كيف يمكن لــ”خوارزمية التوافق المتوسط” تحسين عمر أنظمة تخزين الطاقة بواسطة العجلات الطائرة؟

في خطوة مبتكرة نحو تحسين تقنيات تخزين الطاقة، قام فريق من العلماء في جامعة منغوليا الداخلية للتكنولوجيا في الصين بتطوير خوارزمية التوافق المتوسط (Average Consensus Algorithm)، التي تهدف إلى تحسين التحكم المنسق في أنظمة تخزين الطاقة بواسطة العجلات الطائرة (Flywheel Energy Storage Systems – FESAS)  وتمديد عمرها الافتراضي

تقنيات تخزين الطاقة: مقارنة بين العجلات الطائرة وأنظمة أخرى

تعتبر أنظمة تخزين الطاقة بواسطة العجلات الطائرة من التقنيات المتقدمة التي تتمتع بمزايا ملحوظة مقارنةً بأنظمة تخزين الطاقة الأخرى مثل الطاقة المائية وأنظمة تخزين الهواء المضغوط.  يتميز نظام FESAS  بقيم أعلى للقدرة والطاقة، كثافة القدرة والطاقة، الكفاءة، معدل التفريغ الذاتي، وتكاليف الطاقة، مما يجعله أكثر كفاءة مقارنة بالأنظمة الأخرى.

ومع ذلك، يعاني نظام FESAS من بعض التحديات مثل قصر العمر الافتراضي مقارنة بأنظمة أخرى. لكن ما يميز هذه الأنظمة هو تأثيرها البيئي المنخفض جداً، في حين أن أنظمة تخزين الطاقة المائية والهواء المضغوط لها تأثير بيئي متوسط إلى منخفض، وفي بعض الحالات تأثير عالي إلى متوسط.

كيف تعمل العجلات الطائرة في تخزين الطاقة؟

تعمل العجلات الطائرة على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية والعكس عن طريق دوران المحرك السريع. في عملية الشحن، يقوم المحرك بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية دورانية للعجلة الطائرة، مما يزيد من سرعتها الزاويّة. وفي عملية التفريغ، يقوم المولد بتحويل الطاقة الحركية الدورانية إلى طاقة كهربائية، مما يؤدي إلى تقليل السرعة الزاويّة للعجلة.

الخوارزمية الجديدة: التوافق المتوسط لتوازن الطاقة

الخوارزمية الجديدة التي تم تطويرها تعتمد على مصفوفة بيرون الاستوكاستية المزدوجة، وهي خوارزمية تعتمد على الخوارزمية التكرارية للتوازن (Error-Balancing Iterative Algorithm)  ، وتقوم هذه الخوارزمية بتسهيل التقارب بين المتغيرات المساعدة نحو التوافق المتوسط، مما يساعد على تقليل الطاقة غير المتوازنة في النظام.

ويتميز هذا النهج بكفاءة حسابية منخفضة وتقارب سريع، مع إمكانية تشغيل كل عجلة طائرة بشكل مستقل، مما يساعد في تجنب فشل النظام الناتج عن نقطة واحدة، ويعزز من موثوقية النظام بشكل عام.

الفوائد الرئيسية: تقليل الأخطاء وتحسين التوافق

واحدة من أهم مزايا هذه الخوارزمية هي تقليل الأخطاء عن طريق توزيعها بشكل متساوٍ، مما يجعل مجموع العناصر في الصفوف والأعمدة للمصفوفة أقرب إلى 1، وبالتالي يقلل من تراكم الأخطاء. كما أن بناء مصفوفات بيرون الاستوكاستية المزدوجة يعزز من انتشار المعلومات بشكل أكثر اتساقاً، مما يساهم في تحسين فعالية واستقرار الخوارزمية.

اختبارات محاكاة وتحليل النتائج

تم اختبار الخوارزمية الجديدة من خلال سلسلة من المحاكاة على مزرعة رياح متصلة بـ ست عجلات طائرة بقدرة 250 كيلو واط لكل واحدة، بسعة تخزين للطاقة تصل إلى 50  كيلو واط ساعة وسرعة دوران قصوى تبلغ 7,200  دورة في الدقيقة. أظهرت النتائج أن النظام يتحسن بشكل أسرع عند زيادة معامل التقارب ضمن نطاق معين، حيث يمكن للمتغيرات المساعدة في الهيكل غير الموجه أن تتقارب إلى التوافق المتوسط، مما يعزز التوازن بين الطاقة.

تطبيقات الخوارزمية في تخزين الطاقة

تشير الدراسة إلى أن الخوارزمية الجديدة يمكن استخدامها أيضاً في تخزين الطاقة بالبطاريات والمكثفات الفائقة، وأيضاً في أنظمة الطاقة الموزعة، مما يفتح آفاقاً واسعة لتحسين كفاءة وموثوقية هذه الأنظمة في تطبيقات الطاقة المتجددة.

للاطلاع على تفاصيل الدراسة من هنا