A two-stage MPPT controller with energy-regret coordination and transition memory for PV systems under complex partial shading conditions
تقترح هذه الورقة ER-ISSA-IVY، وهو متحكم هجين جديد ثنائي المرحلة لتتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) يدمج خوارزمية بحث عصفور محسنة مع خوارزمية اللبلاب، منسقة بواسطة قاعدة ندم الطاقة وآلية ذاكرة الانتقال، لتحقيق كفاءة استاتيكية وديناميكية عالية مع تقليل خسائر الاستكشاف والتجاوز في ظل ظروف التظليل الجزئي المعقدة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تُعد الألواح الشمسية هي "خيول العمل" في عملية التحول نحو الطاقة المتجددة، لكنها هشة بشكل مفاجئ عندما يتعلق الأمر ببيئتها. فالمصفوفة الكهروضوئية مصممة للعمل عند نقطة مثالية محددة حيث تولد أكبر قدر من الكهرباء، وهي حالة تُعرف باسم "نقطة الطاقة القصوى". وفي ظل ضوء الشمس المثالي والمنتظم، يكون العثور على هذه النقطة أمراً مباشاً؛ حيث تبدو العلاقة بين الجهد والقدرة مثل تلة بسيطة ذات قمة واحدة. ومع ذلك، فإن العالم الحقيقي نادراً ما يكون مثالياً. فالغيوم، والغبار، والمباني المجاورة غالباً ما تلقي بظلال غير متساوية عبر المصفوفة الشمسية. وعند حدوث ذلك، تتغير الخصائص الكهربائية للألواح بطرق معقدة، مما يخلق مشهماً للقدرة يشبه سلسلة جبال وعرة ذات قمم متعددة وبارتفاعات مختلفة، بدلاً من أن يكون مجرد تلة واحدة. تمثل القمة الأعلى الطاقة القصوى الحقيقية، ولكن هناك العديد من القمم الأصغر والمضللة بالقرب منها.
لعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية لتتبع هذه القدرة هي نهج بسيط يعتمد على "تسلق التلة"؛ حيث يقوم المتحكم بتحريك النظام قليلاً، ويتحقق مما إذا كانت القدرة قد ارتفعت، ثم يستمر في التحرك في ذلك الاتجاه. هذا النهج يعمل بشكل جيد في حالة التلة الواحدة، ولكنه في حالة "سلسلة الجبال" الناتجة عن الظلال، غالباً ما يؤدي بالمنظومة إلى قمة محلية صغيرة، تاركاً القمة العالمية الأكبر بكثير دون الوصول إليها. وبذلك تستقر المنظومة على طاقة أقل مما يمكن إنتاجه، مما يؤدي أحياناً إلى فقدان جزء كبير من الطاقة المتاحة. ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى أساليب مستوحاة من الطبيعة، مثل أسراب الطيور أو أسراب الحشرات، والتي تستكشف المشهد بأكمله للعثور على أعلى نقطة. ومع ذلك، تواجه حتى هذه الأساليب المتقدمة معضلة: إذ يجب عليها موازنة الوقت المستغرق في البحث عبر النطاق بأكي لضون فقدان الطاقة أثناء عملية البحث. فكل لحظة تُقضى في اختبار مكان خاطئ هي طاقة لا يتم حصادها.
قام فريق من الباحثين من جامعة غوانغدونغ للمحيطات وشبكة غوانغدونغ للكهرباء بتطوير متحكم جديد مصمم للتنقل في هذه التضاريس الصعبة بذكاء أكبر. يعتمد نهجهم، الموصوف في دراسة حديثة، على دمج استراتيجيتين متميزتين في نظام واحد ذي مرحلتين. تعمل المرحلة الأولى كـ "كشاف" واسع النطاق، باستخدام نسخة محسنة من خوارزمية "بحث العصفور" لمسح نطاق الجهد بأكمله وتحديد المنطقة العامة للقمة الأعلى. أما المرحلة الثانية، فتعمل كـ "متسلق دقيق"، باستخدام طريقة مستوحاة من نمو نبات اللبلاب لتنقية البحث والتمكن من القمة بدقة وبأقل قدر من التذبذب. ولا يكمن الابتكار في مجرد الجمع بين هذين الأسلوبين، بل في كيفية اتخاذ النظام قرار الانتقال من البحث الواسع إلى التسلق الدقيق.
استحدث الباحثون قاعدة قائمة على "الندم على الطاقة". وببساطة، تقوم المنظومة باستمرار بحساب ما إذا كان المكسب المحتمل من مواصلة البحث يستحق الطاقة التي تفقدها حالياً بسبب عدم وجودها في النقطة المثالية. فإذا أشارت الحسابات إلى أن المزيد من البحث سيكلف طاقة أكثر مما ستستردها، فإن النظام يتوقف عن البحث الواسع وينتقل فوراً إلى وضع التسلق الدقيق. هذا يمنع المتحكم من إضاعة الوقت في استكشاف مناطق تم استبعادها بالفعل أو حيث يكون العائد على الاستثمار منخفضاً جداً. علاوة على ذلك، يتضمن النظام شكلاً من أشكال "الذاكرة"؛ فإذا تغيرت حركة الشمس وتغير نمط الظل، يتحقق المتحكم مما إذا كان قد رأى هذا النمط المحدد من التغيير من قبل. وإذا كان الأمر كذلك، فإنه يسترجع موقع القمة التي وجدها في المرة الأخيرة ويبدأ بحثه من هناك، بدلاً من البدء من الصفر. تتيح عملية "إعادة التشغيل الدافئ" هذه للنظام التعافي بسرعة أكبر عندما تتحرك أنماط الغيوم المألوفة عبر الألواح.
اختبر الفريق هذا المتحكم الجديد، الذي أطلقوا عليه اسم ER-ISSA-IVY، مقابل مجموعة متنوعة من الأساليب الموجودة باستخدام محاكاة حاسوبية مفصلة للمصفوفات الشمسية. وقد أخضعوا النظام لسيناريوهات تتراوح من ضوء الشمس المنتظم إلى أنماط التظليل المعقدة والشديدة التي تخلق قممًا متعددة ومربكة. في الاختبارات الثابتة حيث لم يتغير التظليل، وجدت المنظومة الجديدة القمة الأعلى الحقيقية بنسبة 100 بالمائة، وفعلت ذلك بشكل أسرع وبأقل قدر من التذبذب مقارنة بالأساليب الأخرى التي تم اختبارها. وفي الاختبارات الديناميكية، حيث تغير ضوء الشمس بسرعة لمحاكاة حركة السحب عبر المصفوفة، حافظ المتحكم على كفاءة طاقة ديناميكية بلغت 94.35 بالمائة. وهذا يعني أنه على مدار يوم متغير، نجحت المنظومة في التقاط جميع الطاقة التي كان من الممكن نظرياً الحصول عليها، متفوقة بشكل كبير على الأساليب القياسية التي غالباً ما تتعثر في قمم أدنى.
كما قام الباحثون بمحاكاة عمل المتحكم مع محول طاقة حقيقي، وهو الجهاز الذي يدير تدفق الكهرباء. وفي هذه الاختبارات، أظهر النظام الجديد استقراراً ملحوظاً، حيث أنتج القليل جداً من "التموج" الكهربائي أو تجاوز الحد (overshoot)، وهي تقلبات يمكن أن تسبب إجهاداً للأجهزة. وعند اختباره مقابل ملف تعريف تاريخي لضوء الشمس مستمد من بيانات الأقمار الصناعية ليوم كامل في الجزائر، حقق المتحكم كفاءة متكاملة طوال اليوم بلغت 99.99 بالمائة. تشير هذه النتيجة إلى أنه على مدار يوم كامل، لم تفقد المنظومة سوى قدر ضئيل جداً من الطاقة مقارنة بالحد الأقصى النظري. كما تضمنت الدراسة اختباراً محدداً حيث قام الباحثون بإزالة ميزة "الذاكرة" وقاعدة "الندم على الطاقة" واحدة تلو الأخرى لمعرفة أي جزء كان الأكثر أهمية. وأظهرت النتائج أن كلتا الميزتين ساهمتا بشكل فريد: فقاعدة الندم على الطاقة ساعدت النظام على الاستجابة بسرعة لتغير السحب، بينما ساعدت ميزة الذاكرة في تسريع التعافي عندما تتكرر أنماط الظل نفسها.
وعلى الرغم من أن النتائج مثيرة للإعجاب، إلا أن المؤلفين يحرصون على الإشارة إلى أن هذه النتائج تأتي من عمليات المحاكاة وليس من مزرعة شمسية فعلية في الميدان. تثبت الدراسة أن المنطق يعمل في بيئة رقمية محكومة، لكن الظروف الواقعية تنطوي على ضوضاء في المستشعرات وقيود في الأجهزة لم تكن موجودة تماماً في المحاكاة. ويخطط الباحثون للمضي قدماً نحو تجارب الأجهزة لرؤية كيفية أداء المتحكم في الظروف الميدانية الفعلية. وفي الوقت الحالي، يوفر هذا العمل مخططاً مقنعاً لكيفية جعل الأنظمة الشمسية أكثر ذكاءً، بالانتقال من مجرد "تسلق التلال" البسيط إلى استراتيجية أكثر تطوراً توازن بين تكلفة البحث وقيمة الطاقة الموجودة. ومن خلال الموازنة بين الاستكشاف والاستغلال وتذكر الدروس الماضية، يفتح هذا النهج الجديد مساراً نحو استخراج أقصى قدر ممكن من الطاقة من الشمس، حتى عندما لا تكون السماء صافية تماماً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.