طريقة MPPT الحالية بدون حساس مع إدارة البطارية للنظام الانفرادي أحادي الطور المعتمد على الطاقة الشمسية

طاقة شمسية أكثر ذكاءً للعيش خارج الشبكة

مع تحول المزيد من المنازل والمزارع والمنشآت النائية إلى الطاقة الشمسية، يبرز سؤال كبير: كيف تستخرج أكبر قدر من الكهرباء من الألواح مع الحفاظ على صحة البطاريات وتقليل التكاليف؟ تعرض هذه الورقة طريقة جديدة لتشغيل أنظمة الطاقة الشمسية المستقلة تتجنب بعض التعقيدات التقليدية في الأجهزة والقياس، ومع ذلك تلتقط تقريبًا كل القدرة الشمسية المتاحة وتدير شحن البطارية بأمان.

كيف تعمل أنظمة الطاقة الشمسية المستقلة اليوم

يتضمن تركيب شمسي صغير نموذجي مجموعة ألواح، وإلكترونيات ترفع وتنظم جهد الألواح، ومجموعة بطاريات للفترات الليلية والمغيمة، ومحول يغير التيار المستمر إلى التيار المتردد المنزلي المألوف. للحصول على أقصى استفادة من الألواح، تقوم استراتيجية تحكم بتحريك نقطة التشغيل باستمرار نحو ما يسمى "النقطة الحلوة" حيث يكون خرج القدرة في أعلى مستواه. تُعرف هذه المهمة بتتبع نقطة القدرة القصوى، وعادةً ما تعتمد على قياس كل من الجهد والتيار من الألواح في الزمن الحقيقي. ولكن الحساسات الإضافية وأسلاكها تزيد التكلفة، وتدخل ضوضاء كهربائية، وتعقّد التصميم، لا سيما في الأنظمة الصغيرة خارج الشبكة حيث تكون الميزانيات والمساحة المحدودة عوامل مهمة.

إيجاد النقطة الحلوة بدون قياس التيار

يقترح المؤلفون تعديلاً على إجراء تتبع شائع اسمه "الاضطراب والملاحظة". وبدلاً من قياس كل من الجهد والتيار، تقيس الطريقة الجديدة الجهد على الألواح مباشرة ثم تحسب التيار غير مباشرًة باستخدام خصائص معروفة للمحوِّل الإلكتروني الموضوع بين الألواح وباقي النظام. بمراقبة كيف يرتفع وينخفض الجهد عبر ملف داخل هذا المحول أثناء التبديل، يمكن للمتحكم استنتاج متوسط تيار الألواح بدقة جيدة. ومع هذا التيار المُقدَّر المقترن بالجهد المقاس، يمكن للخوارزمية أن تبحث عن نقطة القدرة القصوى، لكن بدون حساس تيار مكرّس ودائرته المساعدة. تُظهر المحاكاة والتجارب أن التيار المُقدَّر يبقى ضمن حوالي واحد إلى ثلاثة بالمئة من القيمة الحقيقية، وهو ما يكفي للتحكم الدقيق.

رفع الجهد وترويض تموجات التيار

للاستفادة القصوى من هذا النهج بدون حساسات، يستخدم النظام محوِّلاً رافعًا مخصّصًا "متداخلاً" يجمع بين مرحلتين تبديل تعملان خارج الطور. معًا يرفعا الجهد المنخفض والمتغير عادة للألواح إلى مستوى أعلى وثابت تقريبًا مناسب كجيل مشترك للتيار المستمر. هذا التصميم يضاعف تقريبًا مكسب الجهد القابل للاستخدام مقارنة بمضخّم أحادي الطور ويبسط تموجات التيار عن طريق تداخل أشكال الموجة من كل ذراع. عمليًا، يعني ذلك إجهادًا كهربائيًا أقل، ومرشحات أصغر، وتشغيلًا أكثر استقرارًا، وكلها تساعد خوارزمية التتبع على الاستجابة بسرعة عند تغير مستوى الإشعاع الشمسي دون التأثير السلبي على بقية النظام.

الحفاظ على البطارية في نطاقها المريح

إلى جانب تحكم الألواح، يدمج العمل أيضًا استراتيجية لإدارة البطارية حتى يقدر نفس النظام تلقائيًا متى يشحن أو يفرغ أو يريح مجموعة البطاريات. يوفر محول ثنائي الاتجاه معزول كهربائيًا ويستطيع نقل الطاقة في أي اتجاه بين حامل الجهد العالي وكتلة البطارية ذات الجهد الأدنى. يقارن المتحكم باستمرار مقدار الطاقة التي يمكن أن توفرها الألواح عند نقطتها الحلوة مع مقدار ما تحتاجه الأحمال حاليًا. عندما تتجاوز الطاقة الشمسية الطلب والبطارية ليست ممتلئة، يُوجَّه الفائض إلى وضع الشحن؛ وعندما يتجاوز الطلب ما يمكن للشمس أن توفره، يتحول المحول إلى وضع الرفع وتساعد البطارية في حمل الحمل. تغطي ست سيناريوهات تشغيلية كل شيء من الشحن في ضوء ساطع وحتى التزويد ليلا وحتى الإغلاق الآمن عندما لا يستطيع لا الألواح ولا البطارية دعم الحمل.

الأداء في العالم الحقيقي ولماذا يهم

تُظهر النماذج الحاسوبية واختبارات المختبر مع بضع مئات من الواط من الألواح والبطاريات أن مخطط التحكم الجديد يحافظ على حامل التيار المستمر الرئيسي شبه ثابت أثناء تتبعه لتغيرات سريعة في ضوء الشمس. بعد تغير مفاجئ في مستوى الإضاءة، يستقر النظام على نقطة القدرة القصوى الجديدة في نحو 50 إلى 100 ميللي ثانية، أسرع من العديد من الطرق القياسية، ومع ذلك مع تموجات طاقة ضئيلة حول النقطة المثلى. تصل الكفاءات المقاسة إلى نحو 96 بالمئة لمرحلة رفع الجهد و94 بالمئة للعاكس، بينما تُقدَّر كفاءة التتبع الإجمالية بالقرب من 99.4 بالمئة. للقراء غير المتخصصين، الخلاصة هي أن هذا التصميم يمكنه تسليم قرابة كل واط قابل للاستخدام تنتجه الألواح، مع جودة طاقة نظيفة وبطاريات متحكم بها جيدًا، لكن مع أجهزة أبسط وأرخص. يجعل هذا المزيج منه خيارًا جذابًا للتركيبات الشمسية خارج الشبكة الحساسة للتكلفة حيث تكون الموثوقية والكفاءة مرغوبتين معًا.

الاستشهاد: Genc, N., Uzmus, H., Kalimbetova, Z. et al. Current sensorless MPPT method with battery management for PV based single phase standalone system. Sci Rep 16, 9107 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40097-2

الكلمات المفتاحية: الطاقة الشمسية, الطاقة خارج الشبكة, تخزين البطارية, إلكترونيات القدرة, تتبع نقطة القدرة القصوى