حل هجين فعال من حيث التكلفة للرياح والطاقة الشمسية: محول بوك-بوست وشحن ذكي يقللان تكلفة النظام

ملخص

تقدم هذه الحل نظام توليد طاقة هجين فريد من نوعه عالي الكفاءة يعتمد على الرياح والطاقة الشمسية. لمعالجة نقاط الضعف الأساسية في التقنيات الحالية مثل الاستخدام المنخفض للطاقة، وقصر عمر البطارية، والاستقرار السيء للنظام، يستخدم النظام محوّلات DC/DC ذات التحكم الرقمي الكامل، والتكنولوجيا المتوازية المتشابكة، وخوارزمية الشحن الذكي ثلاثية المراحل. هذا يمكّن تتبع نقطة القوة القصوى (MPPT) على نطاق أوسع من سرعات الرياح والإشعاع الشمسي، مما يحسن بشكل كبير كفاءة التقاط الطاقة، ويُطيل عمر خدمة البطارية، ويقلل من تكلفة النظام الإجمالية.

1. المقدمة: نقاط الألم الصناعية والنقائص الحالية

تواجه الأنظمة الهجينة التقليدية للرياح والطاقة الشمسية عيوبًا كبيرة تحد من تطبيقها الواسع وكفاءتها الاقتصادية:

• نطاق الجهد المدخل الضيق: تستخدم الأنظمة عادةً محولات buck بسيطة يمكنها شحن البطارية فقط عندما يكون الجهد المولد من توربين الرياح أو الألواح الشمسية أعلى من جهد البطارية. تحت ظروف الرياح الخفيفة أو ضوء الشمس الضعيف، يكون الجهد المولد غير كافٍ مما يؤدي إلى إهدار الطاقة المتجددة.
• إهدار الطاقة الشديد: عندما تكون الطاقة المتجددة وفيرة، غالبًا ما تستخدم الأنظمة التقليدية الفرامل المقاومة (أحمال وهمية) للتخلص من الطاقة الكهربائية الزائدة كحرارة لمنع شحن البطارية الزائد، مما يؤدي إلى إهدار كبير للطاقة.
• قصر عمر البطارية: بسبب التقاط الطاقة غير الكافي والحماية غير المثالية من الشحن الزائد، غالبًا ما تظل البطاريات في حالة شحن قليل أو زائد، مما يقلل بشكل كبير من دورة حياتها ويزيد من تكاليف الصيانة.
• دقة التحكم المنخفضة والاستقرار السيء: تعتمد معظم الأنظمة على استراتيجيات تحكم بسيطة، مما يفتقر إلى تنظيم الدقيق للجهد والتيار، مما يؤدي إلى عدم استقرار جودة الطاقة. لضمان تشغيل الحمل بشكل موثوق، غالباً ما تكون معدات التوليد والتخزين ذات السعة الكبيرة مطلوبة، مما يزيد من الاستثمار الأولي.

2. المكونات الأساسية للحل

يتكون هذا النظام من 11 مكونًا أساسيًا يعملون معًا بشكل متناغم لتشكيل شبكة ذكية وكفؤة لتجميع وتخزين وتوزيع الطاقة.

3. المزايا التقنية الأساسية

3.1 محول DC/DC buck-boost بمدى جهد مدخل واسع

• التكنولوجيا الأساسية: يستخدم كل من محولي الرياح والطاقة الشمسية طوبولوجياً buck-boost DC/DC.
• مشكلة تم حلها: يتجاوز قيود الجهد التقليدية للمحولات buck.
• جهد مدخل منخفض (وضع Boost): عندما تكون سرعة الرياح أقل من القيمة المحددة (rpm < ω₀) أو الضوء غير كافٍ، ويكون الجهد المولد أقل من جهد البطارية، يعمل المحول تلقائيًا في وضع Boost لرفع الجهد للشحن.
• جهد مدخل عالٍ (وضع Buck): عندما تكون موارد الرياح/الطاقة الشمسية وفيرة ويتجاوز الجهد المولد جهد البطارية، يقوم المحول تلقائيًا بالتبديل إلى وضع Buck للشحن.
• خطتان لتنفيذ:
• محول DC/DC buck-boost متسلسل: يستخدم 2 مفتاح قوة لتحكم منفصل في boost/buck؛ يوفر دقة عالية، مناسب للسيناريوهات عالية الأداء.
• محول DC/DC buck-boost الأساسي: يستخدم مفتاح قوة واحد يتم التحكم فيه بواسطة دورة عمل PWM واحدة (<50% Buck، >50% Boost)؛ بنية أبسط، تكلفة أقل.

3.2 التحكم المتوازي المتشابك (الابتكار الرئيسي)

• المبدأ التقني: يحرك الوحدة الرقمية إشارات PWM لمحوّلين DC/DC متوازيين بانزياح في الطور بمقدار 180 درجة، على عكس التشغيل المتوازي التقليدي في الطور نفسه.
• الأثر التقني:
• تقليل الاهتزازات: تلغي اهتزازات التيار الإخراجية بعضها البعض، مما يقلل بشكل كبير من قيمة الذروة إلى الذروة للتيار الاهتزازي الكلي، مما يوفر طاقة كهربائية مستمرة نظيفة وأكثر استقرارًا للحمل.
• تضاعف التردد وتقليل الخسائر: يصبح تردد الاهتزاز الكلي للتيار الإخراجي ضعف تردد التبديل لمحول واحد، مما يسمح باستخدام تردد تبديل أقل لتلبية متطلبات الاهتزاز، وبالتالي تقليل خسائر التبديل وتحسين كفاءة النظام بشكل عام.

3.3 وضع الشحن الذكي ثلاثي المراحل

تحدد الوحدة الرقمية استراتيجية الشحن بشكل ديناميكي بناءً على حالة الشحن (SOC) للبطارية، مما يحقق توازنًا مثاليًا بين الكفاءة والحماية:

3.4 التحكم الذكي الرقمي الكامل

معتمداً على MCU أو DSP عالي الأداء، يقوم النظام بجمع بيانات الجهد والتيار في الوقت الحقيقي من توربين الرياح والألواح الشمسية والبطارية. باستخدام الخوارزميات المدمجة، يقوم بما يلي:

• إجراء حسابات MPPT في الوقت الحقيقي لضمان التقاط الطاقة الأمثل.
• تحديد وتبديل أنماط الشحن بطريقة ذكية.
• إنشاء إشارات PWM بدقة لتحريك المحولات وتنفيذ التحكم المتوازي المتشابك.

4. الفوائد والقابلية للتوسع

4.1 الفوائد التقنية الأساسية

1. تحسين كبير في استخدام الموارد: يسمح مدى الجهد المدخل الواسع للنظام باستغلال الطاقة المنخفضة الجودة (مثل الرياح الخفيفة، ضوء الفجر والغسق الضعيف) التي لا يمكن للأنظمة التقليدية التقاطها، مما يوسع بشكل كبير نطاق الطاقة الهوائية والشمسية القابلة للاستخدام.
2. تحسين كبير في كفاءة النظام: تضمن خوارزمية MPPT أن تعمل الوحدات المولدة عند نقطة القوة المثلى. بالإضافة إلى تقليل الخسائر من خلال تقنية التوازي المتشابك، فإن كفاءة الطاقة الإجمالية للنظام تتجاوز بكثير تلك الموجودة في الحلول التقليدية.
3. إطالة عمر البطارية بشكل كبير: تمنع خوارزمية الشحن الذكي ثلاثية المراحل الشحن الزائد والتخلص العميق، مما يزيد من دورة حياة البطارية بنسبة تزيد عن 50٪ ويقلل بشكل كبير من تكاليف الصيانة والاستبدال.
4. تقليل تكلفة النظام الشاملة: يساهم الاستقرار العالي في تزويد الطاقة في تقليل الحاجة لزيادة سعة التوليد والتخزين لأجل الموثوقية، مما يقلل من الاستثمار الأولي.
5. جودة عالية للطاقة الإخراجية: توفر تقنية التوازي المتشابك طاقة كهربائية مستمرة ذات اهتزازات منخفضة ومستقرة للغاية، مما يحمي الأحمال الحساسة ويحسن جودة التزويد بالطاقة.

4.2 خطة توسع مرنة للقدرة

يوفر النظام قابلية توسعة ممتازة لزيادة القدرة بناءً على الطلب:

• توسع على مستوى المكونات: يمكن ربط مدخلات محولين DC/DC بالتوازي مع لوحة شمسية أو توربين رياح واحد. توفر الوحدة الرقمية التحكم المتوازي المتشابك الموحد، مما يضاعف القوة الإخراجية القصوى لهذا المصدر (الطاقة الشمسية أو الرياح).
• توسع على مستوى النظام: يمكن ربط وحدات الطاقة الشمسية والهوائية الموسعة بالتوازي على الحافلة المستمرة لتزويد بطاريات أكبر وأحمال بسهولة. يتم ربط جميع وحدات التحكم عبر واجهات الاتصال (مثل حافلة CAN) للرصد والمراقبة المركزية والإدارة.