عاكسات الرياح والطاقة الشمسية الهجينة: إضاءة مستقبل جديد للمزارع

مع استمرار نمو الطلب العالمي على الطاقة وازدياد الوعي البيئي، تكشف الطرق التقليدية للإمداد بالطاقة عن محدوديتها بشكل متزايد، خاصة في مجالات مثل المزارع. فالمزارع، بوصفها مناطق إنتاج مستقلة نسبيًا، لديها متطلبات عالية لإمدادات الكهرباء المستقرة والموثوقة. فمن ناحية، تتطلب إضاءة المزارع وأنظمة المراقبة ومختلف المعدات الزراعية دعمًا مستمرًا للطاقة؛ ومن ناحية أخرى، تدفع متطلبات حماية البيئة المزارع إلى البحث عن حلول طاقة أنظف وأكثر استدامة.

وفي هذا السياق، برز العاكس الهجين بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية كخيار جديد لإمداد المزرعة بالطاقة. يجمع العاكس الهجين بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية بين مزايا كل من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وهما موردان متجددان، ويمكنه الاستفادة الكاملة من الموارد الطبيعية الوفيرة في المزرعة لتوليد الطاقة. في العديد من المناطق، غالبًا ما تتمتع المزارع بأراضٍ شاسعة وظروف تهوية طبيعية جيدة، مما يوفر بيئة مثالية لتوليد الطاقة من الرياح. وفي الوقت نفسه، فإن أشعة الشمس الوفيرة تجعل توليد الطاقة الشمسية أمراً ممكناً.

لا يقلل تطبيق العاكس الهجين لطاقة الرياح والطاقة الشمسية من تكاليف الطاقة في المزرعة فحسب، بل يقلل أيضًا من الاعتماد على الوقود الأحفوري التقليدي، مما يوفر دعمًا قويًا للتنمية المستدامة. بالمقارنة مع طرق الإمداد بالطاقة التقليدية أحادية الطاقة، يوفر العاكس الهجين بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية استقرارًا وموثوقية أعلى. عندما تكون طاقة الرياح غير كافية، يمكن للطاقة الشمسية أن تكمل الطاقة الكهربائية؛ وعلى العكس من ذلك، خلال الأيام الملبدة بالغيوم أو في الليل، يمكن لطاقة الرياح أن تستمر في إمداد المزرعة بالطاقة. ويضمن هذا التكامل إمدادات طاقة أكثر استقرارًا ويقلل من مخاطر انقطاع الإنتاج بسبب نقص الطاقة.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن تركيب وصيانة محولات طاقة الرياح والطاقة الشمسية الهجينة بسيطة نسبيًا، وتتطلب الحد الأدنى من الموارد البشرية والمادية. ويمكن تخصيصها لتلبية متطلبات الطاقة المحددة للمزارع من مختلف الأحجام. من الناحية البيئية، لا تنتج المحولات الهجينة لطاقة الرياح والطاقة الشمسية الهجينة أي ملوثات، وليس لها أي تأثير سلبي على البيئة الإيكولوجية للمزرعة، وتلبي متطلبات التنمية الخضراء للمجتمع الحديث.

2. ظروف المزرعة المناسبة للتركيب

(1) الموارد الطبيعية الغنية

تُعد منطقة فنغنينغ باشانغ في تشنغده، خبي، واحدة من قواعد الطاقة النظيفة التسع الرئيسية التسع التي حددتها ”الخطة الخمسية الرابعة عشرة“ الصينية. وتتمتع المنطقة بموارد طبيعية وفيرة، مما يجعلها موقعًا مثاليًا لتركيب محولات الرياح والطاقة الشمسية الهجينة. هنا، تقف توربينات الرياح البيضاء شامخة على الأراضي العشبية الشاسعة التي يبلغ متوسط ارتفاعها 1500 متر. وباعتبارها مرعى طبيعي، فهي تزخر بموارد الرياح والطاقة الشمسية الغنية. حيث ترعى الماشية على مهل، بينما تتبع الألواح الشمسية المصفوفة بكثافة صعوداً وهبوطاً في التضاريس، مع وجود محولات تعمل بثبات تحتها. ومن المتوقع أن يولد مشروع الطاقة الشمسية في المنطقة الذي تبلغ قدرته 700,000 كيلوواط، والمزود بـ 3,112 محولاً من سلسلة كوستال بقدرة 225 كيلوواط، ما متوسطه 1.8 مليار كيلوواط/ساعة سنوياً، مما يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بحوالي 1.4 مليون طن، مما يوفر فوائد اقتصادية وبيئية على حد سواء.

وبالمثل، تعتبر مراعي شمال غرب الصين مثالية لتركيب محولات طاقة الرياح والطاقة الشمسية الهجينة. وتتمتع هذه المناطق بأراضٍ شاسعة وتهوية طبيعية جيدة، مما يوفر بيئة ممتازة لتوليد طاقة الرياح. بالإضافة إلى ذلك، فإن أشعة الشمس الوفيرة تجعل توليد الطاقة الشمسية قابلاً للتطبيق. فعلى سبيل المثال، تتلقى مزرعة في لاسا، التي يبلغ متوسط درجة الحرارة فيها 15 درجة مئوية وارتفاعها 3000 متر، إشعاعاً شمسياً يبلغ 2150 كيلو كالوري/سم مع متوسط مدة سطوع الشمس السنوية 3000 ساعة. كما أن المنطقة غنية بطاقة الرياح، حيث تتجاوز كثافة طاقة الرياح الفعالة السنوية 200 واط على ارتفاع 2 متر ومتوسط سرعة رياح قابلة للاستخدام تبلغ 4.4 م/ثانية، مما يضمن إمدادات طاقة مستمرة طويلة الأجل من خلال الجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية.

(2) القيود الجغرافية

تواجه المزارع في مناطق مثل لاسا قيودًا جغرافية تجعل إمدادات الطاقة غير ملائمة. في مثل هذه الحالات، غالبًا ما يتم النظر في أنظمة الطاقة خارج الشبكة، مما يجعلها مناسبة للعاكس الهجين لطاقة الرياح والطاقة الشمسية. ولضمان إمدادات الطاقة المستمرة في السيناريوهات التي لا تتوفر فيها طاقة الرياح والطاقة الشمسية على حد سواء، يجب تكوين البطاريات في النظام للحفاظ على إمدادات الطاقة العادية لمدة تصل إلى 5 أيام. في هذه المزارع المقيدة جغرافيًا، يمكن للعاكس الهجين بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية الاستفادة الكاملة من موارد الرياح والطاقة الشمسية المحلية لتوفير طاقة مستقرة وموثوقة للإضاءة وأنظمة المراقبة وغيرها من المعدات. وحتى في الظروف الجغرافية القاسية، فإن تركيب هذه العاكسات وصيانتها بسيط نسبيًا، ويتطلب الحد الأدنى من الموارد البشرية والمادية. يمكن تخصيص النظام لتلبية احتياجات الطاقة المحددة للمزارع من مختلف الأحجام.

3. مزايا العاكس الهجين بين الرياح والطاقة الشمسية

(1) مزود طاقة مستقر وموثوق به

وقد أظهر العاكس الهجين لطاقة الرياح والطاقة الشمسية قدرة استثنائية على التكيف في المزارع، مما يضمن التشغيل المستقر حتى في البيئات ذات الارتفاعات العالية أو بيئات الاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة. على سبيل المثال، في مراعي شمال غرب الصين، التي تتميز بارتفاعات عالية ومناخات متغيرة، لا يزال بإمكان العاكس الهجين لطاقة الرياح والطاقة الشمسية توفير مصدر طاقة مستمر ومستقر لأنظمة الإضاءة والمراقبة. في المناطق ذات الارتفاعات العالية، حيث يكون الهواء رقيقًا وقد تتأثر معدات الطاقة التقليدية، يمكن أن يعمل العاكس الهجين بين الرياح والطاقة الشمسية بشكل طبيعي بسبب تقنيته المتقدمة وأدائه الموثوق. وبالمثل، في المناطق ذات الاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة، يمكن للعاكس أن يتحمل التحديات دون أن يتعطل بسبب التغيرات في درجات الحرارة. سواء في فصل الصيف الحار أو الشتاء البارد، يضمن العاكس الهجين لطاقة الرياح والطاقة الشمسية التشغيل المستقر لأنظمة المزارع، مما يوفر دعمًا قويًا للإنتاج والإدارة.

(2) خضراء وصديقة للبيئة وموفرة للطاقة

من خلال الاستفادة الكاملة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وكلاهما مصدران متجددان وخاليان من التلوث، يتماشى العاكس الهجين لطاقة الرياح والطاقة الشمسية مع المعايير البيئية الحديثة. في المزارع، لا يقلل حل الطاقة الخضراء هذا من الاعتماد على الوقود الأحفوري التقليدي فحسب، بل يوفر أيضًا كمية كبيرة من الكهرباء. ووفقًا للإحصاءات، يمكن لمزرعة متوسطة الحجم مزودة بعاكس هجين من طاقة الرياح والطاقة الشمسية أن توفر آلاف الكيلوواط/ساعة سنويًا، مما يقلل من تكاليف الطاقة بشكل كبير. وعلاوة على ذلك، نظرًا لعدم إنتاج أي ملوثات، فإن هذه العاكسات ليس لها أي تأثير سلبي على البيئة الإيكولوجية للمزرعة، مما يساعد في الحفاظ على التوازن البيئي وتعزيز التنمية المستدامة.

(3) تخفيض التكلفة

في أنظمة الإمداد بالطاقة في المزارع، يعد التكوين المناسب للبطاريات واختيار حلول العاكس المناسبة أمرًا أساسيًا لتقليل التكاليف. بالنسبة للأنظمة الهجينة التي تعمل بطاقة الرياح والطاقة الشمسية، تلعب سعة البطارية وكميتها دورًا حاسمًا. من خلال التكوين المعقول للبطاريات، يمكن للنظام توفير طاقة مستمرة حتى عندما تكون طاقة الرياح والطاقة الشمسية غير كافية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي اختيار عاكسات فعالة وموثوقة إلى تحسين كفاءة تحويل الطاقة وتقليل فقد الطاقة وخفض التكاليف الإجمالية لإمدادات الطاقة. على سبيل المثال، يمكن للعاكسات المزودة بوظائف الإدارة الذكية ضبط توليد الطاقة تلقائيًا وفقًا للاحتياجات الفعلية للمزرعة من الكهرباء، مما يؤدي إلى تحسين توزيع الطاقة. علاوة على ذلك، فإن تكاليف تركيب وصيانة محولات طاقة الرياح والطاقة الشمسية الهجينة منخفضة نسبيًا، مما يوفر على المزرعة نفقات إضافية.

4. دور العاكس في المزارع

(1) التحكم الذكي في الشحن والتفريغ (1)

يُعد التصميم الذكي للتحكم الذكي في الشحن لنظام توليد الطاقة الهجينة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية أمرًا أساسيًا لضمان التشغيل المستمر والمستقر. وباستخدام متحكم دقيق في الأساس، يقوم النظام بجمع بيانات التيار والجهد ودرجة الحرارة وإدخالها إلى واجهة A/D الخاصة بالمتحكم الدقيق للتحكم في ظروف الشحن والتفريغ. يحدد حالة تشغيل النظام بناءً على القيم المحددة ويتحكم في عمليات الشحن والتفريغ. عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل ويتجاوز توليد الطاقة استهلاك الحمل، يقوم النظام بتشغيل تفريغ الحمل لتبديد الطاقة الزائدة، مما يمنع الشحن الزائد للبطارية ويضمن التشغيل السليم للعاكس. يسمح هذا التصميم الذكي للنظام بضبط استراتيجيات الشحن والتفريغ بناءً على الاستخدام الفعلي لطاقة المزرعة، مما يضمن بقاء البطارية في حالة عمل مثالية.

(2) مبدأ العمل

ينطوي مبدأ عمل العاكس الهجين لطاقة الرياح والطاقة الشمسية على التحكم في الشحن من كل من توربينات الرياح والمصفوفات الشمسية، بالإضافة إلى وظيفة دائرة العاكس. يتم تصحيح خرج التيار المتردد لتوربينات الرياح إلى جهد تيار مستمر نابض لشحن البطاريات. عندما يصل جهد البطارية إلى مستوى محدد، يقوم العاكس بإيقاف الشحن من التوربينات لمنع الشحن الزائد. وبالمثل، عندما يصل جهد المصفوفة الشمسية إلى عتبة الشحن الزائد، يستخدم ترانزستور ذو تأثير ميداني لفصل الشحن. تتكون دائرة التحكم بأكملها من معالج دقيق (PIC16C711) والمكونات المرتبطة به، والتي تدير شحن التوربينات والشحن الشمسي وحماية العاكس ووظائف أخرى.

5. دراسات الحالة التطبيقية والآفاق المستقبلية

(1) مثال الحالة الناجحة

في نينغشيا، تساعد تقنية HEMAI لإلكترونيات الطاقة على مستوى وحدة الطاقة في مزرعة ألبان على تحقيق ”توليد الطاقة الشمسية وتربية الماشية“. تقع مزرعة الألبان الثانية التابعة لمزرعة ألبان نينغشيا نينكانغ للألبان في مقاطعة بينغلو في مدينة شيزويشان، وهي متخصصة في تربية الأبقار الحلوب وإنتاج العلف وإنتاج الحليب الطازج. وبفضل وفرة موارد الرياح والطاقة الشمسية، تتلقى المنطقة ما يقرب من 2,988.9 ساعة من أشعة الشمس سنويًا. في هذا المشروع، استخدمت HEMAI نظام العاكس الصغير من واحد إلى أربعة عاكسات صغيرة مقترنة بسقف مخصص من الخلايا الكهروضوئية الثنائية الفلطائية الضوئية (BIPV)، مما يضمن تشغيل المحطة الكهروضوئية بأمان مع زيادة إنتاج الطاقة إلى أقصى حد وتقليل تكاليف الكهرباء. ونظراً لوجود الأمونيا والتغذية القابلة للاشتعال، فإن السلامة تمثل أولوية قصوى. يعمل نظام العاكس الصغير على تثبيت جانب التيار المستمر عند حوالي 40 فولت، مما يقضي على مخاطر الحريق والصدمات الكهربائية، مما يجعله مثاليًا للمزارع ذات الظروف الخطرة. ومنذ تطبيقه، وفّر النظام 4,124.15 طنًا من الفحم القياسي سنويًا، مما أدى إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 13,000 طن، أي ما يعادل زراعة 720,000 شجرة، مما حقق تحولاً في الطاقة بنجاح.

(2) آفاق التنمية المستقبلية

تتمتع محولات الرياح والطاقة الشمسية الهجينة بإمكانيات هائلة لتطبيقات المزارع. ومع تزايد الاهتمام العالمي بالطاقة المتجددة وسعي صناعة الثروة الحيوانية بشكل متزايد إلى إيجاد حلول التنمية المستدامة، ستلعب هذه العاكسات دورًا محوريًا في دفع عجلة التحول في مجال الطاقة داخل الصناعة. ومن خلال الاستفادة من الموارد الطبيعية الوفيرة وخفض تكاليف الطاقة، ستساعد محولات الرياح والطاقة الشمسية الهجينة على تعزيز الإنتاجية والاستدامة. بالإضافة إلى ذلك، تتماشى طبيعتها الصديقة للبيئة مع المطالب المجتمعية للتنمية الخضراء، مما يقلل من التأثير البيئي لصناعة الثروة الحيوانية. ومع استمرار التقدم التكنولوجي المستمر، سيتحسن الأداء، وستنخفض التكاليف، وسيصبح التركيب والصيانة أكثر ملاءمة. سيؤدي ذلك إلى اعتماد أوسع لمحولات طاقة الرياح والطاقة الشمسية الهجينة، مما يعزز قطاع الثروة الحيوانية الأكثر استدامة وكفاءة وصديقة للبيئة.