كيفية توصيل بطارية تخزين الطاقة الشمسية بالشبكة؟

ما هي بطارية تخزين الطاقة الشمسية ولماذا تُعد مهمة للتوصيل بالشبكة

تعمل بطاريات الطاقة الشمسية من خلال جمع الكهرباء الزائدة التي تُنتجها الألواح المثبتة على أسطح المباني، مما يسمح للمنازل والشركات بتخزين هذه الطاقة لاستخدامها في أوقات الحاجة إليها بشكل أكبر، أو حتى إرسال جزء منها مجددًا إلى الشبكة الكهربائية المحلية. وتُعالج هذه الحلول التخزينية مشكلة كبيرة واحدة تواجه الطاقة الشمسية: وهي أن الشمس لا تُشرق دائمًا عندما نحتاجها. ففي الأيام الغائمة أو أثناء الليل، ما زال الناس بحاجة إلى الكهرباء، وتوفر البطاريات الشمسية مصدرًا متاحًا لتلك الحاجة. كما تستفيد شركات الكهرباء أيضًا، حيث تساعد هذه البطاريات في الحفاظ على استقرار العرض الكلي. بدلاً من الاعتماد الكبير على محطات توليد الكهرباء القديمة التي تعمل بالغاز والتي تُستخدم في أوقات ذروة الاستهلاك، يمكن للشبكات الآن التعامل مع المصادر المتجددة بشكل أفضل. ووفقًا لأبحاث أجراها NREL العام الماضي، فإن ربط تخزين الطاقة الشمسية بالشبكة يقلل من رسوم ساعات الذروة المرتفعة بنسبة تتراوح بين 30 إلى 45 بالمئة تقريبًا. وهذا يعني تقليل الضغط على أنظمتنا الكهربائية القديمة بينما نعمل نحو تحقيق أهداف الطاقة النظيفة في جميع أنحاء البلاد.

المكونات الرئيسية المطلوبة لربط بطارية تخزين الطاقة الشمسية بشبكة الكهرباء

تتيح ثلاثة مكونات أساسية الربط بالشبكة:

1. المحولات العكسية ثنائية الاتجاه : تحويل التيار المستمر من البطاريات إلى تيار متردد لضمان التوافق مع الشبكة.
2. أنظمة إدارة الطاقة (EMS) : مراقبة ظروف الشبكة وتحسين دورات الشحن والتفريغ.
3. وحدات تحكم تفاعلية مع الشبكة : ضمان التزامن مع معايير جهد وتواتر شركة توزيع الكهرباء.
   تشتمل الأنظمة الحديثة أيضًا على مفاتيح عزل وأجهزة قياس للامتثال للوائح السلامة مثل المادة 706 من التعليمات الوطنية للإلكترونيات (NEC).

العلم وراء العاكسات ثنائية الاتجاه في أنظمة بطاريات تخزين الطاقة الشمسية

تُعد المحولات ثنائية الاتجاه أساسًا بمثابة وصلات بين بطاريات التخزين الشمسية والشبكة الكهربائية. ما يميزها عن المحولات العادية هو قدرتها على نقل الطاقة في كلا الاتجاهين. فهي يمكنها شحن البطاريات عندما تكون هناك طاقة شمسية إضافية متاحة، ثم إرسال هذه الكهرباء المخزنة مرة أخرى إلى الشبكة كلما ارتفع الطلب. تأتي بعض النماذج الأحدث مجهزة بما يُعرف بتقنية التعقب الذكي للنقطة ذات القدرة القصوى (MPPT) التي تساعد على استخلاص أداء أفضل، وغالبًا ما تصل بكفاءة التحويل إلى أكثر من 95%. تُظهر الدراسات أن هذه الأجهزة تلعب دورًا كبيرًا في التعامل مع تلك الزيادات المفاجئة المزعجة في الجهد ومشاكل التردد التي تعاني منها الشبكات التي تحتوي على العديد من التركيبات الشمسية. وتُبقي إمكانياتها الذكية للتعديل كل شيء يعمل بسلاسة من جانب الشبكة، وفي الوقت نفسه تضمن تحقيق أقصى استفادة ممكنة من الطاقة المتجددة المخزّنة.

العملية خطوة بخطوة لتوصيل بطارية تخزين الطاقة الشمسية بالشبكة

تقييم توافق الموقع لتخزين طاقة الطاقة الشمسية والبطارية ومزامنة الشبكة

إن التحضير الجيد لكل شيء قبل تركيب نظام بطارية شمسية يعني إجراء فحص دقيق للموقع أولاً لضمان عمله بشكل جيد مع شبكة الكهرباء. سيقوم الفنيون المؤهلون بتقييم عوامل مثل كمية الطاقة التي يمكن أن تتحملها لوحة التوزيع، واتجاه الألواح الشمسية الحالية، ونوع الجهد المطلوب من قبل شركة المرافق المحلية. تُظهر أحدث الأرقام الواردة في تقرير تركيب الألواح الشمسية أن حوالي 40 في المئة من الأشخاص الذين يقومون بتثبيت بطاريات على الشبكة يحتاجون إلى ترقية لوحتهم الكهربائية فقط لإدارة التدفق ثنائي الاتجاه للطاقة الكهربائية. كما يجب أن نتأكد من أن الجدران والأرضيات قادرة على تحمل موقع تركيب البطارية، ونقوم أيضًا بفحص الظلال لأن الظلال الصغيرة حتى قد تقلل الأداء بأكثر من 12 في المئة وفقًا لأبحاث أجرتها NREL في عام 2023.

تركيب نظام بطارية تخزين الطاقة الشمسية والعاكس الهجين

وضع البطارية في مكان تظل فيه درجات الحرارة مستقرة، مثل المرآب أو غرفة الخدمات، يساعد على تجنب فقدان الكفاءة المزعج عندما تكون الظروف الخارجية حارة جدًا أو باردة جدًا. يرتبط العاكس الهجين بكل من الألواح الشمسية وصندوق الكهرباء الرئيسي للمنزل، مما يمكن الأشخاص من الشحن من الشبكة في الوقت نفسه الذي يستخدمون فيه طاقتهم الشمسية الخاصة. ووفقًا لما يلاحظه المهنيون عادةً، فإن معظم الأشخاص يكملون تركيب هذه الأنظمة خلال فترة تتراوح بين 3 إلى 7 أيام بالنسبة للمنازل. كما أصبحت بطاريات الليثيوم أيون شائعة جدًا أيضًا، حيث تمثل ما يقارب 9 من كل 10 عمليات تركيب جديدة في الوقت الراهن نظرًا لاستجابتها الأسرع بكثير مقارنة بالأنواع الأخرى، وفقًا لما ذكرته وزارة الطاقة في تقريرها لعام 2024.

تكوين بروتوكولات الاتصال بين بطارية تخزين الطاقة الشمسية ومشغل الشبكة

في الوقت الحاضر، تعتمد معظم أنظمة الطاقة الحديثة على معايير مثل IEEE 1547-2018 عند التواصل مع شركات الكهرباء. تتيح بروتوكولات مثل SunSpec Modbus وDNP3 تبادل المعلومات الحية ذهابًا وإيابًا. وعند ارتفاع الطلب على الشبكة، يُمكّن هذا النوع من الحوار ثنائي الاتجاه من إجراء تعديلات في الزمن الحقيقي. وأظهرت بعض التجارب انخفاضًا بنسبة 18 بالمئة تقريبًا في الضغط على الشبكة الكهربائية خلال هذه التجارب وفقًا لأبحاث معهد أبحاث الكهرباء (EPRI) عام 2023. كما أن ضبط الإعدادات بشكل صحيح أمر مهم أيضًا، لأن البطاريات تحتاج إلى الالتزام باللوائح المحلية المتعلقة بمقدار الكهرباء التي يمكنها إعادتها إلى الشبكة وبسرعة استجابتها للتغيرات في مستويات التردد عبر المناطق المختلفة.

إجراء فحوصات السلامة والموافقة من قبل شركة المرافق على الربط

يجب أن تحصل جميع التركيبات على شهادة UL 9540 لسلامة الحريق ومتطلبات المسافات الفاصلة حسب NFPA 855. وعادةً ما تشترط شركات المرافق:

• اختبارات حماية من ظاهرة العزل الجزري للتحقق من فصل الشبكة خلال أقل من ثانيتين
• التصدير التلقائي المحدود بأقل من 60٪ من سعة دخول الخدمة
• وثائق تثبت توافق العاكس مع معايير التوافقيات IEEE 1547.1-2020

تختلف أزمنة الموافقة من 2 إلى 6 أسابيع حسب طوابير الربط المحلية.

الاختبار النهائي وتفعيل بطارية تخزين الطاقة الشمسية في الوضع المتصل بالشبكة

يقوم الفنيون بمحاكاة انقطاعات الشبكة للتحقق من التبديل خلال أقل من 10 مللي ثانية عبر جهاز ATS (مفتاح النقل التلقائي). يتم دمج المراقبة الفورية مع منصات مثل EnergyHub أو Span.io، مما يمكن أصحاب المنازل من تقليل رسوم الطلب الأقصى بنسبة 34٪ من خلال تحسين استخدام الوقت حسب السعر (LBNL 2024). تخضع الأنظمة لدورة تحميل لمدة 72 ساعة قبل التفعيل الكامل.

الاعتبارات التنظيمية والسلامة والفنية الخاصة بالاتصال بالشبكة

الامتثال لمعايير IEEE 1547 والمادة 706 من التعليمات الوطنية للإلكترونيات (NEC) الخاصة بتثبيتات بطاريات تخزين الطاقة الشمسية

من المهم جدًا الالتزام بمعيار IEEE 1547-2018 مع المادة 706 من قانون الكود الكهربائي الوطني (NEC) عند ربط بطاريات تخزين الطاقة الشمسية بالشبكة بشكل آمن. تتطلب القواعد اتخاذ عدة إجراءات أمان رئيسية، مثل توفير حماية من التيار الزائد بنسبة 150% على الأقل، والتأكد من أن الترددات تبقى متزامنة ضمن نطاق ±0.5 هرتز من القيمة الفعلية المطلوبة من الشبكة. وفقًا لبحث نُشر في عام 2023 من قبل معهد أبحاث الكهرباء (EPRI)، فإن الالتزام بهذه المعايير الأحدث من IEEE قلّل من التأخيرات المحبطة خلال موافقات الربط الشبكي بنحو ثلث واحد مقارنةً بتصاميم الأنظمة القديمة. ويُظهر أحدث بيانات تقرير معايير الربط بالشبكة لعام 2024 أمرًا آخر أيضًا: يجب أن تشمل التركيبات الحالية محولات عزل معتمدة وفقًا للمواصفة UL 3301 كلما تم التعامل مع أنظمة ذات سعة تزيد عن 30 كيلوفولت أمبير. والأمر المثير للاهتمام هو أن هذه القاعدة لم تعد تقتصر على التطبيقات التجارية فحسب. فقد بدأت اثنتا عشرة ولاية مختلفة بتطبيق متطلبات مماثلة حتى على التركيبات المنزلية، وذلك بفضل تحديثات حديثة تهدف إلى منع الحرائق.

إدارة استقرار الجهد والتواتر في أنظمة بطاريات التخزين الشمسية المتصلة بالشبكة

لكي تعمل أنظمة الربط بالشبكة بشكل صحيح، يجب أن تحافظ على مستويات الجهد ضمن نطاق يزيد أو يقل بنسبة 5٪، كما يجب أن يبقى التردد ضمن حدود 0.2 هرتز باستخدام ما يُعرف بتقنيات التعويض الديناميكي للقدرة التفاعلية. بعض العواكس الأحدث أصبحت ذكية جدًا هذه الأيام، حيث تستخدم خوارزميات الشبكات العصبية المتطورة التي يمكنها بالفعل التنبؤ بكيفية تغير الأحمال قبل حدوثها بنحو 15 دقيقة. وفقًا لأبحاث نشرها مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) عام 2023، فإن هذا النوع من القدرة التنبؤية يحقّق محاذاة للشكل الموجي مع المنحنيات الجيبية القياسية للشبكة عند حوالي 99.8٪. تلك الدقة الكبيرة تُحدث فرقاً كبيراً عندما يتعلق الأمر بمنع حالات انخفاض الجهد المزعجة التي قد تعطل العمليات في المستشفيات ومراكز الرعاية الحرجة الأخرى. علاوةً على ذلك، تستجيب هذه الأنظمة بسرعة هائلة أيضًا، حيث تبلغ استجابتها 2 مللي ثانية فقط عند حدوث أي انحراف في التردد. وصدقني، هذا الأمر يكون الأكثر أهمية في المناطق التي تكون فيها الشبكة ذات هوامش استقرار ضعيفة للغاية، أحيانًا تصل إلى مجرد 1٪ كمصدّر قصور ذاتي.

منع مخاطر العزل من خلال منطق تحكم متقدم

تُعالج العواكس المعتمدة وفق معايير UL 1741 SA مخاطر العزل من خلال تقنيات متقدمة لمراقبة الشبكة. وتستخدم ما يُعرف بالكشف المتعدد الطيف عن الاضطرابات، والذي يجمع فعليًا بين التحليل التوافقي عند 27 نقطة مختلفة وبين ما يُسمى بتحليل طيف المعاوقة. وعند حدوث مشكلة في الشبكة، يمكن لهذه الأنظمة أن تنفصل تمامًا خلال أقل من ثانيتين بعد اكتشاف المشكلة. وهو أمر مثير للإعجاب نسبيًا، خاصةً أنها تظل تحتفظ بنسبة شحن تبلغ حوالي 85% جاهزة للاستخدام عند الحاجة أثناء انقطاع التيار الكهربائي. كما ساهمت بعض التحديثات البرمجية الحديثة في تحسين الأداء أكثر. إذ يتيح برنامج التشغيل الجديد إمكانية رسم الخرائط التلقائية لتخطيطات الشبكة، مما قلل من تلك التنبيهات الخاطئة المزعجة التي كانت تحدث عندما تظن النظام وجود حالة عزل بينما لا توجد فعليًا. وأفاد مختبر سانديا العام الماضي بأن هذا التحسن قد خفض هذه الأخطاء بنحو النصف في المناطق التي تتصل فيها أعداد كبيرة من الألواح الشمسية وتوربينات الرياح بالشبكة.

الفوائد الاقتصادية والمزايا التشغيلية لأنظمة بطاريات التخزين الشمسية المتصلة بالشبكة

يمكن للمالكين والشركات الصغيرة توفير المال والبقاء على التيار الكهربائي لفترة أطول عند تركيب بطاريات شمسية متصلة بالشبكة. ويُظهر تقرير استدامة حديث من شركة Gaia Development لعام 2023 أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا. فعندما يدمج الأشخاص أنظمة البطاريات هذه مع الألواح الشمسية الخاصة بهم، فإنهم يقللون من تكاليف التشغيل بنسبة تقارب 35٪ ويعتمدون أقل على الشبكة الكهربائية الرئيسية بنسبة حوالي 40٪ في المنازل. وهناك ميزة إضافية أيضًا. إن هذه الأنظمة تعمل فعليًا على تحقيق أرباح للمالكين الذين يشاركون في برامج شركات المرافق المحلية. وبشكل أساسي، يتم استخدام الطاقة الشمسية المخزنة بدلاً من السحب من الشبكة خلال ساعات الذروة المرتفعة التكلفة، عندما يستخدم الجميع الكهرباء في نفس الوقت.

تقليل رسوم الطلب القصوى باستخدام بطارية تخزين الطاقة الشمسية والتغذية العكسية للشبكة

يحقق المشغلون التجاريون تخفيضات بنسبة 40—60٪ في رسوم الطلب القصوى من خلال برمجة البطاريات لتفريغ شحنتها خلال الساعات الحرجة المحددة من قبل شركة الكهرباء. تتماشى استراتيجية تحويل الأحمال هذه مع فترات التعريفة المنخفضة، مما يقلل بشكل كبير من عناصر الفوترة القائمة على الطلب والتي تمثل عادةً 30—50٪ من تكاليف الكهرباء التجارية.

المشاركة في برامج القياس الصافي وخدمات الشبكة

تقدم شركات المرافق في 42 ولاية أمريكية تعويضات مقابل الطاقة الشمسية الزائدة التي يتم إرجاعها إلى الشبكة، حيث تزيد أنظمة التخزين من فترات الأهلية للحصول على الرصيد بنسبة 65٪. ومن خلال منصات تداول الطاقة الآلية، توفر البطاريات المتصلة بالشبكة خدمات تنظيم التردد التي تُقدّر بنحو 50—100 دولارًا أمريكيًا/ميجاواط-ساعة في أسواق ISO.

دراسة حالة: نظام بطارية تخزين الطاقة الشمسية السكنية الذي قلّص الاعتماد على الشبكة بنسبة 60٪

خفض مالك منزل في ماساتشوستس مشترياته السنوية من الشبكة الكهربائية من 12,000 كيلوواط ساعة إلى 4,800 كيلوواط ساعة بعد تركيب نظام تخزين طاقة شمسية بسعة 20 كيلوواط ساعة. وحقق النظام عائد الاستثمار بالكامل خلال 6.2 سنة من خلال الادخار الناتج عن التحكيم حسب وقت الاستخدام واعتمادات الطاقة المتجددة الشمسية (SRECs).