تحسين إنتاج الهيدروجين الأخضر: تحليل مقارن لاستراتيجيات تحكم MPPT لتحليل محللات PEM المزوّدة بالطاقة الشمسية باستخدام خوارزمية تحسين البحث الإبداعي المتمايز

تحويل ضوء الشمس والماء إلى وقود نظيف

يطلق على الهيدروجين المنتج بالطاقة المتجددة غالبًا اسم الهيدروجين الأخضر، ويحظى باهتمام كوقود نظيف يمكنه تشغيل الصناعة والنقل والمنازل مع تقليل تلوث المناخ. يستعرض هذا المقال كيف يمكن استخراج كمية أكبر من الهيدروجين المفيد من ضوء الشمس عبر إقران الألواح الشمسية بجهاز خاص لتفكيك الماء وتحكم إلكتروني أكثر ذكاءً. من خلال ضبط تدفق الكهرباء من الألواح الشمسية إلى محلل الماء، يبيّن الباحثون أن نفس ضوء الشمس يمكن أن ينتج هيدروجينًا أكثر، وبشكل أكثر موثوقية، ومع فقد طاقة أقل.

من الألواح الشمسية إلى تعبئة الهيدروجين

تفحص الدراسة سلسلة كاملة تبدأ عندما يسقط ضوء الشمس على مصفوفة كهروضوئية (PV) وتنتهي بجريان غاز الهيدروجين. تحول المصفوفة الكهروضوئية الضوء إلى كهرباء تيار مباشر، تُمرّر عبر محول إلكتروني قبل أن تصل إلى محلل غشاء التبادل البروتوني (PEM). داخل المحلل، يُفكك الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام تلك الكهرباء. وبما أن ضوء الشمس يتغير باستمرار بسبب السحب ودرجة الحرارة ووقت اليوم، فإن الطاقة القادمة من الألواح نادراً ما تكون ثابتة. إذا عملت الألواح بعيدًا عن نقطة التشغيل المثلى، يُفقد جزء كبير من الطاقة الشمسية المتاحة على شكل حرارة بدلًا من أن يتحول إلى هيدروجين. السؤال المركزي في هذا العمل هو كيفية إبقاء الألواح تعمل بالقرب من نقطة الفعالية القصوى أثناء تزويد المحلل بالطاقة المناسبة.

مساعدة الألواح الشمسية للعمل عند نقطتها المثلى

لإدارة مصفوفة PV، يستخدم المؤلفون مجموعة من الطرق تسمى تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT)، التي تعدّل جهد وتيار التشغيل للألواح حتى تكون قريبة من النقطة التي يكون فيها إنتاج الطاقة أكبر. يركزون على استراتيجية شائعة تُعرف بالاضطراب والملاحظة (perturb and observe)، ثم يختبرون «عوالم» تحكم مختلفة تعمل فوقها. تشمل هذه عتاد التحكم التناسبي–التكاملي التقليدي، وإصداره ذو الرتبة الكسرية الأكثر مرونة، ومتحكم منطق غامض قائم على القواعد. التغيير الرئيسي هو أنهم لا يختارون إعدادات المتحكم يدويًا. بل يتركون تقنيات بحث حاسوبية مستوحاة من حل المشكلات الجماعية للبحث عن القيم التي تقلل الخطأ بين جهد اللوح المثالي والجهد الفعلي مع مرور الزمن.

بحث أذكى من أجل تحكم أفضل

طريقة البحث البارزة في الدراسة تسمى خوارزمية تحسين البحث الإبداعي المتمايز. تتعامل مع كل مجموعة تجريبية من إعدادات المتحكم كفرد ضمن فريق يتعلم بمعدل خاص به. تستكشف المرشحات عالية الأداء إمكانيات جديدة بينما تساعد المرشحات الأضعف في ملء الفراغات في فضاء البحث. يقارن الباحثون هذا النهج بطريقتين شائعتين أخريين ويشغّلون الثلاثة تحت نفس الظروف. في المحاكاة الحاسوبية، يسمح المتحكم التقليدي المحسّن بواسطة خوارزمية البحث الإبداعي للمصفوفة الكهروضوئية بتسليم حوالي 6.99 كيلوواط، وهو أكثر بقليل من الطرق المنافسة وبوضوح أعلى من نهج المنطق الضبابي. يحقق ذلك مع الحفاظ على استجابة سريعة وسلسة عند تغير ضوء الشمس أو درجة الحرارة.

كيف يستجيب محلل تفكيك الماء

على جانب الهيدروجين، تُصوَّر الدراسة بتفصيل كيفية تصرّف محلل PEM مع تغيّر الضغط ودرجة الحرارة ومدخلات الطاقة. تحت الظروف القياسية، يصل كفاءته إلى نحو ثلثي الطاقة أثناء إنتاج عشرات اللترات من الهيدروجين في الدقيقة. مع ارتفاع درجة الحرارة، يحتاج الجهاز إلى جهد أقل لدفع نفس التيار، لذا يزداد إنتاج الهيدروجين، لكن الخسائر داخل الغشاء تتغير أيضًا. يختبر المؤلفون أيضًا أنواع محولات مختلفة بين مصفوفة PV والمحلل. يتبيّن أن محول خافض للجهد (buck converter)، الذي يخفض الجهد، يقدم أفضل توافق بين الألواح الشمسية والكدس، محافظًا على كل من إلكترونيات القدرة والمحلل في نطاق تشغيل مريح وفعّال.

ما معنى هذا لأنظمة الطاقة النظيفة

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن التحكم والتوافق لا يقلان أهمية عن حجم المعدات عند تصميم أنظمة الهيدروجين الأخضر. من خلال ضبط كيفية تشغيل الألواح الشمسية وكيفية توصيل طاقتها إلى محلل الماء بعناية، يمكن لحقل من الألواح نفسه أن ينتج هيدروجينًا أكثر مع هدر طاقة أقل. في هذه المحاكاة، يوفّر متحكم تقليدي مضبوط تلقائيًا بواسطة خوارزمية البحث الإبداعي المتمايز أعلى طاقة شمسية للمحلل، بينما يحافظ محول خافض الجهد البسيط على عمل محلل الماء بكفاءة. معًا، ترفع هذه الخيارات الأداء الكلي لسلسلة تحويل الشمس إلى هيدروجين، موجهة نحو طرق أكثر عملية وقابلة للتوسع لتحويل ضوء الشمس والماء إلى وقود نظيف.

الاستشهاد: Mohamed, A.A., Ali, M.H., Omar, A.I. et al. Optimizing green hydrogen production: a comparative analysis of MPPT control strategies for PV-powered PEM electrolyzers using differentiated creative search optimization algorithm. Sci Rep 16, 15176 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46999-5

الكلمات المفتاحية: الهيدروجين الأخضر, الطاقة الكهروضوئية الشمسية, محلل PEM, إلكترونيات القدرة, تحسين التحكم