بهدف معالجة مشكلات انخفاض حمل الطاقة وصعوبة الشحن في المناطق الريفية، تطرح هذه الورقة البحثية استراتيجية إنشاء محطة تخزين وشحن ضوئية متكاملة في المناطق الريفية، وتقدم أساليب التطبيق الملموسة لهذه الاستراتيجية.
تُظهر النتائج أن إنشاء محطات شحن متكاملة مع تخزين ضوئي وشحن في المدن يمكن أن يحسن بشكل كبير من كفاءة استهلاك الكهرباء، ويمكن أن يقلل من تكاليف الاستثمار وتكاليف التشغيل.
أهمية بناء محطة تخزين وشحن بصرية متكاملة
مع تزايد أعداد المركبات الكهربائية، يزداد الطلب على شحنها. وإذا لم يُدار هذا الطلب بشكل سليم، فسيؤدي ذلك إلى هدر كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية أثناء عملية الشحن، مما يُشكل ضغطًا كبيرًا على شبكة الكهرباء. يُمكن لمحطات الشحن المتكاملة التي تجمع بين التخزين الضوئي والشحن أن تُساهم بفعالية في حل هذه المشكلات.
محطة الشحن المتكاملة هي نمط جديد لمحطات الشحن، حيث يتم تطبيق تقنية توليد الطاقة الكهروضوئية وتخزين الطاقة في محطة الشحن لتوفير حل جيد لشحن المركبات الكهربائية.
في هذا النمط، يمكن نقل الطاقة المولدة من الخلايا الكهروضوئية مباشرةً إلى محطة الشحن عبر الشبكة الكهربائية، ومن ثمّ يتم شحن البطارية لتوفير الكهرباء للمركبات الكهربائية. أما تقنية تخزين الطاقة، فتعتمد على استخدام معدات تخزين الطاقة الموزعة في الشبكة، لتوفير الكهرباء للشبكة عند الحاجة. وبالمقارنة مع محطات الشحن التقليدية، فإن محطة الشحن المتكاملة التي تجمع بين التخزين الضوئي والشحن تُحسّن بشكل فعّال كفاءة تشغيل نظام الطاقة.
يمكن لمحطة الشحن المتكاملة للتخزين الضوئي والشحن أن تقلل بشكل فعال من تكلفة الشحن الكهربائي وتكلفة التشغيل أثناء عملية شحن المركبات الكهربائية.
في ظل هذا النموذج، ستستمر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتخزين الطاقة في العمل حتى ينفد التيار الكهربائي من الشبكة، وسيتم تغطية الشحنة المتولدة أثناء عملية شحن المركبات الكهربائية بواسطة محطات الشحن المتكاملة.
بالنسبة للمستخدمين، لا يقتصر دور هذا النموذج على توفير التكاليف فحسب، بل يساهم أيضاً في الحدّ من هدر الطاقة بشكل فعّال. وفي عملية التشغيل الفعلية، يمكن لمحطة التخزين والشحن الضوئية تحقيق أقصى قدر من الفوائد الاقتصادية والاجتماعية من خلال تحسين إدارة التكوين والجدولة.
لذلك، يمكن القول إن محطة الشحن المتكاملة للتخزين الضوئي والشحن هي نوع جديد من محطات الشحن ذات آفاق جيدة للتطوير.
تحليل الوضع الحالي لبناء شبكة الكهرباء في المناطق الريفية
إنشاء شبكة الكهرباء في مناطق البلدات
لا تزال شبكة الكهرباء في المناطق الريفية ببلادنا تعتمد حاليًا على البنية التقليدية، وتحديدًا على خطوط النقل الهوائية، كما أن أتمتة شبكة التوزيع والرقمنة وتطبيق التقنيات الحديثة الأخرى غير كافية، مما يجعل معظم المدن والقرى محرومة من الكهرباء. وتواجه عملية بناء شبكة الكهرباء في المناطق الريفية ببلادنا خمس مشكلات رئيسية.
1) إن انخفاض مستوى أتمتة شبكة التوزيع في بعض القرى والمدن، وعدم اكتمال نظام أتمتة شبكة التوزيع، والافتقار إلى المراقبة في الوقت الحقيقي والإنذار المبكر لتشغيل شبكة التوزيع، يؤثر بشكل خطير على التشغيل الطبيعي لنظام أتمتة شبكة التوزيع في القرى والمدن.
2) يكون نصف قطر إمداد خط التوزيع أكبر في بعض المناطق الريفية، مما يجعل خط التوزيع غير قادر على تقصير نصف قطر الإمداد بشكل فعال.
3) يعاني هيكل شبكة التوزيع في بعض المناطق الريفية من ظاهرة تقادم خطيرة، بل إن بعض خطوط التوزيع تعاني من مشاكل مثل صغر المقطع العرضي للموصل، وصغر قطر السلك، وتقادم المعدات.
4) هناك بعض المشاكل في تكوين تعويض القدرة التفاعلية في بعض المناطق الريفية، مثل عدم كفاية سعة المعدات وقدرة تعويض القدرة التفاعلية.
5) تفتقر شركات إمداد الطاقة في بعض القرى والمدن إلى آلية إدارة علمية ومعقولة، وفكرة تخطيط وتصميم، وتحليل وتوقع استهلاك الطاقة من جانب المستخدم.
هيكل الطاقة في منطقة البلدة
يتميز هيكل الطاقة في المناطق الريفية بارتفاع مستوى التلوث، وارتفاع استهلاك الطاقة، وانخفاض الكفاءة.
مع التطور السريع للاقتصاد الصيني، يستمر مستوى معيشة الشعب في التحسن، كما يتزايد الطلب على الطاقة، مما يؤدي إلى استهلاك كميات كبيرة من الطاقة الأحفورية، وبالتالي زيادة التلوث البيئي.
في السنوات الأخيرة، تم تحسين وتطوير هيكل الطاقة في المناطق الريفية، وزاد مستوى استخدام الطاقة النظيفة وكميتها بشكل واضح.
1). إن قدرة التحميل في المناطق الريفية صغيرة، ويستهلك سكان المناطق الريفية طاقة منخفضة ويستخدمون بشكل أساسي الأجهزة الكهربائية منخفضة الطاقة.
٢) يتزايد عدد المركبات الكهربائية في المناطق الريفية. وتعتمد هذه المركبات بشكل أساسي على الطاقة الكهربائية، وتستخدم شبكة الكهرباء لتوفير الطاقة الاحتياطية. وسيؤدي ازدياد عدد المركبات الكهربائية حتماً إلى زيادة في استهلاك الطاقة الكهربائية.
3) هيكل إمدادات الطاقة في المناطق الريفية غير مناسب. فبسبب انخفاض استهلاك الكهرباء، واعتماد نظام إمداد واحد، والافتقار إلى التخطيط والتصميم العلمي والمنطقي، يصعب تلبية الطلب على الكهرباء في المناطق الريفية.
4) هناك حمل زائد خطير في المناطق الريفية، بعضها يعاني من مشاكل انخفاض الجهد الكهربائي وخطوط الكهرباء القديمة، مما يؤثر بشكل خطير على التشغيل الآمن والمستقر لنظام الطاقة.
جودة الطاقة في شبكة التوزيع في منطقة البلدة
تُعدّ جودة الطاقة الكهربائية من أهم العوامل المؤثرة على جودة حياة سكان الريف، كما أنها من أبرز المشكلات التي يتعين على شركات الكهرباء حلّها. وتواجه جودة الطاقة في شبكة التوزيع بالمناطق الريفية حاليًا ثلاثة جوانب رئيسية لهذه المشكلة.
1) انحراف الجهد في شبكة الطاقة الريفية كبير، ويظهر جهد بعض المستخدمين انحرافًا سلبيًا.
2). إن درجة عدم التوازن في الجهد ثلاثي الأطوار لشبكة التوزيع في بعض القرى والمدن تتجاوز نطاق المعيار الوطني.
3) هناك ظواهر عدم توازن ثلاثية الأطوار خطيرة في شبكة التوزيع في المناطق الريفية، مما يؤدي إلى مشكلة جودة الطاقة من جانب المستخدم.
دراسة حالة حول إنشاء محطة تخزين وشحن ضوئية متكاملة
سعياً لتعزيز التنمية الاقتصادية للمناطق الريفية، تُشجع الدولة بقوة إنشاء محطات شحن الطاقة الجديدة. إلا أن إنشاء هذه المحطات لا يزال يواجه بعض التحديات في بلادنا، منها صعوبة تحديد مواقعها، وانخفاض معدل استغلال مرافق الشحن، وضعف كفاءة الشحن.
ولهذا الغرض، بدأت بلادنا بتسريع وتيرة إنشاء محطات شحن المركبات الكهربائية. ولحل مشكلة شحن هذه المركبات في المناطق الريفية، يمكن إنشاء محطات شحن متكاملة تجمع بين التخزين الضوئي والشحن في تلك المناطق.
تتكون محطة الشحن المتكاملة من ثلاثة أجزاء: نظام توليد الطاقة الكهروضوئية، ونظام تخزين الطاقة، ومحطة الشحن. في عملية الإنشاء، من الضروري بناء نظام توليد الطاقة الكهروضوئية أولاً، ثم استخدام نظام تخزين الطاقة لإدارة شحن المركبات الكهربائية.
بالإضافة إلى ذلك، من الضروري وضع عمود شحن التيار المتردد وعمود شحن التيار المستمر في محطة الشحن لتوفير الراحة لشحن المركبات الكهربائية.
بشكل عام، يُعدّ مستوى التنمية الاقتصادية في المناطق الريفية منخفضًا نسبيًا، لذا فإن تكلفة إنشاء محطات شحن متكاملة مع تخزين البيانات الضوئية منخفضة نسبيًا. على سبيل المثال، تتمتع إحدى البلدات بمستوى اقتصادي متوسط على مستوى البلاد، ويمكن أن يحقق إنشاء محطة شحن متكاملة مع تخزين البيانات الضوئية فوائد اقتصادية جيدة.
1) تتمتع المدينة نفسها بموارد ضوئية وموارد أرضية كافية، والتي يمكن استغلالها بالكامل لبناء محطة شحن متكاملة لتخزين الضوء والشحن.
في تصميم محطة تخزين وشحن بصرية متكاملة، يجب أولاً اختيار مواد البناء المناسبة والشكل الهيكلي، ثم دمجها مع الموقع الجغرافي المحلي والظروف المناخية للتصميم.
على سبيل المثال، في هذه المدينة، نظرًا لمناخها البارد، وإضاءتها الكافية، ومواردها الأرضية الوفيرة نسبيًا، يمكنك اختيار الألواح الكهروضوئية لبناء محطة تخزين وشحن متكاملة.
٢) يتولى نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية مسؤولية شحن المركبات الكهربائية بشكل أساسي، بينما يتولى نظام تخزين الطاقة مسؤولية تخزين الكهرباء. وينبغي دمج نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية ونظام تخزين الطاقة بطريقة مناسبة أثناء عملية الإنشاء.
بالإضافة إلى ذلك، من الضروري تحديد سعة وعدد بطاريات تخزين الطاقة في نظام تخزين الطاقة بشكل مناسب. يجب تحديد سعة البطارية وفقًا لاحتياجات شحن المركبة الكهربائية. وبشكل عام، يمكن تحديد سعة البطارية بناءً على ظروف الاستخدام والموقع والطلب في السوق على المركبات الكهربائية. وعلى هذا الأساس، ينبغي تصميم وقت الشحن وكفاءة الشحن للمركبة الكهربائية بشكل مناسب.
3) كما تحتاج محطة الشحن المتكاملة للتخزين الضوئي والشحن إلى تكوين المعدات المختلفة لمحطة الشحن بشكل معقول.
في بناء محطة الشحن المتكاملة، ينبغي محاولة اختيار معدات ذات جودة عالية وأداء مستقر لتجنب تعطل المعدات والتأثير على التشغيل الطبيعي لمحطة الشحن.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق الإدارة الذكية للتخزين البصري ومحطة الشحن المتكاملة من خلال تحسين درجة ذكاء محطة الشحن.
4) بعد إنشاء محطة الشحن المتكاملة، من الضروري إجراء عملية قبول وتشغيل تجريبي للمحطة:
① ينبغي أن يكون متوافقاً مع المعايير الوطنية ومعايير الصناعة للقبول؛
② ما إذا كان بناؤه يتوافق مع متطلبات السياسة المحلية ومتطلبات المستخدم للقبول؛
③ يجب قبولها للتشغيل العادي. يشمل التشغيل التجريبي بشكل أساسي الجانبين التاليين: ① يجب اختبار ما إذا كانت محطة الشحن مطابقة لمعايير الشحن واللوائح ذات الصلة؛ ② يجب اختبار ما إذا كانت محطة الشحن مطابقة للوائح السلامة والمعايير ذات الصلة.
تكوين سعة كومة الشحن المتكاملة للتخزين البصري والشحن
يتأثر وقت شحن السيارة الكهربائية بشكل أساسي بقدرة ووقت شحن السيارة الكهربائية، أي وقت شحن البطارية ووقت شحن الكمية الكهربائية.
لذا، من الضروري تقدير وقت الشحن بناءً على قدرة المركبة الكهربائية. حاليًا، لا يوجد معيار موحد لمحطات الشحن في بلدنا، ويختلف وقت شحن محطات الشحن باختلاف العلامات التجارية، لذا يمكننا استخدام بعض الطرق لتقدير وقت الشحن. تم تصنيف محطات الشحن وفقًا لـ 4 ساعات، و12 ساعة، و16 ساعة على التوالي.
وفقًا للطريقة المذكورة أعلاه، يمكن تقدير وقت شحن محطة الشحن، كما يمكن الحصول على وقت شحن محطة الشحن بتكوينات سعة مختلفة. عند تخصيص سعة محطات الشحن، ينبغي مراعاة خصائص سكان الريف واحتياجاتهم من شحن المركبات الكهربائية بشكل كامل.
تتطلب مستويات الجهد المختلفة للمركبات الكهربائية طاقة مختلفة، لذلك يتم تحديد تكوين معدات محطة الشحن وفقًا لاحتياجاتها.
في الظروف العادية، يكون لدى سكان المناطق الريفية مستويات جهد كهربائي تبلغ 220 فولت و110 فولت، لذلك يجب تجهيز محطات الشحن بمستويات الجهد الكهربائي المناسبة لأعمدة الشحن عند إنشائها.
لنأخذ مقاطعة آنهوي كمثال، ففي الظروف العادية، تتراوح مستويات الجهد الكهربائي في المنازل الريفية بين 10 و35 كيلوفولت. ومع زيادة قدرة المركبات الكهربائية وانخفاض وقت الشحن، سينخفض متوسط وقت الشحن تدريجياً.
مشروع محطة تخزين وشحن بصرية متكاملة
تحليل الفوائد الاقتصادية
محطة الشحن المتكاملة مزودة بأربعة أنواع من الطاقة: 120 كيلوواط، 250 كيلوواط، 400 كيلوواط، و600 كيلوواط. وقد تبين أن معدل العائد الداخلي يبلغ 10.24%، وفترة استرداد رأس المال 3.65 سنوات عند استخدام طاقة 120 كيلوواط.
نظراً لقلة عدد المركبات الكهربائية وانخفاض الطلب على الشحن في بلدنا، يمكننا اختيار مشروع ذي سعة صغيرة لإنشاء محطة شحن متكاملة، وذلك لتلبية احتياجات المناطق الريفية الحالية لشحن المركبات الكهربائية.
إنشاء محطة تخزين وشحن بصرية متكاملة
الصعوبات والحلول التقنية
يجب حل الصعوبات التقنية التالية لمواصلة تطوير محطات التخزين والشحن الضوئية المتكاملة في المناطق الريفية.
1) تصميم وبناء نظام تخزين الطاقة من جانب المستخدم. يُعد تصميم وبناء نظام تخزين الطاقة من جانب المستخدم عنصراً أساسياً في إنشاء محطة تخزين وشحن ضوئية متكاملة في المناطق الريفية.
٢) التحكم المنسق بين نظام توليد الطاقة الكهروضوئية ونظام الشحن. من الضروري مراعاة التنسيق والتحكم بين نظام توليد الطاقة الكهروضوئية ونظام الشحن بشكل كامل عند إنشاء محطة شحن متكاملة في المناطق الريفية. يشمل التحكم المنسق بين نظام توليد الطاقة الكهروضوئية ونظام الشحن جانبين رئيسيين:
من جهة، يتعلق الأمر بالتحكم المنسق بين نظام توليد الطاقة الكهروضوئية ونظام تخزين الطاقة، ومن جهة أخرى، يتعلق الأمر بالتحكم المنسق بين نظام توليد الطاقة الكهروضوئية ونظام الشحن.
يمكن استخدام وحدة التحكم في الشحن والتفريغ، ومنظم الطاقة، وأجهزة أخرى لتنسيق التحكم بين نظام توليد الطاقة الكهروضوئية ونظام تخزين الطاقة.
عندما تكون طاقة الخرج لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية غير كافية، يمكن إعادة تزويد محطة الشحن بالطاقة الزائدة في الوقت المناسب بواسطة وحدة التحكم في الشحن والتفريغ، ويمكن استخدام منظم الطاقة لتقليل سعة توليد الطاقة الكهروضوئية، وبالتالي تجنب الشحن الزائد.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام المكثف الفائق لتحقيق وظيفة الشحن لمعدات توليد الطاقة الكهروضوئية.
3) استراتيجية التحكم المتصلة بشبكة محطات الشحن. في الظروف العادية، تؤدي شبكات الطاقة الصغيرة في المناطق الريفية إلى عدم استقرار الشبكة. ولضمان سلامة استهلاك الطاقة في هذه المناطق، ينبغي التحكم في عدد كبير من مصادر الطاقة الموزعة في الشبكة وإدارتها بواسطة وحدة تحكم متصلة بالشبكة.
وفي الوقت نفسه، يمكن توصيل مصدر الطاقة الموزع بشبكة الطاقة من خلال محول جانب الشبكة.
بالإضافة إلى ذلك، من الضروري استخدام البطارية والمكثف الفائق والأجهزة الأخرى لتحقيق التحكم المنسق في إمدادات الطاقة الموزعة.
4) تصميم نظام التحكم في توزيع الطاقة لمحطة الشحن. بشكل عام، عندما تكون سعة تخزين الطاقة لدى المستخدم غير كافية، يمكن إضافة الطاقة الزائدة إلى محطة الشحن من خلال محول ثنائي الاتجاه، وعندما تكون سعة تخزين الطاقة لدى المستخدم كافية، يمكن استخدام المكثفات الفائقة لشحن وتفريغ معدات توليد الطاقة الكهروضوئية.
5) تشغيل وصيانة وإدارة محطة الشحن المتكاملة للتخزين الضوئي والشحن. ويشمل ذلك على وجه التحديد الجوانب السبعة التالية: ① وضع خطة عمل سليمة؛ ② تعزيز تدريب الموظفين المعنيين؛ ③ فحص وصيانة المعدات بانتظام؛ ④ إنشاء نظام إدارة تشغيل محطة الشحن وتحسينه؛ ⑤ تنظيم وتنفيذ أنشطة تدريبية متنوعة بانتظام؛ ⑥ إنشاء آلية تشغيل وصيانة محطة الشحن وتحسينها؛ ⑦ معالجة أعطال المعدات في الوقت المناسب، إلخ.
تحلل هذه الورقة البحثية التكنولوجيا والاقتصاد لمشاريع توليد الطاقة الكهروضوئية وتخزين الطاقة، وتخلص إلى أنه من الممكن بناء محطة الشحن المتكاملة في المناطق الريفية.
يُحقق هذا المخطط فوائد اقتصادية واجتماعية كبيرة، ويُلبي متطلبات تطوير صناعة توليد الطاقة المتجددة في إطار هدف "خفض الانبعاثات الكربونية إلى الضعف" في الصين. ومع التقدم المستمر في تكنولوجيا توليد الطاقة المتجددة، ستزداد شعبية تقنية توليد الطاقة الكهروضوئية، وكذلك تقنية تخزين الطاقة.
لذلك، ينبغي لبلدنا زيادة البحث في تقنيات توليد الطاقة الجديدة المتقدمة مثل تقنية تخزين الطاقة الجديدة وتقنية توليد الطاقة الكهروضوئية لتوفير المزيد من الدعم لتطوير صناعة توليد الطاقة الجديدة.
