محول هجيني ذو مخرج مزدوج مستند إلى المحول الشامل القابل للتجزئة تيار مستمر–تيار متناوب/تيار مستمر

الطاقة للمنازل والمجتمعات

مع تركيب المزيد من المنازل والمباني والأحياء لألواح شمسية وبطاريات ومركبات كهربائية، تصبح الحاجة إلى أجهزة ذكية قادرة على تحريك الكهرباء بكفاءة أكبر أمرًا ملحًا. ستحتوي العديد من شبكات الميكرو المستقبلية على توصيلات التيار المتناوب التقليدية وتوصيلات التيار المستمر الأحدث جنبًا إلى جنب. تعرض هذه الدراسة نوعًا جديدًا من محولات الطاقة يمكنه تغذية كلٍ من دوائر التيار المتناوب والمستمر من صندوق مدمج واحد، ما يساعد أنظمة الطاقة المحلية على أن تصبح أبسط وأكثر أمانًا وأقل تكلفة.

لماذا يهم وجود كل من التيار المتناوب والمستمر

معظم الأجهزة اليوم وشبكة الكهرباء العامة تعمل بالتيار المتناوب، لكن العديد من مصادر الطاقة المتجددة والأجهزة الإلكترونية تعمل بطبيعة الحال بالتيار المستمر. في بيت أو شبكة ميكرو مجتمعية، يعني ذلك غالبًا استخدام عدة محولات منفصلة متلاحقة لتعديل الفولتية والتحويل بين المتناوب والمستمر. كل مرحلة إضافية تزيد التكلفة وفقدان الطاقة والتعقيد. في الوقت نفسه، تدفع أوروبا ومناطق أخرى بقوة لخفض انبعاثات الكربون وتشجيع "مجتمعات الطاقة" المحلية التي يتشارك فيها الناس الطاقة النظيفة. هذه الاتجاهات تثير الاهتمام بشبكات هجينة تحمل كلًا من المتناوب والمستمر، وبالإلكترونيات المعيارية التي يمكن إعادة استخدامها وتوسيعها حسب تزايد الحاجة.

صندوق واحد بدلًا من صندوقين

تقليديًا، تزويد كلٍ من المتناوب والمستمر من مجموعة شمسية أو بطارية يتطلب كتلتين: محول لرفع أو خفض جهد التيار المستمر، وآخر لتحويل التيار المستمر إلى متناوب. يبني المؤلفون على فكرة "المحول الشامل" السابقة ويعيدون تصميمها بحيث تقوم مرحلة طاقة واحدة بالوظيفتين معًا. يتكون جهازهم من أربع كتل متطابقة تسمى خلايا باك-بوست. تولد ثلاث خلايا الأطوار الثلاثة للتيار المتناوب التي قد يستخدمها مبنى أو شبكة صغيرة، بينما تحافظ الخلية الرابعة على مخرج التيار المستمر عند مستوى محدد. بذكاء، يتم ربط سلك النيوترال في نظام المتناوب مباشرةً بالجانب الموجب لمخرج التيار المستمر، بحيث يشترك كل من المتناوب والمستمر في نفس المرجع الكهربائي دون الحاجة إلى محول عزل ضخم.

كيف يتصرف المحول الجديد

داخل كل خلية، تشكّل مفاتيح إلكترونية سريعة وملفات ومكثفات صغيرة التيار، إما برفع الجهد أو خفضه حسب الحاجة. تولّد ثلاث خلايا "متناوبة" موجات جيبية ناعمة تسبح فوق ازاحة تيار مستمر، بينما تحافظ الخلية الرابعة على مستوى التيار المستمر ثابتًا. بسبب نقطة النيوتрал المشتركة، ترى الأحمال المتناوبة فقط جزء التموج من الموجة، بينما ترى الأحمال المستمرة القيمة الثابتة. يحاكي الباحثون عمل المحول في ظروف واقعية ثم يبنون نموذجًا معمليًا. في الاختبارات، يزوّد مصدر تيار مستمر واحد قدرة 1 كيلوواط من طاقة التيار المتناوب ثلاثي الطور و800 واط من طاقة التيار المستمر في نفس الوقت. تبقى جهود التيار المتناوب متوازنة وشبه جيبية، ويظل خرج التيار المستمر قريبًا من المستوى المستهدف حتى عند تبديل أحمال المتناوب أو المستمر فجأة.

السلامة والتأريض والموثوقية

اختيارات التأريض حاسمة للسلامة في أنظمة مختلطة المتناوب والمستمر. مع المحولات المزدوجة التقليدية غير المعزولة، قد يؤدي ربط نيوترال المتناوب وقطب من قطبي التيار المستمر بالأرض إلى عدم قصد خلق حلقة تسمح لتيارات خطأ كبيرة بالدوران، لذا عادةً ما يضيف المصممون عزلًا غالڤانيًا. في التصميم الجديد، تكون نقطة نيوترال المتناوب والقطب الموجب للتيار المستمر هي نفس النقطة فيزيائيًا، لذا هناك عقدة داخلية واحدة مربوطة بالأرض ولا توجد حلقة خفية. يزيل هذا الحاجة إلى أجهزة عزل إضافية ويمكن أن يقلل أيضًا من مشاكل التآكل الطويلة الأمد المرتبطة بالتيارات المستمرة الشاردة. تُظهر صور التصوير الحراري للنموذج الأولي أن الأجزاء الأكثر سخونة هي مفاتيح القدرة، كما هو متوقع، لكن درجات حرارتها تبقى ضمن الحدود الآمنة ويمكن خفضها أكثر بتحسين التبريد.

ماذا يعني هذا للشبكات المستقبلية

تُظهر الدراسة أن محولًا معياريًا أحادي المرحلة يمكنه تزويد شبكات المتناوب والمستمر من مصدر تيار مستمر واحد بشكل موثوق مع الحفاظ على نقاء الموجات والتحكم الجيد في الفولتية. بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية هي أن نفس مجموعة صغيرة من "القطع" الإلكترونية يمكن تكرارها وإعادة استخدامها لتغذية أنواع مختلفة من الأحمال في ميكروغريد أو مجتمع طاقة. يقلل هذا من الأجهزة، ويبسّط التأريض والحماية، وقد يحسن الكفاءة الإجمالية بتجنب مراحل تحويل إضافية. مع إضافة تحكم حلقي مغلق ومزامنة مع الشبكة، قد تصبح مثل هذه المحولات لبنات بناء مركزية في أنظمة الطاقة المحلية منخفضة الكربون في المستقبل.

الاستشهاد: Gutiérrez-Escalona, J., González-Antúnez, J.J., Roncero-Clemente, C. et al. Dual-output hybrid converter based on the modular universal dc-ac/dc converter. Sci Rep 16, 15203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45619-6

الكلمات المفتاحية: شبكة ميكرو هجينة, محول طاقة, توزيع التيار المتناوب والمستمر, إلكترونيات معيارية, أنظمة الطاقة المتجددة