ما وراء الديزل: النسخ الاحتياطي الهجين للطاقة الشمسية والبطارية في المواقع الأفريقية خارج الشبكة

المقالة

8 أكتوبر 2019

تعمل المواقع خارج الشبكة في شمال نيجيريا والنيجر ومالي وبوركينا فاسو وإثيوبيا وتوركانا على الديزل، بينما تستهلك تكلفة الوقود والنقل والسرقة الكثير من النفقات التشغيلية. تتناول هذه المقالة الطبولوجيا الثلاثة، وعندما ينطبق كل منها، عمر البطارية الحقيقي في ظل التدوير اليومي، ومتغير الغبار الذي تم الاستخفاف به، وصيغة الاسترداد بأربعة مدخلات يمكنك قياسها في الموقع.

يوم في موقع خارج الشبكة

حول كانو وكادونا في شمال نيجيريا، وفي ريف النيجر، ومالي، وبوركينا فاسو، وعلى المرتفعات الإثيوبية، وفي منطقة توركانا القاحلة في كينيا وفي المقاطعات النائية في زامبيا، يمر يوم نموذجي على هذا النحو: يبدأ تشغيل مولد الديزل قبل الغسق ويستمر حتى الليل مقابل حمولة تتراوح ما بين 1 إلى 3 كيلووات تقريبًا؛ يتم إيقاف تشغيله طوال الليل وتحمل البطارية النطاق الأساسي وناقل الحركة؛ في النهار، تستمر البطارية في حمل الموقع حتى المساء، ولا يتم شحنها إلا في حالة ظهور طاقة الشبكة لبضع ساعات. لا تكمن المشكلة في المولد نفسه، بل في ثلاث تكاليف خفية: توصيل الوقود إلى الموقع، حيث يمكن أن تتجاوز تكلفة النقل بالدراجة النارية أو الجمال ضعف سعر المضخة؛ سرقة الوقود، والتي تصل في بعض المناطق إلى 10% إلى 30% من حجم المشتريات؛ والصيانة والتجديد يتم إطفاؤها بساعة التشغيل. الغرض من الطاقة الشمسية ليس بيئيًا، بل هو نقل الحمل النهاري من المولد وخفض التكاليف الثلاثة بشكل مباشر.

الاختيار من بين ثلاثة طبولوجيا

إن الهجين الشمسي ليس تصميماً واحداً بل ثلاثة، والاختيار الخاطئ يضاعف المردود. الأول هو الطاقة الشمسية بالإضافة إلى البطارية بالإضافة إلى الديزل الاحتياطي، وتسمى أيضًا أولوية الطاقة الشمسية: تعمل الطاقة الكهروضوئية على تحميل البطارية وشحنها نهارًا، وتتوقف بمجرد امتلاء البطارية، ولا يبدأ تشغيل الديزل إلا بعد تلبد بالغيوم لفترة طويلة أو نفاد البطارية. إنه يقلل من ساعات عمل المولد ويناسب المواقع ذات الإشعاع السنوي الجيد والحمل المركّز أثناء النهار - وهو الخيار الأكثر شيوعًا في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى. والثاني هو الديزل الأساسي بمساعدة الطاقة الشمسية، حيث تحمل الطاقة الكهروضوئية جزءًا فقط من الحمولة، عادةً من 30% إلى 50%، ويعمل المولد كما كان من قبل باستهلاك أقل للوقود. إنه أبسط من حيث التعديل التحديثي وأرخص من حيث رأس المال، فهو يناسب الأحمال الأكبر أو المواقع التي تحتوي على مولد جديد نسبيًا. والثالث هو بطارية تعمل بالطاقة الشمسية النقية مع عدم وجود مولد على الإطلاق، وتكون قابلة للتطبيق فقط عندما يكون الحمل أقل من 500 واط ويكون التعرض لخطر ملبد بالغيوم لمدة ثلاثة أيام مقبولاً. العامل الحاسم في هذه العناصر الثلاثة ليس مصدر الإشعاع، بل مدى تداخل منحنى الحمل مع المنحنى الشمسي: التداخل العالي يفضل الأول، والتداخل المنخفض يجعل الثاني أكثر أمانًا.

عمر بطارية حقيقي أثناء ركوب الدراجات اليومية

في الطاقة الشمسية الهجينة، تكمل البطارية دورة كاملة كل يوم، وهو أمر لا يشبه وضع الاستعداد العائم وهو المكان الذي تفشل فيه العديد من المشاريع - فهي تحدد بطارية عائمة وتستبدلها خلال عامين. يعتمد الاختيار على ثلاثة أرقام، وليس على سعة اللوحة. أولاً، دورة الحياة، وتحديدًا دورة الحياة عند عمق تفريغ محدد؛ تعمل أنظمة الطاقة الشمسية عادةً بنسبة 50% إلى 70% من DOD، لذا اطلب البيانات في هذا النطاق. ثانيًا، قبول الشحن: تختلف طاقة الشحن الكهروضوئية باختلاف الإشعاع، ويكون التيار منخفضًا في الصباح وفي وقت متأخر بعد الظهر، وما إذا كانت البطارية قادرة على الامتصاص بشكل فعال عند التيار المنخفض يحدد استعادة الطاقة يوميًا. توفر سلسلة الرصاص والكربون (LLC، 300-1000 أمبير، ستة نماذج) أربعة إلى خمسة أضعاف دورة حياة المنتج التقليدي في خدمة PSoC مع قبول شحن أفضل بنسبة 30٪ تقريبًا، وهي مصممة لهذا الغرض بالضبط. ثالثًا، سلوك درجات الحرارة المرتفعة: درجات الحرارة التي تزيد عن 40 درجة مئوية تعتبر أمرًا روتينيًا في أفريقيا، لذا يجب تصحيح دورة الحياة وفقًا لدرجة الحرارة. تعد سلسلة الدورات العميقة (FTC، 100-170 أمبير، 1500 دورة أو أكثر) أيضًا خيارًا سليمًا للسعة الصغيرة والمتوسطة.

الغبار: المتغير الاستخفاف

في جميع أنحاء منطقة الساحل وشرق أفريقيا القاحلة، يتم الاستهانة بالغبار بشدة. أولاً، الاتساخ: كل طبقة من الغبار على الزجاج تقلل من النفاذية بعدة نقاط مئوية، وبعد عاصفة ترابية قد تتم تغطية المصفوفة بكثافة كافية لخفض الناتج إلى النصف. وفي النيجر ومالي وتشاد، قد يكلف تخطي عملية التنظيف أكثر من 20% من العائد السنوي. ثانيًا، حراريًا: الغبار الموجود على الطبقة الخلفية يعيق رفض الحرارة، مما يرفع درجة حرارة الخلية ويقطع الكفاءة، مما يضاعف الخسارة. ثالثًا، الميكانيكية والكهربائية: يتسبب دخول الغبار إلى صناديق التوصيل والموصلات في ضعف الاتصال ومخاطر القوس الكهربائي، كما أن الغبار الموجود في مسارات الهواء العاكسة يعيق عملية التبريد. يتبع ذلك أربع استجابات للتصميم: زيادة إمالة المصفوفة بحيث يتم نفخ الغبار أو غسله بسهولة أكبر؛ تحديد صناديق التوصيل والموصلات ذات معدل دخول أعلى؛ استخدام محولات تبريد طبيعية أو تركيب مرشحات الغبار وإضافتها إلى مسار الفحص؛ ووضع التنظيف في عقد التشغيل والصيانة بتكرار محدد - شهريًا في موسم الغبار، وربع سنويًا بخلاف ذلك - بدلاً من "كما هو مطلوب".

حساب الاسترداد

لا يحتاج الاسترداد إلى نموذج معقد، بل يحتاج إلى أربعة مدخلات فقط، ويمكن قياس الأربعة جميعًا في الموقع. أولاً، تكلفة الديزل السنوية الحالية: متوسط ​​الاستهلاك اليومي باللتر × 365 × سعر الوقود المسلَّم شاملاً النقل. استخدم السعر الذي تم تسليمه، وليس سعر الرصيف. ثانيًا، تكلفة الديزل بعد التعديل التحديثي: يتم قياسها من خلال تقليل ساعات تشغيل المولدات، والتي تتراوح عادةً ما بين 20% إلى 40% من التصميمات الأصلية بالنسبة للتصميمات ذات الأولوية الشمسية. ثالثًا، العائد السنوي للطاقة الكهروضوئية: سعة الصفيف بالكيلوواط × ساعات الذروة المكافئة المحلية × 365 × كفاءة النظام من 0.75 إلى 0.8 × عامل التلوث والتدهور من 0.85 إلى 0.9. رابعًا، إجمالي الاستثمار بما في ذلك الوحدات والتركيب وجهاز التحكم والبطارية والنقل والتركيب. الاسترداد = الاستثمار ÷ (تكلفة الديزل السنوية قبل التحديث − تكلفة الديزل السنوية بعد التحديث − تكلفة الصيانة السنوية). المدخلات التي غالبًا ما يتم المبالغة فيها هي النقطة الثالثة: يستخدم الناس ساعات الشمس المثالية وينسون التلوث والتدهور. خذ المعاملات المحافظة والمردود الذي تحسبه هو الذي يمكن تسليمه بالفعل.

تحجيم المصفوفة والبطارية معًا

الخطأان الأكثر شيوعًا في تصميم الطاقة الشمسية الهجينة هما المصفوفة الأصغر حجمًا والبطارية الأصغر حجمًا، وعادةً ما يحدثان معًا. المبدأ هو التعامل مع الفترة الملبدة بالغيوم باعتبارها القيد وتوازن الطاقة اليومي كهدف، في ثلاث خطوات. أولاً، الاستهلاك اليومي: الحمل بالكيلوواط × 24 ساعة، ويتم حسابه بشكل منفصل حيث تختلف الأحمال النهارية والليلية. ثانيًا، متوسط ​​إنتاجية الطاقة الكهروضوئية اليومية: سعة الصفيف بالكيلو واط × ساعات الذروة المكافئة للشمس × كفاءة النظام من 0.75 إلى 0.8 × عامل الاتساخ 0.85. يجب أن تتجاوز هذه النتيجة الاستهلاك اليومي، وعادةً ما يكون هناك 20% إلى 30% من الإرتفاع لتغطية التغيرات الموسمية، وتدهور الوحدة والتظليل العرضي. ثالثًا، سعة البطارية: الاستهلاك اليومي × الأيام الملبدة بالغيوم ÷ عمق التفريغ، مع أيام ملبدة بالغيوم مأخوذة من سجلات الطقس المحلية - يومين إلى ثلاثة في منطقة الساحل، ويوم آخر في مرتفعات شرق إفريقيا. بعد الخطوات الثلاث، قم بإجراء فحص عكسي: في نهاية أطول فترة ملبدة بالغيوم، يجب ألا تقل سعة البطارية المتبقية عن 20%، وإلا سيرتفع تشغيل المولد بشكل ملحوظ وتختفي اقتصاديات السيارة الهجينة. وكثيرًا ما يتم تخطي هذا الفحص، ولكنه المؤشر الثابت الوحيد لمعرفة ما إذا كانت النسبة سليمة أم لا. أحد التفاصيل الإضافية التي غالبًا ما يتم تجاهلها هي إمالة المصفوفة: في المناطق المتربة، فإن إضافة 5 إلى 10 درجات فوق إمالة التوليد الأمثل يسمح للغبار بالنفخ بسهولة أكبر وينتج المزيد بمرور الوقت. View Telecom Backup Power Selection