التحقيق في اختراق عالي للمولدات الموزعة لتحسين القيود الفنية والانبعاثية والاقتصادية لشبكة التوزيع

لماذا يهم توزيع محطات الطاقة

مع ازدياد تزويد المنازل والشركات بأجهزة كهربائية أكثر وإضافة سيارات كهربائية ومضخات حرارة، تتعرض شبكات الطاقة لدينا لضغوط أكبر من أي وقت مضى. وفي الوقت نفسه، نرغب في تقليل التلوث وإتاحة مجال أكبر للطاقة النظيفة مثل الرياح والشمس. تبحث هذه الورقة فيما يحدث عند نشر عدد كبير من المحطات الصغيرة — مثل الألواح الشمسية على الأسطح، وتوربينات الرياح، والتوربينات الغازية الصغيرة — داخل شبكات التوزيع المحلية بدلاً من الاعتماد أساساً على محطات كبيرة بعيدة. كما تقترح طريقة تخطيط ذكية جديدة لتحديد أين وبأي حجم يجب أن تكون تلك المحطات الصغيرة حتى تعمل الشبكة بتكلفة أقل، وأنظف، وأكثر موثوقية.

من المحطات الكبيرة إلى العديد من المساعدين الصغار

بُنيت شبكات الكهرباء التقليدية حول عدد قليل من المحطات الكبيرة التي ترسل الطاقة عبر خطوط طويلة إلى المستهلكين. اليوم، يزداد توصيل المولدات "الموزعة" — الألواح الشمسية على الأسطح أو في الحقول القريبة، وتوربينات الرياح على مشارف المدن، والتوربينات الدقيقة المدمجة — مباشرة إلى شبكات التوزيع المحلية. يمكن لهذه المحطات الصغيرة تقليل المسافة التي يجب أن تسافرها الكهرباء، مما يقلل الفاقد على شكل حرارة ويمكن أن يدعم مستويات الجهد محلياً عندما يكون الطلب مرتفعاً. لكن الفوائد تعتمد بشدة على عدد الوحدات المضافة، وقوتها، والخطوط والنقاط التي تُوصل بها. قد تؤدي المحطات الموزعة موضعياً بشكل سيئ إلى تفاقم مشكلات الجهد، أو تحميل الخطوط بشكل مفرط، أو عدم تحقيق التوفير المتوقع.

بحث ذكي عن أفضل المواقع

يقدم المؤلفون طريقة تخطيط تجمع بين خوارزمية تسمى "محسّن وادي الطاقة" والمنطق الضبابي. يقوم المنطق الضبابي أولاً بمسح الشبكة لتمييز أجزاء النظام التي يحدث فيها هبوط للجهد وتكون فيها الخسائر مرتفعة. ثم يضيق قائمة نقاط الاتصال المرشحة إلى المناطق الأكثر وعداً، مما يقلل مساحة البحث. على هذه الخريطة المختصرة، يستكشف محسّن وادي الطاقة العديد من تركيبات أحجام ومواقع المولدات. يقيم كل خطة مرشحة باستخدام عدة أهداف في آن واحد: تقليل خسائر الطاقة في الخطوط، والحفاظ على الجهود قريبة من قيمها المثالية، وخفض تكلفة شراء الكهرباء من الشبكة الرئيسية، وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والملوثات الأخرى. من خلال وزن هذه الأهداف، تبحث الطريقة عن حل متوازن بدلاً من تحسين عامل واحد فقط.

اختبار الفكرة على شبكة كهرباء افتراضية

لمعرفة مدى فعالية استراتيجية التخطيط هذه، يختبر الباحثون الطريقة على شبكة معيارية بها 69 نقطة اتصال، تُستخدم على نطاق واسع في دراسات هندسة الطاقة. يفحصون ثلاث حالات رئيسية. أولاً، ينظرون في حالة بسيطة تُضاف فيها ثلاث محطات موزعة ذات إنتاج ثابت بهدف وحيد هو تقليل خسائر الطاقة. ثانياً، ينظرون في هدف مختلط يشمل أيضاً التكلفة والجهود والانبعاثات، مع افتراض ثبات الطلب والتوليد. ثالثاً، يقتربون من الواقع بالسماح بتغير الطلب وإنتاج المتجددة عبر اليوم وعلى مدار أربعة مواسم، مع دمج مزارع رياح، ومحطات شمسية، وتوربينات دقيقة في الوقت نفسه. في كل حالة، تُقارن الطريقة الجديدة بعدة تقنيات تحسين أخرى شائعة في المجال.

كم يمكن أن تصبح الشبكة أنظف وأرخص؟

عبر حالات الاختبار المختلفة، يجد الدمج بين محسّن وادي الطاقة والمنطق الضبابي حلولاً تتفوق أو تساوي جميع الطرق المنافسة. مع اعتبار تقليل الخسائر الهدف الوحيد، يقلّل من خسائر الطاقة بنحو 69 بالمئة — أفضل بقليل من ثلاثة عشر نهجاً منشوراً آخر. عندما تُؤخذ كل الأهداف معاً في الحسبان، لا يزال يقلل الخسائر بنحو ثلثيها، ويحسن أقل مستويات الجهد في الشبكة بشكل حاد، ويخفض تكلفة استيراد الكهرباء بالساعة والانبعاثات بنحو 99 و98 بالمئة على التوالي، في سيناريو الطلب الثابت. في السيناريو الموسمي الأكثر واقعية، تقترح الطريقة مزيجاً من الرياح والشمس والتوربينات الدقيقة يغطي نحو ثلثي الاحتياجات المحلية. يؤدي هذا التكوين إلى خفض تكلفة شراء الكهرباء السنوية بنحو 1.36 مليون دولار، وتقليل خسائر الشبكة بنحو 85 بالمئة تقريباً، وتحسين مستويات الجهد إلى نطاق أكثر راحة، وخفض الانبعاثات الضارة بنحو 69 بالمئة.

ماذا تعني النتائج للحياة اليومية

للنشأ غير المتخصصين، الرسالة واضحة: يمكن أن يجعل وضع العديد من المولدات الصغيرة بذكاء داخل الشبكات المحلية توصيل الكهرباء أنظف، وأرخص، وأكثر موثوقية، لكن ذلك فقط إذا تم التخطيط بعناية. تُظهر الدراسة أن طرق البحث المتقدمة، بمساعدة المنطق الضبابي للتركيز على أجزاء الشبكة المتعثرة، يمكن أن توجه شركات المرافق نحو تخطيطات تقلص الهدر والتلوث بشكل كبير مع الحفاظ على الإضاءة وسلامة المعدات. مع إضافة المجتمعات لمزيد من الطاقة الشمسية على الأسطح والرياح المحلية والمصادر الموزعة الأخرى، قد تساعد أدوات مثل هذه في تحويل رقعة مشاريع صغيرة إلى نظام منسق جيداً يعود بالنفع على البيئة وحسابات الكهرباء.

الاستشهاد: alromithy, F.s., Hosseinnia, H., Rostami, R. et al. Investigating distributed generator high penetration in improving technical, emission and economic constraints of distribution network. Sci Rep 16, 11430 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37797-0

الكلمات المفتاحية: التوليد الموزع, تخطيط الطاقة المتجددة, شبكات توزيع الطاقة, تحسين الشبكة, خفض الانبعاثات