يمكن لمنزلين أن تكون لديهما ألواح شمسية وبطاريات متشابهة، ومع ذلك يتصرفان بصورة مختلفة جدًا عند تعطل مرفق الكهرباء. أحدهما ينقطع عنه التيار، بينما يبقي الآخر عددًا قليلًا من الدوائر الأساسية قيد التشغيل. وفي عقار بعيد لا يتصل بمرفق كهرباء، لا يكون الحدث نفسه ذا صلة لأن الموقع يعمل بالفعل على شبكته الكهربائية الخاصة.
لا يكمن الفرق في حجم البطارية فقط. فمصطلحات المتصل بالشبكة وخارج الشبكة والهجين تصف علاقات مختلفة مع شبكة المرافق. ولفهمها، اطرح ثلاثة أسئلة: هل الشبكة موجودة أثناء التشغيل العادي؟ ما الذي يحدد الجهد والتردد عند غيابها؟ وما مصادر الطاقة التي يمكنها إبقاء الأحمال مزودة بالطاقة؟
يعمل التخزين المتصل بالشبكة إلى جانب مرفق الكهرباء
يعمل النظام المتصل بالشبكة، أو المرتبط بها، بالتوازي مع شبكة الكهرباء العامة. وتوفر الشبكة جهدًا وترددًا AC مستقرين لتطابقهما المعدات المتبعة للشبكة. كما تغطي الفرق بين العرض والطلب المحليين: إذ يمكن للموقع استيراد الكهرباء عندما لا يكفي إنتاج الطاقة الشمسية والبطارية، وقد يصدر الطاقة الفائضة حيثما تسمح القواعد المحلية.
قد تخزن البطارية المتصلة بالشبكة فائض الطاقة الشمسية، أو تنقل الاستهلاك إلى وقت آخر، أو تستجيب لجدول تشغيل. ولذلك لا تعني عبارة «متصل بالشبكة» «طاقة شمسية بلا بطارية». بل تعني أن نظام التخزين مصمم للتفاعل مع شبكة مرافق متاحة أثناء التشغيل العادي.
ولا يوفر ذلك الاتصال نسخًا احتياطيًا تلقائيًا. إذ وزارة الطاقة الأمريكية يوضح أن العواكس التقليدية المتبعة للشبكة تستخدم الشبكة كمرجع لشكل الموجة، وتنفصل عندما تخرج الاضطرابات بدرجة كافية عن نطاقها المسموح به. دليل تطبيقات UL لأنظمة العواكس يميز بالمثل بين المعدات التفاعلية مع المرافق والمعدات المستقلة ومتعددة الأوضاع، ويصف حماية منع التشكل الجزيري التي تمنع استمرار التصدير بعد انقطاع المرافق.
ونتيجة لذلك، قد تكون بطارية مشحونة موجودة فعليًا بينما يظل المبنى فاقدًا للكهرباء. ويتطلب الاستمرار في تغذية الأحمال المحلية نظامًا مصممًا للانفصال عن الشبكة المتعطلة والعمل كجزيرة مقصودة. تجيب سعة البطارية عن مقدار الطاقة المتاحة؛ لكنها لا تثبت أن التركيب قادر على استخدام تلك الطاقة أثناء الانقطاع.
يتطلب التشغيل خارج الشبكة مرجعًا كهربائيًا محليًا
لا تعتمد المنظومة خارج الشبكة على شبكة عامة. وحيث يزود الموقع أحمالًا AC، يجب على المعدات داخل النظام تحديد الجهد والتردد المحليين مع بقاء التوليد والتخزين والطلب متوازنة لحظة بلحظة. وفي نظام قائم على العواكس، يؤدي هذا الدور عادةً جهاز قادر على تشكيل الشبكة أو العمل المستقل، بدلًا من عاكس تقليدي متبع للشبكة.
تساعد البطارية والعاكس معًا على إدارة الاختلالات القصيرة والطويلة الأجل. فيمكنهما الاستجابة عند بدء تشغيل محرك أو عندما تقلل سحابة خرج PV، ثم حمل الأحمال بعد غروب الشمس. ومع ذلك، فهما جزء فقط من نظام الإمداد. وقد تسهم الطاقة الشمسية أو الرياح أو الطاقة الكهرومائية أو مولد يعمل بالوقود بالطاقة، ويجب على نظام التحكم تنسيق الشحن والتفريغ والتوليد ومستويات الاحتياطي، وكذلك فصل الأحمال غير الأساسية حيثما يسمح التصميم بذلك.
لهذا السبب، يتطلب التصميم خارج الشبكة أكثر من إضافة بطارية كبيرة. فيجب أن يغطي التصميم أعلى طلب متزامن بين الأحمال المراد خدمتها، وأن يحمل تلك الأحمال خلال الفجوات المتوقعة في التوليد المتجدد باستخدام الطاقة المخزنة وأي مصدر محلي قابل للتشغيل حسب الطلب. ويؤثر التوليد الموسمي وتقلبات الطقس ونمو الأحمال وفواقد المعدات وهوامش الاحتياطي جميعها في النتيجة.
لا يجعل المولد الخارجي النظام «متصلًا بالشبكة». إذ يظل خارج الشبكة ما دام غير متصل بالمرفق العام. و برنامج أنظمة الطاقة الكهروضوئية التابع للوكالة الدولية للطاقة يوثق أنظمة خارج الشبكة تجمع بين PV والبطاريات ومجموعات المولدات، بينما وثائق SMA لأنظمة التشغيل المستقل تقدم مثالًا ملموسًا لعاكس بطارية يشكل الشبكة المحلية وينسق البطاريات والمولدات والأحمال. وفي هذا السياق، يكون المولد مصدرًا محليًا آخر للطاقة، ويُحتفظ به غالبًا للفترات التي لا يكفي فيها التوليد المتجدد والطاقة المخزنة.
يصف «الهجين» القدرة، لا نتيجة مضمونة
لأغراض هذه المقارنة، يعني الهجين نظام تخزين متصلًا بالشبكة ومخصصًا لدعم أكثر من وضع تشغيل واحد. وعند توافر المرفق، يمكنه الاستيراد والتصدير والشحن والتفريغ وفقًا لأهداف الموقع والقواعد المحلية. وعند اكتشاف انقطاع، يمكن لتهيئة قادرة على النسخ الاحتياطي عزل الدوائر المحمية وإنشاء مصدر محلي. وتوضح إرشادات المرونة الصادرة عن DOE أن أنظمة الطاقة الشمسية مع التخزين تتحول إلى وضع معزول بعد فقدان طاقة الشبكة، ثم تعيد الاتصال عند عودة الخدمة.
ومع ذلك، يُستخدم لفظ «هجين» على نحو فضفاض. فتقرير IEA PVPS، على سبيل المثال، يستخدم أيضًا «نظام PV الهجين» للتركيبات خارج الشبكة التي تجمع بين PV والبطاريات والتوليد بالديزل. وعمليًا، يترك هذا الوصف عدة أسئلة دون إجابة: أي الدوائر تظل مزودة بالطاقة، ومدى سرعة حدوث التحويل، وما إذا كان العاكس قادرًا على بدء جزيرة ودعمها دون المرفق.
يجب التحقق من تلك الوظائف على مستوى النظام. ويتطلب تركيب النسخ الاحتياطي العامل قدرة مناسبة لتحويل القدرة، ومعدات عزل أو تحويل، وبطاريات وعناصر تحكم متوافقة، وحدًا محددًا لأحمال النسخ الاحتياطي. تدعم بعض الأنظمة مخرجًا مخصصًا للأحمال الأساسية فقط؛ بينما يمكن تصميم أنظمة أخرى لجزء أكبر من المبنى. وتؤثر طاقة البطارية المتاحة في مدة التشغيل، بينما تحدد قدرة العاكس وتصميم الدوائر المدعومة احتياطيًا الأحمال التي يمكن تشغيلها معًا.
بهذه الرؤية، تصف الفئات الثلاث ترتيبات التشغيل بدلًا من درجات المنتجات. وقد يكفي نظام متصل بالشبكة حيث تكون خدمة المرفق موثوقة ولا تكون تغذية الانقطاعات ضرورية. ويحتاج الموقع الذي لا تتوافر له مرافق عامة إلى شبكة طاقة مكتفية ذاتيًا. أما الموقع المتوقع أن يستخدم الشبكة بصورة عادية ويبقي أحمالًا مختارة قيد التشغيل أثناء الانقطاعات، فيحتاج إلى تهيئة متعددة الأوضاع تم التحقق منها. وتعد قدراته على التشكل الجزيري والتحويل ودعم الأحمال والتحكم أكثر إفادة من الفئة المطبوعة على العاكس.
