كيف يعمل الشاحن ثنائي الاتجاه في الأنظمة الشمسية؟

هل سبق أن تساءلت كيف تتحول أشعة الشمس إلى طاقة داخل المنازل؟ هل تعلم أنه في المستقبل يمكن للمركبات الكهربائية أن توفر الطاقة للمنازل أثناء انقطاع التيار الكهربائي؟ يمكن العثور على الإجابة في معجزة تكنولوجية تُعرف باسم الشاحن الثنائي الاتجاه.

تُستخدم هذه الأنواع من الأجهزة كأجهزة كهروضوئية، حيث تستقبل الطاقة من الأجهزة بالإضافة إلى توفيرها لها، على عكس محولات الطاقة التقليدية. من خلال هذه التكنولوجيا، يمكن إدارة الطاقة الشمسية بكفاءة. دعونا نفهم كيف تعمل الشواحن الشمسية الثنائية الاتجاه، ولماذا هي مهمة في عالمنا اليوم.

فهم وظائف الشواحن الشمسية الثنائية الاتجاه

يمكن تعريف الشاحن ثنائي الاتجاه، في أبسط صوره، على أنه شاحن شمسي متقدم يمكنه تبسيط تدفق الطاقة وتحويلها إلى طاقة تيار مستمر (DC) في الاتجاهين. وللفهم الأفضل، تخيل نظام طاقة يحتوي على مدخلات ومخرجات متعددة للطاقة، حيث يمكن تخزين فائض الطاقة الشمسية في البطاريات. وعندما تنخفض إنتاجية الطاقة الشمسية، فإن هذا النوع من الشواحن الكهروضوئية يستطيع بسهولة تزويد المنازل بالطاقة المخزنة في البطاريات، مما يوفر وظائف الطاقة الطبيعية.

تُميّز هذه القدرة الثنائية الشحن ثنائي الاتجاه عن الشواحن التقليدية، التي تنقل الطاقة في اتجاه واحد فقط. غالبًا ما تُهدر الأنظمة الشمسية التقليدية الطاقة الزائدة عندما تكون البطاريات مشحونة بالكامل، ومع ذلك، في حالة التدفق ثنائي الاتجاه، يمكن الاستفادة الكاملة من الطاقة الشمسية، سواء عن طريق تخزينها للاستخدام لاحقًا أو استهلاكها فورًا. الفكرة الأساسية هي إدارة تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، ثم توزيع هذه الطاقة وفقًا لمعايير محددة مسبقًا أو في الوقت الفعلي.

في الأنظمة الشمسية، تعمل الشواحن كواجهة بين الألواح الشمسية والبطاريات وشبكة الكهرباء المنزلية. يتم وضعها بشكل استراتيجي لتحليل تدفق الطاقة الداخل والخارج والطاقة المخزنة، من أجل اتخاذ قرارات مثلى بشأن توزيع الطاقة. يزيد هذا التدفق الحاسم للطاقة من أداء وكفاءة أنظمة شبكة الطاقة الشمسية، مع تقليل اعتمادها على المصادر الأولية للطاقة.

دور الشواحن ثنائية الاتجاه في أنظمة الطاقة الشمسية

تؤدي الشواحن الثنائية الاتجاه وظائف متعددة مهمة في أنظمة الطاقة الشمسية. وتتمثل مسؤوليتها الأساسية في التأكد من عدم إهدار أي طاقة شمسية، وتوفير طاقة احتياطية موثوقة عندما لا يكون الشمس مشرقة.

يجب أن تذهب الطاقة الشمسية الزائدة في الأنظمة المنزلية للطاقة الشمسية والتي لا تُستخدم لتشغيل الأجهزة الكهربائية إلى مكان ما. وفي حالة عدم وجود نظام ثنائي الاتجاه، يتم إما إرسال الطاقة الشمسية الزائدة إلى الشبكة (بافتراض عدم وجود لوائح تمنع ذلك) أو إهدارها ببساطة. ومع ذلك، يمكن للشاحن ثنائي الاتجاه توزيع هذه الطاقة الزائدة بشكل ذكي لشحن البطاريات للاستخدام المستقبلي. وهذا يعني أنه يمكن استخدام الطاقة الشمسية المجمعة خلال النهار لتزويد المنزل بالطاقة ليلاً، مما يحسن الاكتفاء الذاتي للطاقة.

وظيفة أخرى مهمة هي نقل الحمل خلال الفترات الذروة. تسمح أجهزة الشحن ثنائية الاتجاه للمالكين باستخدام طاقة الطاقة الشمسية المخزنة خلال فترات الطلب المرتفع، عندما تكون تكلفة الكهرباء في أعلى مستوياتها. وهذا لا يوفر المال فحسب، بل ويقلل أيضًا من العبء على شبكة الكهرباء بأكملها. ويتمتع النظام بالقدرة على مراقبة الأوقات التي ينبغي فيها سحب الطاقة من البطاريات بدلًا من الشبكة، مما يزيد من الكفاءة إلى أقصى حد ويخفض التكلفة إلى الحد الأدنى.

والأهم من ذلك، أن أجهزة الشحن ثنائية الاتجاه توفر طاقة احتياطية أثناء انقطاع التيار. مع استخدام بنوك الطاقة والتخزين بالبطاريات، يمكن للنظام الشمسي عند حدوث عطل في الشبكة أن يؤدي وظائف أساسية في المنزل. وهذا يخلق مرونة وأمنًا في مجال الطاقة لا يمكن لأي نظام شمسي تقليدي أو أنظمة الشبكة الكهربائية تحقيقه. حيث يقوم الشاحن تلقائيًا بالانفصال عن الشبكة ويُنشئ شبكة صغيرة (مايكروجرد) باستخدام الطاقة الشمسية والتخزين بالبطارية لتغذية منزلك بالطاقة.

كيف تعمل أجهزة الشحن ثنائية الاتجاه سحرها

يتضمن التشغيل التقني للشواحن ثنائية الاتجاه عددًا من العمليات والتكنولوجيات المتطورة التي تتيح إدارة الطاقة في كلا الاتجاهين. وفهم هذه العمليات أمر بالغ الأهمية لفهم تأثير هذه التكنولوجيا على أنظمة الطاقة الشمسية.

العملية الأساسية الأولى هي تحويل التيار المتناوب (AC) إلى تيار مستمر (DC) والعكس بالعكس. في حين أن معظم المنازل تعمل بالتيار المتناوب (AC)، فإن الألواح الشمسية تُنتج كهرباء بالتيار المستمر (DC). يمكن للنظام ثنائي الاتجاه تحويل أشكال مختلفة من الطاقة بشكل ثنائي الاتجاه وبأقصى قدر ممكن من الكفاءة. الجزء التالي هو دمج آليات التحكم. فمشغلات الشحن الثنائية الاتجاه ليست وحدات مستقلة معزولة، بل هي جزء من أنظمة إدارة طاقة أكثر تعقيدًا تراقب ديناميكيًا عشرات المتغيرات. يمكن لنظام واحد تتبع إنتاج الطاقة الشمسية، واستهلاك الكهرباء في المنزل، وحالة شحن البطارية، وعوامل خارجية مثل أسعار الكهرباء القائمة على الوقت. ويستخدم النظام هذه البيانات لإتمام حسابات معقدة تتعلق بتخزين الطاقة واسترجاعها.

الجزء التالي هو الإلكترونيات الكهربائية والتبديل. تعد وحدات كربيد السيليكون (SiC) المتطورة المكونات التي تتيح تحويل الطاقة عالي الكفاءة، والذي تتطلبه الشحن ثنائي الاتجاه. يمكن لهذه المكونات والأنظمة تغيير اتجاه تدفق الطاقة في غضون جزء من الثانية لتناسب ظروف الطاقة المختلفة، مع التحوّل بسلاسة وديناميكية. ولا يحدث أي من هذا التبديل مع فقدان للطاقة إلى المنزل.

الجزء الأخير يركز على تنظيم الجهد وتحسينه. يقوم الشاحن بإدارة نشطة للربط الفعال بين جميع مكونات النظام المختلفة بمستويات جهد مثلى. يستخدم الشاحن تقنية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) لتعزيز الطاقة الشمسية المستمدة من الألواح الشمسية، ويستخدم الشحن متعدد المراحل لتحسين عمر دورة البطارية. يطيل هذا التحكم المنظم من عمر البطاريات والشاحن الذاتي.

نهج متفائل تجاه المسألة

بالإضافة إلى تخزين الطاقة المنزلية، يمكن تطبيق الشواحن ثنائية الاتجاه في الأنظمة الشمسية في بيئات مختلفة.

تُعد قيمة دمج المركبات الكهربائية واحدة من أكثر التطورات الحديثة إثارة للاهتمام. في المنازل العاملة بالطاقة الشمسية، يمكن للمركبات الكهربائية ذات الشحن ثنائي الاتجاه أن تشحن خلال النهار، ثم تفرغ الطاقة إلى المنزل في المساء باستخدام الطاقة الشمسية. إن تقنية المركبة إلى الشبكة (V2G) هذه تُحدث تحولاً في نموذج النقل وتخزين الطاقة. حيث يمكن للمركبات الكهربائية الآن أن تعمل كبطاريات تساعد المنزل والشبكة الكهربائية في فترات الطلب المرتفع على الطاقة، بدلاً من استهلاك الطاقة بشكل سلبي.

تمثل أنظمة الطاقة المستقلة والاحتياطية حالة استخدام أخرى مثيرة للاهتمام. توفر أجهزة الشحن ثنائية الاتجاه المرتبطة بأنظمة الطاقة الشمسية للقوارب أو المركبات الترفيهية أو الأكواخ النائية التي لا تتصل بالشبكة الكهربائية قيمة فريدة. يمكن لهذه الأنظمة دمج الألواح الشمسية والمولدات وحتى توربينات الرياح مع البطاريات بطريقة ذكية. ويقوم جهاز الشحن ثنائي الاتجاه باستيعاب الطاقة الزائدة ووضع نظم لاستخدام هذه الطاقة في تلبية الاحتياجات الأكثر أهمية.

تُصبح الشواحن ثنائية الاتجاه أدوات لتكوينات أكثر تقدماً لأنظمة تخزين الطاقة. على سبيل المثال، يجب أن تكون قادرة على التحكم في تدفق الطاقة لأنظمة بطاريات مختلفة، مثل ربط بطاريات الرصاص الحمضية المستخدمة في التشغيل و البطاريات المساعدة الليثيومية على متن الطائرة (مثلاً، في مركبة ترفيهية أو قارب). لكل نوع من أنواع البطاريات ملف أداء مختلف ومجموعة فريدة من خصائص الشحن، ويمكن للشاحن ثنائي الاتجاه تحسين العملية في كل حالة، مع ضمان إمكانية تدفق الطاقة إليها ومنها حسب الحاجة.

تتيح التكنولوجيا أيضًا بذل جهود أوسع لاستقرار الشبكة. توضح مشاريع منظمات مثل CSIRO كيف يمكن لمشاحن التيار ثنائي الاتجاه أن تساعد في معالجة التقطعات في الطاقة الشمسية. وهذا بدوره يساعد مشغلي الشبكة في إدارة نظام يحتوي على حصة كبيرة من مصادر الطاقة المتجددة. وعند ربط عدة أنظمة شحن ثنائية الاتجاه بالشبكة، فإنها تعمل بشكل متزامن لتُشكّل نظام تخزين موزعًا يمتص الفائض من الطاقة المتجددة خلال فترات الذروة، وينفّذ التفريغ خلال فترات الطلب المرتفع.

تقلل المشاحن الثنائية الاتجاه كمية الطاقة الشمسية المهدرة، ومن ناحية البنية التحتية للطاقة، فإن امتلاك القدرة على شحن وتفريغ الطاقة من نقاط متعددة يمكن أن يحسّن القدرة على الصمود أمام الاضطرابات. وهي عملية قابلة للتطبيق بدءًا من مستوى المنازل الفردية وحتى الشبكة بأكملها. ومع استمرار تطور هذه التكنولوجيا، ستظهر طرقٌ متزايدة للإفادة من الأنظمة الكهروضوئية كانت خفية حتى الآن.