Supercapacitor-Based Voltage Smoothing in a Solar PV Microgrid: An OpenModelica Simulation Study

في الزوايا الهادئة من العالم حيث لا تصل شبكة الكهرباء، غالبًا ما تكون الألواح الشمسية هي المصدر الوحيد للطاقة. فهي توفر وسيلة نظمة وصامتة لإضاءة المنازل وتشغيل الأجهزة الصغيرة، لكنها تأتي مع قيد جوهري: الشمس لا تشرق باستمرار. فعندما تمر سحابة فوق الرأس، تخفت شدة الضوء الساقط على الألواح وتزداد في غضون ثوانٍ معدودة. هذا التحول السريع يسبب تدفقات وانخفاضات غير متوقعة في الكهرباء التي تنتجها. وبالنسبة للأجهزة الحساسة مثل المعدات الطبية، أو أجهزة الاتصالات، أو حتى مصابيح الـ LED البسيطة، يمكن لهذه الصدمات المفاجئة في الطاقة أن تسبب وميضًا، أو تلفًا، أو فشلاً في التشغيل. ولحل هذه المشكلة، يلجأ المهندسون غالبًا إلى تخزين الطاقة، ولكن ليست كل أنواع التخزين متشابهة. فبينما تعتبر البطاريات الثقيلة ممتازة لحفظ الطاقة لساعات، إلا أنها تتآكل بسرعة إذا طُلب منها الاستجابة لكل تغيير صغير وسريع في ضوء الشمس. وهناك نوع مختلف من الأجهزة، يُعرف باسم "المكثف الفائق" (supercapacitor)، يعمل كأنه ممتص للصدمات للكهرباء؛ إذ يمكنه امتصاص أو تحرير الطاقة بشكل فوري تقريبًا، مما يؤدي إلى تنعيم التعرجات في إمدادات الطاقة دون التدهور السريع الذي تعاني منه البطاريات التقليدية.

لقد سعى باحثون في معهد الطيران التابع للقوات الجوية في كادونا، نيجيريا، لاختبار مدى جودة تقنية امتصاص الصدمات هذه في تثبيت نظام طاقة شمسية في بيئة محاكاة. قاموا ببناء نموذج افتراضي لنظام طاقة شمسية صغير خارج الشبكة باستخدام برمجيات مفتوحة المصدر، وهي أداة تسمح للعلماء بكتابة المعادلات ومراقبة كيفية سلوك النظام بمرور الوقت دون الحاجة إلى أجهزة مادية. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان إضافة مكثف فائق واحد إلى مصفوفة شمسية يمكن أن يهدئ التقلبات العنيفة الناتلة عن مرور السحب، مما يجعل الكهرباء آمنة ومستقرة للاستخدام اليومي. لم يعتمدوا على التخمين فحسب؛ بل أنشأوا "توأمًا رقميًا" مفصلاً للوح شمسي، وحملًا مقاومًا يمثل منزلاً أو شركة، ونوعًا محددًا من المكثفات الفائقة يُعرف باسم "Maxwell BCAP0310". وقد تم اختيار هذا الجهاز، الذي تبلغ سعته 310 فاراد وجهد 2.7 فولت، لأنه مكون شائع وحقيقي يُستخدم في تطبيقات عديدة.

قام الفريق ببرمجة المحاكاة الخاصة بهم لمحاكاة يوم غائم واقعي. لقد أنشأوا نمطًا لضوء الشمس يرتفع وينخفض بإيقاع معقد، يجمع بين التغيرات البطيئة والمنسابة الناتجة عن السحب الكبيرة، والتحولات السريعة والمضطربة الناتجة عن التشتت الجوي. أدى ذلك إلى جعل مخرجات الطاقة الشمسية تتأرجح بجنون بين 118 واط و250 واط تقريبًا خلال فترة خمس دقائق. في السيناريو الأول، تركوا هذه الطاقة الخام والمتعرجة تتدفق مباشرة إلى الحمل، وهو ما يمثل نظامًا بدون تخزين. وفي السيناريو الثاني، أدخلوا المكثف الفائق. تم توصيل هذا الجهاز بالنظام وفق قاعدة بسيطة: سيعمل كمخزن مؤقت، حيث يمتص الطاقة الزائدة عندما تشتد سطوع الشمس، ويطلق الطاقة المخزنة عندما تخبو الشمس، وكل ذلك بتوجيه من مرشح (filter) ينظر خمس ثوانٍ إلى المستقبل ليقرر مقدار الطاقة التي يجب نقلها.

كانت نتائج المحاكاة واضحة وقابلة للقياس. فعندما كان المكثف الفائق نشطًا، أصبحت الكهرباء المقدمة للحمل أكثر استقرارًا بشكل ملحوظ. فقد انخفضت أقصى قفزات الطاقة، التي وصلت إلى قرابة 69 واط من التقلبات في النظام غير المنضبط، إلى حوالي 54 واط. ويمثل هذا انخفاضًا بنسبة 21 في المائة تقريبًا في أسوأ حالات الصدمات. كما انخفض التباين الإجمالي للطاقة، مقاسًا بمدى انحرافها عن المتوسط بمرور الوقت، بنسبة 18 في المائة تقريبًا. ولعل الأهم بالنسبة لسلامة الأجهزة المتصلة، هو أن الجهد عند أطراف الحمل أصبح أكثر استقرارًا؛ حيث انخفض الانحراف المعياري للجهد، وهو مقياس لمدى تذبذب الضغط الكهربائي، من قرابة 2.0 فولت إلى ما يزيد قليًا عن 1.6 فولت، أي بتحسن قدره 18 في المائة. وقد حقق المكثف الفائق ذلك من خلال الشحن والتفريغ المستمر، حيث تحركت حالة شحنه الداخلية بين صفر و69 في المائة، مما أثبت أن لديه مساحة كافية للعمل بفعالية دون أن ينفد أو يمتلئ فوق طاقته أثناء المحاكاة.

كما بحثت الدراسة في الأثر الفيزيائي الذي يخلّفه هذا التنعيم على الجهاز. فبينما كان المكثف الفائق يعمل على موازنة الطاقة، فقد ولد حرارة بسبب مقاومته الكهربائية الداخلية. ووصل ذروة توليد الحرارة إلى 12.28 واط خلال اللحظات الأكثر حدة لتغطية السحب. وبينما كانت هذه الكمية من الحرارة ضمن حدود التشغيل الآمنة للمكون المحدد المستخدم، إلا أنها سلطت الضوء على الحاجة لمزيد من الدراسة حول كيفية انتشار الحرارة عبر الجهاز، مما يشير إلى أن العمل المستقبلي قد يحتاج إلى دمج النماذج الكهربائية والحرارية لضمان السلامة على المدى الطويل. وأشار الباحثون إلى أن نهجهم كان "خاملًا" (passive)، مما يعني أنه لا يتطلب حلقات تحكم نشطة معقدة أو محولات باهظة الثمن ليعمل، مما يجعله حلاً بسيطًا ومنخفض التكلفة محتملاً للمناطق الريفية.

يُظهر هذا العمل أن المكثف الفائق يمكن أن يعمل كعازل فعال قصير المدى لطاقة الشمس، مما يعمل على تنعيم التقلبات السريعة التي عادة ما تعاني منها الأنظمة خارج الشبكة. أظهرت المحاكاة أنه حتى وجود جهاز واحد صغير نسبيًا يمكن أن يحسن جودة الطاقة بشكل كبير، مما يقلل من الإجهاد على المعدات ويجعل الطاقة الشمسية أكثر موثوقية للمجتمعات التي تعتمد عليها. وخلص الباحثون إلى أنه بينما كان هذا نجاحًا لإثبات المفهوم، فإن الخطوة التالية ستكون دمج هذا التنعيم قصير المدى مع تخزين البطاريات طويل المدى، والتحقيق في السلوك الحراري للجهاز بمزيد من التفصيل. وفي الوقت الحالي، تؤكد الدراسة أن المكثف الفائق يوفر وسيلة عملية لتحويل نبض الشمس المتقلب إلى تدفق مستقر ومفيد من الكهرباء في غياب شبكة طاقة تقليدية.