كيفية تصميم نظام تخزين بطاريات للقطاعين التجاري والصناعي: لماذا تحليل الأحمال يسبق تحديد سعة البطارية | جي كي إي إس إس

الاستهلاك السنوي هو مقياس إجمالي للطاقة (بالكيلوواط ساعة)، لكن نظام تخزين الطاقة القائم على البطاريات (BESS) يستجيب لأحداث القدرة ذات المدة القصيرة (ذروات بالكيلوواط). وقد يختلف ملف الذروة لمنشأة ما اختلافًا كبيرًا رغم تشابه استهلاكها السنوي، وذلك تبعًا لأنماط الورديات وتوالي تشغيل المعدات وأحمال أنظمة التدفئة والتبريد وتكييف الهواء. وغالبًا ما يؤدي تحديد الحجم استنادًا إلى الاستهلاك السنوي بالكيلوواط ساعة إلى تقدير مبالغ فيه للسعة المطلوبة، مما يقلل العائد الداخلي للمشروع (IRR).

يجب أن تكون البيانات على الأقل لمدة ١٢ شهرًا وبفواصل زمنية قدرها ١٥ دقيقة. فهذه الفترة تغطي التغيرات الموسمية في كلٍ من استهلاك الطاقة وذروات الطلب. أما بالنسبة إلى المنشآت التي تشهد تغييرات جوهرية في عملياتها — مثل إدخال خطوط إنتاج جديدة أو توسيع المنشأة — فيُوصى باستخدام بيانات تمتد إلى ٢٤ شهرًا. ولا تكفي فواتير شركة الكهرباء الشهرية، لأنها تُجمّع البيانات وتُخفي أحداث الذروة التي تحدث كل ١٥ دقيقة، وهي الأحداث التي صُمم نظام تخزين الطاقة القائم على البطاريات (BESS) خصيصًا للتعامل معها.

يحتاج المشروع المحدود بالطاقة إلى سعة إجمالية كبيرة بوحدة الكيلوواط ساعة لأن أحداث الذروة تدوم مدة طويلة، وعادةً ما تتجاوز ساعتين في المقارنة التوضيحية أعلاه. أما المشروع المحدود بالقدرة فيحتاج إلى إخراج عالٍ بوحدة الكيلوواط لكنه يحتاج طاقة إجمالية صغيرة نسبيًّا لأن أحداث الذروة قصيرة المدة لكنها شديدة الشدة. وتركِّز المشاريع المحدودة بالطاقة على توسيع سعة البطارية، بينما تركِّز المشاريع المحدودة بالقدرة على كفاية قدرة وحدة التحويل الكهربائي (PCS) وقدرة الجهد والتيار من جانب البطارية. ومدة الحدث تُعد مؤشرًا وليس قاعدة تصنيف مستقلة: يجب التحقق من كلٍّ من القيمة بوحدة الكيلوواط والقيمة بوحدة الكيلوواط ساعة.

يجب أن تكون قدرة وحدة التحويل الكهربائي (PCS) لا تقل عن قدرة تقليص الذروة المستهدفة (بوحدة الكيلوواط). فإذا كان الهدف هو خفض ذروة بقيمة ٨٥٠ كيلوواط بمقدار ٣٠٠ كيلوواط، فيجب أن تزوِّد وحدة التحويل الكهربائي (PCS) ما لا يقل عن ٣٠٠ كيلوواط باستمرار أثناء حدث الذروة. ويجب أن يدعم نطاق جهد نظام البطارية وأقصى تيار له تلك القدرة عبر كامل نطاق شحن البطارية التشغيلي (SOC).

نعم، إذا كانت بنية النظام تدعم التوسع الوحدوي. وتصف ملخصة تكوين نظام JKESS المقدمة البدء بـ ٤ صناديق بطاريات فرعية (ما يعادل ٦٤ كيلوواط ساعة تقريبًا) والتوسع حتى ١٦ صندوقًا (ما يعادل ٢٥٦ كيلوواط ساعة تقريبًا) في ترتيب اتصال متسلسل دون استبدال وحدة التحكم الرئيسية. وعليك اعتبار هذا المسار التوسعي ادعاءً تكوينيًّا يجب التحقق منه مقابل وثائق المنتج المعتمدة، والخلايا المختارة، ومدى جهد وحدة التحكم في الطاقة.

يزيد التضخيم الزائد من التكلفة الرأسمالية الأولية دون تحقيق فائدة إيرادية متناسبة. ففي مشاريع خفض الذروة، نادرًا ما تُفرَّغ بطارية أكبر بمرتين من الحجم المطلوب حتى عمقها الكامل، ما يعني أن تخفيض رسوم الطلب يتم بنفس الكفاءة مع ضعف الاستثمار. كما أن التضخيم الزائد يعقِّد عمليات التشغيل والصيانة، وقد يستدعي شروط سلامة إضافية ضد الحرائق أو متطلبات مساحة إضافية.

يؤدي عدم التوازن بين الخلايا إلى تقليل السعة القابلة للاستخدام في حزمة البطاريات مع مرور الوقت. وتشير المذكرة الأولية إلى احتمال حدوث انخفاض بنسبة ١٠–١٥٪ خلال خمس سنوات، لكنها لا تقدّم أي بيانات اختبار أو ظروف تشغيل تدعم هذه النسبة. أما الموازنة النشطة، مثل القدرة المحددة على الموازنة والبالغة ٢ أمبير، فهي اعتبار تصميمي للحفاظ على تجانس الخلايا. ولا يجوز استخدام النسبة غير المؤكدة كمعدل تدهور مضمون أو كهامش مُعتمد لتحديد الحجم.

يُطبَّق المثال المقدَّم عامل كفاءة دورة كاملة بنسبة ٩٠٪ (RTE) على هدف طاقة التفريغ البالغ ٢٢٥ كيلوواط ساعة، ما يُنتج تقريبًا ٢٥٠ كيلوواط ساعة. وهذه الحسابات تعيد إنتاج الشروط الموجزة فقط، ولا تُحدِّد متطلَّب السعة الاسمية الموثوقة. ولم يُشار إلى قيمة RTE المقدَّمة على أنها كفاءة تفريغ وحدها، كما لم تُقدَّم أي نافذة قابلة للاستخدام لمدى شحن البطارية (SOC) أو هامش للنهاية العمرية. ويجب التأكيد على صحة هذه الافتراضات عند معدل التيار (C-rate) المتوقَّع، ودرجة الحرارة، ومدى شحن البطارية (SOC) قبل تحديد الأبعاد.

يبدأ النموذج التجريبي الوحدوي الموصوف في هذه المقالة بصندوق تحكُّم رئيسي واحد وأربعة صناديق فرعية، وبسعة تبلغ نحو ٦٤ كيلوواط ساعة. ويمكن استخدام خيار المراقبة عبر شبكة الواي فاي أو السحابة للمقارنة بين الأداء المقاس والتحليل الخاص بالأحمال على مدى ٣–٦ أشهر. ويُثبت النموذج التجريبي فقط القدرة والطاقة اللتين يستطيع توصيلهما فعليًّا؛ ولا يمكنه إثبات بلوغ الهدف الكامل البالغ ٣٠٠ كيلوواط ما لم تدعم مكوّناته المادية هذا المستوى. ويجب التأكيد على خطة التوسُّع المعتمدة قبل المضي قدمًا في التوسُّع.

توفِّر شركة جي كي إي إس إس أجهزة أنظمة تخزين طاقة عالية الجهد (HV BESS) على شكل وحدات جاهزة؛ وتضمّ وثيقة التكوين المقدَّمة قائمةً بالوحدات الرئيسية للتحكم: صندوق التحكم الرئيسي عالي الجهد نموذج HV-BC250 (بتيار ٢٠٠ أمبير) وصندوق التحكم الرئيسي عالي الجهد نموذج HV-BC150-100A (بتيار ١٠٠ أمبير)، بالإضافة إلى مجموعات صناديق البطاريات الفرعية عالي الجهد نموذج HV-B6U، والتي تحتوي كلٌّ منها على ١٦ خلية متصلة على التوالي (16S)، مع توازن نشط بتيار ٢ أمبير. وتشير الوثيقة إلى إمكانية استخدام ما بين ٤ و١٦ صندوقًا فرعيًّا، وتوفر واجهات اتصال من نوع CAN/RS485، واتصال تسلسلي (daisy-chain) للبيانات، وخاصية رصد عن بُعد عبر شبكة الواي فاي (WiFi). أما المواصفات النهائية للنموذج وتكامل النظام مع وحدة تحويل الطاقة (PCS) فستُحدَّد بعد التأكُّد من متطلبات المشروع. ولا تبيع شركة جي كي إي إس إس الخلايا الكهربائية مباشرةً؛ بل يشتري المشترون خلايا ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) بشكل منفصل، مما يسمح بتخصيص النظام وفق مواصفات الخلايا المختارة ومتطلبات الحمل. يُرجى مشاركة ملف الحمل (load profile) مع فريق هندسة شركة جي كي إي إس إس لمراجعة التكوين المقترح.