المبادئ التشغيلية لتتبع الطاقة الكهربائية في الأنظمة الكهروضوئية

يعد تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) ضرورياً في أنظمة الطاقة الكهروضوئية (PV)، والتي اجتذبت جهوداً بحثية كبيرة في الماضي، بحيث تتمثل العملية في ضبط واجهات الطاقة بحيث تتطابق خصائص التشغيل للاستهلاك والمولد الكهروضوئي على المستوى المثالي من حيث التوليد الكهربائي.

المبادئ التشغيلية لتتبع الطاقة الكهربائية ضمن الأنظمة الكهروضوئية

من بين أنواع الطاقة المتجددة؛ زاد توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل كبير في الماضي، وذلك وفقاً لجمعية الصناعة الكهروضوئية الأوروبية (EPIA)، بحيث تم تركيب (98) جيجاوات من قدرة الخلايا الكهروضوئية (PV) عالمياً خلال عام (2017)م، إلى جانب ذلك شهدت الطاقة الكهروضوئية وحدها قدراً أكبر من القدرة الصافية لتوليد الطاقة المضافة من الفحم والغاز الطبيعي والنووي مجتمعين.

ومع ذلك، لا تزال سياسة الحكومة والإعانات هي الدافع الرئيسي لتطوير الطاقة الكهروضوئية، وعلاوة على ذلك وعلى عكس طاقات الوقود الأحفوري؛ فإن طاقة الخرج للنظام الكهروضوئي متنوعة وتعتمد على ظروف العمل المختلفة، كما يتم رسم الخصائص الكهربائية للوحدة الكهروضوئية في ظل ظروف جوية مختلفة في الشكل التالي (1).

لذلك يوضح المنحنيان (I-V) ، (P-V) أقصى نقطة للقدرة (MPP)، والتي تمثل أقصى خرج للطاقة، بحيث يمكن استخراجه من المولد الكهروضوئي نفسه في ظل ظروف بيئية معينة، لذلك يصبح تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) ضرورياً لتطبيقات الطاقة الكهروضوئية.

كما تم الإبلاغ عن عدد كبير من أوراق المراجعة حول أساليب (MPPT) في السنوات الأخيرة، ومع ذلك تتم مراجعة ومقارنة النظرة العامة العامة والنتائج الرئيسية لهذه الطرق فقط، مثل التكلفة والكفاءة والتعقيد والاعتماد على الأجهزة وما إلى ذلك، بحيث لم يتم استكشاف ومناقشة المبادئ التشغيلية لهذه الأساليب بشكل شامل.

وفي الواقع؛ فإن الكثير مما يسمى بالطرق “المحسّنة” أو “المتطورة”؛ نشأت من الأساليب التقليدية، وعلاوة على ذلك يتم بشكل عام تجاهل الأهمية والتطور بين أساليب (MPPT)، حيث إن استكشاف كيفية تعديل الطرق التقليدية لتكون أكثر فعالية وكفاءة هو أكثر اهتماماً من قبل الباحثين والمهندسين العاملين في أنظمة الطاقة الكهروضوئية.

المبدأ التشغيلي لأساليب تتبع نقاط الطاقة الكهروضوئية القصوى

المبدأ الكامن وراء (MPPT) هو مطابقة المعاوقة بين خرج المولد الكهروضوئي وحالة التحميل، وذلك بافتراض أن اللوحة الكهروضوئية متصلة مباشرة بحمل المقاوم، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، بحيث يتم رسم نقطة التشغيل على أنها تقاطع بين منحنى (I-V) وخط التحميل عندما تكون المقاومة (7.61Ω)، خاصةً إذا كانت الوحدة الكهروضوئية متصلة بمقاوم متغير؛ فيمكن أن تتحرك نقطة التشغيل بمفردها في منحنى (PV) كما أن (I – V) عن طريق ضبط قيمة المقاوم، وذلك كما هو مبين بالشكل التالي (3).

بشكل عام، يتطلب الحمل إما تياراً أو جهداً ثابتاً، لذلك لا يمكن دائماً ضبط مقاومة الحمل لـ (MPPT) بحيث يتم توصيل واجهة طاقة متحكم بها، وكما هو موضح في الشكل التالي (4)، وذلك بين المولد الكهروضوئي والحمل لتحقيق مقاومة مكافئة لمطابقة (MPP)، وبافتراض استخدام محول (DC-DC) كواجهة طاقة يتم التحكم فيها، حيث يكون (Iin) و (Vin) هما تيار الإدخال والجهد على التوالي، كذلك (Iout) و (Vout) هما تيار الإخراج والجهد على التوالي، بحيث يشير (d) إلى دورة عمل محول (DC-DC).

المراقبة والملاحظة المتواصلة للنظام الكهروضوئي

يعد الاضطراب والمراقبة (P&O) والتوصيل الإضافي (INC) أكثر طرق (MPPT) شيوعاً، بحيث يتم توضيح المبادئ التشغيلية الأساسية لطريقة (P&O) ، (INC) في الشكل التالي (5)، كذلك يتم تحديد اتجاه اضطراب الجهد لطريقة (P&O) من خلال:

حيث أن (ΔP ، V ، I) تشير إلى التغيرات في الطاقة والجهد والتيار على التوالي، كما تشير (Vstep) إلى حجم خطوة الجهد، وفي غضون ذلك يتم تحديد اتجاه اضطراب الجهد لطريقة (INC) بواسطة:

كما وتجدر الإشارة إلى أنه من غير المحتمل أن تكون (5-b) متوافقة من الناحية العملية بسبب الدقة الرقمية.

كما يوضح الشكل التالي (6) السلوكيات النموذجية لطريقة (P&O) ، (INC) خلال مرحلة الحالة المستقرة، أيضاً تشير النقطة (A ، C) إلى الموقع على اليسار واليمين من (MPP) على التوالي، بحيث تشير النقطة (B) إلى الموقع شبه المتطابق لـ (MPP)، كذلك تكرر نقطة التشغيل العملية التي تتبع المسار (a) ← (b) ← (c) ← (b) ← (a)، ونظراً لثلاثة مستويات للطاقة والجهد الكهربائي في مرحلة الحالة المستقرة؛ فإن هذا السلوك مشهور باسم التذبذبات ثلاثية المستويات.

كذلك يستخدم حجم الخطوة الثابتة عموماً لطرق (P&O ، INC)، ومع ذلك؛ فإن التحسين المتزامن للحالة المستقرة والأداء الديناميكي أمر صعب للغاية، وكما هو موضح في الشكل التالي (7)؛ فإن الطرق ذات حجم الخطوة الأكبر (أي 1 فولت) لها سرعة تتبع سريعة في المرحلة الديناميكية، وعلى النقيض من ذلك؛ فإن الطرق ذات حجم الخطوة الأصغر (أي 0.5 فولت) لها تذبذبات صغيرة في مرحلة الحالة المستقرة.

التحكم المنطقي الضبابي الخاص بالأنظمة الكهروضوئية

التحكم المنطقي الضبابي (FLC) هو طريقة (MPPT) شائعة أخرى، وبشكل عام؛ فإن هناك ثلاث مراحل لطريقة (FLC)، والتي تظهر في الشكل التالي (8) في المرحلة الأولى، بحيث يتم تحويل متغيرات الإدخال الرقمية إلى متغيرات لغوية مكافئة كمجموعات إدخال غامضة، وفي المرحلة الثانية يتم تحويل مجموعات الإدخال الضبابي إلى مجموعات ضبابية الإخراج من خلال الاستدلال باستخدام الجدول الأساسي للقاعدة الضبابية، وأخيراً يتم تحويل مجموعات الإخراج الضبابي إلى متغيرات رقمية مثل الإخراج.

وبالنسبة الى منحنى التناسب، تُستخدم طرق تركيب المنحنى عمومًا للنمذجة الكهروضوئية بدلاً من (MPPT) إلى جانب ذلك؛ فإن هناك حاجة لبعض النقاط الخاصة مثل جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة لتلائم منحنيات (PV)، ومع ذلك لا يمكن الحصول على هذه النقاط الخاصة بسهولة في الممارسة، لذلك؛ فإن كيفية ملاءمة منحنيات (P-V) دون استخدام هذه النقاط الخاصة يمثل مشكلة.

كما تعتمد طريقة التنبؤ بالقطع المكافئ على حقيقة أن منحنيات (PV) يمكن تركيبها كمنحنى مكافئ، كذلك يمكن كتابة كثير الحدود من الدرجة الثانية على النحو التالي:

وبعد انتقال نقطة التشغيل إلى الموضع الجديد؛ ستتم مقارنة قيمة الطاقة في هذا الموضع الجديد (P4) مع (P1 ، P2 ، P3)، كما سيتم إسقاط أقل نقطة قوة من الأربعة وسيتم استخدام النقاط الثلاث المتبقية للتكرار التالي، بحيث سيتم تكرار هذا التكرار بشكل مستمر حتى يتم الوصول إلى (MPP).

وأخيراً في هذه الدراسة، يتم مراجعة العديد من أساليب (MPPT) وتصنيفها إلى خمس مجموعات، بحيث تتم دراسة المبادئ التشغيلية لأساليب (MPPT) هذه بشكل شامل، كما تم بذل العديد من الجهود لتحسين أساليب (MPPT) التقليدية، بحيث تم الكشف عن نظرة عامة على أهمية وتطور هذه الأساليب (MPPT)، كما يمكن ملاحظة أن البحث عن أساليب (MPPT)، لذلك يُقترح العمل المستقبلي لتعديل (MPPT) للعمل تحت (PSC).