Comparative Energy Efficiency Analysis of PV–BESS Systems in Net Zero Energy Buildings Using PID and Model Predictive Control
تقارن هذه الدراسة بين استراتيجيات التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID) والتحكم التنبؤي بالنماذج (MPC) لأنظمة الطاقة الكهروضوئية مع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (PV–BESS) في المباني ذات استهلاك الطاقة الصفر (NZEB)، حيث كشفت أنه في حين يوفر نظام PID كفاءة طاقة فائقة على المدى القصير من خلال الاستخدام المكثف للبطارية، فإن نظام MPC يعد أكثر ملاءمة للاستدامة على المدى الطويل من خلال موازنة الأداء التشغيلي مع تقليل تدهور البطارية.
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
في السعي لبناء هياكل لا تستهلك أكثر مما تنتج، يتجه المعماريون والمهندسون إلى فكرة بسيطة ولكنها قوية: التقاط الشمس، وتخزينها، واستخدامها عندما يحل الظلام. تعتمد هذه المباني "صفرية الطاقة" (net-zero) بشكل كبير على الألواح الشمسية، التي تولد الكهرباء فقط عندما تشرق الشمس، وأنظمة البطاريات، التي تحفظ تلك الطاقة لوقت لاحق. ولا يكمن التحدي في مجرد امتلاك هذه المكونات، بل في إدارتها؛ فالشمس لا تشرق بشكل مستمر؛ إذ تنجرف السحب عبر السماوات الاستوائية، ويقوم الأشخاص داخل المباني بتشغيل وإطفاء الأضواء وأجهزة تكييف الهواء في أوقات غير متوقعة. وللحفاظ على استمرار الإضاءة دون استنزاف البطارية بسرعة كبيرة أو الاعتماد المفرط على شبكة الطاقة الرئيسية، يجب على وحدة تحكم حاسوبية أن تقرر باستمرار متى تشحن البطاريات ومتى تسمح بتفريغها. إن عملية اتخاذ القرار هذه هي الفارق بين نظام يدوم لعقود ونظام يتلف قبل أوانه.
استكشفت دراسة حديثة أجراها باحثون في جامعة كوالالمبور كيف تتعامل "الأدمغة الحاسوبية" المختلفة مع عملية التوازن الدقيقة هذه. ركز الفريق على مبنى محدد في غومباك، ماليزيا، مجهز بمصفوفة شمسية كبيرة ومجموعة من بطاريات الليثيوم أيون. أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت استراتيجيتان للتحكم ستؤديان بشكل مختلف عند مواجهة الطقس الحقيقي والمتقلب للمناخ الاستوائي. إحدى الاستراتيجيتين، والمعروفة باسم PID، تعمل مثل سائق تفاعلي ينظر فقط إلى الطريق الذي أمامه مباشرة، ويعدل السرعة بناءً على الفجوة الفورية مع المركبة التي أمامه. أما الاستراتيجية الأخرى، المسماة التحكم التنبئي بالنموذج (MPC)، فهي تعمل مثل سائق ينظر بعيداً في الطريق، ويتوقع المنعطفات وحركة المرور قبل حدوثها، ويخطط السرعة وفقاً لذلك. ومن خلال محاكاة أسبوع من التشغيل باستخدام لقطات مدتها خمس دقائق من ضوء الشمس واستهلاك الكهرباء الفعلي، تمكن الباحثون من مراقبة كيفية إدارة كل متحكم لتدفق الطاقة.
كشفت النتائج عن مقايضة واضحة وجوهرية بين الحصول على أكبر قدر من الطاقة من النظام في الوقت الحالي وبين الحفاظ على صحة النظام على المدى الطويل. فقد أثبت المتحكم التفاعلي، وهو المتحكم الذي ينظر فقط إلى اللحظة الراهنة، أنه جيد جداً في تقليل كمية الكهرباء التي يتعين على المبنى سحبها من الشبكة الرئيسية. وقد فعل ذلك من خلال استخدام البطارية بشكل هجومي، حيث قام بتفريغها بعمق كلما احتاج المبنى إلى الطاقة وإعادة شحنها بمجرد ظهور الشمس. في المدى القصير، جعل هذا النهج المبنى يبدو مكتفياً ذاتياً بالكامل تقريباً. ومع ذلك، جاء هذا السلوك الهجومي بتكلفة؛ فقد تعرضت البطارية لدورات مجهدة وعميقة، حيث يتم إفراغها تماماً ثم إعادة ملئها بسرعة. ويُعرف هذا النوع من الاستخدام المكثف بمرور الوقت بأنه يؤدي إلى استهلاك البطاريات بشكل أسرع، مما يقصر عمرها الافتراضي وقد يتطلب استبدالها في وقت مبكر.
في المق مقابل، اتخذ المتحكم التنبئي نهجاً أكثر حذراً. فمن خلال النظر إلى التوقعات للساعة التالية أو نحو ذلك، عرف متى ستعود الشمس أو متى سينخفض الطلب في المبنى. وبدلاً من تفريغ البطارية بالكامل لتجنب استخدام الشبكة، حافظ على مستوى معتدل للبطارية، حيث استخدم فقط ما هو ضروري وادخر الباقي لوقت لاحق. وهذا يعني أنه في المدى القصير، اضطر المبنى لسحب كمية أكبر قليلاً من الكهرباء من الشبكة الرئيسية مقارنة بالنظام التفاعلي. ومع ذلك، أدت هذه الزيادة الطفيفة في استخدام الشبكة إلى تجربة أكثر لطفاً للبطارية. فقد تجنب المتحكم التنبئي عمليات التفريغ العميق وحافظ على حالة شحن البطارية ضمن نطاق مستقر ومريح. وقد قلل هذا النهج بشكل كبير من الضغط على البطارية، مما يشير إلى أنها ستدوم لفترة أطول وستظل أكثر صحة على مر السنين.
تسلط الدراسة الضوء على أن الهدف من المبنى صفري الطاقة ليس فقط تقليل استخدام الشبكة اليوم، بل الحفاظ على هذا الأداء لعقود. وبينما قدم المتحكم التفاعلي انتصاراً مغرياً قصير المدى من خلال خفض واردات الشبكة، قدم المتحكم التنبئي مساراً أكثر استدامة. لقد أظهر أن الاعتماد المتزايد قليلاً على الشبكة في اللحظة الراهنة يمكن أن يحافظ على صحة البطارية، مما يضمن بقاء النظام فعالاً وموثوقاً على المدى الطويل. وبالنسبة لمالكي المباني والمهندسين، فإن الدرس المستفاد هو أن استراتيجية إدارة الطاقة الأكثر كفاءة ليست دائماً تلك التي تستخدم أقل قدر من طاقة الشبكة في أي لحظة منفردة، بل هي التي توازن بين الاحتياجات الفورية والمتانة المستقبلية للمعدات. وفي البيئة المعقدة لمبنى استوائي، ثبت أن التطلع إلى المستقبل هو الطريقة الأذكى لإدارة الشمس.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.