حلّ الطاقة الشمسية والتخزين وشحن المركبات الكهربائية

كيف يغيّن الجمع بين الطاقة الشمسية والتخزين وشحن المركبات الكهربائية المعادلة الاقتصادية

فإن معظم المواقع التجارية تعامل الألواح الشمسية وأنظمة التخزين البطارية ومحطات شحن المركبات الكهربائية كمشاريع منفصلة ثلاثية. وهذا النهج يؤدي إلى ضياع فرص ربحية. فعندما تُنتج المصفوفة الشمسية طاقةً أكثر مما تستهلكه المنشأة، فإن الفائض غالبًا ما يُصدَّر إلى الشبكة الكهربائية بمعدل منخفض جدًّا لشراء الطاقة. أما في المساء، حين تحتاج المركبات إلى الشحن، فتقوم المنشأة حينها بشراء الطاقة من الشبكة وبسعر تجزئي أعلى بكثير.

يُحلّ هذا التباينَ من خلال دمج القطع الثلاث. فتتدفّق طاقة الطاقة الشمسية الزائدة إلى أنظمة تخزين البطاريات بدلًا من مغادرة الموقع. ثم تُستخدم الطاقة المخزّنة لشحن المركبات بعد غروب الشمس أو خلال فترات الطلب الذروة. وبذلك يصبح النظام كشركة مرافق صغيرة، يحوّل الإلكترونات الرخيصة التي تُنتَج نهارًا إلى جلسات شحنٍ مُربحة في المساء.

كما أن حل الشحن المدمج للمركبات الكهربائية مع الألواح الشمسية ووحدات التخزين يقلّل من رسوم الطلب الذروة. فغالبًا ما تتضمّن فواتير الكهرباء التجارية عنصرًا خاصًّا بالطلب الأقصى، يستند إلى أعلى استهلاك خلال فترة خمس عشرة دقيقة في دورة الفوترة. وقد يتسبّب شحن عدد قليل من المركبات الكهربائية في وقت واحد في ارتفاع حادّ في هذا الرقم. أما البطاريات فتمتصّ هذا الارتفاع المفاجئ، وتُسطّح منحنى الاستهلاك، وتقلّل الفاتورة الشهرية دون تغيير عدد المركبات المشحونة.

الهيكل التقني وراء نظامٍ موثوق

نظامٌ مُصمَّمٌ جيِّدًا لا يقتصر على الألواح والبطاريات ووحدات الشحن المُثبتة معًا فحسب، بل يتطلَّب أكثر من ذلك. وتُعَدُّ تحويل الطاقة التحدي التقني الأول. فتُنتِج الألواح الشمسية تيارًا مستمرًا (DC)، بينما تُخزِّن البطاريات طاقةً على شكل تيارٍ مستمرٍ (DC) أيضًا. أما وحدات شحن المركبات الكهربائية (EV) فتوفر إما تيارًا متناوبًا (AC) أو تيارًا مستمرًا (DC)، وذلك حسب مستوى الشحن. وكل خطوةٍ من خطوات التحويل هذه تؤدِّي إلى فقدان نسبةٍ صغيرةٍ من الطاقة.

تقلِّل الأنظمة المتصلة بالتيار المستمر (DC-coupled) هذه الفقدان عبر ربط الألواح الشمسية والبطاريات على نفس حافلة التيار المستمر (DC bus) قبل عملية التحويل إلى تيار متناوب (inversion). ويكون هذا التصميم منطقيًّا عندما تُخزَّن معظم الطاقة الشمسية أولًا ثم تُستخدَم لاحقًا. أما الأنظمة المتصلة بالتيار المتناوب (AC-coupled) فهي أسهل في تركيبها كإضافةٍ على أنظمة الطاقة الشمسية القائمة، لكنها تضيف خطوات تحويل إضافية.

يتمركز نظام إدارة الطاقة في المركز. وهو يراقب إنتاج الطاقة الشمسية، وحمل المبنى، وحالة شحن البطارية، وطلبات الجلسات الشاحنة في الوقت الفعلي. ويُفضِّل وحدة التحكم الجيدة الأحمال تلقائيًّا. ففي فترة ما بعد الظهر المشمسة، توجِّه الفائض من الطاقة الشمسية إلى البطاريات. أما في ساعة الذروة الصباحية الغائمة، فتدمج بين طاقة الشبكة والطاقة المخزَّنة لتفادي ارتفاع مفاجئ في الطلب. ويجري الجدول أدناه مقارنةً بين التكوينات النموذجية للأنظمة.

ما الذي يحدث فعليًّا في المنشأة التجارية

قامت مستودع توزيع في وسط كاليفورنيا بتثبيت نظام شمسي بقدرة ٢٠٠ كيلوواط مع تخزين بطاري بسعة ٤٠٠ كيلوواط ساعة وست محطات لشحن المركبات الكهربائية من المستوى الثاني. وقبل الترقية، كان الموقع يدفع رسوم طلب شهريًّا ارتفعت بشكل حاد كل مرة قام فيها ثلاثة موظفين أو أكثر بتوصيل مركباتهم خلال فترة ما بعد الظهر. وتم برمجة البطاريات على التفريغ خلال فترات الشحن هذه.

وبعد مرور اثني عشر شهرًا، أبلغ المرفق عن انخفاض في الطلب الأقصى خلال كل دورة فوترة. كما حافظت البطاريات على تشغيل محطات الشحن خلال انقطاعين في شبكة الكهرباء، وهي فائدة لم تكن جزءًا من دراسة الجدوى الأولية، لكنها سرعان ما أصبحت الفائدة الأكثر تداولًا. وأظهرت التجربة أن المرونة وتوفير التكاليف في الفواتير ليستا هدفين متنافسين، بل ينبعان من نفس القرار التصميمي.

الدرس الرئيسي لم يكن في العتاد. بل كان في استراتيجية التحكم. فقد قضى مالك الموقع وقتاً أطول في ضبط جدول الشحن والتفريغ مقارنةً باختيار الألواح أو البطاريات. وحددت إعدادات البرمجيات ما إذا كان النظام يوفّر المال أم يكتفي بنقل وقت إنفاقه فقط.

العوامل التنظيمية والحوافز التي تشكّل الجدوى التجارية

غالباً ما تُقرّر قواعد شركة الكهرباء المحلية ما إذا كان المشروع مجدٍ مالياً أم لا. فبعض المناطق توفر نظام القياس الصافي الذي يمنح ائتمانات مقابل الطاقة الشمسية المُصدَّرة بسعر البيع للمستهلك. بينما تستخدم مناطق أخرى أسعاراً تعتمد على وقت الاستخدام، ما يجعل تكلفة الكهرباء في المساء مرتفعة. ويعتمد قيمة تخزين البطاريات اعتماداً كبيراً على هذه الهياكل السعرية.

كما أن الحوافز الفيدرالية والولاية تؤثّر أيضاً في الأرقام. فخصومات ضريبة الاستثمار يمكن أن تخفض التكاليف الأولية للطاقة الشمسية وتخزينها، خصوصاً حين يُشحن التخزين أساساً من الطاقة الشمسية. كما تقدّم برامج شركات الكهرباء في عدة ولايات حوافز إضافية لبنية تحتية شحن المركبات الكهربائية (EV). وهذه البرامج تتغيّر بشكل متكرر، لذا يجب أن تتضمّن تخطيط المشاريع مراجعة تنظيمية حديثة.

يستمر سوق شحن المركبات الكهربائية في أمريكا الشمالية في التوسع. ووفقاً لوكالة الطاقة الدولية، زادت تركيبات محطات الشحن العامة بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة، مدفوعةً بتحويل الأساطيل إلى الطاقة الكهربائية وزيادة الطلب على الشحن في أماكن العمل. والآن، تُعدّ الممتلكات التجارية التي تُثبِّت أنظمة متكاملة نفسها جاهزةً لملفّ حملٍ سيزداد فقط.

قيود صريحة لا ينبغي تجاهلها

نظام الشحن الكهربائي المدمج مع الطاقة الشمسية والتخزين ليس مناسباً لكل موقع. فالأسطح المظللة، أو نقاط الربط الضعيفة بالشبكة الكهربائية، أو انخفاض عدد المركبات، قد تُفقِد الجدوى الاقتصادية لهذا النظام. كما يعتمد عمر البطارية الدوراني على طريقة استخدام الخلايا: فالوحدة التحكمية التي تستجيب لكل ارتفاع طفيف في الطلب ستُسرّع استهلاك البطارية أكثر من وحدة تحكم تُفرغ البطارية فقط أثناء الذروات ذات الأهمية.

يهمّ حجم النظام أكثر من اختيار المكوّنات. فالتخزين المفرط الحجم يرفع التكلفة دون أن يحقّق وفورات إضافية، بينما يفشل التخزين الأصغر من اللازم في التحكّم برسوم الطلب. ويجب أن يبدأ التصميم بالبيانات الزمنية الفاصلة المستخلصة من عداد شركة الكهرباء، لا من كتالوج المعدّات.

كما يجب التخطيط للصيانة مبكّرًا. فتحتاج البطاريات إلى إدارة حرارية وتحديثات للبرمجيات الثابتة وتوازن دوري للخلايا. وتحتاج شواحن المركبات الكهربائية إلى فحص الكابلات والموصلات. وتحتاج الألواح الشمسية إلى التنظيف وفحص المحولات. أما النظام الذي لا يرافقه خطة صيانة، فيبتعد تدريجيًّا عن أدائه الأصلي خلال بضعة أعوام.

لماذا تظلّ الدعائم الإنشائية وبنية الموقع الأساسية ذات أهمية بالغة

لا تعمل البنية التحتية المتكاملة للطاقة إلّا إذا كانت وسائل التثبيت المادية والدعائم الإنشائية والغلاف الواقي مبنية لتكون متينة وطويلة الأمد. فتقع المصفوفات الشمسية على هياكل فولاذية تتعرّض للرياح والثلوج والتقلّبات الحرارية. وتحتاج غلاف البطاريات إلى أسس محكمة وحواجز واقية. كما تتطلّب محطات شحن المركبات الكهربائية منصّات تثبيت مستقرّة وإدارة فعّالة للكابلات تتحمّل الاستخدام اليومي.

يُعزى تأخير العديد من المشاريع إلى مكونات هيكلية تم تحديدها في وقتٍ متأخرٍ جدًّا. فمثلاً، يتغيَّر تصميم شاحنٍ كهربائي، فيصبح توجيه القنوات غير متوافقٍ فجأةً مع خطة التثبيت. أو قد تتطلَّب لوحة بطارية تعزيزًا بعد أن تكشف نتائج اختبار التربة عن انخفاض قدرتها على التحمُّل. وهذه المشكلات ليست جذَّابةً من الناحية الظاهرية، لكنها تُقرِّر ما إذا كان المشروع سيظل ضمن الجدول الزمني أم لا.

توفر شركة كين باور هياكل فولاذية وأنظمة دعم تُستخدَم في تركيب الألواح الشمسية، وحماية المحيط، والمشاريع البنية التحتية ذات الصلة. وتتم عمليات التصنيع في مقاطعة خبي، وتخدم الشركة عملاء قطاعي الطاقة والبناء بفهمٍ عميقٍ لمتطلبات التركيب الميداني. أما بالنسبة للمطوِّرين الذين يركِّبون حلول الطاقة الشمسية المدمجة مع أنظمة التخزين والشحن الكهربائي للمركبات، فإن وجود مورِّد هياكلٍ يدرك كيف تتناسق المكونات في الموقع الفعلي يقلِّل من مخاطر التنسيق ويجعل الجداول الزمنية للمشاريع واقعيةً أكثر.