مع وصول الصيف ، يقوم الناس بتشغيل مكيفات الهواء في معظم الولايات المتحدة ولكن إذا كنت مثلي ، فأنت دائمًا تشعر بالذنب تجاه ذلك. تمكنت الأجيال الماضية من دون تكييف الهواء – هل أحتاجها حقًا؟ وما مدى سوء استخدام كل هذه الكهرباء للتبريد في عالم الاحترار؟

إذا تركت مكيف الهواء الخاص بي ، أشعر بالحرارة. ولكن إذا قام الجميع بتشغيل مكيف الهواء الخاص بهم في نفس الوقت ، فإن طفرات الطلب على الكهرباء ، والتي يمكن أن تجبر مشغلي شبكة الطاقة على تنشيط بعض أغلى وأروس محطات توليد الطاقة. في بعض الأحيان ، يمكن أن تطلب تلك المسامير الكثير من الشبكة وتؤدي إلى Brownouts أو انقطاع التيار الكهربائي.

بحث أنا نشرت مؤخرًا مع فريق من العلماء يجعلني أشعر بتحسن قليلاً. لقد وجدنا أنه من الممكن تنسيق تشغيل أعداد كبيرة من وحدات تكييف الهواء المنزلية، موازنة العرض والطلب على شبكة الطاقة – وبدون جعل الناس يتحملون درجات حرارة عالية داخل منازلهم.

دراسات على هذا الخطوط ، باستخدام التحكم عن بعد في مكيفات الهواء لدعم الشبكة ، لديك لسنوات عديدة استكشاف الاحتمالات النظرية مثله. ومع ذلك ، فقد تم إثبات قلة من الأساليب في الممارسة العملية وليس لمثل هذا التطبيق ذي القيمة العالية وعلى هذا النطاق. النظام الذي قمنا بتطويره ، لم يثبت فقط القدرة على موازنة الشبكة على المدى الزمني للثواني ، ولكن أثبت أيضًا أنه من الممكن القيام بذلك دون التأثير على راحة السكان.

تشمل الفوائد زيادة موثوقية شبكة الطاقة ، مما يجعل من الأسهل على الشبكة قبول المزيد من الطاقة المتجددة. هدفنا هو تحويل مكيفات الهواء من تحد لشبكة الطاقة إلى أصل ، ودعم التحول عن الوقود الأحفوري نحو الطاقة الأنظف.

معدات قابلة للتعديل

يركز بحثي على البطاريات والألواح الشمسية والمعدات الكهربائية – مثل السيارات الكهربائية وسخانات المياه ومكيفات الهواء ومضخات الحرارة – التي يمكنها ضبط نفسها ل تستهلك كميات مختلفة من الطاقة في أوقات مختلفة.

في الأصل ، الولايات المتحدة تم بناء شبكة كهربائية لنقل الكهرباء من محطات الطاقة الكبيرة إلى منازل العملاء والشركات. والأصل ، كانت محطات الطاقة كبيرة ، وكانت عمليات مركزية محترقة الفحم أو الغاز الطبيعي ، أو الطاقة التي تم حصادها من التفاعلات النووية. كانت هذه النباتات متوفرة دائمًا ويمكنها ضبط مقدار الطاقة التي تم إنشاؤها استجابةً لطلب العملاء ، وبالتالي فإن الشبكة ستكون متوازنة بين الطاقة القادمة من المنتجين ويستخدمونها من قبل المستهلكين.

لكن الشبكة تغيرت. هناك المزيد من مصادر الطاقة المتجددة، من أي الطاقة غير متوفرة دائمًا – مثل الألواح الشمسية في الليل أو توربينات الرياح في أيام هادئة. وهناك الأجهزة والمعدات التي أدرسها. هذه الخيارات الأحدث ، التي تسمى “موارد الطاقة الموزعة” ، تولد أو تخزين الطاقة بالقرب من المكان الذي يحتاجه المستهلكون – أو ضبط مقدار الطاقة التي يستخدمونها في الوقت الفعلي.

لم يتغير أحد جوانب الشبكة ، على الرغم من: لا يوجد الكثير من التخزين المدمج في النظام. لذلك في كل مرة تقوم فيها بتشغيل الضوء ، للحظة ، لا يوجد ما يكفي من الكهرباء لتزويد كل ما يريدها في ذلك الوقت: تحتاج الشبكة إلى منتج طاقة لتوليد قوة أكثر بقليل. وعندما تقوم بإطفاء الضوء ، هناك القليل جدًا: يحتاج منتج الطاقة إلى انخفاض.

الطريقة التي تعرف بها محطات الطاقة ما هي التعديلات في الوقت الفعلي المطلوب هي مراقبة تردد الشبكة بشكل وثيق. الهدف من ذلك هو توفير الكهرباء بتردد ثابت – 60 هيرتز – في جميع الأوقات. إذا كانت هناك حاجة إلى طاقة أكثر مما يتم إنتاجه ، فإن انخفاض التردد ومحطة توليد الطاقة يعزز الناتج. إذا كان هناك الكثير من الطاقة التي يتم إنتاجها ، فإن التردد يرتفع ومحطة توليد الطاقة يبطئ الإنتاج قليلاً. هذه الإجراءات ، وهي عملية تسمى “تنظيم التردد” ، تحدث في غضون ثوان للحفاظ على توازن الشبكة.

هذه المرونة في الإخراج ، في المقام الأول من محطات الطاقة ، هي مفتاح الحفاظ على الأنوار للجميع.

إيجاد خيارات جديدة

أنا مهتم بكيفية قيام موارد الطاقة الموزعة بتحسين المرونة في الشبكة. يمكنهم إطلاق المزيد من الطاقة ، أو يستهلكون أقل ، للرد على العرض المتغير أو الطلب ، والمساعدة في تحقيق التوازن بين الشبكة ، وضمان بقاء التردد بالقرب من 60 هيرتز.

يخشى بعض الناس أن القيام بذلك قد يكون غازيًا ، والعطاء شخص ما خارج منزلك القدرة على التحكم في البطارية أو مكيف الهواء. لذلك ، أردنا أن نرى ما إذا كان بإمكاننا المساعدة في تحقيق التوازن بين الشبكة مع تنظيم التردد باستخدام وحدات تكييف الهواء المنزلية بدلاً من محطات الطاقة-دون التأثير على كيفية استخدام السكان أجهزتهم أو مدى راحةهم في منازلهم.

من 2019 إلى 2023 ، جربت مجموعتي في جامعة ميشيغان هذا النهج ، بالتعاون مع الباحثين في Pecan Street Inc. ومختبر لوس ألاموس الوطني وجامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، بتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة.

قمنا بتوظيف 100 من مالكي المنازل في أوستن ، تكساس ، لإجراء اختبار حقيقي لنظامنا. كان لدى جميع المنازل أنظمة التبريد في الهواء القسري بالكامل ، والتي قمنا بتوصيلها بألواح التحكم المخصصة وأجهزة الاستشعار التي سمح لنا المالكون بتثبيتها في منازلهم. يتيح لنا هذه الجهاز إرسال تعليمات إلى وحدات تكييف الهواء بناءً على تواتر الشبكة.

قبل أن أشرح كيف يعمل النظام ، أحتاج أولاً إلى شرح كيفية عمل الحرارة. عندما يقوم الأشخاص بتعيين ترموستات ، فإنهم يختارون درجة حرارة ، وتبديل ترموستات ضاغط تكييف الهواء وإيقافه للحفاظ على درجة حرارة الهواء داخل نطاق صغير حول تلك النقطة المحددة. إذا تم تعيين درجة الحرارة عند 68 درجة ، فإن ترموستات تدير التيار المتردد عندما تكون درجة الحرارة ، على سبيل المثال ، 70 ، وتطلقها عندما يتم تبريدها إلى 66.

كل ثوانٍ قليلة ، غير نظامنا قليلاً توقيت تبديل ضاغط تكييف الهواء لبعض مكيفات الهواء 100 ، مما تسبب في تغيير استهلاك الطاقة الإجمالي للوحدات. وبهذه الطريقة ، كانت رد فعل مجموعتنا الصغيرة من مكيفات الهواء المنزلية على الشبكة تغير الطريقة التي ستؤدي بها محطة توليد الكهرباء – باستخدام طاقة أكثر أو أقل لموازنة الشبكة والحفاظ على التردد بالقرب من 60 هيرتز.

علاوة على ذلك ، تم تصميم نظامنا للحفاظ على درجات حرارة المنزل ضمن نفس نطاق درجة الحرارة الصغيرة حول نقطة المجموعة.

اختبار النهج

قمنا بتشغيل نظامنا في أربعة اختبارات ، كل منها تدوم ساعة واحدة. وجدنا نتائج مشجعة.

أولاً ، تمكن مكيفات الهواء من توفير تنظيم التردد على الأقل بدقة مثل محطة توليد الكهرباء التقليدية. لذلك ، أظهرنا أن مكيفات الهواء يمكن أن تلعب دورًا مهمًا في زيادة مرونة الشبكة. ولكن ربما الأهم من ذلك – على الأقل من حيث تشجيع الناس على المشاركة في هذه الأنواع من الأنظمة – وجدنا أننا تمكنا من القيام بذلك دون التأثير على راحة الناس في منازلهم.

وجدنا أن درجات حرارة المنزل لم ينحرف أكثر من 1.6 فهرنهايت من نقطة المجموعة. سُمح لمالكي المنازل بتجاوز الضوابط إذا لم يكونوا غير مريحين ، لكن معظمهم لم يفعلوا ذلك. بالنسبة لمعظم الاختبارات ، تلقينا طلبات تجاوز صفر. في أسوأ الحالات ، تلقينا طلبات تجاوز من اثنين من 100 منزل في اختبارنا.

في الممارسة العملية ، يمكن إضافة هذا النوع من التكنولوجيا إلى ترموستات متوفرة متوفرة تجاريا عبر الإنترنت. في مقابل الحصول على الاعتمادات على فواتير الطاقة الخاصة بهم ، يمكن للمستخدمين اختيار الانضمام إلى خدمة تديرها شركة ترموستات أو مزود المرافق أو بعض الطرف الثالث.

ثم يمكن للناس تشغيل تكييف الهواء في حرارة الصيف دون أن يكون هذا الذنب ، مع العلم أنهم كانوا يساعدون في جعل الشبكة أكثر موثوقية وأكثر قدرة على استيعاب مصادر الطاقة المتجددة – دون التضحية بالراحة الخاصة بهم في هذه العملية.

جوهانا ماثيو، أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر ، جامعة ميشيغان. تم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة العموم الإبداعية. اقرأ المقالة الأصلية.