أنظمة الطاقة الهجينة التي تعتمد على الرياح والطاقة الشمسية: طريقة عملها ومتى يجب الاستثمار فيها

لماذا ندمج طاقة الرياح والطاقة الشمسية؟

ا نظام هجين للطاقة من الرياح والطاقة الشمسية يعمل هذا النهج لأن هذين المصدرين مكملان لبعضهما، وليسا منافسين.

• شمسي تبلغ الطاقة الشمسية ذروتها في منتصف النهار، وهي قابلة للتنبؤ بها بدرجة عالية على المستوى الموسمي، ولا تُنتج أي طاقة ليلاً.

• رياح أما طاقة الرياح فهي غالبًا أقوى ما تكون في المساء وليلاً وفي فصل الشتاء — أي بالضبط عندما تكون الطاقة الشمسية أضعف ما تكون.

وفي الموقع المناسب، يتداخل هذان المصدران بما يكفي لتنعيم منحنى التوليد اليومي والموسمي، مما يقلل حجم البطاريات اللازمة لتغطية الفترات التي لا تُنتَج فيها طاقة. ويكمُن الجزء الأكبر من الجدوى الاقتصادية في هذا التخفيض في متطلبات التخزين.

التكامل بين المصدرين حقيقي — لكنه يختلف باختلاف الموقع

ويتفاوت تأثير التكامل هذا؛ إذ يعتمد على أنماط الرياح المحلية:

الاستنتاج الصادق: نظام الرياح والطاقة الشمسية المدمج يناسب عددًا قليلًا من المواقع فقط، ولا يناسب معظمها. أجرِ تقييمًا لموارد الرياح قبل الالتزام — على الأقل اثني عشر شهرًا من البيانات، وبشكل مثالي سجلًا نموذجيًّا طويل الأمد. ومن أشكال الفشل الشائعة شراء توربين بناءً على شهرٍ غير عاديٍّ من الرياح.

تكوين النظام

ا نظام توليد طاقة هجينيّ للرياح والطاقة الشمسية معروض للبيع يحتوي عادةً على:

المكوِّن الحرج هو وحدة التحكُّم الهجينة. ويجب أن تكون قادرةً على التعامل مع مصدرين ذوي خصائص إنتاج مختلفة جدًّا: تيار تيار مستمرٍ نسبيًّا ثابتٍ من الألواح الشمسية، والتيار المتناوب المستقيم المتغيِّر من التوربينات. أما وحدات التحكُّم الرخيصة فهي تتعامل بكفاءة مع أحد المصدرين فقط، بينما تُهمِل الآخر، مما يؤدي إلى أداء هجين ضعيف دون أن ينتبه أحدٌ لذلك.

منطق التحكم

يُركِّز النظام المصمَّم جيدًا على الأولويات التالية بالترتيب:

• تغذية الحمل مباشرةً من أيِّ مصدرٍ يُولِّد الطاقة في تلك اللحظة.

• اشحن البطارية مع استغلال الفائض.

• التقليص أو التحميل التخلّي فائض بعد اكتمال شحن البطارية.

يُضيف التوربين عنصر تعقيد: لا يمكن إيقافه ببساطة في ظل الرياح القوية دون حماية ميكانيكية. ولذلك، تحتاج التوربينات إما إلى آلية تفريغ (Furling)، أو فرملة كهربائية، أو حمل تفريغ (Dump Load) مُصمَّم لاستيعاب أقصى إنتاج لها. وهذه ضرورة هندسية، وليست مجرد خيار ترفيهي — وإهمالها هو السبب الأكثر شيوعاً لفشل التوربينات.

تحديد حجم نظام الرياح-الطاقة الشمسية المدمج

طريقة قابلة للتكرار:

• الطلب اليومي — كما هو الحال مع أي نظام بعيد عن الشبكة، بوحدة كيلوواط ساعة/يوم.

• المشاركة الشمسية — قدرة المصفوفة بالكيلوواط × ساعات ذروة الإشعاع الشمسي × ٠٫٧٥.

• المشاركة الريحية — تصنيف التوربين × عامل السعة. ويجب أن تكون التقديرات حذرة: فالتوربينات على نطاق المنازل تحقِّق عادةً عوامل سعة تتراوح بين ١٠٪ و٢٠٪، وليس ٤٠٪ فأكثر كما في التوربينات المستخدمة في محطات الطاقة.

• موازنة الإنتاج مع الطلب ثم حدد حجم البطارية وفقًا لمدى التشغيل الذاتي.

• أضف مولدًا احتياطيًّا — فمعظم المواقع النائية غير المتصلة بالشبكة تُبقي مولِّدًا صغيرًا لمواجهة الأسبوع الهادئ وغير المشمس الذي تمرُّ به كل موقعٍ في نهاية المطاف.

فحص منطقي مفيد: إذا كانت مساهمة طاقة الرياح أقل من نحو ٢٠٪ من إجمالي الطاقة، فإن تكلفة التوربين وصيانته نادرًا ما تبرر إدراجه. وعادةً ما يكون إنفاق المال نفسه على ألواح شمسية إضافية ووحدات تخزين أفضل استثمارًا.

الأماكن التي يجدر فيها استخدام هذا الحل

• المواقع النائية غير المتصلة بالشبكة — أبراج الاتصالات، المزارع، المنازل على الجزر، محطات المراقبة النائية، حيث تشكِّل تكاليف نقل الوقود العامل المهيمن.

• المنازل الساحلية والجبلية بدون اتصال بشبكة كهربائية

• المواقع التي تشهد اختلالًا كبيرًا بين فترتي الشتاء والصيف — حيث يتطلب استخدام الطاقة الشمسية وحدها بطارية كبيرة جدًّا لتغطية فصل الشتاء

• الشبكات الكهربائية الهجينة لخدمة المجتمعات الصغيرة

حيث لا يكون من المنطقي عادةً: الأسطح في المناطق السكنية الريفية، والمواقع المتصلة بشبكة كهربائية موثوقة، والمواقع التي لا تتوفر فيها بيانات مقاسة عن مورد الرياح.

التكاليف

التوربين هو الجزء الأغلى ثمناً، وهو العامل الرئيسي في تكاليف الصيانة. ولذلك يجب اتخاذ القرار استناداً إلى موارد الرياح، وليس بناءً على جاذبية التكنولوجيا.

تصميم البطارية لموقع هجين

في النظام الهجين، تقوم البطارية بأعمال أكثر مما تؤديه في نظام الطاقة الشمسية البحت، لذا فإن تحديد سعتها يتطلَّب عناية فائقة.

ابدأ بالعجز المتوقَّع الأطول. في الموقع الهجين، يجب أن تغطِّي البطارية الفجوة بين إنتاج الطاقة والاستهلاك خلال أسوأ تزامن ممكن بين انخفاض سرعة الرياح وانخفاض الإشعاع الشمسي. وغالباً ما يكون هذا الفترة مدتها يومان إلى أربعة أيام — وليس ليلة واحدة فقط؛ ولذلك تكون بطاريات الأنظمة الهجينية المستقلة عن الشبكة أكبر نسبياً من بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية البحتة.

ثم خذ تقلُّبات إنتاج التوربين في الحسبان. يتفاوت إنتاج التوربين من دقيقة إلى دقيقة. وإذا كانت البطارية صغيرة جدًّا، فستخضع لدورات شحن وتفريغ سطحية متكررة، وهي أقل ضررًا من الدورات العميقة، لكنها مع ذلك تقصر عمر البطارية. وكمبدأ توجيهي، يُوصى بتوفير ما لا يقل عن أربع ساعات من متوسط الحمل كسعة احتياطية.

ثم حدد نوع المولِّد. تحتفظ معظم المواقع الهجينة بمولِّد احتياطي صغير. فإذا وُجد مولِّد كهذا، فيمكن تصميم حجم البطارية ليكفي يومين بدلًا من أربعة أيام، لأن المولِّد يغطي الفجوات المتبقية. أما في حال غيابه، فيجب أن تغطي البطارية أسوأ الحالات وحدها.

وأخيرًا، تأكَّد من قدرة البطارية على استقبال الشحنة. فبنوك بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) تستقبل الشحنة بسرعة، وهي بذلك أكثر ملاءمة لإنتاج التوربين المتغير مقارنةً ببطاريات الرصاص-حمض، التي تنخفض قدرتها على استقبال الشحنة انخفاضًا حادًّا بعد بلوغها ٨٠٪ من سعتها الكاملة. وفي المواقع الهجينة، قد يبرِّر هذا الفرق وحده ارتفاع سعر بطاريات ليثيوم حديد فوسفات.

الأسئلة الشائعة

س: هل النظام الهجين الذي يجمع بين الرياح والطاقة الشمسية أفضل من نظام الطاقة الشمسية مع بطاريات إضافية؟ فقط في الأماكن التي تتمتَّع فيها موارد الرياح بقوة فعلية وتكمِّل الطاقة الشمسية. وإلا فإن تركيب ألواح شمسية إضافية ووحدات تخزين إضافية يكون عادةً أرخص بكثير وأقل حاجةً للصيانة.

س: كم سرعة رياح أحتاج؟ يجب أن تُظهر الموقع متوسط سرعة رياح لا يقل عن ٥ أمتار/ثانية على ارتفاع محور التوربين، مع سجل قياسات يدعم هذا التقدير. وأقل من ذلك، لن تُحقِّق التوربين عائدًا كافيًا في الغالب.

س: هل يمكنني إضافة توربين رياح إلى نظام شمسي موجود بالفعل؟ غالبًا نعم، إذا كان العاكس أو وحدة التحكم تقبل مدخلًا ثانويًّا. فكثير من العواكس الهجينة تدعم ذلك؛ وإلا، تُضاف وحدة تحكم منفصلة للتوربين وحمل تفريغ.

س: ما مدى الصيانة المطلوبة لتوربين صغير؟ فحص واحد على الأقل سنويًّا، يتضمَّن فحص المحامل والشفرات. وتتطلَّب التوربينات اهتمامًا أكبر من أي جزء آخر في النظام.

س: هل تعمل التوربينات في المناطق الحضرية؟ بشكل ضعيف. إذ تُسبِّب المباني اضطرابات هوائية تقلِّل الإنتاج وتسرِّع البلى. والرياح الحضرية عمومًا ليست مصدر طاقة قابلًا للتطبيق.

تقيم موقعًا هجينًا؟ توفر شركة Kinpower أنظمة متكاملة من الرياح والطاقة الشمسية — وهي تشمل صفائف الخلايا الكهروضوئية (PV)، والعواكس الهجينة، ووحدات واجهة الرياح، ووحدات التخزين من نوع LiFePO4 — ومصمَّمة كنظام واحد مُدار برمجيًّا مع رصد موحَّد. اطّلع على دمج طاقة الرياح والطاقة الشمسية أو استكشف حلول الطاقة .