الطاقة الهجينة

عادة ما يتم إضافة الطاقة الشمسية العائمة إلى الطاقة الكهرومائية القائمة بدلاً من بناء كليهما معًا.

• 
  نظام هجين نموذجي للرياح والطاقة الشمسية
• 
  هجين في زيرجي ، كرواتيا
• 
  نظام هجين صغير يعمل بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح

Another example of a hybrid energy system is a photovoltaic array coupled with a wind turbine.^[7] This would create more output from the wind turbine during the winter, whereas during the summer, the solar panels would produce their peak output. Hybrid energy systems often yield greater economic and environmental returns than wind, solar, geothermal or trigeneration stand-alone systems by themselves.^[8]

Combined use of wind+solar systems results, in many places, in a smoother/cleaner power output since the resources are anti-correlated. Therefore, the combined use of wind and solar systems is crucial for a large-scale grid integration.^[9]

In 2019 in western Minnesota, a $5m hybrid system was installed. It runs 500 kW of solar power through the inverter of a 2 MW wind turbine, increasing the capacity factor and reducing costs by $150,000 per year. Purchase contracts limits the local distributor to a 5% maximum of self-generation.^[10][11]

Solar panels on the already existing wind turbines has been tested, but produced blinding rays of light that posed a threat to airplanes. A solution was to produce tinted solar panels that do not reflect as much light. Another proposed design was to have a vertical axis wind turbine coated in solar cells that are able to absorb sunlight from any angle.^[12]

Other solar hybrids include solar-wind systems. The combination of wind and solar has the advantage that the two sources complement each other because the peak operating times for each system occur at different times of the day and year. The power generation of such a hybrid system is more constant and fluctuates less than each of the two component subsystems.^[13] The world’s largest renewable energy park of 30 GW solar-wind hybrid capacity is under installation in Gujarat.^[14]

يُنتج نظام الطاقة الكهرومائية-الريحية الطاقة الكهربائية من خلال دمج توربينات الرياح وتخزين الطاقة بالضخ . وقد كان هذا الدمج موضوع نقاش طويل الأمد، وقامت شركة نوفا سكوتيا للطاقة بإنشاء محطة تجريبية، اختبرت فيها أيضًا توربينات الرياح، في موقع محطة ريك كوف الكهرومائية التابعة لها في أواخر سبعينيات القرن الماضي، ولكن تم إيقاف تشغيلها في غضون عشر سنوات. ومنذ ذلك الحين، لم يتم تطبيق أي نظام آخر في موقع واحد حتى أواخر عام 2010. ^{[ 15 ]}

تُخصص محطات الطاقة الكهرومائية التي تعمل بطاقة الرياح كل مواردها من طاقة الرياح، أو جزءًا كبيرًا منها، لضخ المياه إلى خزانات التخزين بالضخ. وتُعد هذه الخزانات تطبيقًا لتخزين الطاقة في الشبكة الكهربائية .

تتسم طاقة الرياح وإمكاناتها التوليدية بالتغير بطبيعتها. مع ذلك، عند استخدام هذا المصدر لضخ المياه إلى خزانات مرتفعة (وهو مبدأ التخزين بالضخ)، تصبح طاقة المياه الكامنة مستقرة نسبيًا، ويمكن استخدامها لتوليد الطاقة الكهربائية عن طريق إطلاقها في محطة توليد الطاقة الكهرومائية عند الحاجة. ^{[ 16 ]} وقد وُصف هذا المزيج بأنه مناسب بشكل خاص للجزر غير المتصلة بشبكات الكهرباء الرئيسية. ^{[ 15 ]}

خلال ثمانينيات القرن العشرين، اقتُرح إنشاء محطة طاقة رياح في هولندا. ^{[ 17 ]} وكان من المقرر استخدام بحيرة آيسلمير كخزان مائي، مع وضع توربينات الرياح على سدها. ^{[ 18 ]} وقد أُجريت دراسات جدوى لإنشاء محطات مماثلة في جزيرة راميا ( نيوفاوندلاند ولابرادور ) وفي محمية لوير برول الهندية ( داكوتا الجنوبية ). ^{[ 19 ] [ 20 ]}

دخل تركيب في جزيرة إيكاريا باليونان مرحلة البناء اعتبارًا من عام 2010. ^{[ 15 ]}

من المتوقع أن تُستكمل أول محطة طاقة كهرومائية تعمل بطاقة الرياح في العالم على جزيرة إل هييرو . ^{[ 21 ]} وقد وصفتها قناة Current TV بأنها "مخطط لمستقبل مستدام على كوكب الأرض". صُممت المحطة لتغطية ما بين 80 و100% من احتياجات الجزيرة من الطاقة، وكان من المقرر تشغيلها في عام 2012. ^{[ 22 ]} إلا أن هذه التوقعات لم تتحقق على أرض الواقع، ربما بسبب عدم كفاية حجم الخزانات والمشاكل المستمرة في استقرار الشبكة. ^{[ 23 ]}

تتطلب أنظمة الطاقة المتجددة بنسبة 100% فائضاً في طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية. ^{[ 24 ]}

على الرغم من أن الطاقة الشمسية الكهروضوئية تولد طاقة متقطعة أرخص خلال ساعات النهار، إلا أنها تحتاج إلى دعم من مصادر توليد طاقة مستدامة لتوفير الطاقة على مدار الساعة. تُعد محطات الطاقة الشمسية الحرارية المزودة بوحدات تخزين حرارية من مصادر توليد الطاقة النظيفة والمستدامة لتوفير الكهرباء على مدار الساعة. ^{[ 25 ] [ 26 ]} يمكنها تلبية الطلب على الطاقة بكفاءة عالية، والعمل كمحطات طاقة أساسية عند وجود فائض في الطاقة الشمسية المستخرجة خلال اليوم. ^{[ 27 ]} يمكن لمزيج مناسب من الطاقة الشمسية الحرارية (من نوع التخزين الحراري) والطاقة الشمسية الكهروضوئية أن يلبي تقلبات الطلب بشكل كامل دون الحاجة إلى تخزين البطاريات المكلف. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

خلال النهار، يبلغ استهلاك الطاقة الإضافية لمحطة تخزين الطاقة الشمسية الحرارية حوالي 10% من طاقتها المقدرة لعملية استخلاص الطاقة الشمسية على شكل طاقة حرارية. ^{[ 27 ]} يمكن توفير هذه الطاقة الإضافية من محطة طاقة شمسية كهروضوئية أقل تكلفة، وذلك من خلال إنشاء محطة طاقة شمسية هجينة تجمع بين الطاقة الشمسية الحرارية والطاقة الشمسية الكهروضوئية في الموقع نفسه. ولتحسين تكلفة الطاقة، يمكن توليد الطاقة من محطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الأقل تكلفة (33% من الطاقة المولدة) خلال النهار، بينما يتم توليد الطاقة المتبقية من محطة تخزين الطاقة الشمسية الحرارية (67% من الطاقة المولدة من أبراج الطاقة الشمسية والأحواض المكافئة ) لتلبية احتياجات التشغيل الأساسية على مدار 24 ساعة. ^{[ 30 ]} عندما تُجبر محطة تخزين الطاقة الشمسية الحرارية على التوقف عن العمل بسبب نقص ضوء الشمس محليًا خلال الأيام الغائمة في موسم الرياح الموسمية، فمن الممكن أيضًا استهلاك الطاقة الفائضة/الضعيفة من محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح والطاقة الكهرومائية (على غرار نظام تخزين البطاريات الأقل كفاءة وذو السعة الكبيرة والتكلفة المنخفضة) عن طريق تسخين الملح المنصهر الساخن إلى درجة حرارة أعلى لتحويل الطاقة الحرارية المخزنة إلى كهرباء خلال ساعات ذروة الطلب عندما يكون سعر بيع الكهرباء مربحًا. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

توفر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية إنتاجًا متغيرًا يمكن تخزينه في بطاريات. ومع ذلك، توجد اختلافات كبيرة في الإنتاج على مدار اليوم، وكذلك في العديد من المناطق موسميًا. تساعد البطارية في مواءمة الطاقة مع الحمل. كما يسمح العاكس الشمسي الهجين بتخزين الكهرباء منخفضة التكلفة المسحوبة بتعريفات منخفضة. ^{[ 33 ]} يخزن فائض الطاقة الشمسية ويوفر الطاقة خلال فترات انخفاض الإنتاج أو انقطاع التيار الكهربائي، مما يضمن إمدادًا موثوقًا ومستمرًا بالطاقة مع المساعدة في توفير تكاليف الكهرباء. ^{[ 34 ]}

في عام 2024، كان لدى الولايات المتحدة الأمريكية 288 محطة طاقة شمسية وبطاريات بسعة تخزين تبلغ 7.8 جيجاواط من الطاقة و24.2 جيجاواط ساعة من الطاقة. ^{[ 35 ]}

إحدى طرق تخزين طاقة الرياح هي إنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي للماء . يُستخدم هذا الهيدروجين لاحقًا لتوليد الكهرباء خلال الفترات التي لا تستطيع فيها طاقة الرياح وحدها تلبية الطلب. ويمكن تحويل الطاقة المخزنة في الهيدروجين إلى طاقة كهربائية باستخدام تقنية خلايا الوقود أو محرك احتراق متصل بمولد كهربائي .

إن تخزين الهيدروجين بنجاح ينطوي على العديد من المشكلات التي يجب التغلب عليها، مثل هشاشة المواد المستخدمة في نظام الطاقة.

يجري تطوير هذه التقنية في العديد من البلدان. ​​في عام 2007، شملت مواقع اختبار هذه التقنية ما يلي:

يجمع نظام الطاقة الهجين الذي يعمل بالرياح والديزل بين مولدات الديزل وتوربينات الرياح، ^{[ 45 ]} وعادةً ما يُضاف إليه معدات مساعدة مثل وحدات تخزين الطاقة ومحولات الطاقة ومكونات التحكم المختلفة، لتوليد الكهرباء. صُممت هذه الأنظمة لزيادة القدرة الإنتاجية وتقليل التكلفة والأثر البيئي لتوليد الكهرباء في المجتمعات والمنشآت النائية غير المتصلة بشبكة الكهرباء . ^{[ 45 ]} كما تُقلل أنظمة الطاقة الهجينة التي تعمل بالرياح والديزل من الاعتماد على وقود الديزل، الذي يُسبب التلوث ويُعد نقله مكلفًا. ^{[ 45 ]}

في الآونة الأخيرة، قامت صناعة التعدين في شمال كندا بإنشاء أنظمة طاقة هجينة تعمل بالرياح والديزل. وفي مواقع نائية مثل لاك دي غراس في الأقاليم الشمالية الغربية لكندا، وكاتينيك في شبه جزيرة أونغافا في نونافيك، يُستخدم نظامان لتوفير الوقود في المناجم. ويوجد نظام آخر في الأرجنتين. ^{[ 46 ]}

تُعدّ طاقة الرياح والطاقة الشمسية مصادر طاقة متجددة متغيرة ، وليست ثابتة مثل طاقة الحمل الأساسي ، ويمكن لمحطة توليد الطاقة بالهيدروجين ذات الدورة المركبة أن تساعد مصادر الطاقة المتجددة من خلال التقاط الطاقة الزائدة، باستخدام التحليل الكهربائي ، عندما تنتج فائضاً، وذلك لسدّ النقص عندما لا تنتج ما يكفي. ^{[ 47 ]}

في محطات توليد الطاقة التي تستخدم تخزين الطاقة بالهواء المضغوط (CAES)، تُستخدم الطاقة الكهربائية لضغط الهواء وتخزينه في منشآت تحت الأرض، مثل الكهوف أو المناجم المهجورة. وخلال فترات ارتفاع الطلب على الكهرباء، يُطلق الهواء لتشغيل التوربينات، عادةً باستخدام الغاز الطبيعي كمصدر إضافي . ^{[ 48 ]} وتعمل محطات توليد الطاقة التي تستخدم تقنية تخزين الطاقة بالهواء المضغوط على نطاق واسع في ماكنتوش، ألاباما ، وألمانيا، واليابان. ^{[ 49 ]} تشمل عيوب هذا النظام بعض الفاقد من الطاقة في عملية تخزين الطاقة بالهواء المضغوط؛ كما أن الحاجة إلى استخدام الوقود الأحفوري، مثل الغاز الطبيعي، كمصدر إضافي للطاقة تعني أن هذه الأنظمة لا تستفيد بشكل كامل من الطاقة المتجددة. ^{[ 50 ]}

سيستخدم مجمع الطاقة المخزنة في ولاية أيوا، والمتوقع أن يبدأ تشغيله التجاري في عام 2015، مزارع الرياح في ولاية أيوا كمصدر للطاقة بالاشتراك مع نظام تخزين الطاقة بالهواء المضغوط. ^{[ 51 ]}

كما أن الجمع بين الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية ممكن أيضاً. ^{[ 52 ]}

يُعدّ نظام الديزل الهجين الكهروضوئي أحد الأنواع الشائعة، ^{[ 53 ] [ 54 ]} حيث يجمع بين الخلايا الكهروضوئية ومولدات الديزل ، أو مجموعات مولدات الديزل، نظرًا لانخفاض التكلفة الحدية للخلايا الكهروضوئية تقريبًا ومنحها الأولوية في الشبكة . وتُستخدم مجموعات مولدات الديزل لسد الفجوة باستمرار بين الحمل الحالي والطاقة المولدة فعليًا من نظام الخلايا الكهروضوئية. ^{[ 55 ]}

نظراً لتقلبات الطاقة الشمسية، ومحدودية قدرة توليد الطاقة في مولدات الديزل ضمن نطاق معين، يُعدّ تضمين تخزين البطاريات خياراً عملياً في كثير من الأحيان لتحسين مساهمة الطاقة الشمسية في إجمالي توليد الطاقة للنظام الهجين. ^{[ 55 ] [ 56 ]}

تُوجد أفضل فرص الأعمال لتقليل استهلاك الديزل باستخدام الطاقة الشمسية وطاقة الرياح عادةً في المناطق النائية، لأن هذه المواقع غالبًا ما تكون غير متصلة بشبكة الكهرباء، كما أن نقل الديزل لمسافات طويلة مكلف. ^{[ 57 ]} ويمكن إيجاد العديد من هذه التطبيقات في قطاع التعدين ، ^{[ 58 ]} وفي الجبال لأنظمة الاتصالات اللاسلكية والبيانات، وفي الجزر. ^{[ 55 ] [ 59 ] [ 60 ]}

يُشترط تشغيل مولدات الديزل في الغالب ليلاً، عندما لا تُزوّد ​​الألواح الكهروضوئية البطاريات بالشحن. في المناطق الجبلية، قد يُشكّل هذا مشكلة كبيرة، إذ لا تُجيد محركات الديزل التشغيل وتحمّل الأحمال في درجات الحرارة المنخفضة، مما يُؤدي غالبًا إلى فشل التشغيل. عادةً ما تُسخّن محركات الديزل كهربائيًا مسبقًا في وضع الاستعداد. لا يُمكن استخدام مُسخّن كهربائي مسبق في أنظمة الطاقة الهجينة التي تعمل بالطاقة الشمسية والديزل، لأنّه سيستهلك كمية كبيرة من شحنة نظام البطاريات.

في عام ٢٠١٥، خلصت دراسة حالة أُجريت في سبع دول إلى إمكانية خفض تكاليف توليد الطاقة في جميع الحالات من خلال دمج الشبكات المصغرة والشبكات المعزولة. ومع ذلك، تُعد تكاليف تمويل شبكات الكهرباء التي تعمل بالديزل والمزودة بأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بالغة الأهمية، وتعتمد بشكل كبير على هيكل ملكية محطة توليد الطاقة. وبينما يمكن أن تكون تخفيضات التكاليف كبيرة بالنسبة لشركات المرافق المملوكة للدولة، فقد أشارت الدراسة أيضًا إلى أن الفوائد الاقتصادية قصيرة الأجل ضئيلة أو حتى سلبية بالنسبة لشركات المرافق غير الحكومية، مثل منتجي الطاقة المستقلين ، نظرًا للتكاليف التاريخية في وقت إجراء الدراسة. ^{[ ٦١ ] [ ٦٢ ]}

قد يكون من الممكن إضافة طاقة الأمواج إلى طاقة الرياح والطاقة الشمسية. ^{[ 63 ]}