تخزين طاقة الشمس: الأنظمة المستقلة مقابل الأنظمة المتصلة بالشبكة الكهربائية

في عالم اليوم، ستظل الطاقة الشمسية الحلَّ المتجدِّد الأول الذي يلجأ إليه معظم الناس. ومن المهم فهم أبسط أنواع الأنظمة. وفي هذا السياق، سنركِّز المناقشة على أنظمة تخزين الطاقة الشمسية، لا سيما الأنظمة المستقلة عن الشبكة والأنظمة المتصلة بالشبكة. فالأنظمة المستقلة عن الشبكة لا تتصل بالشبكة العامة، بينما تتصل الأنظمة المتصلة بالشبكة بالشبكة العامة. وتتميَّز الأنظمة المستقلة عن الشبكة باستقلاليتها في إمداد الطاقة، وهي تتكوَّن من ألواح شمسية وبطاريات ومحوِّلات تلبي احتياجات الطاقة. أما الأنظمة المتصلة بالشبكة فهي تعتمد على الشبكة العامة، ولها القدرة على سحب الطاقة من الشبكة عندما يكون إنتاج الألواح الشمسية منخفضًا، وإعادة التغذية إلى الشبكة عندما يكون الإنتاج مرتفعًا. وتُعدُّ الأنظمة المستقلة عن الشبكة مثاليةً للمناطق النائية التي لا تتوفر فيها إمكانية الاتصال بالشبكة، لكن هذه الأنظمة تتطلَّب وجود بنوك بطاريات لتخزين الطاقة لاستخدامها ليلاً أو خلال الفترات الغائمة. أما في البيئات suburban (شبه الحضرية) والحضرية، فتؤدي الأنظمة المتصلة بالشبكة أفضل أداءٍ نظرًا لتوافر تخزين البطاريات في هذه المناطق وعدم حاجتها للقلق بشأن انقطاع التيار الكهربائي من الشبكة.

المزايا التقنية لأنظمة تخزين طاقة الطاقة الشمسية المستقلة

عندما يتعلق الأمر باستخدام الطاقة بشكل مستقل، فإن أنظمة تخزين الطاقة الشمسية المستقلة تتمتّع بمزايا تقنية فريدة. وأهم هذه المزايا هو الاستقلال التام في مجال الطاقة، ما يحمي المستخدمين من ارتفاع فواتير المرافق العامة، وانقطاع التيار الكهربائي، والرسوم غير المنتظمة التي تفرضها شركات التوزيع. وتستخدم هذه الأنظمة بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4)، التي توفر أكثر من ٦٠٠٠ دورة شحن وتفريغ، وتتميّز بالمتانة في درجات الحرارة القصوى. كما تتضمّن البطاريات أنظمة ذكية لإدارة البطاريات (BMS)، التي تغطي أشيع سيناريوهات عطل البطاريات، مثل الشحن الزائد، وارتفاع درجات الحرارة، والدوائر القصيرة.

ميزة رئيسية أخرى هي قابلية أنظمة الطاقة الشمسية المستقلة عن الشبكة للتوسع. ويمكن للمجتمعات النائية، والمنازل الريفية، والعمليات التجارية الواقعة في مناطق نائية أن تعتمد أنظمة شمسية مستقلة عن الشبكة، ثم توسع لاحقًا هذه الأنظمة بإضافة بطاريات أو ألواح شمسية إضافية لتلبية الطلب المتزايد على الطاقة. كما تتميّز الأنظمة المستقلة عن الشبكة بصمتها الممتاز. ولهذا فإن صمتها يكتسب أهميةً بالغة في المواقع الشمسية المثلى التي تقع في مناطق سكنية أو ذات حساسية عالية تجاه الضوضاء، إذ تعتمد هذه الأنظمة على مكونات عالية الجودة، وخلايا ليثيوم-أيون قوية، وإلكترونيات طاقة فعّالة تقلل إلى أدنى حدٍّ متطلبات الصيانة.

مزايا أنظمة تخزين الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة

عند النظر في أنظمة تخزين طاقة الطاقة الشمسية، يمكن لأنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة أن توفر للمستخدمين فوائد تتميّز بطابعها التقني تحديدًا، من حيث طريقة اتصالها بالشبكة الكهربائية. ومن الناحية التقنية، تُعَدّ وفورات التكلفة أو الجدوى الاقتصادية حافزًا كبيرًا: إذ يختار المستخدمون الاستفادة من الشبكة الكهربائية كـ«بطارية افتراضية»، ما يمكنهم من التخلي عن أنظمة التخزين الكبيرة المركَّبة في الموقع، وبالتالي خفض التكاليف. كما يمكن لهؤلاء المستخدمين المشاركة في نظام القياس الصافي (Net Metering)، الذي يسمح لهم ببيع الفائض من الطاقة التي يولّدونها إلى الشبكة الكهربائية. ويترتب على ذلك خفض تكاليف الطاقة لديهم، وتقليل المدة الإجمالية اللازمة لاسترداد استثمارهم الأولي. وبشكل عام، يمكن نسب سهولة التركيب إلى غياب مولدات الطوارئ الاحتياطية أو أنظمة البطاريات الكبيرة.

أنظمة الربط بالشبكة الكهربائية اليوم قادرة على الاستفادة من التكنولوجيا الذكية، ما يمكّن المستخدمين من مراقبة جميع الطاقة المنتَجة والاستهلاكية والمُستخدمة في الوقت الفعلي على الشبكة. وتتيح هذه القدرة للمستخدم فرصة تحسين استهلاك الطاقة بحيث يعتمدون أكثر على الطاقة الشمسية وأقل على الطاقة المستمدة من الشبكة. ويؤدي ذلك إلى تقليل الضغط الواقع على الشبكة وزيادة استخدام مصادر الطاقة المتجددة، وهو ما يشكّل شكلاً من أشكال دعم الشبكة. ويمكن دمج هذه الأنظمة مع أنظمة الشبكة الكهربائية الحالية. وهي تحمل شهادات اعتماد من UL وCE وRoHS.

وفي الاستخدام اليومي، كانت أنظمة التشغيل خارج الشبكة حيويةً للعمليات النائية. وقد وفرت متانة دورة التشغيل الطويلة والمقاومة للظروف الجوية في النظام طاقةً غير منقطعةً استبدلت مولدات الديزل الباهظة الثمن، كما قضت على الانبعاثات الكربونية. وأشار المستخدمون إلى تحسُّنٍ في ثبات الأداء وتوفر وفورات ملموسة على المدى الطويل، ما يدل على أن النظام نجح فعلاً في معالجة التحديات المرتبطة بالتشغيل خارج الشبكة.

أصبحت الأنظمة المتصلة بالشبكة الكهربائية شائعة بين أصحاب الأعمال والمنازل في المناطق الحضرية. وقد أنشأ متجر تجزئة صغير نظامًا متصلًا بالشبكة الكهربائية وطبَّق نظام القياس الصافي لتوفير 75% من فاتورته الكهربائية. واستخدم مراقبةً فوريةً للعمليات التجارية لتعديل جدول تشغيله بحيث يركِّز على الساعات التي تبلغ فيها إنتاجية الألواح الشمسية ذروتها. ويُقدِّر أصحاب المنازل وأصحاب الأعمال الانتقال التلقائي السلس بين الطاقة الشمسية والطاقة المُستمدة من الشبكة الكهربائية. وأشار كثيرون إلى أن إضافة ميزة تخزين الطاقة الشمسية زادت من قيمة عقاراتهم.

فهم الأداء والكفاءة

توجد اختلافات في التصميم وحالات الاستخدام بين النظامين. فالأنظمة غير المتصلة بالشبكة تعتمد على كفاءة الألواح الشمسية وقدرة البطاريات على تخزين الطاقة وعدد دورات الشحن والتفريغ. وتُفضَّل بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) نظرًا لكثافتها العالية في الطاقة وعمرها التشغيلي الطويل. كما أن كفاءة الألواح الشمسية، أي قدرتها على تحويل ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء، تؤثر تأثيرًا مباشرًا في الإنتاجية الكلية. وبالمجمل، فإن الجمع بين كفاءة تخزين أفضل وكفاءة تحويل أعلى يؤدي إلى خسارة أقل في الطاقة، ما يشكِّل نظامًا أكثر كفاءة.

لا تُحمَّل أنظمة الربط بالشبكة الكهربائية منطق التخزين الإضافي نظراً لارتباطها بالشبكة. وتعتمد كفاءتها على توافق الألواح والعاكسات مع الشبكة. ويؤدي استخدام عاكس عالي الجودة إلى فقدان أقل للطاقة أثناء عملية التحويل من التيار المستمر (DC) إلى التيار المتناوب (AC) المورَّد من الشبكة. وتُحسِّن العدادات الصافية (Net Metering) درجة الكفاءة وفقاً للسياسات المعمول بها. كما أن موازنة النظام مع نمط استهلاك المستخدم يُحسِّن أداء التخزين.

تحليل القيمة طويلة الأمد ومقارنة التكاليف

عند تقييم كلا النظامين، يكتسب وضوح التكاليف أهميةً بالغة. فتتطلب الأنظمة المستقلة عن الشبكة استثماراً أولياً أكبر بسبب الحاجة إلى بنوك البطاريات والمكونات الاحتياطية. ومع ذلك، فإن هذه التكاليف تُعوَّض لأن العملاء لا يدفعون أي رسوم للشبكة الكهربائية، ويتمتعون بالحماية من ارتفاع أسعار المرافق العامة، وبما أن عمر البطاريات مُقدَّرٌ بأكثر من ٦٠٠٠ دورة شحن وتفريغ، فإن إجمالي التكاليف يظل منخفضاً على المدى الطويل. وتوفِّر هذه الأنظمة قيمةً لا تُقدَّر بثمن في المناطق التي لا تتوفر فيها إمكانية الوصول إلى الشبكة الكهربائية.

الأنظمة المتصلة بالشبكة الكهربائية تتميز بتكلفة بدء تشغيل أقل. وهي تبدأ في تحقيق عوائد فورية بفضل الادخار الناتج عن نظام القياس الصافي (Net Metering). وفترة استرداد الاستثمار فيها أقصر مقارنةً بالأنظمة غير المتصلة بالشبكة، وذلك بسبب خفض الفواتير. وتعتمد هذه الأنظمة على توافر الشبكة الكهربائية وسياسات القياس الصافي التي تحددها الجهة المنظِّمة. ولذلك فإن إجراء بحثٍ شامل حول السياسات المحلية واللوائح التنظيمية الصادرة عن شركات التوزيع يكتسب أهميةً بالغة لضمان جدوى هذه الأنظمة على المدى الطويل. كما أن التطورات التكنولوجية المرتبطة بالطاقة الشمسية ستؤدي إلى تحسُّن مستمر، ما يعوّض ارتفاع تكاليف الطاقة لكلا النوعين من الأنظمة.

الاستنتاج

من زاوية الاستقلال الطاقي، تُعَدّ أنظمة التشغيل خارج الشبكة ممتازة. وهي أيضًا موثوقة جدًّا في المواقع النائية، كما أن حمايتها من مشكلات الشبكة الكهربائية تجعلها مثالية للمناطق الريفية أو للمشاريع التجارية النائية أو لتحقيق الاكتفاء الذاتي. وتساهم التوفيرات في التكاليف وتبسيط عملية التركيب في جعلها مناسبة جدًّا للوصول إلى المناطق الريفية والضواحي. وعند الاختيار، يجب أخذ الموقع والاحتياجات الطاقية والعوامل المالية والأهداف المحددة للنظام في الاعتبار. كما أن التعاون مع شركات تصنيع مرموقة واستشارة خبراء الطاقة المتجددة يمكّن من اتخاذ قرارٍ مستنير. وكلتا النظامين يتطوران باستمرار بتطور تقنيات البطاريات وازدياد موثوقية مصادر الطاقة المتجددة.