محول DC-DC عالي التكبير قائم على تصميم معدل TWCI بعناصر مخفضة وتموج تيار دخل منخفض لتطبيقات الطاقة المتجددة

تحويل ضوء الشمس إلى طاقة قابلة للاستخدام

تنتج الألواح الشمسية وخلايا الوقود كهرباء نظيفة، لكنها عادةً ما توفر جهودًا منخفضة غير قابلة للاستخدام المباشر في شبكات مايكرو المنزل أو المركبات الكهربائية أو الأنظمة الصناعية. لسد هذه الفجوة، يعتمد المهندسون على دوائر إلكترونية «مُعزِّزة» ترفع الجهود المنخفضة إلى المستويات الأعلى المطلوبة على ناقل الطاقة. يقدم هذا البحث نوعًا جديدًا من محولات التكبير يمكنه رفع الجهد من، على سبيل المثال، 24 فولتًا إلى نحو 400 فولت بكفاءة عالية، مستخدمًا أجزاءً أقل ومعاملاً لمصدر الطاقة بلطف أكبر مقارنةً بالتصاميم الشائعة.

لماذا تهم محولات التكبير في الطاقة النظيفة

داخل مايكروغريد تيار مستمر حديث، تشترك العديد من الأجهزة في هيكل عمودي عالي الجهد، غالبًا حول مئات الفولتات. الألواح الشمسية والبطاريات وخلايا الوقود، مع ذلك، عادةً ما تكون عند عشرات الفولتات. يجب أن تفعل المحولات بين هذين العالمين أكثر من مجرد رفع الجهد: ينبغي أن تهدر أقل قدر ممكن من الطاقة، وتحافظ على سلاسة التيارات لتجنب إجهاد الألواح والبطاريات، وأن تكون ميسورة التكلفة ومضغوطة. العديد من التصاميم عالية الكسب الحالية تحقق بعض هذه الأهداف لكنها تقصر في أخرى، فتعاني من تموجات تيار كبيرة، أو هياكل متعددة المراحل المعقدة، أو إجهاد كهربائي مرتفع على عناصر رئيسية.

طريقة جديدة لاستخراج جهد أعلى بأجزاء أقل

يقترح المؤلفون محول DC–DC غير معزول مبنيًا حول عنصر مغناطيسي خاص بثلاثة لفائف. هذا الجزء، محاثة مترابطة بثلاثة ملفات على قلب واحد، يعمل كمركز طاقة مدمج. من خلال ترتيب متأنٍ لمفتاحين إلكترونيين وعدد قليل من الصمامات الثنائية وزوج من المكثفات حول هذا المركز، يضاعف الدائرة الجهد على مراحل مع توزيع الإجهاد بين المكونات. يحقق التصميم جهود خرج عالية جدًا عند دورات تشغيل معتدلة، لذا لا يضطر إلى دفع المفاتيح لزمن تشغيل متطرف يزيد عادةً من الخسائر ويقلل الاعتمادية.

تيار أنعم ومعاملة ألطف للمصدر

تسحب العديد من المحولات عالية الكسب السابقة التيار من المصدر على شكل نبضات حادة. بالنسبة للألواح الشمسية وخلايا الوقود، يمكن أن تقلل هذه النبضات الكفاءة وتصبح عقبة أمام تتبع نقطة القدرة القصوى، العملية التي تحافظ على عملها عند نقطة الأداء المثلى. على النقيض من ذلك، توجه الدائرة الجديدة تيار الدخل عبر محاثة بطريقة تبقيه شبه مستمر وبتموج منخفض. يوضح التحليل التفصيلي لخطوات التشغيل المختلفة كيف تُنقل الطاقة بين القلب المغناطيسي والمكثفات بحيث يرى المصدر طلبًا نسبيًا ثابتًا. في الوقت نفسه، تحافظ تفاعلات اللفات الثلاث والمكثفات على توتر المستخدَم من قبل المفاتيح والصمامات الثنائية أقل بكثير من مستوى الخرج النهائي، مما يسمح باستخدام عناصر أقل تصنيفًا وأرخص وأكثر كفاءة.

تصميم دقيق، اختبار، ومقارنة عادلة

يتجاوز الباحثون الفكرة الأساسية ليحددوا حجم المحاثات والمكثفات اللازم للحفاظ على التيارات والجهود ضمن حدود آمنة، وكيفية اختيار قلب مغناطيسي مناسب حتى لا يسخن أو يتشبع. ثم يفحصون أماكن فقدان الطاقة في الأجهزة الحقيقية، بما في ذلك المقاومات الصغيرة في اللفات والمفاتيح والصمامات الثنائية والمكثفات. باستخدام هذه النماذج، يقدِّرون الكفاءة ويختبرون حساسية الأداء لعناصر أقل مثالية. تظهر المقارنة المباشرة مع العديد من المحولات المنشورة حديثًا أن نهجهم يقدم كسب جهد أعلى لمستوى تعقيد معين، وإجهادًا أقل على المفاتيح، وتموجات إدخال أصغر بشكل ملحوظ.

من النظرية إلى نموذج يعمل

لإثبات أن الفكرة تعمل خارج نطاق المحاكاة، بنى الفريق نموذجًا تجريبيًا بقدرة 250 واط. عند دخل 24 فولت وتردد تبديل 50 كيلو هرتز، أنتج الجهاز نحو 400 فولت عند الخرج. تطابقت قياسات الجهود والتيارات على كل عنصر مع التنبؤات التحليلية، بما في ذلك تقليل الإجهاد على معظم المفاتيح والصمامات الثنائية. عبر نطاق واسع من مستويات الطاقة، من 80 إلى 400 واط، حافظ المحول على كفاءته فوق 90 بالمائة، مع بلوغ قمة نحو 95 بالمائة. أكدت الاختبارات أيضًا تموجًا منخفضًا في تيار الدخل وإمكانية استخدام مكونات قياسية ومتاحة بسهولة.

ماذا يعني هذا لأنظمة الطاقة المتجددة المستقبلية

بالنسبة للقراء المهتمين بالنشر العملي للطاقة النظيفة، يظهر هذا العمل طريقة لنقل طاقة أكبر من مصادر منخفضة الجهد إلى شبكات عالية الجهد دون التضحية بالحجم أو التكلفة أو الاعتمادية. من خلال الجمع بين مخطط لفيف مغناطيسي ذكي ومجموعة مبسطة من المفاتيح والمكثفات، يوفر المحول المقترح تكبير جهد قويًا، وسلوك تيار ناعمًا، وكفاءة عالية في حزمة مدمجة. يمكن لمثل هذه الدوائر أن تسهل دمج الألواح الشمسية وخلايا الوقود وبنوك البطاريات في مايكروغريدات DC وغيرها من أنظمة الطاقة الناشئة، مما يساعد مصادر الطاقة النظيفة على الاندماج بسلاسة أكبر مع بُنى البنية التحتية المستقبلية.

الاستشهاد: Tehranidoost Tabrizi, M.H., Sabahi, M., Bannae Sharifian, M. et al. Modified design TWCI-based high step-up DC-DC converter with reduced elements and low input current ripple for renewable applications. Sci Rep 16, 8037 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37346-9

الكلمات المفتاحية: محول DC-DC, محاثة ذات لفائف مترابطة, الطاقة المتجددة, المايكروغريد DC, كسب جهد عالٍ