انرژی پایه و اساس مهمی برای تولید و زندگی انسان است و با افزایش تقاضای جهانی انرژی و تشدید تغییرات اقلیمی، جستجوی جایگزینهای انرژی سبزتر و پایدارتر به یک مسئله مبرم در جامعه امروزی تبدیل شده است. در این زمینه، ادغام سیستم ذخیرهسازی انرژی فتوولتائیک با سیستم انرژی صفر کربن به عنوان نوع جدیدی از گزینههای تأمین انرژی، توجه و بررسی زیادی را به خود جلب کرده است. به ویژه در پارکهای صنعتی، که مقدار زیادی انرژی مصرف میشود، استفاده از سیستم ذخیرهسازی انرژی فتوولتائیک یکپارچه نه تنها میتواند نرخ خودکفایی انرژی را افزایش دهد، بلکه انتشار کربن را نیز کاهش میدهد که از پتانسیل و اهمیت عملی بالایی برخوردار است. بنابراین، این مقاله سیستم انرژی صفر کربن با سیستم ذخیرهسازی انرژی فتوولتائیک یکپارچه در پارکهای صنعتی را به عنوان هدف تحقیق در نظر گرفته و کاربرد و توسعه آن را مورد بحث قرار میدهد. هدف، ارائه مرجع و مرجع مفید برای ترویج تحقق انرژی صفر کربن و بهینهسازی مدیریت انرژی در پارکهای صنعتی است.
اول، اصول و وضعیت توسعه فناوری فتوولتائیک و ذخیره انرژی
۱. اصل و توسعه فناوری فتوولتائیک
فناوری فتوولتائیک فناوریای است که با استفاده از اثر فوتوالکتریک، نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل میکند. در یک سلول فتوولتائیک که از دو لایه نیمههادی با مواد مختلف تشکیل شده است، هنگامی که نور به سطح مشترک بین دو لایه برخورد میکند، فوتونها میتوانند الکترونها را از سطوح انرژی پایین به بالا تحریک کنند و در نتیجه اختلاف پتانسیل ایجاد شود و جریان الکتریکی تشکیل شود.
۲. اصول و وضعیت توسعه فناوری ذخیره انرژی
فناوری ذخیرهسازی انرژی به فناوری تبدیل انرژی به شکل ذخیرهسازی و در صورت لزوم تبدیل مجدد آن به انرژی اشاره دارد. اصل اصلی آن تبدیل انرژی الکتریکی، مکانیکی، شیمیایی و حرارتی به منابع ذخیرهسازی مانند باتریها، ابرخازنها، هوای فشرده، هیدرولیک و ذخیرهسازی حرارتی است. در حال حاضر، فناوری ذخیرهسازی انرژی به یک فناوری پشتیبان مهم برای انرژیهای تجدیدپذیر تبدیل شده است که عمدتاً در ایجاد تعادل در عرضه و تقاضای انرژی، بهبود کیفیت عرضه انرژی، بهبود مصرف کارآمد انرژی و مقابله با تقاضای اوج انرژی مورد استفاده قرار میگیرد. با توسعه فناوری و توسعه سناریوهای کاربردی، چشمانداز کاربرد فناوری ذخیرهسازی انرژی گستردهتر و گستردهتر میشود.
دوم، ضرورت و اهمیت ساخت سیستم انرژی بدون کربن در شهرکهای صنعتی
شهرک صنعتی یک سازمان اقتصادی منطقهای است که صنعت در آن به عنوان توسعه پیشرو، متمرکز، فشرده و هماهنگ عمل میکند. از آنجا که این شهرک صنعتی دارای ویژگیهای مصرف انرژی بالا و متمرکز در مقیاس بزرگ است، تقاضای انرژی آن بسیار زیاد است. روشهای سنتی تأمین انرژی، مانند تولید برق با سوخت زغال سنگ و تولید برق با سوخت نفت، نمیتوانند تقاضای فزاینده انرژی را برآورده کنند و تأثیر منفی زیادی بر محیط زیست خواهند داشت و مشکل تغییرات اقلیمی جهانی را تشدید میکنند. به منظور دستیابی به توسعه پایدار شهرکهای صنعتی، حفاظت از محیط زیست و کاهش مصرف انرژی، ساخت سیستم انرژی بدون کربن به یک انتخاب ضروری تبدیل شده است. سیستمهای انرژی بدون کربن نه تنها میتوانند نیازهای انرژی شهرکهای صنعتی را برآورده کنند، بلکه میتوانند انرژیهای تجدیدپذیر، ذخیرهسازی انرژی، مدیریت انرژی و سایر فناوریها را برای دستیابی به مصرف کارآمد انرژی و بهرهبرداری اقتصادی ادغام کنند، همچنین میتوانند انتشار گازهای گلخانهای و آلودگی محیط زیست را کاهش داده و به توسعه پایدار دست یابند.
سوم، برنامهریزی سیستم انرژی بدون کربن برای ذخیرهسازی یکپارچه انرژی فتوولتائیک در شهرک صنعتی
۱. برنامهریزی سیستمهای تولید برق فتوولتائیک
برای نصب سیستم فتوولتائیک، نصب زمینی عموماً برای شهرک صنعتی با زمین بیشتر مناسب است و نصب سقفی میتواند به طور مؤثر از فضای سقف کارخانه شهرک صنعتی استفاده کند و در منابع زمین صرفهجویی کند. علاوه بر این، میتوان از فتوولتائیکهای یکپارچه با ساختمان خورشیدی برای ادغام سلولهای خورشیدی در دیوارهای خارجی ساختمان یا سازه سقف استفاده کرد و امکان ادغام توان فتوولتائیک و ساختمان را برای بهبود بهرهوری فضا فراهم کرد. با توجه به انتخاب سیستم ذخیره انرژی، سیستم ذخیره انرژی فتوولتائیک یکپارچه در شهرک صنعتی میتواند از انواع مختلف تجهیزات ذخیره انرژی مانند بسته باتری و ابرخازن استفاده کند. بسته باتری دارای چگالی انرژی بالا و ظرفیت ذخیرهسازی طولانی مدت است، در حالی که ابرخازن دارای ویژگیهای شارژ سریع، عمر طولانی و نگهداری ساده است. در طراحی سیستم ذخیره انرژی، لازم است تقاضای توان خروجی و بار سیستم تولید برق فتوولتائیک در نظر گرفته شود و تجهیزات ذخیرهسازی انرژی و ظرفیت ذخیرهسازی انرژی مناسب انتخاب شود تا به حالت عملیاتی بهینه سیستم ذخیره انرژی فتوولتائیک یکپارچه دست یابیم. برای انتخاب سیستم نظارت و مدیریت، لازم است تجهیزات نظارتی با قابلیت اطمینان بالا و دقت بالا مانند پهپاد، اینترنت اشیا، کلان داده و غیره انتخاب شوند. در عین حال، لازم است یک طرح مدیریت عملیات معقول، شامل نگهداری تجهیزات، عیبیابی، برنامهریزی عملیات و غیره، طراحی شود تا عملکرد کارآمد سیستم تضمین شود.
۲. برنامهریزی سیستم ذخیرهسازی انرژی
سیستم ذخیرهسازی انرژی به گونهای برنامهریزی شده است که تضمین کند سیستم میتواند در صورت نیاز انرژی را ذخیره و آزاد کند و نوسانات تولید برق فتوولتائیک را برای رفع نیازهای پارکهای صنعتی متعادل سازد. برنامهریزی سیستم ذخیرهسازی انرژی باید عوامل زیادی از جمله نوع سیستم ذخیرهسازی انرژی، ظرفیت ذخیرهسازی انرژی، راندمان ذخیرهسازی انرژی و زمان ذخیرهسازی انرژی را در نظر بگیرد. انواع سیستمهای ذخیرهسازی انرژی را میتوان با توجه به بار برق و ویژگیهای پارک، مانند ذخیرهسازی باتری، ذخیرهسازی فراخازن، ذخیرهسازی هوای فشرده، ذخیرهسازی هیدرولیک و غیره انتخاب کرد. انواع مختلف سیستمهای ذخیرهسازی انرژی دارای ویژگیهای مختلف و سناریوهای قابل اجرا هستند که باید بر اساس تقاضای واقعی انتخاب شوند. ظرفیت ذخیرهسازی باید برای تأمین حداکثر بار پارک کافی باشد تا اطمینان حاصل شود که سیستم ذخیرهسازی میتواند در صورت کمبود برق فتوولتائیک، برق کافی را تأمین کند. راندمان ذخیرهسازی انرژی، میزان از دست دادن ذخیره و آزادسازی انرژی را تعیین میکند، بنابراین لازم است تجهیزات ذخیرهسازی انرژی و سیستم کنترل کارآمدی برای بهبود راندمان سیستم ذخیرهسازی انرژی انتخاب شود. زمان ذخیرهسازی انرژی باید با توجه به ویژگیهای بار برق و تولید برق فتوولتائیک تعیین شود تا اطمینان حاصل شود که سیستم ذخیرهسازی انرژی میتواند تقاضای برق پارک را برآورده کند. علاوه بر عوامل فوق، برنامهریزی سیستم ذخیرهسازی انرژی باید قابلیت اطمینان، ایمنی، هزینه و نگهداری سیستم را نیز در نظر بگیرد. تجهیزات و سیستم کنترل سیستم ذخیرهسازی انرژی با قابلیت اطمینان بالا، ایمنی خوب، هزینه کم و نگهداری آسان باید انتخاب شوند تا عملکرد پایدار بلندمدت سیستم تضمین شود. به طور خلاصه، برنامهریزی سیستم ذخیرهسازی انرژی یک فرآیند پیچیده است که باید بر اساس بار برق و تقاضای انرژی پارک باشد تا همزمان نوع، ظرفیت، کارایی، زمان، قابلیت اطمینان، ایمنی، هزینه و نگهداری سیستم ذخیرهسازی انرژی در نظر گرفته شود تا عملکرد پایدار بلندمدت سیستم تضمین شود و خدمات انرژی بدون کربن کارآمد و قابل اعتمادی برای پارکهای صنعتی ارائه شود.
۳. برنامهریزی برای یک سیستم مدیریت انرژی
سیستم مدیریت انرژی هوشمند بخش جداییناپذیری از سیستم انرژی بدون کربن یکپارچهسازی ذخیرهسازی انرژی فتوولتائیک است. این سیستم میتواند با نظارت و تجزیه و تحلیل بلادرنگ سیستم تولید برق فتوولتائیک و ذخیره انرژی، کنترل بهینه سیستم را محقق کند و راندمان عملیاتی و بهرهوری مصرف انرژی سیستم را بهبود بخشد. کارکردهای اصلی سیستم مدیریت انرژی شامل جمعآوری دادهها، تجزیه و تحلیل دادهها، تنظیم کنترل، تشخیص خطا و مدیریت نگهداری است. در جنبه جمعآوری دادهها، سیستم مدیریت انرژی میتواند نظارت و جمعآوری دادههای بلادرنگ سیستم تولید برق فتوولتائیک و سیستم ذخیره انرژی را محقق کند و دادههایی از وضعیت عملکرد سیستم، خروجی انرژی، مصرف انرژی و غیره را به دست آورد. در جنبه تجزیه و تحلیل دادهها، سیستم مدیریت انرژی میتواند دادهها را پردازش و تجزیه و تحلیل کند، مشکلات موجود در سیستم را کشف و فضا را بهینه کند و مبنای تصمیمگیری برای عملکرد و مدیریت سیستم را فراهم کند. در جنبه کنترل و تنظیم، سیستم مدیریت انرژی میتواند عملیات هماهنگ بین تولید برق فتوولتائیک و سیستم ذخیره انرژی را محقق کند و تولید، ذخیرهسازی، توزیع و استفاده از انرژی را مدیریت و ارسال کند. در جنبه تشخیص خطا و مدیریت نگهداری، سیستم مدیریت انرژی میتواند تشخیص خطا و مدیریت نگهداری را محقق کند و قابلیت اطمینان و امنیت سیستم را بهبود بخشد. علاوه بر عملکردهای اساسی ذکر شده در بالا، سیستم مدیریت انرژی همچنین میتواند نظارت و بهرهبرداری از راه دور را محقق کند و نظارت و مدیریت از راه دور سیستمهای ذخیره انرژی فتوولتائیک را در سراسر جهان از طریق محاسبات ابری و فناوری اینترنت اشیا محقق سازد. در عین حال، سیستم مدیریت انرژی همچنین میتواند عملکرد سیستم و بهرهوری انرژی را از طریق هوش مصنوعی، تجزیه و تحلیل کلان داده و سایر فناوریهای پیشرفته بهبود بخشد.
در این مقاله، کاربرد سیستم یکپارچه انرژی بدون کربن برای ذخیرهسازی انرژی فتوولتائیک در شهرک صنعتی مورد مطالعه قرار گرفته و فناوریهای کلیدی و روشهای پیادهسازی تولید برق فتوولتائیک، سیستم ذخیرهسازی انرژی و سیستم مدیریت انرژی به صورت سیستماتیک مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و روشهای تحقق فنی، طراحی سیستم و بهینهسازی به تفصیل مورد بحث قرار گرفتهاند. ما معتقدیم که ایدههای برنامهریزی و طراحی ارائه شده در این مقاله میتواند ایدهها و روشهای جدیدی را برای توسعه انرژی پاک در سناریوهای کاربردی مشابه ارائه دهد. در آینده، ما تحقیقات در مورد ادغام ذخیرهسازی انرژی فتوولتائیک با سیستمهای انرژی بدون کربن را بیشتر بهبود خواهیم بخشید، ادغام با پروژههای عملی را تقویت خواهیم کرد و کاربرد و ترویج انرژی پاک را ترویج خواهیم داد تا سهم بیشتری در توسعه پایدار انرژی جهانی داشته باشیم.
