لا يحتاج نظام الطاقة المستقبلي إلى أن يكون قائمًا على الطاقة المتجددة فحسب، بل يجب أن يكون موثوقًا أيضًا. قد تحمل المحولات الذكية (Smart Inverters) المفتاح للربط الآمن لعدد أكبر من أنظمة الطاقة الشمسية المنزلية والبطاريات وشواحن المركبات الكهربائية.
تتصدر أستراليا دول العالم في تبني الطاقة الشمسية على الأسطح. بحلول يونيو 2025، كان قد تم تركيب 4.2 مليون نظام شمسي على الأسطح في جميع أنحاء البلاد، وهو ما يمثل 26.8 جيجاواط من قدرة توليد الطاقة النظيفة المتصلة مباشرة بشبكات الكهرباء المحلية التي تخدم المنازل والشركات.
يساعد هذا التدفق الهائل للطاقة الشمسية في تقليل انبعاثات الكربون، ولكنه يخلق أيضًا تحديات جديدة لمشغلي شبكات الكهرباء. فمصادر الطاقة النظيفة والمستدامة تحل محل الطرق التقليدية لتوليد الكهرباء القائمة على حرق الوقود الأحفوري.
تحديات المد والجزر في الشبكة
يقول الدكتور خوليو براسلافسكي، كبير العلماء الباحثين في هيئة البحوث العلمية والصناعية للكومنولث (CSIRO)، إن أحد أكبر التحديات في الشبكات المحلية التي تحتوي على مستويات عالية من المنازل المعتمدة على الطاقة الشمسية هو ظهور “تقلبات مدّ وجزر” كبيرة في تدفقات الطاقة بين شركات الكهرباء والمنازل.
- “الجزر المنخفض” (Low-Tide): في الأمسيات، تستهلك المنازل عادةً الطاقة، التي تتدفق من محطات التوليد الكبيرة مثل مزارع الرياح، والطاقة الكهرومائية، ومحطات الفحم والغاز. هذا هو وقت “الجزر المنخفض” في تشغيل شبكة الكهرباء المحلية.
- “المدّ العالي” (High-Tide): في منتصف يوم مشمس، يولد حوالي 40% من المنازل الأسترالية طاقتها الخاصة من الألواح الشمسية على الأسطح. عندما يتجاوز توليد الطاقة الشمسية على الأسطح استهلاك المنازل، يتم “تصدير” الطاقة الفائضة، لتعود وتتدفق إلى الشبكة، وتزود المنازل الأخرى وما وراءها. هذا هو وقت “المدّ العالي” في تشغيل شبكة الكهرباء المحلية.
نظرًا لريادة أستراليا العالمية في تركيبات الطاقة الشمسية على الأسطح، يمكن أن يكون هذا الانعكاس في تدفقات الطاقة بين “الجزر” المنخفض و “المدّ” العالي في شبكات الكهرباء الأسترالية هائلاً، مما يدفع تشغيل شبكات الكهرباء المحلية إلى حدود طاقتها القصوى. ففي جنوب أستراليا، غالبًا ما يتم تلبية الطلب على الكهرباء في الولاية بالكامل (100%) من الطاقة الشمسية على الأسطح وحدها خلال أوقات “المدّ العالي”.
اختناق “اختلال التوازن الطوري”
يوضح الدكتور براسلافسكي أن قدرة الشبكات المحلية على تحمل تقلبات المد والجزر هذه بأمان مقيدة أساسًا بظاهرة تعرف تقنيًا باسم “اختلال التوازن الطوري” (Phase Imbalance).
ويشير إلى أن “اختلال التوازن الطوري هو سمة طبيعية لتشغيل الشبكة المحلية ويمثل عدم التساوي في تدفقات الطاقة عبر أقطاب وأسلاك المرافق ذات التيار ثلاثي الأطوار في أي وقت معين”.
ينشأ هذا الاختلال أثناء التشغيل العادي لأن معظم المنازل متصلة بطور واحد (واحد من ثلاثة) ولها أنماط استهلاك/توليد مختلفة على مدار اليوم. ومع ذلك، يزداد الاختلال سوءًا خلال تقلبات المد والجزر الكبيرة في الطاقة الناتجة عن الكثير من الطاقة الشمسية على الأسطح، ويمكن أن يؤدي إلى:
- زيادة في عدم الكفاءة.
- مشاكل في جودة الطاقة.
- ازدحام في الشبكة (تخيل طريقًا سريعًا بثلاثة مسارات، أحدها مزدحم بينما الآخران شبه فارغين).
- قد يؤدي الاختلال الشديد في الطور إلى مشاكل محتملة تتعلق بالسلامة.
المحولات الذكية هي الحل
المحولات (Inverters) هي أجهزة إلكترونية متعددة الاستخدامات تحول الكهرباء ذات التيار المستمر (DC) الناتجة عن الألواح الشمسية إلى كهرباء تيار متردد (AC) تُستخدم في المنازل وعلى الشبكة. لكن المحولات الحديثة يمكنها فعل ما هو أكثر بكثير من مجرد تحويل الطاقة؛ يمكنها أيضًا المساعدة في إدارة كيفية تدفق الكهرباء عبر الشبكة.
بناءً على تعاون سابق، انتقلت CSIRO إلى تطوير واختبار تصاميم مبتكرة لـ محولات الشبكة الذكية التي يمكنها معالجة اختلال التوازن الطوري في الوقت الفعلي وزيادة الاستفادة من الشبكة في شبكات توزيع الكهرباء المحلية.
تعاون عالمي: أستراليا وإندونيسيا
هذا الابتكار ليس مهمًا لأستراليا فقط. في أكتوبر 2024، عرضت CSIRO تقنيتها للمحولات الذكية على قادة الطاقة في جنوب شرق آسيا، بما في ذلك شركة المرافق المملوكة للدولة في إندونيسيا، PLN. تواجه إندونيسيا تحديات مماثلة، مع ارتفاع مستويات عدم الكفاءة ومخاوف السلامة ومشاكل الازدحام الناجمة عن اختلال التوازن الطوري في شبكات التوزيع المحلية لديها.
أعربت شركة PLN عن اهتمامها القوي بالتعاون مع CSIRO لتطوير واختبار نموذج أولي للمحول يمكن أن يساعد في إطلاق المزيد من القدرة للطاقة الشمسية على الأسطح وموارد الطاقة الاستهلاكية الأخرى.
يتم تمويل شراكة CSIRO-PLN من قبل وزارة الشؤون الخارجية والتجارة الأسترالية (DFAT) بهدف إظهار كيف يمكن للمحولات الذكية أن تقلل من الازدحام، وتحسن كفاءة البنية التحتية، وتدعم إزالة الكربون من الكهرباء.
يتضمن المشروع المشترك تصميم واختبار محول الحالة الصلبة الذي يمكنه إعادة موازنة تدفقات الكهرباء ديناميكيًا، ثم محاكاة الأداء باستخدام بيانات واقعية من الشبكات الإندونيسية والأسترالية.
الاختبار والنمذجة والمستقبل
للتأكد من أن هذه المحولات الذكية تعمل على النحو المنشود، يقوم الفريق بتطوير نماذج حاسوبية مفصلة وإجراء اختبارات معملية تحاكي كيفية تصرف المحولات في الظروف الواقعية، بما في ذلك كيفية استجابتها للتوليد الشمسي غير المتساوي أو التغيرات المفاجئة في الطلب.
أظهرت إحدى النتائج المثيرة من عمليات المحاكاة إمكانية هياكل المحولات المبسطة لتقليل اختلال التوازن الطوري عن طريق توفير تيارات تصحيحية. وهذا يفتح الباب أمام حلول فعالة من حيث التكلفة يمكن نشرها على نطاق واسع عبر الشبكة.
أكمل الفريق بالفعل اختبارات معملية منخفضة الطاقة ويستعد لتجارب عالية الطاقة. تتضمن المرحلة التالية اختبارًا للأجهزة في الحلقة في الوقت الفعلي باستخدام سيناريوهات الشبكة الإندونيسية، يليه تقرير فني مشترك واحتمال إجراء عروض ميدانية.
إذا نجح هذا الابتكار، فيمكن أن يساعد أستراليا وإندونيسيا على دمج المزيد من الطاقة الشمسية على الأسطح دون المساس بالموثوقية. ومن المتوقع أن تصل سعة الطاقة الشمسية على الأسطح في أستراليا إلى 72 جيجاواط بحلول عام 2050، حيث سيكون لدى ما يقرب من 80% من المنازل المنفصلة في السوق الوطنية للكهرباء (NEM) ألواح شمسية (مضاعفة المستويات الحالية). ستكون المحولات الذكية، مثل تلك التي يجري تطويرها في هذا المشروع، ضرورية لنجاح هذا المستقبل.
