تتبع أقصى قدرة مستند إلى خوارزمية المجموعات الاجتماعية مقترن بمحوّل رنان بتحويل طور لشحن البطارية عبر أنظمة الطاقة الشمسية ذات التظليل الجزئي

لماذا يهم الشحن الشمسي الأكثر ذكاءً

مع ازدياد انتشار المركبات الكهربائية، يصبح إيجاد طرق نظيفة لشحنها أمراً لا يقل أهمية عن تصنيع السيارات نفسها. لا تزال العديد من محطات الشحن تعتمد على كهرباء مُولَّدة من الوقود الأحفوري، وهو ما يقلّص الفوائد البيئية للتحول إلى الكهرباء. تعد الألواح الشمسية بديلاً جذاباً، لكن إنتاجها يمكن أن يتقلب بشدة عندما تمر السحب أو تلقي المباني ظلالها أو يتراكم الغبار على أجزاء من الصفيف. تستعرض هذه الورقة نهجاً أذكى لاستخلاص طاقة ثابتة وفعالة من الألواح الشمسية — حتى عندما تكون مظللة جزئياً — لشحن بطاريات السيارات الكهربائية بشكل موثوق ومع هدر طاقة ضئيل جداً.

تحدّي الإضاءة غير المتساوية

تتصرف الألواح الشمسية بطريقة حساسة بشكل مدهش عندما تُظلَّم بعض أجزائها فقط. يمكن لعدد قليل من الخلايا المعتمة أن يخفض أداء مصفوفة بأكملها، وتحول تلك الخلايا إلى سخانات صغيرة بدلاً من مولدات طاقة. يستخدم المهندسون متحكّمات "تتبع نقطة القدرة القصوى" لضبط تشغيل الألواح باستمرار بحيث تنتج أقصى قدر ممكن من الطاقة. تعمل الأساليب التقليدية جيداً عندما تكون الإضاءة موحّدة، لكن عندما تكون بعض الألواح مظللة وأخرى مشرقة، يتطور منحنى القوة-الجهد ليحمل عدة قمم بدلاً من نقطة واحدة واضحة الأمثل. تميل الطرق القياسية إلى التعلّق بإحدى القمم الصغيرة والبقاء هناك، تاركة الكثير من الطاقة المحتملة غير مستغَلَّة.

طريقة مستوحاة من السلوك الاجتماعي لإيجاد نقطة الطاقة الأفضل

يواجه الباحثون هذه المشكلة بنهج تحكّم مستوحًى من كيفية تعلم الناس داخل المجموعات الاجتماعية، يسمّى تحسين المجموعات الاجتماعية. في هذه الطريقة، تعمل العديد من نقاط التشغيل المرشحة لمصفوفة الشمس كأعضاء في مجموعة. بعضهم يلعب دور القادة الذين يحققون أفضل أداء حالياً، بينما يكون الآخرون متعلّمِين يضبطون خياراتهم اعتماداً على نجاح نظرائهم. يتناوب الخوارزم بين الاستكشاف الواسع — تجربة نقاط تشغيل مختلفة جداً — والتركيز على المنطقة الأكثر واعدة بمجرد أن يحصل على تقدم جيد. وبما أنه يحتاج إلى بضعة إعدادات تعبيرة وحسابات بسيطة فقط، فيمكن تشغيل هذه الاستراتيجية في الزمن الحقيقي على متحكّم مضمّن صغير داخل الشاحن.

مسار طاقة عالي الكفاءة إلى البطارية

إيجاد نقطة التشغيل الصحيحة هو نصف القصة فقط؛ فهذه الطاقة لا تزال تحتاج إلى أن تُنقل إلى البطارية دون خسائر كبيرة. لذلك صمّم الفريق محوّل رنان بمرحلة واحدة وجسر كامل، وهو نوع من الدوائر يستخدم محوّلاً بتردّد عالٍ ومحثات ومكثفات مختارة بعناية لتبديل أجهزة القدرة عندما تكون جهدها أو تيارها قريبين من الصفر. يقلّل هذا "التبديل الناعم" بشكل كبير من الحرارة والإجهاد في الإلكترونيات. كما توفر الدائرة عزلاً كهربائياً للسلامة ويمكن أن تتعامل مع نطاق واسع من المدخلات من صفيف الطاقة الشمسية بينما تسلّم خرجاً منخفض الجهد وعالٍ التيار مناسباً لشحن بطاريات المركبات الكهربائية.

اختبار النظام

يقترن النظام الكامل خوارزمية تتبع المجموعات الاجتماعية مع المحوّل الرنان في مخطط تحكم موحّد. في محاكاة حاسوبية مفصلة، يقارن المؤلفون طريقتهم بعدة خوارزميات بحث عالمية معروفة ونهج تتبّع أساسي. تحت أنماط ضوئية متغيرة، تجد طريقة المجموعات الاجتماعية الحدّ العالمي الحقيقي للطاقة بسرعة، مع تذبذبات أقل وتغيّرات أكثر سلاسة في ظروف التشغيل. وفي الوقت نفسه، يحافظ المحوّل على جهد وتيار خرج مستقرين، محققاً كفاءة ذروة تقريبية تبلغ نحو 97 في المئة — أعلى من المحوّلات التقليدية ذات المرحلتين — ويحسّن تنظيم الجهد بحوالي 2 في المئة. تؤكد اختبارات الأجهزة باستخدام محاكي شمسي ونظام شحن بقوة 3 كيلوواط أن السلوك الملحوظ في المحاكاة يمكن تكراره عملياً.

ما يعنيه هذا لمحطات الشحن المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصّص، الرسالة الأساسية هي أن المؤلفين بنوا بنية شحن تفكر وتتناغم مع الشمس. الجزء "المفكر" هو الخوارزمية المستوحاة اجتماعياً التي تتعلّم باستمرار أين يمكن لمصفوفة الشمس أن توفّر أقصى طاقة، حتى عندما تُظلَّم أجزاء منها. والجزء "المتناغم" هو محوّل القدرة الرنان الذي يعيد تشكيل هذه الطاقة المتقلبة بهدوء إلى تدفق ناعم وفعال إلى البطارية. معاً، يبرهنان أنه من الممكن تصميم شواحن مركبات كهربائية تعمل بالطاقة الشمسية وتضيع طاقة ضئيلة جداً وتستمر في العمل بموثوقية في ظروف الطقس الحقيقية المعقّدة، مما يساعد شبكات الشحن على أن تصبح أنظف وأكثر مرونة.

الاستشهاد: Jayaraman, J., Ramasamy, S., Vadivel, S. et al. Social group algorithm-based MPPT coupled with phase shift resonant converter for battery charging through partially shaded PV systems. Sci Rep 16, 9596 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-31674-y

الكلمات المفتاحية: شحن المركبات الكهربائية بالطاقة الشمسية, التظليل الجزئي, تتبع أقصى قدرة, المحوّلات الرنانة, إلكترونيات القدرة