التحسين الموجَّه نحو المرونة لشبكات الطاقة الصغيرة في المستشفيات مع دعم الأحمال الحرجة باستخدام تخزين الطاقة والطاقة الشمسية في ظل انقطاع الشبكة

لماذا تهم مرونة إمداد الطاقة في المستشفيات

المستشفيات من بين الأماكن القليلة التي لا يمكن أن تتعطل فيها الكهرباء. تعتمد غرف العمليات ووحدات العناية المركزة وأجهزة دعم الحياة على الكهرباء في كل لحظة. ومع ذلك، أصبحت العواصف وموجات الحر والتعرض لهجمات إلكترونية وخطوط الكهرباء القديمة تجعل انقطاعات التيار الطويلة أكثر احتمالاً. يستكشف هذا البحث كيف يمكن للمستشفيات أن تستخدم الألواح الشمسية المحلية والبطاريات المتقدمة، مرتبة في «شبكة مصغرة» ذكية، للحفاظ على تشغيل أهم خدماتها بأمان حتى عند فشل الشبكة الرئيسية.

المستشفيات كجزر طاقة صغيرة

يبدأ الباحثون بمعاملة المستشفى والمباني المحيطة به كنظام طاقة مصغر، أو شبكة مصغرة، يمكن أن يعمل متصلاً بالشبكة الأوسع أو منفصلاً خلال الانقطاع. في هذا الإعداد، تأتي الكهرباء من الألواح الشمسية على الأسطح ومن وحدات بطارية متعددة موزعة في نقاط مختلفة من الشبكة، بدلاً من مولد احتياطي واحد. الفكرة الأساسية هي أنه أثناء انقطاع التيار، لا يحتاج المستشفى إلى تغذية كل شيء بنفس القدر. يجب حماية أجهزة دعم الحياة وغرف الطوارئ أولاً، بينما يمكن تقليل أو إيقاف بعض المناطق الأخرى مثل المكاتب أو بعض الإضاءة مؤقتاً.

ترتيب ما يجب أن يبقى متصلاً

لعكس أولويات المستشفيات الحقيقية، يقسم الدراسة الطلب الكهربائي إلى ثلاث مجموعات رئيسية. المجموعة الأولى تشمل وحدات العناية المركزة وغرف العمليات والمعدات الطارئة التي يجب أن تبقى ممونة بالكهرباء في معظم الأوقات. المجموعة الثانية تغطي الخدمات السريرية والتشخيصية، مثل غرف التصوير والمختبرات، وهي مهمة لكنها تتحمل انقطاعات قصيرة أو تخفيضات جزئية. المجموعة الثالثة تتعلق بالخدمات المساندة—التدفئة والتبريد والإضاءة والإدارة—التي يمكن تقليصها بشكل أكبر عندما تكون الطاقة نادرة. تُعطى كل مجموعة «قيمة فقدان الحمولة» بسيطة، وهي طريقة للتعبير عن تكلفة انقطاع التيار عن تلك المجموعة من الناحية العملية والاقتصادية. يوجّه هذا الترتيب نظام التحكم لتغذية الطاقة المخزنة الثمينة إلى المناطق الأكثر حيوية أولاً.

اختبار الشبكة المصغرة عبر سيناريوهات انقطاع متعددة

بدلاً من افتراض انقطاع واحد محدد بعناية، يولد الباحثون العديد من سيناريوهات «ماذا لو» العشوائية باستخدام محاكاة مونت كارلو. في كل سيناريو تختلف توقيت وطول فشل الشبكة، والضوء الشمسي المتاح للألواح، وطلب المستشفى. في كل حالة، يقرر نموذج رياضي، ساعةً بساعة، مقدار الشحن أو التفريغ لكل بطارية، وكمية الطاقة الشمسية التي سيتم استخدامها أو تقييدها، وأي الأحمال سيتم تغذيتها بالكامل أو تقليلها جزئياً. يهدف النموذج إلى الحفاظ على تشغيل الخدمات الحرجة مع تقليل إجمالي كمية الطاقة التي يحرم منها المرضى والعاملون. لقياس الأداء، يتتبع البحث مدى تكرار فشل النظام في تلبية الطلب، وكمية الطاقة غير الموردة، ومؤشر «المرونة» المجمع الذي يقيس مدى الحفاظ على الأحمال المهمة مع مرور الوقت.

ما يمكن أن تحققه البطاريات الشمسية والأذكى

يُختبر الإطار على ثلاث توزيعات شبكة معيارية تمثل شبكات مستشفى صغيرة ومتوسطة وكبيرة. في كل حالة يقارن الباحثون طرقاً مختلفة لوضع وتنسيق البطاريات. يكتشفون أن توزيع التخزين عبر عدة مواقع وإدارتها بشكل مشترك يحدث فرقاً كبيراً. بالمقارنة مع الإعدادات الأبسط، يقلل هذا الأسلوب المنسق من الطاقة غير الموردة أثناء الانقطاعات بنحو 55 إلى 63 بالمئة. وفي الوقت نفسه يحافظ على توفر الطاقة للمناطق الحرجة مثل وحدات العناية المركزة وغرف العمليات عند نسبة تقارب أو تفوق 95 بالمئة في معظم الانقطاعات المحاكاة. يبقى مؤشر المرونة مستقراً نسبياً حتى مع تقلب إنتاج الشمس وتوقيت الانقطاع، ما يشير إلى أن النهج قوي أمام عدم اليقين الحقيقي. تظهر اختبارات الحساسية أن ثلاثة عوامل تهيمن على النتائج: مقدار سعة البطارية المركبة، كمية الطاقة الشمسية المتاحة، وطول مدة الانقطاع.

من النماذج المعقدة إلى إرشادات عملية

على الرغم من أن الرياضيات الأساسية معقدة، فإن الرسالة للمخططين واضحة وبسيطة. بالنسبة للمستشفيات، لا تقتصر المرونة على امتلاك مولد كبير—بل تعتمد على أين وكيف يُنشر التخزين، وكيفية تنسيق الطاقة الشمسية والبطاريات، وأي الأحمال تُحَمَى أولاً. من خلال ترتيب الخدمات الطبية صراحة، ومحاكاة العديد من أنماط الانقطاع المحتملة، وتحسين استخدام البطاريات عبر شبكة المستشفى، يقدم هذا الإطار أداة عملية لتصميم شبكات مصغرة تُبقي المرضى في أمان عندما تتعطل الشبكة الرئيسية. بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أن أنظمة الطاقة الشمسية والبطاريات المصممة بعناية يمكن أن تحول المستشفيات إلى جزر طاقة تعبر انقطاعات التيار مع الحفاظ على تشغيل أهم الأضواء—والآلات المنقذة للحياة.

الاستشهاد: Nazartalab, P., Alavi-Rad, H. Resilience-oriented optimization of hospital microgrids with critical load support using ESS and PV under grid outage conditions. Sci Rep 16, 5475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-34992-x

الكلمات المفتاحية: شبكات الطاقة الصغيرة في المستشفيات, تخزين الطاقة, الطاقة الشمسية, انقطاعات الشبكة, مرونة الأحمال الحرجة