدة التحكم كل ثمانية عشر شهرًا لدمج خوارزميات حالة الشحن المحسنة. يبلغ إجمالي تكلفة الصيانة السنوية لنظام مائتي كيلووات حوالي ألفي دولار، استنادًا إلى بيانات من اثنتي عشرة منشأة من منشآت Injet HanCang.
القيود وقيود التصميم
أنظمة تخزين الطاقة الممتدة المدى ليست مناسبة لكل تطبيق. يضيف المولد تعقيدًا ويتطلب تخزين الوقود، وهو ما قد يكون محظورًا في بعض الولايات القضائية. ينتج النظام غازات عادم وضوضاء أثناء تشغيل المولد، مما يحد من خيارات التثبيت الداخلي. عادةً ما يكون وقت استجابة المولد من أمر البدء إلى خرج الطاقة الكامل من عشر إلى ثلاثين ثانية. تحتاج التطبيقات التي تتطلب طاقة احتياطية فورية خلال الثواني الأولى من انقطاع التيار الكهربائي إلى مصدر طاقة إضافي غير منقطع أو مخزن مؤقت أكبر للبطارية. توصي Injet HanCang بفترة تخزين مؤقت للبطارية لا تقل عن خمسة عشر دقيقة عند التحميل الكامل لتغطية بدء تشغيل المولد واستقراره.
خاتمة
يوفر نظام تخزين الطاقة الممتد حلاً عمليًا للتطبيقات التي تتطلب فترات تفريغ تتجاوز الحد الاقتصادي للبطاريات المستقلة. تُظهر البيانات الميدانية من منشآت Injet HanCang انخفاضًا بنسبة ستين بالمائة في استهلاك الوقود مقارنة بأنظمة المولدات فقط وانخفاضًا بنسبة أربعين بالمائة في التكلفة المتساوية مقارنة بأنظمة البطاريات فقط. يعد الحجم المناسب لنسبة البطارية إلى المولد أمرًا بالغ الأهمية. تؤكد البيانات المقدمة في هذه المقالة أن أنظمة تخزين الطاقة الموسعة تحقق فوائدها المقصودة عند تصميمها وفقًا لتحليل ملف تعريف الحمل وصيانتها وفقًا للجداول الزمنية الموصى بها.