نظام هجين ذكي للرياح والطاقة الشمسية مع التحكم الضبابي-PID لتحسين إدارة البطاريات وتعقب النقطة ذات القدرة القصوى

ملخص

تقدم هذه الاقتراح نظام توليد طاقة هجين من الرياح والطاقة الشمسية يستند إلى تقنية التحكم المتقدمة، بهدف معالجة احتياجات الطاقة في المناطق النائية والسيناريوهات الخاصة بشكل فعال ومناسب اقتصاديًا. يكمن جوهر النظام في نظام تحكم ذكي يركز حول معالج ATmega16. يقوم هذا النظام بتتبع نقطة القوة القصوى (MPPT) لكل من طاقة الرياح والطاقة الشمسية ويستخدم خوارزمية محسنة تجمع بين التحكم بالتناسب والتكامل والتفاضل والتضمين الضبابي للإدارة الدقيقة والفعالة لشحن وتفريغ المكون الرئيسي - البطارية. وبالتالي، يعزز بشكل كبير كفاءة إنتاج الطاقة بشكل عام، ويمد بعمر البطارية، ويضمن موثوقية التزويد بالطاقة والتكاليف المناسبة.

الفصل الأول: خلفية المشروع والأهمية

1. سياق الطاقة: على مستوى العالم، تتزايد استنزاف الوقود الأحفوري التقليدي، مما يشكل تحديات خطيرة للأمن الطاقي والتنمية المستدامة. أصبحت تطوير واستخدام مصادر الطاقة الجديدة النظيفة والمتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية أولوية استراتيجية لحل مشاكل الطاقة والبيئة الحالية.
2. قيمة النظام: يستغل نظام الهجين من الرياح والطاقة الشمسية الخصائص الطبيعية التكميلية لطاقة الرياح والطاقة الشمسية من حيث التوقيت والجغرافيا (مثل أشعة الشمس القوية خلال النهار، وربما رياح أقوى في الليل)، مما يتجاوز متغيرات توليد الطاقة من مصدر واحد. إنه حل تزويد مستقل بالطاقة له بنية منطقية وتكلفة تشغيل منخفضة، يحل بشكل فعال مشاكل التزويد بالطاقة لمرافق مثل السكن والمحطات الأساسية للاتصالات ومعامل الرصد الجوي في المناطق البعيدة التي لا يوجد فيها كهرباء أو الكهرباء ضعيفة.
3. أهمية المكونات الرئيسية: تلعب البطارية دور الوحدة الرئيسية لتخزين الطاقة وهي حاسمة لضمان تزويد الحمل المستمر بالطاقة خلال الفترات التي لا توجد فيها رياح أو أشعة شمس. تشكل تكلفتها نسبة كبيرة من تكلفة النظام بأكمله لتوليد الطاقة. لذلك، فإن تحسين كفاءة شحن البطارية وتحسين استراتيجيات شحنها وتفريغها لتمديد عمرها الخدمة أمر حاسم لتقليل تكلفة دورة حياة النظام وتعزيز موثوقية التشغيل.

الفصل الثاني: تصميم النظام الشامل

1. أهداف النظام الرئيسية:
• تحسين الاستغلال الأمثل للطاقة: قم بالتحكم الأمثل لتحقيق الكفاءة القصوى للطاقة المنتجة بواسطة توربين الرياح وألواح الطاقة الشمسية، تحقيقًا لتتبع نقطة القوة القصوى (MPPT) للاستفادة الكاملة من الموارد الطبيعية.
• إدارة نظام تخزين الطاقة: إدارة عملية شحن وتفريغ البطارية بطريقة ذكية، ومنع الشحن الزائد والتفريغ الزائد، وحماية البطارية بشكل فعال، وتحسين كفاءة شحنها وعمرها الخدمة بشكل كبير.
2. هيكل النظام المادي:

يتكون النظام من ثلاثة وحدات وظيفية رئيسية، يتم تنسيقها بواسطة وحدة المعالجة المركزية (CPU) المركزية لتشكيل نظام تحكم ذكي كامل.

الفصل الثالث: التكنولوجيا الرئيسية للتحكم: إدارة البطارية الذكية

1. اختيار البطارية والأساسيات:
• نوع: تختار هذه الحل البطاريات الرصاصية الصيانة الحرة، والتي هي ناضجة تقنيًا ومنخفضة التكلفة، مناسبة لأنظمة الهجين الصغيرة من الرياح والطاقة الشمسية.
• مبدأ العمل: شحن وتفريغ البطارية هما عمليتان أساسيتان لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية والعكس صحيح. ومع ذلك، بسبب ظواهر مثل القطبية الكهربية، لا يمكن أن تصل كفاءة تحويل الطاقة إلى 100%.
2. تحديات التحكم وategy التحسين:
• عيوب التحكم التقليدي: تعتمد طرق التحكم التقليدية بالتناسب والتكامل والتفاضل بشكل كبير على نموذج رياضي دقيق للمتحكم فيه (البطارية). البطارية هي نظام غير خطي يتغير مع الزمن، تتغير معلماتها (المقاومة الداخلية، كثافة الإلكتروليت، إلخ) بشكل ديناميكي مع درجة حرارة البيئة وحالة الاستخدام، مما يجعل من الصعب إنشاء نموذج دقيق. هذا يؤدي إلى تحديات في ضبط معلمات PID التقليدية، وضعف التكيف، وأداء السيطرة غير الأمثل.
• استراتيجية التحكم المتقدمة المعتمدة: يستخدم هذا الحل استراتيجية التحكم المركبة Fuzzy-PID، والتي تجمع بين مزايا كل من:
• مزايا التحكم الضبابي: لا يتطلب نموذج رياضي دقيق للمتحكم فيه، يمكنه التعامل مع المعلومات غير الدقيقة، يظهر قابلية تكيف قوية مع تغيرات معلمات البطارية، ويمكنه دمج المعرفة الخبرية.
• مزايا التحكم بالتناسب والتكامل والتفاضل (PID): يمكن تحقيق سيطرة عالية الدقة بدون خطأ ثابت عند وجود انحراف صغير لنظام.
• سير عمل المتحكم: يقوم النظام بمراقبة الفرق e(t) بين الجهد المرجعي للبطارية والجهد الفعلي لها. عندما يكون الانحراف e(t) كبيرًا، يسود التحكم الضبابي للرد السريع. عندما ينخفض e(t) ضمن نطاق معين، يتحول بسلاسة إلى التحكم بالتناسب والتكامل والتفاضل للضبط الدقيق. في النهاية، يتم تعديل الإشارة الخارجة u(t) لتحكم في نسبة العمل لمفتاح MOSFET، لتحقيق التحسين الديناميكي لتيار الشحن.

الفصل الرابع: ملخص الحل والآفاق المستقبلية

• فعالية التحكم: حقق نظام التحكم في توليد الطاقة الهجين من الرياح والطاقة الشمسية المصمم في هذا الحل إدارة شحن/تفريغ البطارية الأمثل من خلال خوارزمية التحكم الذكية المتكاملة Fuzzy-PID. ليس فقط يحمي البطارية ويمد بعمرها، ولكنه أيضًا يحسن كفاءة استغلال طاقة الرياح والطاقة الشمسية من خلال MPPT، مما يعزز الكفاءة الشاملة لنظام توليد الطاقة بأكمله.
• التحقق التجريبي: أظهرت النتائج التجريبية أن المتحكم تم تصميمه بشكل صحيح وممكن، يعمل بأمان وموثوقية، ويظهر أداء استجابة ديناميكية جيدًا ودقة ثابتة جيدة.
• آفاق التطبيق: يناسب هذا الحل المتكامل لتوليد الطاقة الهجين من الرياح والطاقة الشمسية مع تقنية إدارة البطارية الذكية سيناريوهات مثل المناطق النائية بدون تغطية شبكة الكهرباء، الجزر، المراعي، ومحطات الاتصالات. يوفر فوائد اقتصادية واجتماعية كبيرة ولديه آفاق تطبيق واسعة.