Development and Experimental Validation of a Dual-Input Dual-Output DC-DC Converter for PV–Battery Hybrid Energy Systems

تُعد الشمس شريكاً سخياً ولكنه متقلب؛ فهي توفر تدفقاً مستمراً من الطاقة خلال النهار، غير أن هذا التدفق يتلاشى ليلاً أو يخبو تحت وطأة السحب الكثيفة. ولكي يكون نظام الطاقة الشمسية مفيداً حقاً، لا يمكنه الاعتماد على الشمس وحدها، بل يحتاج إلى وسيلة لتخزين تلك الطاقة لوقت خفوت الضوء، ووسيلة لتلطيف الفجوات عندما تكون السماء ملبدة بالغيوم. وهنا يأتي دور الأنظمة الهجينة، التي تجمع بين الألواح الشمسية والبطاريات لإنشاء مصدر طاقة موثوق. ومع ذلك، كان ربط هذه المصادر المختلفة للطاقة بحمل واحد عملية فوضوية تقليدياً؛ حيث كان على المهندسين غالباً بناء محولات طاقة منفصلة للألواح الشمسية وللبطارية، ثم توصيلها معاً. وكان هذا النهج ضخماً ومكلفاً وغير فعال، مما يؤدي إلى هدر الطاقة في عملية نقلها من مكان إلى آخر. لطالما تمثل التحدي في إيجاد طريقة لدمج هذه الوظائف في جهاز واحد مدمج يمكنه التعامل مع تدفق الطاقة من كل من الشمس والبطارية دون أن يفقد توازنه.

في دراسة حديثة، عالج باحثون من جامعة شيراز للتكنولوجيا هذه المشكلة عبر تصميم نوع جديد من محولات الطاقة يعمل كمركز محوري لكلا مصدري الطاقة. فبدلاً من استخدام آلتين منفصلتين، قاموا ببناء جهاز واحد يستقبل الطاقة من مصفوفة شمسية ومن بطارية في آن واحد، ثم يوصلها إلى حمل مع إدارة عمليات شحن وتفريغ البطارية تلقائياً. ويكمن جوهر ابتكارهم في ترتيب ذكي من الأسلاك والمكثفات ومكون مغناطيسي خاص يُعرف باسم شبكة "T-source". فكر في هذه الشبكة كمنظم مرور متطور للكهرباء، قادر على توجيه التدفق من الألواحه الشمسية إلى الحمل، أو من البطارية إلى الحمل، أو حتى إرسال الطاقة الشمسية الفائضة إلى البطارية لشحنها. وقد وضع الباحثون نموذجاً رياضياً للتنبؤ بكيفية سلوك هذا النظام، ثم بنوا نموذجاً أولياً مادياً لاختبار أفكارهم في العالم الحقيقي.

الجهاز الذي صنعوه هو محول مزدوج المدخلات ومزدوج المخرجات، مما يعني أن لديه مكانين يمكن للطاقة الدخول منهما ومكانين يمكنها الخروج منهما. يتصل أحد المدخلين بالألواح الشمسية، والآخر بالبطارية. وقد صُممت المخرجات لتغذية الأحمال الكهربائية. والنظام ذكي بما يكفي لمعرفة ما يجب فعله بناءً على الظروف؛ فإذا كانت الشمس مشرقة بسطوع وكان الحمل يحتاج طاقة أقل مما تنتجه الألواح، يتم تحويل الطاقة الزائدة لشحن البطارية. وإذا كانت الشمس ضعيفة أو غائبة، وكان الحمل يحتاج طاقة أكثر مما توفره الألواح، تتدخل البطارية لسد الفجوة. ولضمان عمل الألواح الشمسية بأفضل حالاتها، استخدم الفريق طريقة تحكم تُسمى "تسلق التل" (hill climbing)؛ حيث يقوم هذا الخوارزمي بإجراء تعديلات طفيفة مستمرة على النظام، والتحقق مما إذا كان التغيير الطفيف في الإعدادات الكهربائية سيؤدي إلى زيادة الطاقة. فإذا فعل ذلك، يستمر النظام في التحرك في ذلك الاتجاه حتى يجد الذروة، مما يضمن عدم إهدار إمكانات الألواح.

ولإثبات نجاح تصميمهم، بنى الباحثون نموذجاً يعمل في مختبرهم وأخضعوه لسلسلة من الاختبارات الصارمة. قاموا بتوصيل بطارية ومصدر شمسي محاكى بالجهاز وراقبوا كيفية استجابته للظروف المتغيرة. في أحد الاختبارات، بدأوا بالبطارية وهي تغذي الحمل بمفردها، ثم رفعوا طاقة الشمس تدريجياً. انتقل النظام بسلاسة، مما قلل الضغط على البطارية حتى تولت الألواح الشمسية المهمة بالكامل. ومع زيادة الطاقة الشمسية أكثر، قام النظام تلقائياً بتحويل البطارية إلى وضع الشحن، مخزناً الطاقة الفائضة. وفي سيناريو آخر، اختبروا النظام عندما كانت الطاقة الشمسية قوية جداً وتتجاوز بكثير ما يحتاجه الحمل. نجح الجهاز في إدارة هذا الفيض من الطاقة، حيث شحن البطارية بكفاءة مع الحفاظ على إمداد ثابت للطاقة للحمل. وطوال هذه الاختبارات، ظل جهد المخرج مستقراً، مما أظهر أن نظام التحكم كان يقوم بعمله حتى مع تقلب المدخلات بشكل كبير.

كانت النتائج مثيرة للإعجاب. فقد قاس الباحثون كفاءة محولهم الجديد ووجدوا أنه يعمل بكفاءة 94 بالمائة عندما توفر البطارية الحمل، وبكفاءة 92 بالمائة عندما تتجاوز الطاقة الشمسية الطلب على الحمل وتكون البطارية في حالة شحن. هذه الأرقام مرتفعة، مما يشير إلى ضياع القليل جداً من الطاقة كحرارة أثناء عملية التحويل. كما قارن الفريق بين نموذجهم الأولي المادي والمحاكاة الحاسوبية، ووجدت القياسات في العالم الحقيقي أنها تطابق التوقيدات بدقة شبه تامة. وهذا الاتفاق بين الرياضيات والآلة يعطي ثقة قوية في أن التصميم سليم وجاهز لمزيد من التطوير. كما أكدت الدراسة أن إجهاد الجهد على المفاتيح الإلكترونية داخل الجهاز كان ضمن الحدود الآمنة، مما يعني أن المكونات لا تُدفع إلى ما وراء نقاط انهيارها.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو جعل الأنظمة الهجينة للطاقة أكثر دمجاً وكفاءة. فمن خلال دمج وظائف محولات متعددة في هيكل واحد موحد، قلل الباحثون من عدد الأجزاء المطلوبة، مما يخفض التكلفة والحجم الفيزيائي للنظام. إن القدرة على الانتقال بسلاسة بين وضعي الشحن والتفريغ دون دوائر خارجية معقدة تجعل النظام أكثر قوة وسهولة في الإدارة. وبينما ركزت الدراسة على إعداد محدد مع مصدر شمسي واحد وبطارية واحدة، فإن المبادئ الموضحة هنا يمكن تطبيقها على أنظمة أكثر تعقيداً في المستقبل. ويقترح الباحثون أن العمل المستقبلي يمكن أن يركز على تحسين التحكم في منفذ المخرج الثاني وتحسين التصميم لظروف تشغيل أوسع. وفي الوقت الحالي، يوفر التحقق الناجح من هذا المحول مزدوج المدخلات ومزدوج المخرجات مساراً واعداً نحو أنظمة طاقة متجددة أكثر موثوقية وكفاءة، مما يقربنا من مستقبل يمكن فيه تخزين الطاقة الشمسية واستخدامها تماماً في الوقت الذي تشتد الحاجة إليها فيه.