مع زيادة الطاقة المتجددة على الإنترنت وإغلاق محطات توليد الطاقة الحرارية، تحتاج الشبكات الكهربائية في جميع أنحاء العالم إلى تحديثات للحفاظ على استقرارها. ومن الجدير بالذكر أن هناك عيوب غير متوقعة في إغلاق محطات الطاقة الكبيرة والقديمة. تساعد هذه المحطات في الحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية. ومع انخفاض عدد هذه المحطات، يجب أن يتم استبدالها بشيء آخر للقيام بهذه المهمة.
ما هو الشبكة الكهربائية؟
الشبكة الكهربائية هي شبكة معقدة تتضمن أنظمة تنتج الطاقة، مثل محطة توليد الطاقة النووية أو توربينات الرياح، وأنظمة تخزين ونقل الطاقة، مثل البطاريات وخطوط النقل. يمكن أن تتوقف الشبكة عن العمل لأي سبب من الأسباب، مثل سقوط شجرة على خط الكهرباء أو موجة حر تفوق طاقة النظام. في الولايات المتحدة، تنتقل الكهرباء عبر الشبكة مثل ضربات القلب بتردد قياسي يبلغ 60 هرتز. يمكن أن يتغير هذا التردد إذا زاد الطلب عن العرض أو إذا تعطل شيء ما في النظام مثل مولد كهربائي كبير. حتى انقطاع صغير في هذا النبض بتردد 60 هرتز يمكن أن يتسبب في تأثيرات تمتد عبر الشبكة ويصعب على الشبكة التعافي منها.
ما هي الشبكة الكهربائية المتجددة؟
تعمل الشبكة الكهربائية التي تعتمد على كميات كبيرة من الطاقة المتجددة، مثل توربينات الرياح وألواح الطاقة الشمسية، بطريقة مختلفة تمامًا عن المحطات التقليدية. تعتمد هذه الشبكة على أجهزة تسمى محولات الشبكة لتحويل التيار المستمر الذي يتم إنتاجه من مصادر الطاقة المتجددة إلى تيار متردد للشبكة. وتتصرف أنظمة الطاقة المتجددة التي تستخدم محولات الشبكة بطريقة مختلفة تمامًا عن المحطات التقليدية. “نحن نتعامل مع نظام فيزيائي مختلف تمامًا”، وفقًا لباتريشيا هيدالغو-غونزاليس، مهندسة كهرباء في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو.
ما هي محولات الشبكة الكهربائية؟
تعتبر محولات الشبكة الكهربائية أجهزة كهربائية مخصصة تعمل على الحدود بين شيء ينتج أو يخزن الطاقة، مثل توربينات الرياح وألواح الطاقة الشمسية والبطاريات، والشبكة الكهربائية. والأمر المهم هو أنها قادرة على التحكم في تدفق الطاقة المتجددة إلى الشبكة بسرعة واستجابة، بطرق تشبه التحكم الذي يتم من خلال المحطات التقليدية. من خلال إضافة بعض محولات الشبكة الكهربائية إلى شبكة الطاقة الحالية، يمكن للمهندسين مساعدة في استبدال الوظائف التي تفقدها المحطات الكبيرة عندما تتقاعد. تتمتع محولات الشبكة الكهربائية أيضًا بمزايا أخرى، مثل إعادة تشغيل الشبكة تلقائيًا في حالة انقطاع التيار الكهربائي. يمكن أن يجعل ذلك المجتمع أكثر مرونة في مواجهة انقطاعات التيار الكهربائي الناجمة عن التغيرات المناخية المتسببة في موجات الحرارة والأعاصير.
من يستخدم محولات الشبكة الكهربائية؟
ليست محولات الشبكة الكهربائية جديدة تمامًا؛ فقد تم استخدامها في جميع أنحاء العالم لعقود من الزمن لأغراض معينة. في الولايات المتحدة، توجد في المقام الأول في الشبكات الكهربائية الصغيرة، مثل الأنظمة الكهربائية الصغيرة التي تزود المناطق المعزولة مثل الجزر أو المرافق الصغيرة بالكهرباء. في عقد 2010، قام مجموعة من الباحثين والمهنيين في الصناعة ببناء شبكة كهربائية صغيرة تضم محولات الشبكة الكهربائية في سجن سانتا ريتا في دبلن، كاليفورنيا. استخدمت الشبكة الكهربائية الصغيرة لوحات الطاقة الشمسية على الأسطح، وخمس توربينات رياح، وخلية وقود وتخزين البطارية لإنشاء نظام طاقة مستقل يعمل للاستخدام اليومي ولكن يمكن أيضًا أن يستمر في العمل بشكل مستقل عن الشبكة الكهربائية الرئيسية في حالة انقطاع التيار الكهربائي – الأمر الحاسم للحفاظ على الأمان. تشمل الشبكات الكهربائية الأخرى التي تستخدم محولات الشبكة الكهربائية قاعدة عسكرية على جزيرة هاواي كاواي وجزيرة سانت أوستاشيوس في منطقة البحر الكاريبي.
ما هي التحديات المستقبلية للشبكة الكهربائية؟
عندما يتم اعتماد محولات الشبكة الكهربائية، هناك أسئلة بحثية لا تزال تحتاج إلى إجابات. أحد التحديات هو أنه ليس واضحًا حتى الآن كم من محولات الشبكة الكهربائية ستحتاجها الشبكات في المستقبل. تشير الحسابات النظرية إلى أن بعض الشبكات ستعمل بشكل جيد عند الحصول على 60 إلى 70 في المائة من الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة باستخدام محولات الشبكة الكهربائية التالية للشبكة. ولكن قد تتعطل بعض الشبكات عند الحصول على 20 في المائة فقط وتحتاج إلى المزيد من محولات الشبكة الكهربائية في المزيج. ستعتمد النسبة في أي شبكة على عوامل مثل عمر الشبكة واستقرارها وهندستها. قد تحتاج شبكة متصلة بشكل كثيف من منشآت إنتاج الطاقة مثل في أوروبا إلى نسبة أقل بكثير من محولات الشبكة الكهربائية من شبكة طويلة وممتدة مثل تلك على ساحل أستراليا.
تتكون شبكة الكهرباء في الولايات المتحدة في الواقع من ثلاث شبكات منفصلة في الأجزاء الشرقية والغربية من البلاد وفي ولاية تكساس، وكل منها يحتاج إلى عدد مختلف من محولات الشبكة الكهربائية. وقد يختار بعض مشغلي الطاقة فصل محطات توليد الفحم أو الغاز ولكن الاحتفاظ ببعض المرافق النووية الكبيرة أو الهيدروكهربائية، والتي ستستمر في دعم توافق الشبكة وتحتاج إلى عدد أقل من محولات الشبكة الكهربائية.
تشمل البحوث الأخرى معرفة طرق جديدة لتشخيص وإصلاح المشاكل في الشبكة. على سبيل المثال، يمكن أن يتسبب انقطاع قصير في جزء من الشبكة في حقن كميات كبيرة من التيار، وهو ارتفاع كبير في الكهرباء الذي يمكن للمحطات التقليدية التعامل معه تلقائيًا عن طريق فصل الجزء المعطل. لا يمكن لمحولات الشبكة الكهربائية تحمل زيادات كبيرة في التيار، مما يجعل من الصعب حل هذه المشاكل في الوقت الفعلي. “كيفية القيام بذلك بكفاءة وبأمان لا يزال سؤال بحث كبير”، وفقًا لروجريو هينريكيز-أوبا، مهندس كهرباء في ماونتن فيو، كاليفورنيا، الذي يعمل مع UNIFI.
بعض العلماء، بما في ذلك دورفلر، يبحثون في كيفية يمكن لشبكة الكهرباء التي تحتوي على العديد من محولات الشبكة الكهربائية أن توفر الطاقة بطرق جديدة. من خلال اتخاذ خطوات إضافية لتحسين كيفية عمل المحولات معًا، يمكن للباحثين أن يقربوا النظام أكثر إلى ما يصفه البعض بمحطة طاقة افتراضية – حيث يعمل العديد من أجهزة الطاقة المتجددة على نطاق صغير بشكل فعال كمحطة طاقة تقليدية واحدة. قد يعني ذلك برمجة المحولات لسحب الطاقة بسرعة من البطارية وحقنها لجعل الشبكة أكثر قوة في مواجهة التقلبات غير المتوقعة. قد تساعد تقنيات التعلم الآلي في ذلك، من خلال تدريب المحولات على البيانات الحقيقية لضبط العمليات.
بالطبع، هناك العديد من التحديات الأخرى في بناء شبكة الكهرباء في المستقبل، مثل معرفة طرق أفضل لتخزين الكهرباء من مزارع الطاقة الشمسية والرياح، وكيفية بناء خطوط النقل اللازمة وكيفية تسريع توصيل مرافق الطاقة المتجددة إلى الشبكة، والتي تعاني من تأخر بسبب قضايا تنظيمية.
تقول هيدالغو-غونزاليس إن شبكة الكهرباء في المستقبل يجب أن تكون أقوى وأكثر مرونة للجميع. تعمل شبكة الكهرباء في الولايات المتحدة اليوم على تعزيز العديد من عدم المساواة في المجتمع. فهي تكون ضعيفة وأقل موثوقية في المجتمعات ذات الدخل المنخفض التي تكون أكثر عرضة للتغيرات المناخية منها في المجتمعات الأكثر ثراءً. في عام 2021، على سبيل المثال، أدى إعصار إيدا إلى انقطاع التيار الكهربائي عن أكثر من مليون شخص في لويزيانا، ولم تعود بعض المجتمعات ذات الدخل المنخفض إلى الحصول على التيار الكهربائي لعدة أسابيع.
تستطيع الطاقة المتجددة، بدعم من محولات الشبكة الكهربائية، أن تلعب دورًا كبيرًا في جعل الشبكة أكثر مرونة وعدالة. تقول هيدالغو-غونزاليس: “نحن بحاجة إلى التحرك بسرعة حقًا إذا أردنا أن نأخذ تغير المناخ على محمل الجد”.
Source: https://www.sciencenews.org/article/one-device-transform-power-electical-grid-inverter
اترك تعليقاً