نظام محول هجيني شِبه مُصد Z متعدد المخارج مع تحكم بالأداء والتحقق في الوقت الحقيقي لشبكة ميكروية ضوئية

تغذية المنازل بذكاء بدلاً من الجهد وحده

مع تركيب المزيد من الألواح الشمسية على الأسقف وزيادة الأجهزة الإلكترونية المنزلية، تحتاج المنازل إلى كهرباء بأشكال مختلفة: تيار مستمر (DC) مستقر للإلكترونيات والبطاريات، وتيار متردد (AC) لشبكة المنزل. اليوم يعني ذلك غالبًا تكديس عدة محولات كهربائية كبيرة بين الألواح والمأخذ. تقدم هذه الدراسة صندوق طاقة شمسي مدمج "الكل في واحد" قادر على تغذية خرج DC وخطوط AC متعددة في وقت واحد، مع امتصاص أقصى قدر من طاقة الشمس تلقائيًا والحفاظ على جودة الطاقة عالية.

لماذا تضيّع التركيبات الشمسية الحالية المساحة والطاقة

في شبكة ميكروية نموذجية، ترتبط الألواح الشمسية والبطاريات والأحمال المنزلية عبر عدة مراحل من إلكترونيات القدرة. جهاز واحد يرفع الجهد المنخفض من الألواح، وآخر يحول DC إلى AC، وتضاف محولات إضافية إذا احتاج الأمر إلى مستويات جهد أو مخارج متعددة. كل صندوق زائد يزيد التكلفة وفقدان الحرارة والحجم الفيزيائي. العديد من التصاميم الحديثة التي تحاول التبسيط ما تزال تخدم نوعًا واحدًا من المخارج جيدًا—عادة خط AC واحد—مما يترك احتياجات DC أو الدوائر المتعددة للتعامل معها في مكان آخر. تتفاقم هذه الفجوة مع تحوّل المنازل والمجتمعات الصغيرة نحو أنظمة مختلطة تغذي الأجهزة المحلية DC وشبكة AC الأوسع.

صندوق طاقة شمسي الكل‑في‑واحد

يقترح المؤلفون محولًا هجينيًا يدمج الرفع (boost)، وتزويد DC، وتحويل AC في مرحلة واحدة. في جوهره شبكة مُحسّنة من نوع "شِبه مُصد Z"، ترتيب خاص من المحاثات والمكثفات والديودات والمفاتيح يمكنه رفع أو خفض جهد الألواح حسب الحاجة. الإضافة الجديدة هي فرع مكثف مُشغَّل (switched‑capacitor) يحسّن قدرة الرفع ويسمح باستخراج خرج DC منظّم ونظيف مباشرة من الشبكة، بدلًا من كونه نتيجة جانبية. من نفس الوصل المعزز، يولّد وحدتا عاكس أحاديتا الطور مخرجات AC مستقلة بعد ترشيح بسيط. التصميم معياري: يمكن إضافة كتل عاكسة إضافية لتغذية دوائر AC إضافية أو مستويات طاقة أعلى دون تغيير البنية الأساسية.

تحكم ذكي يفصل مهام DC وAC

تحدٍ رئيسي في هذا النوع من الأجهزة المدمجة هو تجنّب الصراع بين طلبات DC وAC. تتعامل الدراسة مع هذا بمنهج تحكم يمنح كل جانب "مقابض" خاصة به. أحد المتغيرات في التحكم، نسبة دورة إطلاق التيار (shoot‑through duty ratio)، يضبط في الغالب جهد DC المعزز؛ والمتغير الآخر، مؤشر التضمين (modulation index)، يحدد مستويات خرج AC. يُظهر المؤلفون رياضيًا أنه ضمن حدود عملية يمكن ضبط هذين المقابضين بشكل مستقل. خوارزمية تتبع نقطة القدرة القصوى المعروفة، الاضطراب والملاحظة (perturb‑and‑observe MPPT)، تعدل ببطء نسبة الدورة حتى تعمل الألواح عند نقطة إنتاج الطاقة القصوى حتى مع تغير الإشعاع الشمسي. حلقات داخلية أسرع تراقب جهد وتيار AC بحيث تظل الطاقة المرسلة إلى الشبكة في طور متزامن مع جهد الشبكة، محافظًة على عامل قدرة جيد ومحددة للتشويه.

من النماذج الحاسوبية إلى الاختبارات في الوقت الحقيقي

للتحقق من الفكرة خارج المعادلات النظرية، قام الفريق أولًا بمحاكاة نظام بقدرة 16 كيلو واط مصمم لمنزل صغير. مع مجموعة ألواح شمسية واحدة تغذي المحول، حصلوا على خرج DC قوي واحد ومخرجي AC اثنين، كلها بقيت مستقرة حتى عند زيادة أو تقليل الأحمال فجأة على أحد الجوانب. الخطوة التالية استخدمت منصة عتاد‑في‑الحلقة (hardware‑in‑the‑loop) التي تحاكي سلوك العالم الحقيقي في الزمن الحقيقي. هناك أيضًا، عندما غيّر الباحثون مستويات الإشعاع الشمسي أو زادوا وخفضوا أحمال DC أو AC فجأة، حافظ المحول على الجهود قريبة من القيم المستهدفة. لم تؤثر الاضطرابات على مخرج واحد—مثل قفزة مفاجئة في تيار DC—بشكل كبير على مخارج AC الأخرى، مؤكدة الفصل الموعود عمليًا.

ما يعنيه هذا لشبكات الطاقة الشمسية المستقبلية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن صندوقًا واحدًا مصممًا بذكاء يمكنه أن يحل محل عدة محولات تقليدية في شبكة ميكروية تعمل بالطاقة الشمسية، مع الاستمرار في توفير مخارج DC ونواتج AC متعددة نظيفة ومتحكَّمًا بها بشكل مستقل. قد يترجم ذلك إلى تركيبات أصغر، وتكاليف أقل، وطاقة مهدورة أقل للمنازل والمجتمعات التي تسعى للاعتماد أكثر على الطاقة الشمسية على الأسطح. يشير المؤلفون إلى أن التوسع لمستويات طاقة أعلى سيتطلب عناية خاصة بالحرارة وإجهاد العناصر والكفاءة، لكن البنية ذات المرحلة الواحدة ومخطط التحكم القوي يجعل التصميم واعدًا لتطبيقات سكنية وشبكات ميكروية من الجيل التالي.

الاستشهاد: Deori, P., Ahmad, A. & Routray, A. Hybrid quasi Z source multi output converter system with performance control and real time validation for photovoltaic microgrid. Sci Rep 16, 6255 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35817-7

الكلمات المفتاحية: شبكة ميكروية شمسية, محول هجيني, شِبه مُصد Z, عاكس متعدد المخارج, تحكم ضوئي شمسي