تحكم MPPT قائم على STHVO مستوحى من الطبيعة لأنظمة ضخ المياه الفوتوفولطية المتصلة بالشبكة

مضخات شمسية ذكية للأماكن يصعب الوصول إليها

توصيل المياه النظيفة إلى القرى والمزارع النائية يعد أحد أصعب التحديات في الانتقال إلى الطاقة المستدامة. تعد المضخات العاملة بالطاقة الشمسية حلاً جذابًا، لكن أدائها غالبًا ما يتراجع عندما تحجب الغيوم الشمس أو يتغير الإشعاع بسرعة. تقدم هذه المقالة طريقة تحكم جديدة، مستوحاة من أساليب صيد أفعى صحراوية، تساعد المضخات الشمسية على استخراج مزيد من الطاقة من ضوء الشمس والحفاظ على تدفق المياه بسلاسة حتى تحت سماء متقلبة.

لماذا تهم المضخات العاملة بالطاقة الشمسية

في العديد من المناطق الريفية وخارج الشبكات، لا يزال المزارعون والأسر يعتمدون على مضخات ديزل لرفع المياه للمحاصيل والحيوانات والاستخدام اليومي. الديزل مكلف، ملوث، وصعب النقل. بالمقابل، تستخدم المضخات الشمسية ضوء الشمس الذي تلتقطه الألواح الضوئية لتشغيل المحركات الكهربائية التي تدير المضخات. فهي تقلل تكاليف الوقود، وتخفض الانبعاثات، وتحتاج إلى صيانة أقل. لكن هناك مشكلة: تقدم الألواح الشمسية أفضل أداء عند نقطة تشغيل معينة تتغير باستمرار مع درجة الحرارة، وزمن اليوم، ومرور الغيوم. إذا لم يتمكن النظام من تتبع هذه النقطة في الزمن الحقيقي، يضيع طاقة قيّمة ويصبح تدفق المياه غير موثوق.

إيجاد النقطة المثلى في ضوء متغير

تعتمد معظم الأنظمة الشمسية الحديثة على متحكم يسمى تعقب نقطة القدرة العظمى (MPPT) لضبط الظروف الكهربائية باستمرار بحيث تعمل الألواح عند نقطتها المثلى. طرق MPPT التقليدية بسيطة ورخيصة، لكنها تكافح عندما يتغير ضوء الشمس بسرعة أو تُظلل الألواح بشكل غير متساوٍ. قد تتفاعل ببطء شديد أو تتأرجح حول الهدف، مما يسبب تقلبات في القدرة. للتغلب على ذلك، توجه الباحثون أنظارهم إلى أساليب أكثر ذكاءً مستوحاة من الطبيعة تحاكي كيفية بحث الحيوانات والتكيف واتخاذ القرار في بيئات معقدة.

بحث مستوحى من الأفعى عن أقصى طاقة

يقدّم المؤلفون متحكم MPPT جديدًا يسمونه تحسين أفعى ذات قرون بذيل يشبه العنكبوت (STHVO)، سُميًّا على اسم أفعى شرقية حقيقية تغري الطيور بتحريك ذيلها كالعنكبوت. بدلاً من الاندفاع على فرائسها، تنتظر الأفعى وتستكشف حركات ذيل مختلفة ثم تُهاجم بدقة عندما تقترب الطيور. على نفس المنوال، "يستكشف" متحكم STHVO أولًا عبر تجربة فولتية تشغيلية مختلفة للمصفوفة الشمسية، ثم "يستغل" المنطقة الأكثر وعدًا، مكررًا الضبط حتى يصل إلى نقطة القدرة الأعلى. تساعد هذه العملية ذات الخطوتين المتحكم على تجنّب الوقوع في حلول ضعيفة وتمكّنه من التكيف بسرعة عند تغيّر ضوء الشمس.

بناء واختبار نظام الضخ الشمسي الكامل

لتقييم أداء STHVO، نمذج الباحثون نظام ضخ شمسي متصل بالشبكة كامل في MATLAB/Simulink. تشمل البنية الافتراضية مصفوفة ضوئية بقدرة 3 كيلووات، محول رفع (بوست)، عاكس ثلاثي الطور، محرك تحريضي، ومضخة طرد مركزي لرفع المياه. يجلس متحكم STHVO داخل الحلقة، يقرأ جهد وتيار اللوح، يقدّر القدرة، ويحدّث دورة عمل المحول لتوجيه الألواح إلى نقطة تشغيلها الأفضل. قارن الفريق STHVO مع طريقتين MPPT معروفتين—الموصلية التفاضلية وخوارزمية خلية النحل الاصطناعي المعدلة—في ظل إشعاع مثالي وظروف واقعية مأخوذة من قرية جبلية في شمال المغرب، حيث تتسبب الغيوم والتضاريس في تقلبات شديدة في الإشعاع.

قدرة أكثر، محركات أكثر سلاسة، وتدفق مياه أكثر استقرارًا

في ظل ضوء شمسي صافٍ ومستقر، وصل متحكم STHVO إلى نقطة القدرة العظمى في حوالي 0.19 ثانية وحقق فعالية تحويل تقارب 99%، متفوقًا قليلاً على طريقة خلية النحل المتقدمة ومتغلبًا بوضوح على النهج الكلاسيكي. الفائدة ليست في الواطات فقط: عمل المحرك التحريضي بسرعة مستقرة تقارب 195 راديانًا في الثانية، ووفّرت المضخة تدفق مياه ثابتًا يقارب 0.65 لتر في الثانية مع قدرة هيدروليكية ذروة تبلغ 72 واط. عند استخدام التقنية الأقدم، أظهر النظام تذبذبات أكبر في القدرة وعزم المحرك وتدفق المياه. تحت إضاءة متقلبة واقعية من موقع بني حيفة، تعقّب STHVO مرة أخرى التغيرات أسرع وبسلاسة أكبر، محافظًا على النظام قريبًا من أقصى قدرة متاحة بينما تأخّرت أو تذبذبت الطرق المنافسة.

ما معنى ذلك من أجل وصول أكثر موثوقية إلى المياه في العالم الحقيقي

للقارئ غير المتخصص، الرسالة الأساسية بسيطة: متحكم أكثر ذكاءً ومستوحى من الطبيعة يمكن أن يساعد المضخات الشمسية على الاستفادة بشكل أفضل من كل شعاع ضوء. من خلال التوغل السريع نحو نقطة التشغيل الأفضل والبقاء فيها، يعزّز نهج STHVO كفاءة الطاقة، يثبت أداء المحرك الكهربائي، ويحافظ على إمداد المياه ثابتًا حتى عند مرور الغيوم. وعلى الرغم من أن النتائج مستمدة من محاكاة تفصيلية بدلًا من اختبارات ميدانية للأجهزة، فإنها توحي بأن مثل هذه الخوارزميات المستوحاة من الطبيعة قد تجعل إمداد المياه بالطاقة الشمسية أكثر موثوقية وجاذبية للمزارع والقرى والمجتمعات النائية التي تعتمد على الشمس ومصدر موثوق للمياه.

الاستشهاد: Ballouti, A., Chouiekh, M., Ameziane, H. et al. Bioinspired STHVO based MPPT control for grid connected photovoltaic water pumping systems. Sci Rep 16, 4866 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35176-3

الكلمات المفتاحية: ضخ المياه بالطاقة الشمسية, أنظمة الخلايا الضوئية, تعقب نقطة القدرة العظمى, تحسين مستوحى من الطبيعة, إمداد المياه الريفية