أنظمة تخزين طاقة البطاريات للمزارع: الري والطاقة الشمسية

لا يمكن المبالغة في تقدير العلاقة بين الكهرباء الموثوقة والزراعة الحديثة الفعالة. تلعب الكهرباء دورا حاسما في تشغيل المعدات الزراعية، من أنظمة الري ومضخات المياه الجوفية إلى وحدات التخزين المبردة وأنظمة تهوية الماشية. ومع ارتفاع تكلفة الكهرباء، إلى جانب ضعف خطوط الكهرباء في المناطق الريفية وزيادة أسعار الديزل، فإن إدارة الطاقة يمكن أن تشكل تحديًا كبيرًا للمزارعين!

يمكن أن تكون الطاقة الشمسية حلاً يساعد في تقليل الاعتماد على الكهرباء التقليدية. ومع ذلك، فإن الطاقة الشمسية وحدها ليست كافية لضمان إمدادات الطاقة المستمرة للمزارعين. إذا كانت محاصيلك بحاجة إلى الري، فقد لا يكون هناك ضوء الشمس بعد غروب الشمس أو أثناء الطقس الغائم. وهذا يعني أنه قد تكون هناك مشكلة في توفير الطاقة لمعدات مزرعتك.

الجمع بين الطاقة الشمسية ونظام تخزين طاقة البطاريةيمكن لشركة (BESS) حل هذه المشكلة وتزويد المزارعين بالتكنولوجيا اللازمة لتوفير الطاقة لمعداتهم.

باختصار، بالنسبة للعمليات الزراعية، قد تؤدي الألواح الشمسية الكهروضوئية المثبتة جنبًا إلى جنب مع بطارية بحجم لعبة البيسبول إلى تقليل تكاليف التشغيل بشكل كبير مع جعل إدارة الطاقة أكثر موثوقية.

تحدي الطاقة في الزراعة الحديثة والري

تختلف احتياجات الكهرباء في صناعة الأغذية الزراعية بشكل كبير عن احتياجات معظم المباني التجارية. على سبيل المثال، غالبًا ما تتطلب مضخات الري قدرًا كبيرًا من الكهرباء خلال أوقات ذروة الاستخدام في الموسم، بينما من المرجح أن تستخدم معدات التبريد والتهوية والتغذية الأوتوماتيكية كميات كبيرة من الكهرباء طوال اليوم. ومما يزيد الوضع تعقيدًا في مناطق محددة صعوبة توفر الشبكة المحدودة.

ارتفاع رسوم الطلب وشبكات الطاقة الريفية غير الموثوقة

تتضمن فاتورة الطاقة في بعض المزارع مجموعة من تكاليف استهلاك الطاقة ورسوم الطلب. توضح تكاليف الطاقة مقدار الكهرباء المستخدمة (بالكيلوواط ساعة)، في حين تعكس رسوم الطلب (إن وجدت) القيم الكبرى للطلب على الطاقة وفقًا لدورة الفوترة.

في بعض الأحيان، قد يؤدي التشغيل المتزامن لعدة مضخات أو استخدام المعدات الثقيلة في عملية الري إلى زيادة سريعة في الطلب لفترة قصيرة، الأمر الذي قد يؤدي (يخضع لتعريفات المرافق) إلى زيادة فاتورة الكهرباء الشهرية.

غالبًا ما تواجه الشبكات الريفية انخفاضًا في الجهد وانقطاع التيار والحمل الزائد، خاصة أثناء الطقس الحار عندما يكون الطلب الزراعي والمنزلي في ذروته.

يمكن لـ BESS الذي تم تكوينه بشكل صحيح أن يساعد من خلال:

• التفريغ خلال فترات ارتفاع الطلب على الكهرباء.
• تخزين توليد الطاقة الشمسية الذي كان من الممكن أن يتم تصديره أو تقليصه.
• توفير الطاقة الاحتياطية للمعدات الزراعية الهامة المختارة.
• تقليل التعرض لإمدادات الشبكة غير الموثوقة عندما يشتمل النظام على إمكانات مناسبة للجزيرة والنسخ الاحتياطي.

تعتمد التوفيرات الفعلية على التعريفة المحلية، والقدرة القابلة للاستخدام للبطارية، وطاقة العاكس، وملف التحميل اليومي للمزرعة. لا تقوم البطارية تلقائيًا بإلغاء رسوم الطلب أو ضمان عدم انقطاع الطاقة.

فهم أحمال مضخة الري وتيارات البداية

تمثل مضخات الري، في كثير من الأحيان، واحدة من أكبر الأحمال الكهربائية في المزرعة. تحتاج المحركات التي تستخدمها هذه المضخات إلى تيار أكبر عند بدء تشغيلها. خاصة إذا تم توصيلها مباشرة بمصدر الطاقة، فإن هذا الطلب المؤقت على الكهرباء يمكن أن يكون أعلى قليلاً. غالبًا ما يكون هذا أضعاف ما يستخدمه المحرك عادةً عند تشغيله. يعتمد مقدار التيار الزائد على كيفية تصميم المحرك وكذلك على الطريقة المختارة لبدء تشغيله.

على سبيل المثال، فكر في مضخة تعمل بشكل طبيعي بثبات تام وبمستوى معتدل من الطاقة. وحتى مثل هذه المضخة قد تحتاج إلى مصدر طاقة فوري أكبر بكثير للبدء فقط. لذا، إذا لم يكن العاكس قادرًا على توفير تيار البدء الضروري، فيمكنك رؤية بعض المشكلات. قد يتعثر النظام بأكمله. أو قد يكون هناك انخفاض في الجهد، وهو أمر غير جيد. والأسوأ من ذلك هو أن المحرك قد يفشل في البدء تمامًا.

عند تحديد حجم نظام البطاريات الزراعية، يجب على المهندسين تقييم ما يلي:

• قوة المحرك والجهد المقنن.
• تيار الحمل الكامل وتيار البدء.
• طريقة البدء، بما في ذلك الاتصال المباشر عبر الإنترنت أو بداية التشغيل الناعمة أو محرك التردد المتغير (VFD).
• ما إذا كانت عدة مضخات تبدأ في وقت واحد.
• معدات أخرى تعمل في نفس الوقت.

يمكن لـ VFD أن يقلل من تيار البدء ويضبط سرعة المضخة لتتناسب مع متطلبات الري. ومع ذلك، يجب التحقق من التوافق مع العاكس والمحرك ونظام التحكم. لا يحدد تصنيف كيلووات ساعة للبطارية وحده ما إذا كان يمكنها تشغيل مضخة كبيرة.

لماذا تتجه المزارع إلى ما هو أبعد من طاقة الديزل فقط؟

تعتبر مولدات الديزل ضرورية للمناطق الزراعية خارج الشبكة، وللطاقة الاحتياطية، ولأغراض الطاقة المتنقلة. إلا أن استخدام الديزل وحده قد يعرض المزارع لزيادات في أسعار الوقود ونفقات النقل ومتطلبات الصيانة والضوضاء والتلوث.

يمكن لتكنولوجيا تخزين الطاقة الشمسية أن تساعد في خفض استخدام مولدات الديزل، من خلال إتاحة الطاقة الشمسية خلال النهار، وتخزين الطاقة الزائدة المنتجة، وإتاحتها للري ليلاً أو في الأيام الملبدة بالغيوم عندما يكون إنتاج الطاقة منخفضًا.

بالنسبة للمزارع التي ليست جاهزة تمامًا للعمل بالطاقة المتجددة، قد تكون الحلول الهجينة بمثابة خطوة مفيدة. سيتم استخدام الطاقة الشمسية عندما تكون متاحة، وستوفر البطاريات الطاقة عند الحاجة، وسيكون مولد الديزل بمثابة مصدر طاقة احتياطي في أوقات انخفاض إمدادات الطاقة الشمسية أو في الأوقات التي يكون فيها الطلب على الكهرباء مرتفعًا بشكل خاص.

كيف تعمل أنظمة تخزين طاقة البطارية على تغذية ري المزارع

تتكون المزرعة النموذجية BESS من وحدات البطارية، ونظام إدارة البطارية (BMS)، ونظام تحويل الطاقة (PCS) أو عاكس هجين متوافق، وأجهزة الحماية ونظام إدارة الطاقة (EMS). اعتمادًا على أداة التثبيت، قد يشتمل النظام على محولات طاقة شمسية، وواجهة مولد، واتصال بالشبكة، ولوحة توزيع احتياطية مخصصة.

عندما يبدأ نظام الألواح الشمسية في توليد الكهرباء خلال النهار، يتم إرسال الطاقة المنتجة أولاً لتلبية احتياجات تشغيل المزرعة. في حالة توفر طاقة إضافية، يتم استخدامها لشحن البطارية. وفي الحالة المعاكسة، يتم تفريغ الخليط من قبل النظام عندما يكون توليد الطاقة الشمسية غير كاف أو عندما يرتفع الطلب على الطاقة.

إدارة بدء تشغيل المضخة وأحمال المحركات

يتطلب التشغيل الموثوق للمضخة أكثر من سعة طاقة البطارية الكافية. يجب أن يوفر العاكس أو PCS ما يكفي من الطاقة المستمرة وقصيرة المدة لاستيعاب متطلبات تشغيل المحرك وبدء تشغيله.

هناك ثلاثة مقاييس تصميمية مفيدة بشكل خاص:

• اختر العاكس الصحيح:تحقق من طاقة الخرج المستمرة وإمكانية التحميل الزائد ومدة الارتفاع والتوافق مع الخصائص الكهربائية للمحرك.
• استخدم أدوات التحكم الحركية المناسبة:يمكن أن تقلل بادئات التشغيل الناعمة أو VFDs من ضغط البدء وتحسن التحكم في المضخة عند اختيارها بشكل صحيح.
• تسلسل الأحمال الكبيرة:ابدأ تشغيل المضخات واحدة تلو الأخرى وقم بتنسيقها مع الأحمال الرئيسية الأخرى لتجنب ذروات الطاقة غير الضرورية.

يمكن لهذه التدابير تحسين استقرار النظام وقد تقلل من سعة العاكس المطلوبة مقارنة بالتصميم الذي يبدأ تشغيل كل محرك في وقت واحد. يجب أن يتبع التحجيم النهائي مواصفات الشركة المصنعة وتقييم الحمل الكهربائي.

دمج الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع تخزين البطاريات الزراعية

إن الجمع بين الألواح الشمسية وتخزين البطاريات يسمح للمزارع باستخدام المزيد من الكهرباء المولدة في الموقع. خلال النهار، يمكن لتوليد الطاقة الكهروضوئية تشغيل مضخات الري مباشرة. عندما يتجاوز الإنتاج الطلب، يمكن للكهرباء الفائضة شحن البطارية.

وفي وقت لاحق من اليوم، يمكن للكهرباء المخزنة دعم أعمال الري والإضاءة والاتصالات أو غيرها من الأحمال. يعتمد المبلغ المتاح على سعة البطارية وكفاءة الشحن وحدود التفريغ والطاقة المحجوزة للنسخ الاحتياطي.

تعتبر أنظمة الطاقة الشمسية والتخزين مفيدة بشكل خاص عندما تحتوي المزرعة على:

• ضوء الشمس القوي أثناء النهار والحاجة الكبيرة للري.
• متطلبات الضخ في المساء أو في الصباح الباكر.
• قدرة الشبكة محدودة أو الكهرباء باهظة الثمن في فترة الذروة.
• العديد من المباني أو الأحمال التي يمكنها مشاركة نظام طاقة منسق.

ويجب وضع نموذج لتوليد الطاقة الشمسية والطلب على الري معًا. في بعض التطبيقات الزراعية، تكون جدولة الري خلال ذروة ضوء الشمس أكثر اقتصادا من تخزين كل الكهرباء الشمسية خلال النهار لاستخدامها لاحقا. يمكن لصهاريج تخزين المياه أو الخزانات أن تعمل أيضًا كشكل من أشكال مرونة الطاقة: حيث يمكن للطاقة الشمسية ضخ المياه عند توفر الكهرباء، بينما يستمر الري لاحقًا باستخدام المياه المخزنة.

التشغيل خارج الشبكة وتصميم الشبكة الصغيرة

يمكن لنظام تخزين طاقة المزرعة خارج الشبكة أن يعمل دون اتصال بالمرافق عندما يتم تصميم موارد التوليد والتخزين والعاكس والنسخ الاحتياطي لتلبية متطلبات الطاقة في الموقع. ويجب أن يضع مثل هذا النظام في الاعتبار التغيرات الموسمية في الطاقة الشمسية، وفترات الطلب المرتفع، والعواقب المترتبة على نقص الطاقة لفترة طويلة.

قد تجمع الشبكة الزراعية الصغيرة ما يلي:

• الألواح الشمسية الكهروضوئية لتوليد الكهرباء المتجددة.
• تخزين البطارية لتحويل الطاقة ودعم الطاقة على المدى القصير والنسخ الاحتياطي.
• اتصال بالشبكة، حيثما كان ذلك متاحًا، للإمداد الإضافي أو التصدير.
• مولد ديزل أو أي مولد متوافق آخر لفترات طويلة من توليد الطاقة المنخفضة.
• نظام الإدارة البيئية الذي ينسق أولويات التوليد والشحن والتفريغ والتحميل.

تعد المعدات التي يمكنها إنشاء مصدر طاقة محلي والحفاظ عليه ضرورية للتشغيل على الجزيرة. لا تتمتع معظم محولات الطاقة الشمسية المرتبطة بالشبكة فعليًا بالقدرة على الاستهلاك المستقل أثناء انقطاع التيار. يجب أن تشتمل هذه المكونات على وظائف كاملة بما في ذلك الحماية والتأريض وآلية النقل وإمكانية بدء تشغيل المحرك ومنطق فصل الأحمال.

قد لا يكون الغرض من المزارع خارج الشبكة هو الحفاظ على تدفق الطاقة باستمرار إلى جميع الأجهزة. أحد الخيارات هو إعطاء الأولوية لضوابط الري، ومضخات المياه الهامة، وتهوية الماشية، والاتصالات، والتبريد وبالتالي تحقيق احتياجات تخزين طاقة أقل.

الفوائد الرئيسية لتخزين البطاريات الشمسية للمزارع

ذروة الحلاقة وتخفيض تكلفة الكهرباء

تشير ذروة الحلاقة إلى ممارسة تفريغ طاقة البطارية من أجل تقليل كمية الطاقة المستهلكة. وهذا يمكن أن يساعد المزارع على إدارة تكاليف الكهرباء بشكل أفضل عند تطبيق رسوم الطلب وتعريفات وقت الاستخدام.

على سبيل المثال، يمكن استخدام الطاقة التي تنتجها آلة واحدة لتزويد الطاقة إلى أخرى لفترة معينة (وبالتالي، يمكن لجهازين العمل في نفس الوقت دون تجاوز مستوى الطلب المحدد). في هذه الحالة، من المهم أن يتوفر لديك ما يكفي من الكهرباء والطاقة طوال فترة ذروة الحلاقة بأكملها.

يُنصح بمراقبة النفقات الفعلية وبيانات عداد الفواصل الزمنية بدلاً من افتراض أن تشغيل كل كيلووات ساعة ينتج عنه نفس الفوائد.

زيادة الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية

يمكن أن يتجاوز إنتاج الطاقة الشمسية احتياجات المزرعة من الطاقة أثناء الطقس المشمس. وفي غياب احتياجات الطاقة في المزرعة، أو تخزين الطاقة، أو اتفاقية تصدير معقولة، فإن قيمة التوليد الزائد يمكن أن تكون منخفضة.

يمكن للبطاريات تخزين الكهرباء الزائدة لاستخدامها لاحقًا. وينطبق هذا عندما يتم الري في وقت لاحق من اليوم، وكذلك عندما تستخدم المزرعة التبريد الكهربائي، أو آلات المعالجة، أو مرافق الماشية في الليل.

ومع ذلك، فإن تخزين الطاقة باستخدام البطاريات ينطوي على خسائر وتكاليف رأسمالية إضافية. وينبغي النظر في الاستخدام المباشر للطاقة الشمسية وجدولة الري المرنة قبل الاستثمار في تخزين الطاقة.

حماية العمليات الزراعية الحيوية

يمكن أن يؤثر انقطاع التيار الكهربائي على مجموعة متنوعة من الجوانب التي تتجاوز مجرد الري. يتطلب دائمًا الطاقة تبريد الأطعمة المخزنة والحليب، وتهوية الحيوانات، وعمل وحدة التغذية الأوتوماتيكية، ومعالجة المياه وعمل نظام التحكم.

في هذه الحالة، يمكن للمرء اختيار نظام كهربائي احتياطي مدعوم بالبطاريات، والذي يتيح الحفاظ فقط على الحمل الحرج المطلوب أثناء انقطاع التيار الكهربائي، وبالتالي اعتمادًا على متطلبات الطاقة الإجمالية لدوائر نظام النسخ الاحتياطي، سيتم تحديد المدة المطلوبة للحفاظ على الأحمال من خلال كمية الطاقة الموجودة في البطاريات.

من الممكن أن يختار المزارع إنشاء دائرة احتياطية منفصلة لأجهزة التحكم فقط، والتهوية، وضخ المياه بدلاً من التخطيط لتشغيل جميع الآلات والمعدات في الورشة.

ويعود ذلك إلى تحسين مرونة مصدر الطاقة مع التحكم في تكاليف تركيب بطاريات التخزين.

اختيار تقنية البطارية المناسبة للبيئات الزراعية

قد تواجه المنشآت الزراعية الغبار والرطوبة وارتفاع درجات الحرارة المحيطة والمواد المسببة للتآكل والاهتزازات ومحدودية الوصول إلى الصيانة. تؤثر كيمياء البطارية، وتصميم العلبة، والإدارة الحرارية، وأنظمة التحكم، على الأداء على المدى الطويل.

لماذا يتم استخدام بطاريات LiFePO4 على نطاق واسع

تُستخدم بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4 أو LFP) على نطاق واسع في تخزين الطاقة الثابتة لأنها توفر مزيجًا مفيدًا من الاستقرار الحراري وعمر الدورة وأداء التشغيل.

تشمل المزايا المحتملة ما يلي:

• كثافة طاقة عالية قابلة للاستخدام مقارنة بالعديد من أنظمة حمض الرصاص التقليدية.
• إمكانات جيدة لدورة الحياة عند تشغيلها ضمن حدود درجة الحرارة والجهد والتيار المحددة.
• خصائص حرارية مستقرة نسبيًا مقارنة بالعديد من كيمياء أيونات الليثيوم الأخرى.
• تكوينات معيارية يمكنها دعم متطلبات الطاقة والطاقة المختلفة.

لا يتم تحديد عمر البطارية بالكيمياء وحدها. يؤثر عمق التفريغ ودرجة الحرارة ومعدلات الشحن والتفريغ وموازنة الخلايا وجودة التركيب والصيانة على الأداء. يجب على المشترين مقارنة ظروف دورة حياة الشركة المصنعة، وإنتاجية الطاقة المضمونة، وضمان الاحتفاظ بالقدرة، واستثناءات الضمان.

حماية الضميمة والغبار والرطوبة والتآكل

تتطلب بيئات المزرعة وضع المعدات بعناية واختيار العلبة. يمكن أن يتداخل الغبار مع أنظمة التبريد، بينما يمكن أن تؤدي الرطوبة والمواد الكيميائية الزراعية المسببة للتآكل إلى إتلاف التوصيلات الكهربائية والمكونات المكشوفة.

عند تقييم نظام البطاريات الزراعية، راجع:

• حماية الدخول:حدد تصنيف IP المناسب للتعرض الفعلي للغبار والماء. يشير IP65، على سبيل المثال، إلى الحماية ضد الغبار والحماية ضد نفاثات الماء في ظل ظروف اختبار محددة؛ هذا لا يعني أن المعدات مناسبة للغمر.
• مقاومة التآكل:ضع في اعتبارك الطلاءات والمثبتات وعُدد الكابلات والمرفقات المناسبة للبيئات الساحلية أو العدوانية كيميائيًا.
• الإدارة الحرارية:تأكد من درجة حرارة التشغيل المسموح بها ومتطلبات التبريد لكل من البطارية والعاكس.
• شروط التثبيت:توفير التهوية الكافية، والتطهير، والصرف، والوصول إلى الخدمة، والحماية من الفيضانات أو الأضرار المادية المباشرة.

NEMA 4X هو تصنيف حاوية في أمريكا الشمالية مرتبط بالحماية ضد مخاطر بيئية محددة، بما في ذلك التآكل. ولا ينبغي معاملتها على أنها مكافئة تلقائيًا لتصنيف IP؛ التحقق من الشهادات وشروط الاختبار المعمول بها.

حتى حاوية البطارية محكمة الغلق يمكن أن تواجه قيودًا على الأداء في درجات الحرارة الشديدة. يجب تركيب المعدات ضمن النطاق البيئي المسموح به من قبل الشركة المصنعة، مع التظليل المناسب أو التحكم في المناخ عند الضرورة.

BMS وEMS: تنسيق إدارة الطاقة والمياه

يقوم نظام إدارة البطارية بمراقبة ظروف البطارية، ويساعد على حماية الخلايا من التشغيل خارج الحدود المسموح بها، ويدير وظائف مثل موازنة الخلايا ومراقبة درجة الحرارة حيثما تكون مدعومة.

يعمل نظام إدارة الطاقة على مستوى أوسع. يقوم بتنسيق البطارية والمجموعة الشمسية والشبكة أو المولد والأحمال المتصلة وفقًا لأولويات التشغيل وتكاليف الطاقة.

بالنسبة للتطبيقات الزراعية، قد تتضمن وظائف نظام الإدارة البيئية المفيدة ما يلي:

• جدولة الري حول توافر الطاقة الشمسية وتعرفة الكهرباء.
• الحفاظ على الحد الأدنى من احتياطي البطارية لانقطاع التيار.
• منع الطلب المتزامن المفرط من مضخات متعددة.
• إعطاء الأولوية للأحمال الأساسية عندما تكون الطاقة المتاحة محدودة.
• مراقبة استهلاك الطاقة وإنشاء تقارير الأداء.

يمكن أن تكون المراقبة عن بعد ذات قيمة خاصة بالنسبة للمزارع التي تحتوي على العديد من محطات الضخ أو المرافق المنتشرة عبر موقع كبير. يجب التحقق من تغطية الاتصالات والأمن السيبراني وتوافق وحدة التحكم والوصول إلى الدعم الفني قبل النشر.

كيفية تحديد حجم BESS لري المزرعة

يتطلب تحديد حجم BESS بشكل صحيح للعمليات الزراعية حسابات منفصلة للطاقة والطاقة. تحدد الطاقة، المقاسة بالكيلووات (kW)، مقدار المعدات التي يمكن تشغيلها في وقت واحد. تحدد الطاقة، المُقاسة بالكيلووات/ساعة (kWh)، المدة التي يمكن للبطارية أن تزود تلك المعدات بها.

قد يفشل النظام الذي يحتوي على الكثير من الطاقة المخزنة في تشغيل مضخة كبيرة إذا لم يتمكن عاكسه من توفير الطاقة المطلوبة. على العكس من ذلك، قد يقوم العاكس القوي المقترن ببطارية صغيرة بتشغيل المضخة ولكنه لا يوفر وقت تشغيل كاف.

الخطوة الأولى: حساب سعة الطاقة المطلوبة

ابدأ بإدراج كل حمل يجب أن يدعمه نظام البطارية. قم بتسجيل الطاقة المقدرة، وجدول التشغيل، وخصائص البدء، وما إذا كان كل حمل ضروريًا أم اختياريًا.

حساب حمل التشغيل الأساسي هو:

قوة التشغيل المطلوبة = مجموع قوة جميع الأحمال العاملة في وقت واحد

على سبيل المثال، إذا كانت المزرعة تقوم بتشغيل مضخة بقدرة 30 كيلووات إلى جانب معدات أخرى بقدرة 5 كيلووات، فإن إجمالي طلب التشغيل يبلغ 35 كيلووات. وهذا مجرد تقدير أولي. يجب أن يأخذ تصنيف العاكس النهائي أيضًا في الاعتبار بدء تشغيل المحرك، وعامل الطاقة، ومدة التحميل الزائد، ودرجة الحرارة المحيطة، وحدود الشركة المصنعة الأخرى.

تعد بيانات لوحة المحرك والقياسات الكهربائية أكثر موثوقية من التقديرات التي تعتمد فقط على القدرة الحصانية. بالنسبة للمضخة التي تعمل بمحرك، يجب على المهندسين تحديد ما إذا كان المشغل الناعم أو VFD يمكنه تقليل طلب البدء وما إذا كان العاكس يدعم طريقة التحكم المحددة.

الخطوة الثانية: حساب طاقة البطارية المطلوبة

تعتمد سعة طاقة البطارية على الحمل الكهربائي والمدة التي يجب أن تعمل خلالها.

طاقة الحمل (كيلوواط ساعة) = طاقة الحمل (كيلوواط) × وقت التشغيل (ساعات)

لتقدير سعة البطارية الاسمية المطلوبة، ضع في الاعتبار عمق التفريغ القابل للاستخدام وكفاءة مسار التفريغ.

سعة البطارية الاسمية (كيلووات ساعة) = الطاقة المسلمة المطلوبة (كيلووات ساعة) ÷ (عمق التفريغ القابل للاستخدام × كفاءة مسار التفريغ)

لنأخذ على سبيل المثال مزرعة تحتاج إلى تشغيل مضخة بقدرة 20 كيلووات لمدة أربع ساعات دون توليد طاقة شمسية كافية.

الحساب هو 80 ÷ (0.90 × 0.95)، مما يعطي حوالي 93.6 كيلووات في الساعة. قد يوصي مصمم النظام بسعة إضافية لتقادم عمر البطارية، أو تأثيرات درجة الحرارة، أو الأحمال غير المتوقعة، أو متطلبات الاحتياطي، أو التوسع المستقبلي.

يفترض هذا المثال حملًا كهربائيًا ثابتًا قدره 20 كيلووات ولا يشمل الطاقة اللازمة للمعدات الأخرى. قد يختلف استهلاك المضخة الفعلي باختلاف معدل التدفق وضغط الرأس وطلب الري وإعدادات التحكم.

الخطوة الثالثة: مطابقة سعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع الطلب اليومي على الطاقة

يجب أن يعكس حجم مجموعة الطاقة الشمسية كلاً من استهلاك الطاقة اليومي للمزرعة ومورد الطاقة الشمسية المتاح. التقدير الأولي المفيد هو:

توليد الطاقة الشمسية يوميًا (كيلوواط ساعة) ≈ القدرة الكهروضوئية (كيلوواط) × ساعات الذروة للشمس × نسبة الأداء

لنفترض أن المزرعة تحتاج إلى 160 كيلووات ساعة من الكهرباء يوميًا، وتستقبل في المتوسط ​​خمس ساعات ذروة من الشمس، وتبلغ نسبة الأداء الكهروضوئية الإجمالية المفترضة 80٪.

تبلغ القدرة الكهروضوئية التقريبية المطلوبة لتوليد هذه الكمية من الطاقة 160 ÷ (5 × 0.80)، أو 40 كيلوواط.

وهذا تقدير لتوازن الطاقة، وليس تصميمًا نهائيًا للنظام. ولا يحدد ما إذا كان سيتم توفير ما يكفي من الطاقة الشمسية في الوقت المحدد لبدء تشغيل المضخة أو ما إذا كان بإمكان المصفوفة إعادة شحن البطارية بالكامل خلال فصل الشتاء أو الطقس الغائم أو غيرها من فترات التوليد المنخفض.

يجب على المصممين استخدام بيانات الإشعاع الشمسي المحلية، وتحليل التظليل، وجداول الري الموسمية، وتوجيه الوحدة، وحدود العاكس، وملف شحن البطارية المتوقع لتحديد حجم المصفوفة المناسب.

الخطوة الرابعة: اختر تكوين النظام الصحيح

المزارع المختلفة لها متطلبات كهربائية مختلفة. ويعتمد الترتيب الأنسب على مدى توفر الشبكة، وحجم الحمولة، وجداول الري، وأهمية التشغيل دون انقطاع.

قبل طلب المعدات، قم بإعداد جدول التحميل، والتأكد من متطلبات بدء تشغيل المحرك، وحساب استهلاك الطاقة اليومي، وتحديد مدة النسخ الاحتياطي المطلوبة. تسمح هذه التفاصيل للموردين والقائمين بالتركيب بالتوصية بنظام يعتمد على ظروف التشغيل الفعلية بدلاً من سعة البطارية وحدها.

التحليل المالي: عائد الاستثمار، وفترة الاسترداد، والحوافز

تعتمد الحالة الاقتصادية لتخزين البطاريات الزراعية على تكاليف الكهرباء أو الوقود التي يمكن تجنبها بشكل واقعي. قد يكون للمزارع التي تعاني من انقطاعات متكررة، أو رسوم طلب عالية، أو توليد وقود الديزل باهظ الثمن، أو إنتاج كبير من الطاقة الشمسية غير المستخدمة، حالات تجارية أقوى من المزارع التي لديها كهرباء رخيصة وموثوقة.

حساب التكلفة الإجمالية للملكية

تتضمن التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) أكثر من شراء البطارية الأولي. يجب أن يشمل التقييم العملي ما يلي:

• وحدات البطارية، العاكس أو أجهزة الكمبيوتر، EMS، والمعدات الكهربائية ذات الصلة.
• وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وهياكل التركيب، والأسلاك، والتركيب حيثما أمكن ذلك.
• إعداد الموقع والمرفقات ومعدات الحماية والتشغيل.
• الصيانة الروتينية والمراقبة والتبريد واستهلاك الكهرباء الإضافي.
• زيادة البطارية أو استبدالها خلال فترة التقييم.
• تكاليف التمويل والضرائب أو الرسوم أو الحوافز المطبقة.

قارن هذه التكاليف بالوفورات المتوقعة من انخفاض مشتريات الشبكة، وخفض رسوم الطلب حيثما أمكن، وانخفاض استهلاك وقود المولدات، وتجنب الخسائر التشغيلية الناجمة عن انقطاع التيار الكهربائي حيث يمكن قياس تلك الخسائر بشكل معقول.

تقدير المدخرات السنوية والاسترداد

حساب الاسترداد المبسط هو:

فترة الاسترداد البسيطة = صافي الاستثمار الأولي ÷ صافي المدخرات السنوية

عند حساب صافي المدخرات السنوية، من المهم أن تأخذ في الاعتبار نفقات التشغيل. على سبيل المثال، إذا تم استخدام الكهرباء الشمسية بواسطة المضخة مباشرة، فلا ينبغي أيضًا تمثيل الكهرباء الموفرة بحمل التفريغ من البطارية.

لنأخذ مشروعًا توضيحيًا بصافي استثمار قدره 100000 دولار، حيث يصل إجمالي التوفير السنوي إلى 20000 دولار. وسيكون الاسترداد البسيط في هذه الحالة خمس سنوات.

الحالة المذكورة أعلاه هي لأغراض حسابية فقط ولا تعكس ما يمكن توقعه لمزرعة نموذجية حيث تختلف النتائج باختلاف أسعار المعدات وظروف الطاقة الشمسية والتعريفات وحمل البطارية وشروط الصيانة والتمويل.

في تقييم أكثر اكتمالا، ينبغي حساب صافي القيمة الحالية، وIRR، وإجمالي تكلفة عمر الكهرباء، استنادا إلى البيانات المتعلقة بتدهور البطارية، واعتبارات الاستبدال، والتغيرات في أسعار الكهرباء، ومزايا موثوقية الطاقة.

الحوافز الحكومية وبرامج الطاقة الزراعية

قد تكون بعض المشاريع الزراعية مؤهلة للحصول على تمويل المنح أو الإعفاءات الضريبية أو فوائد الاستهلاك أو برامج التمويل. ومع ذلك، من الضروري تحديد ما إذا كان المشروع مؤهلاً أم لا بناءً على الموقع وهيكل الملكية والتكنولوجيا وتاريخ التثبيت وقواعد البرنامج في ذلك الوقت.

يتعين على أصحاب المزارع في الولايات المتحدة استكشاف البرامج التي تديرها وزارة الزراعة الأمريكية.

كما تستمر الإعفاءات الضريبية وقواعد الاستهلاك في التطور، وقد تخضع البطاريات لبعض المعايير الفنية ومعايير الملكية للأهلية. ومن الضروري مراجعة السلطات الحكومية ذات الصلة للتأكد من القواعد الحالية قبل تخصيص الحوافز في خطة استثمارية أو توقعات مالية للتخطيط وفقًا لذلك.

لا تفترض أن جميع تركيبات البطاريات الشمسية سوف تتلقى الدعم على وجه اليقين. وبدلاً من ذلك، يتعين على النموذج المالي أن يميز بين الحوافز المؤكدة وتلك التي لا تزال خاضعة للموافقة.

الأسئلة المتداولة حول تخزين البطاريات الزراعية

ما حجم البطارية اللازمة لتشغيل مضخة ري بقدرة 50 حصانًا؟

يتمتع المحرك بقوة 50 حصانًا بقدرة ميكانيكية تبلغ حوالي 37.3 كيلووات. سيكون مدخله الكهربائي أعلى بشكل عام لأن المحرك ليس فعالاً بنسبة 100%، ويعتمد طلب التشغيل الفعلي على المضخة وظروف التشغيل.

على سبيل المثال، افترض أن المحرك يسحب 42 كيلو واط كهربائيًا ويحتاج إلى التشغيل لمدة أربع ساعات. سوف تستهلك المضخة حوالي 168 كيلووات في الساعة خلال تلك الفترة.

باستخدام عمق التفريغ المفترض القابل للاستخدام بنسبة 90% وكفاءة مسار التفريغ بنسبة 95%، ستكون متطلبات البطارية الاسمية الأولية حوالي 196 كيلووات في الساعة: 168 ÷ (0.90 × 0.95).

هذا مجرد تقدير للطاقة. يجب أن يتعامل العاكس أيضًا مع متطلبات بدء تشغيل المحرك، ويجب أن توفر المجموعة الشمسية أو أي مصدر شحن آخر طاقة كافية لتجديد البطارية. قد يحتاج النظام النهائي إلى بطارية أكبر أو تكوين مختلف بناءً على الحمل المُقاس وطريقة البدء ومتطلبات النسخ الاحتياطي والظروف الموسمية.

هل يمكن لمزرعة BESS أن تعمل بشكل كامل خارج الشبكة؟

نعم. يمكن لنظام تخزين الطاقة الزراعية خارج الشبكة المصمم بشكل مناسب توفير الكهرباء دون الحاجة إلى توصيل المرافق. فهو يتطلب مصدرًا مناسبًا للطاقة، وتخزينًا كافيًا، وعاكسًا قادرًا على تشكيل وصيانة الشبكة الجزرية، ومعدات الحماية والتحكم المصممة للتشغيل المستقل.

بالنسبة للري على مدار العام، يجب على المصممين مراعاة التغير الموسمي في الطاقة الشمسية، والأيام الغائمة المتعاقبة، وذروة الطلب. قد يكون من الضروري إنشاء مولد أو مصدر احتياطي آخر عندما يهدد نقص الطاقة لفترة طويلة المحاصيل أو الماشية.

يمكن أن يساعد تحديد أولويات الأحمال وتخزين المياه وجدولة الري المرنة في تقليل سعة البطارية والتوليد المتجدد المطلوب.

هل تستطيع بطاريات LiFePO4 التعامل مع ظروف المزرعة المتربة والساخنة؟

يمكن أن تكون بطاريات LiFePO4 مناسبة للتطبيقات الزراعية عندما يكون نظام البطارية مصممًا للظروف البيئية للموقع. ولا تزال ملاءمتها تعتمد على حدود التشغيل الخاصة بالشركة المصنعة، وحماية الغلاف، والإدارة الحرارية، وجودة التثبيت.

بالنسبة للبيئات المتربة أو الساخنة، حدد المعدات ذات التصنيف المناسب لحماية الدخول، والمكونات المقاومة للتآكل عند الضرورة، والتبريد المناسب. تجنب تعريض معدات البطارية لدرجات حرارة خارج النطاق المحدد لها، وتحقق مما إذا كانت السعة أو طاقة الشحن أو تغطية الضمان تتغير في ظل الظروف القاسية.

هل تخزين البطارية دائمًا أفضل من تشغيل مضخات الري خلال النهار؟

لا. إذا كان من الممكن جدولة الري خلال ذروة ضوء الشمس، فإن تشغيل المضخات مباشرة من توليد الطاقة الشمسية قد يكون أكثر اقتصادا من تخزين الكهرباء لاستخدامها لاحقا.

يصبح تخزين البطارية أكثر قيمة عندما يجب أن يستمر الري بعد غروب الشمس، أو تحتاج المزرعة إلى حماية من الانقطاع، أو تكون رسوم الطلب كبيرة، أو لا يتوافق توليد الطاقة الشمسية وتوقيت التحميل. في بعض الحالات، يوفر تخزين المياه التي يتم ضخها في خزان طريقة أقل تكلفة لفصل توصيل المياه عن توليد الكهرباء.

ما هي المعلومات المطلوبة للحصول على عرض أسعار دقيق للنظام؟

لتطوير اقتراح مناسب، سيحتاج متخصص تكامل الأنظمة أو مورد البطاريات بشكل عام إلى ما يلي:

• البلد وموقع المشروع.
• عدد المضخات وتقييمات المحرك والجهد وطرق البدء.
• ساعات العمل اليومية وجداول الري الموسمية.
• المعدات الأخرى التي يجب أن تعمل في نفس الوقت.
• القدرة الحالية للطاقة الشمسية الكهروضوئية والشبكة المتاحة أو إمدادات المولدات.
• مدة النسخ الاحتياطي المطلوبة والأحمال الحرجة.
• مساحة التثبيت المتاحة والظروف البيئية.

يمكن أن تعمل فواتير الخدمات وصور لوحة المحرك وبيانات عداد الفاصل الزمني على تحسين دقة التقييم. باستخدام هذه المعلومات، يمكن للموردين تقدير طاقة العاكس المطلوبة، وسعة البطارية الاسمية، وتوليد الطاقة الشمسية، وتكاليف التشغيل المتوقعة.

تذكير ودية

يمكن استخدام المزارعتخزين البطاريةالتكنولوجيا لتعزيز موثوقية أنظمة الري، وزيادة كفاءة استخدام الطاقة الشمسية، وتوفير تكلفة استهلاك الطاقة والوقود، وتأمين نجاح الأنشطة الزراعية، ولكن يتم الحصول على أفضل أداء عندما يتم تعديل النظام مع أنماط الاستهلاك الفعلية للطاقة، وفترات إمدادات المياه، ومستويات القدرة الشمسية، وظروف بيئة التشغيل.

تبدأ المبادرات الناجحة بإجراء عمليتين حسابيتين مستقلتين: الطلب على الكهرباء اللازم لتشغيل المعدات وبدء تشغيلها، وكمية الطاقة التي يجب استهلاكها خلال فترة التشغيل المحددة. ثم يجب تقييم خصائص تقنية البطارية وعاكس الطاقة وحماية المعدات ووظائف التحكم والاقتصاد معًا.

بالنسبة لبعض المزارع التي تتطلب الكثير من المياه، أو تقع بعيدًا عن محطات توليد الطاقة أو تحتاج إلى تشغيل عدة قطع مهمة من الآلات في نفس الوقت، يمكن اعتبار نظام البطاريات المصمم بشكل صحيح جزءًا لا يتجزأ من استراتيجية الطاقة العاملة الفعالة.