إطار مُحسَّن لإدارة الطاقة قائم على أسراب الغوريلات الاصطناعية لتشغيل أمثل لشبكات مُتصلة بالشبكة متعددة النانوغريد

طاقة أذكى للأماكن اليومية

إن الحفاظ على الإضاءة في المنازل والمدارس والمؤسسات الصغيرة أصبح أكثر تعقيدًا مع ازدياد عدد الألواح الشمسية على الأسطح وتوربينات الرياح الصغيرة والبطاريات المرتبطة بالشبكة. تستعرض هذه الدراسة كيفية إدارة مجموعات من أنظمة الطاقة المحلية الصغيرة هذه، المسماة نانوغريد، بطريقة تحافظ على موثوقية الكهرباء مع خفض فواتير الطاقة اليومية. من خلال استلهام سلوك أسراب الغوريلات، صمم الباحثون "مخًا" رقميًا جديدًا يقرر متى يستخدم الطاقة الشمسية أو الرياح أو البطاريات أو مولدات الديزل أو الشبكة الرئيسية بحيث تحصل المباني على طاقة منخفضة التكلفة ومنخفضة الكربون على مدار الساعة.

شبكات طاقة صغيرة تتعاون

النانوغريد تشبه شبكة طاقة مصغرة لمبنى واحد أو موقع صغير، عادة لا تتجاوز 100 كيلوواط. يمكن أن تتضمن ألواحًا شمسية على الأسطح وتوربينات رياح صغيرة وبطاريات ومولد ديزل احتياطي، جميعها مرتبطة على سكة تيار مستمر (DC). يمكن ربط عدة نانوغريد في عنقود متعدد النانوغريد، لتبادل الفائض من الطاقة فيما بينها ومع شبكة المرافق الأكبر. في النظام الذي در55هنا، ترتبط أربع نانوغريد — بعضها يعتمد على الطاقة الشمسية والبعض الآخر على الرياح — عبر خطوط DC فيما بينها ومن خلال خط AC إلى الشبكة الرئيسية. لكل منها أجهزتها المحلية الخاصة لكنها منسقة بواسطة نظام إدارة طاقة مركزي يوازن الإمداد والطلب باستمرار.

التخطيط المسبق والتعديل في الوقت الفعلي

جوهر العمل هو نظام إدارة طاقة مُحسَّن يعمل على مقياسين زمنيَّين. أولاً، مخطط اليوم المُسبق يستخدم توقعات التعرض للشمس والرياح وأسعار الكهرباء وطلب المباني لوضع جدول أمثل لمدة 24 ساعة. يقرر متى يُنقل تشغيل الأجهزة المرنة مثل سخانات المياه أو الغسالات إلى ساعات أرخص، ومتى تُشحن أو تُفرغ البطاريات، ومدى تشغيل مولدات الديزل، ومتى يُشترى أو يُباع الكهرباء من وإلى الشبكة. ثانيًا، وحدة التحكم في الوقت الفعلي تراقب ما يحدث فعليًا — مدى سطوع الشمس، وسرعة الرياح، والسعر الذي تفرضه الشبكة، وكمية الكهرباء التي يستهلكها الناس. عندما تنحرف الواقع عن التوقع، تُجري تعديلات على تدفقات الطاقة كل ساعة للحفاظ على انخفاض التكاليف مع احترام الحدود الفنية مثل حالة شحن البطارية وحدود مخرج المولد.

حل المشكلات الرقمي المستوحى من الغوريلات

اختيار أفضل مزيج من الإجراءات لعشرات الأجهزة على مدى 24 ساعة هو مسألة تحسين صعبة تحوي قيودًا وعدم يقين كبيرين. بدلاً من الاعتماد على صيغ رياضية جامدة قد تقود إلى حلول دون المثلى، لجأ المؤلفون إلى فئة أحدث من طرق البحث تُدعى مُحسِّن أسراب الغوريلات الاصطناعي (AGTO). يُحاكي AGTO كيف يستكشف سرب الغوريلات بيئته ثم يتجمع حول القائد الأقوى، «الفضّي الظهر». في هذا التشبيه، تمثل كل غوريلة افتراضية جدول طاقة محتمل. خلال مرحلة الاستكشاف، ينتشر السرب لتجربة أنماط تشغيل مختلفة جدًا، كالتي تتجول إلى مناطق تغذية غير مألوفة. في مرحلة الاستغلال، تقترب المرشحات من أفضل الحلول المعروفة، تمامًا كما يتبع الأفراد القائد أو يتنافسون لتحسين موقف المجموعة. تتكرر هذه العملية عدة مرات حتى يتقارب الخوارزم إلى خطة تشغيل منخفضة التكلفة.

فواتير أقل عبر تحويل الأحمال والمشاركة

اختبر الباحثون إطارهم باستخدام بيانات واقعية لمدينة ساحلية مصرية، مستعملين ملفات زمنية لكل ساعة لدرجات الحرارة وشدة الشمس وسرعة الرياح وأسعار الشبكة. قارنوا AGTO بعدد من أدوات التحسين المعروفة، بما في ذلك خوارزمية سرب الجسيمات وطرق أخرى مستوحاة من سلوك الحيوانات. عبر النانوغريد المفردة وعنقود مكوّن من أربع نانوغريد، وجد المخطط المستوحى من الغوريلات جداول أرخص باستمرار. إن تحويل الأحمال المرنة بعيدًا عن ذروة المساء المكلفة نحو فترات أقل تكلفة يخفض النفقات التشغيلية بنحو 7 في المئة بمفرده، مع تسطيح منحنى الطلب أيضًا. وعندما سُمح للنانوغريد بالتعاون ومشاركة الطاقة، انخفضت التكلفة اليومية الإجمالية للطاقة بنحو 8 في المئة مقارنة بالتشغيل المعزول. بشكل عام، يحقق AGTO نحو 15 إلى 16 في المئة من التوفير في التكاليف مقارنة بالخوارزميات المنافسة عندما يُطبق كل من التخطيط اليومي وإدارة الأحمال.

طاقة مرنة في عالم متغير

بالنسبة للمستخدمين العاديين، الخلاصة هي أن التنسيق الذكي للطاقة النظيفة المحلية والتخزين يمكن أن يقلص فواتير الكهرباء ويقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري بهدوء دون التضحية بالراحة أو الموثوقية. من خلال الجمع بين التخطيط المسبق ليوم كامل، والتعديل في الوقت الفعلي، واستراتيجية بحث فعالة مستوحاة من سلوك الغوريلات الاجتماعية، يحافظ النظام المقترح على توازن عُناقيد النانوغريد حتى عندما لا تتبع الأحوال الجوية أو الأسعار أو الطلب السيناريو المتوقع. وتقترح الدراسة أنه مع اعتماد المزيد من المباني للطاقة الشمسية على الأسطح والبطاريات، قد تلعب إدارة الطاقة الذكية من هذا النوع دورًا رئيسيًا في جعل شبكات الطاقة على مستوى الأحياء اقتصادية ومرنة.

الاستشهاد: Elsayed, W.T., Abdulnabi, A., Ali, A.A. et al. An enhanced energy management framework based on artificial gorilla troops for optimal operation of grid-connected multi-nanogrids. Sci Rep 16, 12741 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45884-5

الكلمات المفتاحية: النانوغريد, إدارة الطاقة, الطاقة المتجددة, خوارزميات التحسين, إدارة جانب الطلب