Design and Performance Analysis of a Dual-Battery Solar PV Laptop Charging System Using MATLAB/Simulink

في أجزاء كثيرة من العالم، غالباً ما يبدو الوعد بالطاقة النظيفة مرتبطاً بآلات معقدة ومعدات باهظة الثمن. إن الطاقة الشمسية، التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء، هي تقنية ناضجة، لكن استخدامها لشحن الإلكترونيات الحساسة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمول يفرض تحدياً خاصاً. فضوء الشمس ليس ثابتاً؛ إذ يتغير مع حركة السحب والوقت من اليوم، مما يؤدي إلى تذبذب الكهرباء التي ينتجها بشكل حاد. ومع ذلك، تتطلب معظم الأجهزة الإلكترونية تدفقاً مستقراً وغير متغير من الطاقة لتعمل بأمان. ولتجسير هذه الفجوة، يعتمد المهندسون عادةً على وحدات تحكم إلكترونية متطورة تقوم بتعديل الجهد باستمرار، لكن هذه المكونات تزيد من التكلفة والوزن ونقاط الفشل. وبالنسبة لشخص في قرية نائية أو باحث ميداني لا يملك وصولاً إلى شبكة الكهرباء، فإن الهدف هو إيجاد طريقة لتخزين الطاقة الشمسية وتوفيرها بشكل موثوق دون الحاجة إلى جهاز كمبيوتر لإدارة العملية.

لقد استكشف فريق من الباحثين من البحرين والأردن مساراً مختلفاً، حيث صمموا نظام شحن شمسي يعتمد على مفاتيح ميكانيكية بسيطة بدلاً من العقول الرقمية المعقدة. ويركز عملهم، المفصل في دراسة حديثة، على إعداد يستخدم بطاريتين قياسيتين بجهد 12 فولت وآلية تبديل تعتمد على "الريليه" (المرحل). والريليه هو في الأساس مفتاح يعمل بالكهرباء، يشبه مفتاح الضوء الذي ينقل نفسه من وضع التشغيل إلى الإيقاف بناءً على إشارة. وقد بنى الباحثون محاكاة حاسوبية لهذا النظام لمعرفة كيفية أدائه في ظروف العالم الحقيقي، واختبار ما إذا كان ترتيب بسيط ومنخفض التكلفة يمكنه تشغيل جهاز كمبيوتر محمول دون الحاجة إلى رقائق متطورة لإدارة الطاقة.

الفكرة الجوهرية وراء تصميمهم هي طريقة ذكية لترتيب البطاريتين. فعندما تشرق الشمس ويقوم النظام بشحن البطاريات، يتم توصيل الوحدتين جنباً إلى جنب، أو على التوازي. وهذا يسمح لهما بالامتلاء معاً بجهد منخفض وآمن. ومع ذلك، عندما تغرب الشمس أو يحتاج الكمبيوتر المحمول إلى الطاقة، يقوم النظام تلقائياً بتغيير ترتيب البطاريات، فيوصلهما نهاية بنهاية، أو على التوالي. هذا إعادة التشكيل البسيطة تضاعف الجهد، مما يوفر من 19 إلى 21 فولت المطلوبة لتشغيل جهاز كمبيوتر محمول قياسي. وتتم إدارة العملية برمتها بواسطة منظم جهد يستخدم مكونات أساسية مثل "ديودات زينر" (Zener diodes) لتنعيم أي تقلبات في إمدادات الطاقة، مما يضمن حصول الكمبيوتر المحمول على تيار ثابت من الكهرباء.

ولاختبار مدى صمود هذا المفهوم، أنشأ الباحثون نموذجاً رقمياً مفصلاً باستخدام برنامج يُعرف باسم MATLAB/Simulink. سمحت لهم هذه البيئة الافتراضية بمحاكاة سلوك الألواح الشمسية، والبطاريات، وآلية التبديل تحت مجموعة واسعة من الظروف. لقد قاموا بمحاكاة كل شيء، بدءاً من ضوء الشمس القوي في منتصف النهار بكثافة 1000 واط لكل متر مربع، وصولاً إلى الأيام الغائمة والضعيفة التي تبلغ فيها الكثافة 200 واط لكل متر مربع. كما قاموا بتغيير درجة الحرارة، واختبار النظام في ظروف تتراوح من 15 درجة مئوية باردة إلى 45 درجة مئوية حارة، لمعرفة كيف قد تؤثر الحرارة على الأداء.

كانت نتائج هذه المحاكاة مشجعة. ففي ظل ضوء الشمس القوي، قدم النظام طاقة بكفاءة تبلغ حوالي 85 بالمائة، مما يعني أنه مقابل كل وحدة طاقة تلتقطها الألواح الشمسية، تصل نحو 85 بالمائة منها إلى الكمبيوتر المحمول. وحتى عندما كان ضوء الشمس ضعيفاً وانخفضت شدة الإشعاع إلى 200 واط لكل متر مربع، ظل النظام يعمل، محافظاً على كفاءة تبلغ حوالي 65 بالمائة. ولعل الأهم من ذلك هو أن جهد المخرج ظل مستقراً بشكل ملحوظ؛ فخلال مرحلة التفريغ، عندما كانت البطاريات تغذي الكمبيوتر المحمول، تذبذب الجهد بأقل من 3 بالمائة، وظل ثابتاً ضمن نطاق 19 إلى 21 فولت اللازم للتشغيل الآمن. وقد نجح النظام في إدارة الانتقال بين وضعي الشحن والتفريغ دون الحاجة إلى خوارزميات معقدة أو وحدات تحكم عالية التكلفة.

كما فحص الباحثون كيفية سلوك النظام بمرور الوقت. ولاحظوا أنه مع شحن البطاريات، يرتفع جهدها باستمرار بينما ينخفض التيار المتدفق إليها، وهو سلوك طبيعي يشير إلى أن النظام يعمل كما هو مخطط له. وظلت درجة حرارة البطاريات ضمن الحدود الآمنة، حيث لم تظهر أي علامات على ارتفاع الحرارة أثناء دورات الشحن المحاكات. وعندما انتقلت البطاريات إلى تشغيل الكمبيوتر المحمول، ظل الجهد مستقراً، واستمر النظام في توفير الطاقة حتى مع نفاد البطاريات ببطء. وأكدت الدراسة أن آلية التبديل القائمة على "الريليه" المقترحة يمكنها إدارة تدفق الطاقة بفعالية، مما يوفر مصدراً مستقراً للطاقة يتسم بالبساطة والمتانة.

ومن خلال مقارنة تصميمهم بالحلول الحالية الأخرى، سلط المؤلفون الضوء على ميزة التميز في البساطة. تعتمد العديد من أنظمة الشحن الشمسي الحالية على وحدات تحكم تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) أو محولات (DC-DC) متطورة، وهي أنظمة فعالة ولكنها باهظة الثمن ومعقدة، وغالباً ما تتطلب معرفة متخصصة للتركيب والصيانة. وفي المقابل، يستخدم نظام البطارية المزدوجة المقترح مكونات متوفرة على نطاق واسع وغير مكلفة. ورغم أن كفاءة هذا النظام الأبسط أقل قليلاً من أنظمة (MPPT) رفيعة المستوى، والتي يمكن أن تصل إلى 90 بالمائة، إلا أن المقايضة هي انخفاض كبير في التكلفة والتعقيد. وهذا يجعل التصميم مناسباً بشكل خاص للتطبيقات خارج الشبكة حيث تكون القدرة على تحمل التكاليف والموثوقية أكثر أهمية من استخراج آخر جزء ضئيل من الكفاءة.

تخلص الدراسة إلى أن هذا النهج يقدم حلاً عملياً للشحن الشمسي المحمول. فهي تثبت أنه من خلال استخدام بنية البطارية المزدوجة وآلية تبديل ميكانيكية، يمكن إنشاء نظام يتسم بالفعالية وسهولة الوصول. وتشير نتائج المحاكاة إلى أن مثل هذا الجهاز يمكن أن يوفر مصدراً موثوقاً للطاقة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة في المواقع النائية، مما يلغي الحاجة إلى الإلكترونيات المعقدة. وبينما تستند النتائج إلى عمليات المحاكاة الحاسوبية، فإن المبادئ الأساسية ترتكز على الهندسة الكهربائية الراسخة، ويشير المؤلفون إلى أن الخطوة التالية ستكون بناء نموذج أولي مادي للتحقق من هذه النتائج في العالم الحقيقي. أما الآن، فإن هذا العمل يوفر مخططاً واضحاً لنظام طاقة منخفض التكلفة وذاتي الاستدامة يمكن أن يجلب راحة استخدام الكمبيوتر المحمول إلى الأماكن التي لا تصل إليها شبكة الكهرباء.