تحسين الأداء للمركبات الكهربائية المشغلة بالطاقة الشمسية باستخدام محول Relift مع ملفين متحديّين (Coupled Inductor Relift boost converter)

ضوء الشمس على الطريق

تعد المركبات الكهربائية بهواء أنظف وشوارع أكثر هدوءًا، لكن لا تزال بحاجة إلى قدر كبير من الطاقة الكهربائية. تستعرض هذه الدراسة كيف يمكن استخلاص طاقة مفيدة أكبر من ضوء الشمس لتشغيل سيارة كهربائية، مع الحفاظ على تشغيل المحرك بسلاسة حتى عند مرور الغيوم. من خلال إعادة التفكير في كل من الإلكترونيات التي تربط اللوحات الشمسية بالمحرك والبرمجيات الذكية التي تتحكم بها، يوضح المؤلفون كيف يمكن أن تصبح المركبات الكهربائية المشغلة بالطاقة الشمسية أكثر كفاءة وأكثر موثوقية وأقل تأثيرًا على الشبكة الكهربائية.

لماذا تعد السيارات الشمسية صعبة

تبدو الألواح الشمسية كمصدر وقود جذاب لأنها نظيفة وهادئة ومتاحة بتكلفة متناقصة. ومع ذلك، فإن ضوء الشمس متقلب: السحب العابرة، وتغير درجات الحرارة، والظلال من المباني تدفع اللوح باستمرار بعيدًا عن أفضل نقطة تشغيل له. في الوقت نفسه، يتطلب محرك المركبة الكهربائية طاقة ثابتة وعالية الجهد لتوفير تسارع سلس وتحكم آمن ومتنبأ به. كثيرًا ما تكافح المحولات الإلكترونية التقليدية التي ترفع جهد اللوح الشمسي المنخفض إلى المستويات الأعلى المطلوبة للمركبة تحت هذه الظروف المتغيرة، فتتعرض لمكاسب جهد محدودة، وفقدان طاقة على شكل حرارة، وأنظمة تحكم معقدة. النتيجة قد تكون ضياع طاقة شمسية، وضغط إضافي على المكونات، وجعل السيارة أكثر اعتمادًا على الشبكة مما ينبغي.

"رافعة" طاقة جديدة بين الشمس والمحرك

لسد هذه الفجوة، يقترح الباحثون تصميم محول تيار مستمر–تيار مستمر جديدًا يُدعى محول Coupled Inductor ReLift Boost (CIRB). ببساطة، يعمل هذا المحول كمنصة مرفعة مدمجة ومضبوطة ترفع الجهد المنخفض نسبيًا من الألواح الشمسية إلى الجهد الأعلى بكثير المطلوب لمشغل محرك المركبة. بدلًا من الاعتماد على محولات ضخمة أو مراحل متتالية متعددة، يستخدم ملفين مرتبطين مغناطيسيًا وترتيبًا ذكيًا من المكثفات والمفاتيح. هذا الهيكل يوزع الإجهاد الكهربائي عبر المكونات، ويقلل تموّج التيار، ويحقق زيادة جهد ذات طابع "تربيعي" قوي بعدد قليل من الأجزاء. تُظهر المحاكاة والاختبارات المادية أن المحول يمكن أن يرفع نحو 110 فولت من الألواح إلى حوالي 600 فولت عند المخرج مع إبقاء خسائر الطاقة منخفضة وتجنب نبضات جهد ضارة.

تتبّع ذكي لأفضل نقطة ضوئية

معرفة كيفية توصيل الأجهزة هو نصف القصة فقط؛ يجب على النظام أيضًا أن يقرر بدقة مدى "دفع" المحول في كل لحظة لسحب أقصى طاقة من الألواح. تُعَد هذه المهمة، المعروفة بتتبّع نقطة القدرة القصوى، صعبة بسبب تغير الأحوال الجوية بسرعة. يصمم المؤلفون شبكة عصبية اصطناعية ذات طبقتين تقدر أولًا شدة الإشعاع الشمسي ودرجة حرارة اللوح من الجهد والتيار المقاسين، ثم تتنبأ بالجهد التشغيلي المثالي للألواح. للحفاظ على كفاءة هذا العقل الرقمي، يقومون بضبط معاييرها الداخلية باستخدام طريقة تحسين مستوحاة من أنماط طيران طائر البحر "الثائر الرمادي" (sooty terns)، الذي يوازن بين الاستكشاف لمسافات طويلة والهجمات اللولبية الدقيقة على الفريسة. هذا المزيج يوجه الألواح بسرعة إلى نقطة الأداء المثلى، محققًا دقة تتبع تبلغ حوالي 99.89% مع استجابة سريعة لتغيرات الإشعاع.

مزامنة السيارة مع الشبكة

بعيدًا عن تحسين حصاد الطاقة الشمسية، تدمج الدراسة المحول في مسار طاقة كامل يتضمن محركًا ذا مغناطيس دائم عالي الأداء، ومحول عاكس لتوليد تيار متردد ثلاثي الأطوار، واتصالًا بالشبكة. يحافظ متحكم PI تقليدي على دوران المحرك بالسرعة المطلوبة — نحو 1000 لفة في الدقيقة في الاختبارات — رغم تقلبات الطاقة الشمسية. عندما تكون الشمس وافرة، يمكن إرسال الطاقة الفائضة إلى الشبكة؛ وعندما تقطع السحب أو الليل الإمداد الشمسي، يسحب النظام تلقائيًا الطاقة من الشبكة للحفاظ على وصلة تيار مستمر ثابتة بجهد 600 فولت. يضمن الترشيح والتحكم المدروسان نظافة تيار الشبكة، مع نسبة تشوه إجمالي متوافقة تقترب من 1%، ما يفي بمعايير جودة الطاقة الشائعة ويقلل الضوضاء الكهربائية.

ما الذي يعنيه هذا لمركبات المستقبل الكهربائية

مجمعةً، تجعل المحول الجديد ونظام التحكم المركبات الكهربائية المعززة بالطاقة الشمسية أكثر عملية. يحقق محول CIRB كفاءة تقارب 96.96%، بينما يوفر مكاسب جهد أعلى من العديد من البدائل الحديثة وبمكونات أقل. يلتقط نظام التتبّع الذكي تقريبًا كل الطاقة الشمسية المتاحة مع تأخير ضئيل، ويضمن واجهة الشبكة أن تستمر المركبة في العمل بسلاسة حتى عندما لا تتعاون الشمس. رغم أن التصميم لا يزال يواجه تحديات مثل الحاجة إلى تصميم مغناطيسي دقيق عند مستويات قدرة أعلى والحصول على بيانات تدريب جيدة للشبكات العصبية، إلا أنه يشير إلى مركبات كهربائية تعتمد أكثر على الألواح الشمسية فوق الأسطح أو المظلات وتتفاعل بتناسق أكبر مع الشبكة الكهربائية.

الاستشهاد: Kanakaraj, M., Arul Prasanna, M. & Gerald Christopher Raj, I. Performance optimization of solar-energized electric vehicles using coupled inductor Relift boost converter. Sci Rep 16, 6959 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38342-9

الكلمات المفتاحية: المركبات الكهربائية الشمسية, الإلكترونيات القدرة, محولات ضوئية شمسية, تتبّع نقطة القدرة القصوى, تكامل الشبكة الذكية