إدارة طاقة محسّنة في أنظمة تخزين طاقة هجينة مدمجة مع الألواح الكهروضوئية باستخدام تحكم ضبابي 2DOF-PI مُحسَّن بواسطة خوارزمية فرس النهر

الطاقة الشمسية الأكثر ذكاءً للاستخدام اليومي

مع تزويد المزيد من المنازل والقرى والأجهزة بالطاقة الشمسية، يبقى مشكلة مزمنة: الشمس لا تشرق بثبات، بينما تتوقع مصابيحنا وثلاجتنا وإلكترونياتنا كهرباء سلسة وموثوقة. يستكشف هذا البحث طريقة أذكى للتوفيق بين الطاقة الشمسية والتخزين بحيث تظل الطاقة مستقرة، وتدوم البطاريات لفترة أطول، وتصبح الكهرباء النظيفة أكثر عملية للمنازل غير المتصلة بالشبكة وشبكات التيار المستمر الصغيرة.

لماذا تحتاج الطاقة الشمسية إلى فريق دعم

الألواح الشمسية نظيفة وتزداد متاحيتها بتكلفة معقولة، لكن خرجها يتغير باستمرار حسب الغيوم ووقت اليوم والطقس. تقليدياً، كانت البطاريات وحدها تُستخدم لسد الفجوة بين ضوء الشمس غير المنتظم والطلب المستقر. ومع ذلك، مطالبة البطارية بالتعامل مع الاحتياجات الطويلة الأمد وكل تقلب سريع وصغير في القدرة يشبه استخدام قطار شحن لأداء عمل سيارة سباق: ينفع، لكنه يتلف البطارية أسرع ويهدر الطاقة. لحل هذه المشكلة، يجمع المهندسون بين البطاريات والمكثفات الفائقة—أجهزة يمكن شحنها وتفريغها بشكل شبه فوري لكنها تخزن طاقة أقل بشكل عام. تعمل البطارية كخزان بطيء وعميق، بينما يمتص المكثف الفائق الاندفاعات السريعة في الطلب، مما يخلق فريق تخزين أكثر متانة وكفاءة.

كيف بُنِيَ النظام الشمسي الهجين

تركز الدراسة على ميكروغريد تيار مستمر قائم بذاته تعمله الألواح الشمسية ومدعوم بنظام تخزين طاقة هجيني يجمع بين بنك بطاريات ومجموعة من المكثفات الفائقة. تتصل كل هذه العناصر بحافلة تيار مستمر مركزية تغذي حملاً تيارياً مستمراً مثل منزل أو مبنى صغير. لكل جهاز تخزين محول إلكتروني ثنائي الاتجاه يتيح له استقبال الطاقة عندما يكون هناك فائض من الطاقة الشمسية وتحرير الطاقة عندما يقل ضوء الشمس أو ترتفع الطلبات فجأة. هذا الترتيب "النشط" يعني أن البطارية والمكثف الفائق يمكن التحكم بهما بشكل مستقل، بدلاً من ربطهما بشكل سلبي معًا، مما يمنح نظام التحكم سلطة دقيقة على من يفعل ماذا ومتى.

عقل مستلهم من القواعد وسلوك الحيوانات

في قلب النظام يوجد متحكم ذكي يقرر كيفية تقسيم عبء العمل بين البطارية والمكثف الفائق مع الحفاظ على ثبات جهد الحافلة التيار المستمر. يجمع المؤلفون بين فكرتين. أولاً، يستخدمون المنطق الضبابي—نهج قائم على القواعد يحاكي التفكير البشري بتعابير مثل "إذا كان خطأ الجهد صغيرًا لكنه يتغير بسرعة، قم بالتعديل بلطف." ثانياً، يوظفون بنية تكافؤ-تكيف ذات درجتين من الحرية (2DOF-PI)، التي تسمح للمتحكم بضبط كيفية تتبعه لمستوى الجهد المطلوب بشكل منفصل عن كيفية رفضه للمضايقات مثل التغيرات المفاجئة في الحمل. لضبط كل هذه الإعدادات بدقة، يعتمدون على طريقة بحث حديثة تُسمى خوارزمية تحسين فرس النهر، المستوحاة من كيفية تحرك وفرس النهر للدفاع والتراجع في مجموعات. يقوم هذا المحسّن بفرز العديد من إعدادات المتحكم الممكنة لاختيار تلك التي تحقق أفضل توازن بين الدقة والسرعة والثبات.

اختبار أسلوب التحكم الجديد

يختبر الباحثون منهجهم في محاكيات حاسوبية مفصلة باستخدام MATLAB/Simulink. يعرضون النظام لأربع حالات متطلبة: تغير ضوء الشمس بسرعة، زيادات مفاجئة في الحمل، انخفاضات مفاجئة في الحمل، ومزيج من تغير الشمس وتغير الطلب. يقارنون متحكمهم الضبابي 2DOF-PI بثلاثة بدائل: متحكم PI تقليدي ونموذجان ضبابيان-PI مُعدَّلان بواسطة طرق تحسين أقدم. عبر جميع الحالات، يحافظ المتحكم الجديد على جهد حافلة التيار المستمر أقرب إلى هدفه، ويقلل من حجم الارتفاعات المؤقتة في القدرة بما لا يقل عن 15 في المئة، ويقصر زمن استقرار النظام بما لا يقل عن 10 في المئة. تُحَمَى البطارية من الاندفاعات الحادة لأن التغيرات السريعة تُحَوَّل إلى المكثف الفائق، الذي يكون أفضل قدرة على التعامل معها. هذا يعني إجهادًا أقل على البطارية وفي الاستخدام الواقعي إمكان عمر خدمة أطول.

ما يعنيه هذا لمستخدمي الطاقة النظيفة

بعبارات يومية، تجعل استراتيجية التحكم المقترحة نظام طاقة شمسي صغير يتصرف أكثر كونه مصدر طاقة ثابت وموثوق، حتى عندما تتقلب الشمس والحمل. من خلال تنسيق البطارية والمكثف الفائق بعقل تحكم ذكي، يقدم النظام طاقة أكثر سلاسة، ويستخدم الطاقة المخزنة بكفاءة أكبر، ويقلل من تآكل حزم البطاريات المكلفة. وعلى الرغم من أن النتائج مبنية على محاكاة ولا تزال بحاجة إلى تأكيد في اختبارات الأجهزة، فإن العمل يشير إلى ميكروغريدات شمسية أكثر متانة وطول عمَر للمنازل والمجتمعات النائية وشحن المركبات الكهربائية والاستخدامات الأخرى غير المتصلة بالشبكة، مما يساعد على تحويل ضوء الشمس المتقلب إلى كهرباء يمكن الاعتماد عليها فعلاً.

الاستشهاد: Kotb, H., Khairalla, A.G., ElRefaie, H.B. et al. Enhanced power management in PV-Integrated hybrid energy storage systems using fuzzy 2DOF-PI control optimized by hippopotamus algorithm. Sci Rep 16, 9200 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40106-4

الكلمات المفتاحية: الميكروغريد الشمسي, تخزين طاقة هجيني, البطارية والمكثف الفائق, التحكم الضبابي, إدارة الطاقة المتجددة