دراسة حالة لحل نظام هجين للرياح والطاقة الشمسية بقدرة ١٤٠ كيلوواط في المملكة المتحدة

خلفية العميل ومتطلباته:

العميل من المملكة المتحدة، وهو مالك شركة أثاث. وتستهلك مصنعه كمية كبيرة جدًّا من الكهرباء، تصل إلى ٣٠٠ كيلوواط في اليوم. وحاليًّا، يمتلك العميل بالفعل نظامًا شمسيًّا متصلًا بالشبكة بقدرة ٤٠ كيلوواط، لكن من الواضح أن هذا النظام لا يمكنه تلبية احتياجات العميل من الكهرباء. وفكرة العميل الحالية هي تركيب توربينات رياح وألواح شمسية وبatteries لتخزين الطاقة، لتكوين نظام هجين للرياح والطاقة الشمسية، بحيث يمكن تحقيق التوليد الذاتي والاستهلاك الذاتي لمعظم الأوقات. بل ويمكنه أيضًا، حتى خلال فترات الأمطار الطويلة، استخدام الكهرباء من الشبكة ليلاً للحصول على كهرباء أرخص، وتفريغ البطاريات نهارًا.

تحليل

أولاً، تحققنا من سرعة الرياح لدى العميل على ارتفاع ١٥ متراً. وتبلغ متوسط سرعة الرياح لدى العميل ٦٫٥ أمتار/ثانية، وهي مناسبة للغاية لتوربينات الرياح. وهذا يعني أننا نستطيع التشغيل بكامل القدرة في أغلب الأوقات. ولذلك، نوصي باستخدام نظام هجين يعمل بالرياح والطاقة الشمسية. ٢٠ كيلوواط توربين رياح DK من المتوقع أن تُولِّد أكثر من ١٥٠ كيلوواط ساعة يوميًّا. وبتقديرٍ متحفِّظ، فإن نظام توليد الطاقة الحالي للعميل البالغ سعته ٤٠ كيلوواط يولِّد ٣٥٠٠٠ كيلوواط ساعة من الكهرباء سنويًّا. وبالتالي فإن إنتاج الكهرباء اليومي يبلغ نحو ٩٥ كيلوواط ساعة. ولماذا يكون هذا المقدار منخفضًا جدًّا؟ وذلك لأن الأمطار تهطل في المملكة المتحدة حوالي ١٥٠ يومًا سنويًّا، ما يؤدي إلى نقصٍ في إنتاج الكهرباء اليومي. ولذلك، لا بد من مناقشة هذه المسألة بشكلٍ تفصيليٍّ. فعند وجود توربين رياح بسعة ٢٠ كيلوواط بالفعل وكمية كافية من أشعة الشمس، فمن المتوقع أن يوفِّر توربين الرياح والألواح الشمسية ذات السعة ٤٠ كيلوواط طاقةً قدرها ١٧٠ كيلوواط ساعة خلال فترة العمل اليومية التي تمتد لـ ٨ ساعات. أما الفجوة المتبقية في احتياجات الطاقة البالغة ١٣٠ كيلوواط ساعة، فيمكن تغطيتها إما من البطاريات أو من الشبكة الكهربائية. أما في حال هطول الأمطار، فإن الألواح الشمسية ذات السعة ٤٠ كيلوواط لن تتمكن عمليًّا من توليد أي طاقة. وفي هذه الحالة، يمكن لتوربين الرياح أن يوفِّر ٤٠ كيلوواط ساعة من الطاقة خلال ٨ ساعات، ما يعني أن هناك حاجةً إلى تأمين ٢٦٠ كيلوواط ساعة إضافية من البطاريات أو من الشبكة الكهربائية. وإذا تزامنت حالة الطقس الخاصة (هطول أمطار مع غياب الرياح تمامًا)، فإن كامل احتياجات الطاقة البالغة ٣٠٠ كيلوواط ساعة يجب تأمينها من البطاريات أو من الشبكة الكهربائية.

وبما أن عمق التفريغ للبطارية عالية الجهد يبلغ ٩٥٪، فيجب أن تكون سعة البطارية لا تقل عن ٣١٥ كيلوواط ساعة. وقد خطّط العميل بالفعل لشراء مجموعتين من بطاريات الليثيوم بسعة ٢٤٠ كيلوواط ساعة لكل منهما، وبالتالي فإن سعة البطارية هذه كافية. وبعد ذلك نحتاج إلى حساب كيفية شحن بطارية الـ٤٨٠ كيلوواط ساعة بالكامل في ظل توفر أشعة الشمس، مع تقليل احتمال شراء الكهرباء من الشبكة قدر الإمكان. وتولّد توربينة الرياح خلال ٢٤ ساعة ما يقارب ١٥٠ كيلوواط ساعة. وبذلك يتبقى سعة فارغة تبلغ ٣٣٠ كيلوواط ساعة. ومع إضافة الـ٣٠٠ كيلوواط ساعة التي تستهلكها المنشأة خلال ٨ ساعات، نحتاج إلى ألواح شمسية بقدرة لا تقل عن ١٢٠ كيلوواط، وبالتالي يجب إضافة ٨٠ كيلوواط إضافية من الألواح الشمسية.

استهلاك العميل اليومي المتوسط من الكهرباء يبلغ ٣٠٠ كيلوواط ساعة خلال ٨ ساعات. ومراعاةً لعوامل مثل الأحمال الاستقرائية، فيجب أن تكون قدرة العاكس أكبر من ٦٠ كيلوواط.

الحل

وبعد التحليل أعلاه، فإن خطتنا الأولية هي استخدام عاكس بقدرة ١٤٠ كيلوواط نظام هجين رياح وشمس توربين رياح DK بقدرة ٢٠ كيلوواط، إلى جانب ألواح شمسية بقدرة ١٢٠ كيلوواط، وبطاريتين سعة كل منهما ٢٤٠ كيلوواط ساعة، وعاكس Solis النموذج S6-EH3P(75-125)K10-NV-YD-H. ويحتوي هذا العاكس على ١٠ منافذ إدخال MPPT، ويمكن لمنفذ إدخال واحد أن يتعامل مع مدخل تيار مستمر بقدرة ٢٠ كيلوواط. وبالتالي، يمكن توصيل وحدة تحكم توربين الرياح لدينا مباشرةً بهذا العاكس.

أبدى العميل موافقته التامة على هذا الحل الخاص بالنظام الهجين للرياح والطاقة الشمسية بقدرة ١٤٠ كيلوواط. ومع ذلك، ونتيجةً للوائح المحلية والقيود المفروضة على موقع التركيب، أبلغنا العميل بأنه يحتاج أيضًا إلى حلٍ بديلٍ يعتمد بالكامل على الطاقة الكهروضوئية.

في المرحلة التالية، يمكننا إجراء الحسابات اللازمة لنظام يعتمد بالكامل على الألواح الشمسية.