هل يساعد الذكاء الاصطناعي في تحسين تصميم أنظمة الطاقة بالمنازل الذكية؟
مقدمة: من الوقود الأحفوري إلى الإدارة الذكية للطاقة
في ظل التزايد الملحوظ في القلق البيئي الناتج عن الاعتماد الكبير على الوقود الأحفوري في إنتاج الطاقة الكهربائية، ومع الحاجة المستمرة إلى تحسين كفاءة استهلاك الطاقة وتخفيض التكاليف ضمن سوق تنافسي للطاقة، اتجهت أنظار صُنّاع القرار في قطاع الكهرباء نحو تطوير مولدات صغيرة الحجم، خصوصًا تلك المعتمدة على مصادر الطاقة المتجددة. ضمن هذا السياق، برزت أنظمة إدارة الطاقة المنزلية (HEMS) كحل فعال لإدماج موارد الطاقة الموزعة مثل الألواح الشمسية على الأسطح، وأنظمة البطاريات الذكية، والأجهزة القابلة للجدولة، بهدف تحسين استخدام الطاقة وتقليل التكاليف وتحقيق استقلالية أكبر عن شبكة الكهرباء.
الهدف: تحسين التخطيط والتشغيل تحت ظروف عدم اليقين
رغم التقدم في تقنيات HEMS، لا تزال الكثير من الدراسات تُعالج التخطيط لقدرات أنظمة الطاقة مثل PV وBESS وتوقيت تشغيل الأجهزة بشكل منفصل، دون مراعاة التفاعل الديناميكي بينهما. وفي ظل تقلبات إنتاج الطاقة الشمسية، وتغير أسعار الكهرباء، واحتمالات انقطاع الشبكة، يصبح من الضروري تطوير نماذج تأخذ هذه الشكوك المتعددة في الحسبان.
في هذا الإطار، قدّم فريق بحثي من جامعة بابل نوشيرواني للتكنولوجيا في إيران إطارًا جديدًا يعتمد على نموذج برمجة خطية مختلطة (MILP) من مرحلتين، لتحديد السعة المثلى لكل من أنظمة PV وBESS داخل المنازل الذكية، بما يحقق أقل تكلفة سنوية ممكنة، مع ضمان راحة المستخدم واستمرارية الخدمة.
مكونات الإطار التحليلي: من البيانات إلى القرارات
يتكوّن النموذج المقترح من مرحلتين رئيسيتين:
- المرحلة الأولى: تحديد القدرة المثلى لكل من نظام PV ونظام البطارية (BESS) كمُدخلات تخطيطية.
- المرحلة الثانية: جدولة تشغيل الأجهزة الكهربائية (القابلة للتأجيل وغير القابلة للتأجيل) وأنظمة الطاقة وفقًا للبيانات الزمنية والأسعار.
وقد شمل التحليل ست حالات تشغيل مختلفة، تأخذ في الحسبان تأثير كل من:
- وجود نظام جدولة فقط
- دمج PV وBESS بدون جدولة
- إدماج الشكوك المتعلقة بإنتاج الطاقة الشمسية
- إدماج أسعار السوق
- إدماج احتمالات انقطاع الشبكة
- إدماج كافة الشكوك المذكورة في آنٍ واحد
نتائج المحاكاة: دمج التخطيط مع الجدولة يُحقق أفضل أداء
باستخدام محاكاة لبيانات منزل ذكي على مدار عام، وضمن سيناريوهات متغيرة، تم التوصل إلى النتائج التالية:
- الحالة 6 (أكثر الحالات تعقيدًا) حققت أقل تكلفة سنوية بقيمة 1,468.49 دولار، باستخدام نظام شمسي بسعة 1 ك.و وبطارية 0.5 ك.و.س.
- الحالة 5 (تقلب الأسعار فقط): اعتمدت فقط على تخزين الطاقة (5 ك.و.س) دون استخدام الألواح الشمسية.
- النتائج الأخرى بيّنت أن التكامل بين الجدولة الذكية والقدرات المحددة بعناية يؤدي إلى توازن مثالي بين الكفاءة، التكاليف، وراحة المستخدم.
من المثير للاهتمام أن السيناريوهات ذات السعات الصغيرة والمراقبة الذكية تفوقت على السيناريوهات التي استخدمت قدرات كبيرة بدون ذكاء تحكم.
دلالات استراتيجية: المستقبل في النماذج الذكية المتكاملة
تشير الدراسة إلى أن استراتيجية التشغيل داخل المنزل تُعد عاملًا حاسمًا في تحديد حجم الأنظمة المثلى، وليس فقط الاعتبارات التقنية أو الاقتصادية المعزولة. وبالتالي، فإن منهجيات التصميم يجب أن تنتقل من النظرة الجامدة (Fixed Sizing) إلى النهج الديناميكي الذي يدمج الجدولة والتخطيط تحت عدم اليقين.
كما أن دمج الموارد المتجددة والتخزين داخل المنازل لا يُسهم فقط في تقليل التكاليف، بل يُمكّن أيضًا من تقديم خدمات للشبكة مثل استجابة الطلب، والتخفيف من ذروة الأحمال، وتحقيق استقلالية الطاقة.
خاتمة: التخطيط الذكي هو حجر الأساس لمنازل المستقبل
تُقدّم هذه الدراسة إطارًا متكاملًا لإدارة الطاقة المنزلية يأخذ في الحسبان الجدولة اليومية، وقدرات الموارد، والشكوك المحيطة بالإنتاج والأسعار وتوافر الشبكة. وهي تؤكد على أن دمج الذكاء الاصطناعي، والبرمجة الرياضية، والبيانات الزمنية هو السبيل الأمثل نحو منازل ذكية منخفضة التكاليف وأكثر استقلالية وأعلى كفاءة.
📚 المصدر:
Taghi Barforoushi, Ali Zahani, Sepideh Saravani Ghayour, Optimizing the capacity of photovoltaic resources and battery storage in smart homes considering impact of scheduling of appliances and grid availability, Energy, 2025, 137376, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.137376
