كيف تعمل أنظمة تخزين الطاقة

المكونات الأساسية للطاقة أنظمة التخزين

وسائل تخزين الطاقة: من البطاريات إلى الخزانات الحرارية

تخزين الطاقة يأتي بأشكال عديدة، كل مناسبة لأغراض مختلفة وتقدم فوائد فريدة. البطاريات تبرز باعتبارها الخيار الأكثر انتشاراً، تغطي كل شيء من وحدات حمض الرصاص البسيطة إلى حزم آيونات الليثيوم المتقدمة وأنظمة بطاريات التدفق المتخصصة. حمض الرصاص لا يزال شائعًا في الحالات الطارئة لأنّه يعمل بشكل موثوق دون كسر البنك. طارت تكنولوجيا ليثيوم أيون بشكل كبير عندما احتاجت الأجهزة إلى طاقة أكبر في مساحات أصغر، وهذا يفسر لماذا نراها في كل مكان من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية في الوقت الحاضر. ثم هناك بطاريات التدفق، التي تلمع حقاً عندما تتعامل مع متطلبات التخزين الضخمة بفضل مدى سهولة توسيعها وتداومها خلال دورات شحن لا حصر لها دون فقدان الكثير من السعة مع مرور الوقت.

إلى جانب حلول تخزين البطارية العادية، فإن الخزانات الحرارية مثل خزانات الملح المنصهر ووحدات تخزين الجليد لها أيضا دور مهم في الحفاظ على توازن الطاقة عبر الأنظمة المختلفة. خذ الملح المنصهر على سبيل المثال وهو شائع في تلك المنشآت الكبيرة للطاقة الشمسية المركزة حيث يذوب الملح إلى مئات درجات مئوية ويحافظون على الحرارة المخزنة حتى يحتاجون إلى توليد الكهرباء مرة أخرى، حتى في الأيام المظلمة أو في ثم هناك تقنية تخزين الثلج التي تقوم الكثير من الشركات بتثبيتها في مبانيها هذه الأيام. هذه الأنظمة تجمد الماء إلى كتلة ضخمة في الأوقات التي تكون فيها أسعار الكهرباء منخفضة، ثم تذوبها مرة أخرى لتوفير تكييف الهواء خلال فترات الظهيرة الحارة عندما يدفع الجميع أسعار إضافية للتبريد.

عند اختيار وسيلة تخزين طاقة مناسبة، يجب أن نأخذ بعين الاعتبار تطبيق المتطلبات، مقاييس الكفاءة، والتكلفة. الحل الأمثل غالباً ما يتضمن الجمع بين تقنيات تخزين مختلفة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة والموثوقية.

أنظمة تحويل الطاقة: محوّلات ومتحكمات

أنظمة تخزين الطاقة تعتمد حقا على تقنية تحويل الطاقة للتعامل مع كيفية نقل الكهرباء بين حيث يتم تخزينها وأين يستخدمها الناس في الواقع. يلعب المحول دوراً كبيراً هنا لأنهم يأخذون الطاقة المتواصلة المخزنة ويحولونها إلى طاقة متغيرة تعمل مع شبكات الكهرباء العادية والأجهزة المنزلية. عندما ننظر إلى أنواع مختلفة من المحولات، نجد أن محولات الأوتار تعمل بشكل جيد جداً للمنازل والمنشآت الصغيرة. من ناحية أخرى، عادة ما يكون المحول المركزي أكثر ملاءمة للمشاريع الكبيرة مثل تلك المزارع الشمسية الضخمة أو المرافق الصناعية التي تحتاج إلى تحويل كميات هائلة من الطاقة في وقت واحد.

عندما يتم إقرانها مع المحولات، فإن أجهزة التحكم المتقدمة تعزز حقاً أداء الأنظمة، وتبقى موثوقة، وتعمل بكفاءة. ما يفعله هؤلاء المتحكمون هو أن يبقوا كل شيء متزامن بشكل صحيح مع اتصال الشبكة، وهو أمر مهم للغاية للحفاظ على سير الأمور بسلاسة دون خلل. فهي تدير تدفق الطاقة بشكل مستمر، لذا أي كهرباء يتم إنشاؤها في الواقع تتوافق مع ما هو مطلوب في أي لحظة معينة. وهذا يعني أن الطاقة أقل هدرًا بشكل عام، مما يوفر المال على المدى الطويل لأي شخص يدير هذه الأنظمة.

تزيد أهمية أنظمة تحويل الطاقة مع زيادة الحاجة إلى دمج الشبكة. وبفضل دخول مصادر الطاقة المتجددة مثل الشمس والرياح إلى السوق الرئيسي، فإن آليات التزامن الفعالة ضرورية لضمان توصيل الطاقة دون انقطاع.

أنظمة إدارة البطاريات (BMS) لتحقيق الكفاءة

تعد أنظمة إدارة البطاريات (BMS) جزءًا لا يتجزأ من تشغيل حلول تخزين البطاريات بكفاءة وزيادة عمرها الافتراضي. تشمل أدوارها الرئيسية مراقبة وإدارة حالة البطارية، وتسهيل توازن الشحن، وحفظ ظروف درجة الحرارة المثلى. تساعدها هذه الوظائف على منع تدهور البطارية وتمديد فترة خدمتها.

تُدمج تقنيات BMS الحديثة تحليلات تنبؤية لتحسين الأداء، مما يمكّن اتخاذ إجراءات استباقية لتحسين صحة النظام. بالإضافة إلى ذلك، تعد أنظمة BMS أساسية لضمان السلامة والامتثال للوائح، حيث يمكنها اكتشاف التشوهات مثل ارتفاع درجة الحرارة أو تقلبات الجهد، ومنع المخاطر المحتملة.

السلامة هي جانب أساسي من نظام إدارة البطاريات (BMS)، حيث يمكن أن يؤدي التعامل غير السليم مع أنظمة تخزين الطاقة إلى مخاطر كبيرة. ومع تقدم التكنولوجيا، تستمر أنظمة BMS في التحسين، مما توفر قدرات تنبؤية أفضل وامتثالًا تنظيميًا قويًا، مما يجعلها لا غنى عنها لضمان نشر آمن لأنظمة تخزين الطاقة.

أنواع أنظمة تخزين الطاقة وآلياتها

تخزين الهيدرو الكهربائي: طاقة مدفوعة بالجاذبية

التخزين المائي بالضخ، أو PHS باختصار، يبرز كأحد الطرق الرئيسية لتخزين كميات كبيرة من الطاقة. الفكرة الأساسية تتضمن تحريك الماء صعوداً عندما يكون هناك طاقة زائدة متاحة، ثم السماح له بالهبوط من خلال التوربينات لإنتاج الكهرباء كلما ارتفع الطلب. في جميع أنحاء العالم، تمثل هذه الأنظمة حوالي 95 في المائة من جميع طاقة الطاقة المخزنة، على الرغم من أنها تميل إلى العمل بشكل أفضل حيث يسمح الجغرافيا للاختلافات الطبيعية في الارتفاع بين الخزانات. هناك بالتأكيد عقبات مع ذلك. يظل العثور على مواقع مناسبة صعباً لأن ليس كل منطقة لديها جبال أو تلال قريبة. بالإضافة إلى ذلك، فإن بناء مرافق جديدة غالبا ما يثير مخاوف بيئية بشأن تغييرات استخدام الأراضي والاضطرابات المحتملة للأنظمة الإيكولوجية المحلية. هذه القضايا تعني أن المخططين بحاجة إلى التفكير بعناية في اختيار الموقع وتنفيذ الضمانات المناسبة طوال التطوير.

بطاريات الليثيوم أيون: التخزين الكهروكيميائي

بطاريات ليثيوم أيون موجودة الآن في كل مكان تقريباً عندما يتعلق الأمر بتخزين الطاقة هذه الأيام، بفضل كيفية عملها بشكل جيد كيميائياً. أساسا ما يحدث داخلها هو أنها تمر من خلال عمليات الشحن والفراغ مما يسمح لها حزم القليل من الطاقة في مساحات صغيرة. على الرغم من أن هناك الكثير من العمل المطلوب لإعادة تدوير القديمة والتأكد من أنها مستدامة على المدى الطويل، بدأ الناس في جميع أنواع الأماكن من المرآب إلى المصانع الكبيرة استخدامها بشكل كبير. لقد رأينا الكثير من الأمثلة في العالم الحقيقي حيث الناس يضعون هذه البطاريات في منازلهم أو الشركات تضمنها في عملياتها،

تخزين الطاقة الحرارية: الملح المنصهر ومواد تغيير المرحلة

تخزين الطاقة الحرارية من خلال الأملاح الذائبة ومواد تغيير المراحل (PCM) يمثل طريقة مثيرة للاهتمام لالتقاط الطاقة الحرارية والاحتفاظ بها. خذ محطات الطاقة الشمسية المركزة على سبيل المثال، تعتمد بشكل كبير على تخزين الملح المنصهر لأنه يعمل بشكل جيد جداً في الاحتفاظ بالحرارة مع مرور الوقت. عندما يتعلق الأمر بالمباني، يمكن أن يساعد دمج PCM في الجدران أو الأرضيات في إدارة استهلاك الطاقة طوال اليوم، مما يسمح للمباني بتحويل حمولة الطاقة خلال أوقات الذروة. لكن هناك مشاكل أيضاً الخسائر الحرارية تحدث عندما لا تكون الطاقة المخزنة محصنة بشكل مثالي، والمواد تميل إلى الانهيار بعد دورات التسخين المتكررة. يواصل الباحثون في العديد من الصناعات العمل على حلول لجعل هذه الأنظمة أكثر موثوقية وفعالية من حيث التكلفة في التطبيقات العملية.

أنظمة الدوّار: الطاقة الحركية في الحركة

العجلات المتحركة تمثل طريقة رائعة جدا لتخزين الطاقة باستخدام الحركة بدلا من التفاعلات الكيميائية. الفكرة الأساسية بسيطة جداً: قم بتدوير عجلة ثقيلة بسرعة كبيرة لجمع الطاقة، ثم أبطأها عندما نحتاج الطاقة مرة أخرى. ما يجعل العجلات المتحركة مميزة هو مدى سرعة استجابتها بالمقارنة مع البطاريات أو الطرق الأخرى، بالإضافة إلى أنها توفر انفجارات مذهلة من الطاقة عند الحاجة. ومع ذلك، لا يزال هناك عمل يجب القيام به قبل أن تصبح هذه الأنظمة رئيسية. بدايةً، تكاليف التصنيع لا تزال مرتفعة جداً بسبب المواد المتخصصة المطلوبة لهذه الدوارات المتداولة. بالإضافة إلى ذلك، يجب على الشركات أن تتنافس ضد اللاعبين الراسخين مثل بطاريات الليثيوم أيون التي تهيمن على معظم الأسواق الآن. إذا أراد المصنعون أن يكتسبوا العجلات المتحركة قوة، فسيتعين عليهم الاستثمار بشكل كبير في البحث بينما يجدون طرق ذكية لخفض تكاليف الإنتاج. يعتقد بعض الخبراء أننا قد نشهد اختراقات كبيرة خلال العقد المقبل حيث يستمر الطلب على حلول التخزين البديلة في النمو عبر الصناعات من إدارة الشبكة إلى المركبات الكهربائية.

امتصاص الطاقة أثناء فترات الطلب المنخفض

تخزين الطاقة يلعب دورا كبيرا في التقاط الطاقة الإضافية عندما ينخفض الطلب، مما يساعد على الحفاظ على شبكة الكهرباء مستقرة ويخلق مساحة لمزيد من مصادر الطاقة المتجددة. عندما تنتج الألواح الشمسية أو توربينات الرياح كمية أكبر من الكهرباء التي تحتاجها، هذه الحلول تخزين تدخل حتى لا تضيع أي من تلك الطاقة. يحتفظون بها حتى يحتاجها الناس لاحقاً الطريقة التي يعمل بها هذا يصبح واضحا عند النظر إلى التنفيذ الفعلي. خذ الطاقة الشمسية على سبيل المثال - في الأيام المشرقة المشمسة هناك في كثير من الأحيان الكثير من الكهرباء التي تأتي أكثر مما تستهلك الأسر. أنظمة التخزين تمسك بالفائض وتخزينه ليلاً أو أيام غائمة عندما ينخفض الإنتاج. هذا النوع من العازل مهم جدا للشبكات حيث الكثير من الطاقة المتجددة تغذية في النظام. بدون خيارات تخزين مناسبة، ستكافح تلك الشبكات للحفاظ على توفير الطاقة بشكل ثابت خلال الظروف الجوية المتغيرة وأوقات مختلفة من اليوم.

بروتوكولات التفريغ لاستقرار الشبكة

تعتمد أنظمة تخزين الطاقة على بروتوكولات التفريغ للحفاظ على استقرار الشبكة عندما ترتفع احتياجات الطاقة وتقل. هذه البروتوكولات تسمح للأنظمة بالرد بسرعة على التغيرات في الطلب، مما يساعد على الحفاظ على إمدادات طاقة ثابتة مع لعب دور في إدارة الذروة والحفاظ على مستويات التردد ضمن نطاقات مقبولة. أظهرت التجارب في العالم الحقيقي أن هذه التقنيات تعمل بشكل جيد في الممارسة العملية. على سبيل المثال، أطبقت مرافق تخزين البطاريات في جميع أنحاء كاليفورنيا بنجاح بروتوكولات مماثلة خلال انقطاع التيار الكهربائي. الهيئات التنظيمية تحتاج أيضاً إلى إرشادات واضحة حتى تتمكن هذه البروتوكولات من العمل بشكل صحيح دون المساس بالموثوقية العامة لشبكات الطاقة لدينا. مع دمجنا المزيد من الطاقة الشمسية والرياح في شبكاتنا، أصبح وجود هذه الأنواع من استراتيجيات التفريغ الذكية أكثر أهمية للحفاظ على التوازن بين التوليد والاستهلاك.

خسائر الكفاءة وإدارة الحرارة

أنظمة تخزين الطاقة تفقد حتما بعض الكفاءة خلال دورات الشحن والفراغ، ولكن فهم هذه الخسائر مهم جدا لأي شخص يعمل معها. مشكلة كبيرة تأتي من إدارة الحرارة - عندما يتراكم الحرارة كثيراً، فإنها فقط تستهلك من كفاءة النظام بأكمله. حلول أفضل لإدارة الحرارة تساعد حقاً هنا، مما يسمح للأنظمة بالتخلص من الحرارة الزائدة قبل أن تسبب مشاكل. لقد أحدثت المواد الجديدة والتصاميم الذكية أيضاً فرقاً، وخاصة تلك التي تهدف إلى الحفاظ على درجات الحرارة منخفضة والتأكد من أن الكهرباء تتدفق بشكل أفضل عبر المكونات. النظر إلى الأرقام الفعلية يظهر اختلافات كبيرة جدا في كمية الطاقة التي تضيع بين تقنيات التخزين المختلفة. هذا التباين يسلط الضوء على سبب بقاء البحوث مهمة جدا إذا أردنا مواصلة تحسين ما يمكن لهذه الأنظمة القيام به مع إهدار طاقة أقل على طول الطريق.

تكامل الشبكة والتطبيقات العملية

موازنة تقطعية الطاقة المتجددة

أنظمة تخزين الطاقة مهمة حقاً للتعامل مع كيفية عدم القدرة على التنبؤ بالطاقة المتجددة. عندما يكون هناك الكثير من الشمس أو الرياح، هذه الأنظمة تخزن الطاقة الإضافية حتى لا يزال لدينا الكهرباء حتى في الأيام الغائمة أو عندما تهدأ الرياح. خذ كاليفورنيا على سبيل المثال حيث بدأوا في توصيل البطاريات الكبيرة بمزارع الطاقة الشمسية في جميع أنحاء الولاية. هذا الإعداد يساعد على الحفاظ على التدفق الكهربائي بشكل ثابت دون كل تلك الصعود والهبوط. ووفقاً لبعض البيانات من إدارة معلومات الطاقة الأمريكية، فإن موثوقية الشبكة الأفضل تعني انخفاض حالات انقطاع التيار الكهربائي بشكل عام. ومع ذلك، فإن الحصول على حلول التخزين هذه تعمل بشكل صحيح مع شبكة التشغيل الحالية ليست سهلة. هناك مشاكل في التأكد من أن كل شيء يعمل معا بسلاسة وما إذا كان من المنطقي فعليا ماليا لمعظم المجتمعات في الوقت الحالي.

حلاقة الذروة لإدارة الطلب على المستوى الصناعي

شركات المرافق تعتمد بشكل كبير على الحلاقة الذروة للحفاظ على الطلب على الطاقة تحت السيطرة عندما تتضايق الشبكة. أساساً، هذا يعني خفض استخدام الكهرباء خلال تلك الأوقات المزدحمة جداً من خلال استخلاص الطاقة المخزنة بدلاً من ذلك. هناك العديد من الحلول التكنولوجية المختلفة لهذا الغرض، ولكن أنظمة تخزين الطاقة تبرز كأدوات مفيدة بشكل خاص. بعض النتائج الحقيقية تظهر أن الشركات توفر المال وتدير عملياتها بسلاسة بعد تنفيذ استراتيجيات جيدة لتحديد الذروة، وذلك بفضل أنظمة التخزين هذه. بالنظر إلى المستقبل، نرى تطورات جديدة مثل برامج التنبؤ الأفضل والذكاء الاصطناعي التي يمكن أن تساعد في إدارة الطلب على نطاق واسع. يجب أن تعمل هذه التطورات جنبا إلى جنب مع مشاريع الشبكات الذكية الجارية في جميع أنحاء البلاد.

الميكروشبكات وحلول النسخ الاحتياطية الطارئة

الشبكة الصغيرة هي في الأساس نظام طاقة صغير الحجم يمكن أن يعمل بمفرده أو يتصل بشبكة كهرباء أكبر، وهذه الإعدادات تساعد حقاً في جعل المجتمعات أكثر مرونة ضد مشاكل الطاقة. عندما يكون هناك انقطاع، البطاريات المخزنة داخل الشبكات الصغيرة يطلق في على الفور للحفاظ على الخدمات الأساسية تعمل. خذ ما حدث في أجزاء من نيويورك بعد أن أوقفت العواصف الكهرباء لأيام. المناطق التي لديها شبكات صغيرة جيدة حافظت على الكهرباء بينما بقيت المناطق الأخرى في الظلام. إنّه ليس من المُمكن أن تكون هذه الأنظمة متوافقة مع كلّ شيء. المناطق الحضرية تحتاج إلى نهج مختلف مقارنة مع المناطق الريفية، بالإضافة إلى معرفة أين تتناسب الألواح الشمسية أو توربينات الرياح في المزيج. تحديد التوازن بين مواصفات الموقع والموارد المتاحة يحدد ما إذا كانت الشبكة الصغيرة ستعمل بشكل جيد عندما تكون أكثر أهمية.