نظام هجين ذكي للرياح والطاقة الشمسية مع تحكم Fuzzy-PID لتحسين إدارة البطاريات وتعقب النقطة القصوى للطاقة

ملخص​

تقدم هذه الاقتراح نظام توليد طاقة هجين يعمل بالرياح والطاقة الشمسية يستند إلى تقنية التحكم المتقدمة، بهدف معالجة احتياجات الطاقة في المناطق النائية والسيناريوهات الخاصة بكفاءة واقتصادية. يكمن جوهر النظام في نظام تحكم ذكي يدور حول معالج ATmega16. يقوم هذا النظام بتتبع نقطة القوة القصوى (MPPT) لكل من الطاقة الريحية والطاقة الشمسية ويستخدم خوارزمية محسنة تجمع بين التحكم بـ PID والتحكم الضبابي لإدارة الشحن والإفراغ الدقيق والفعال للمكون الرئيسي - البطارية. وبالتالي، يعزز بشكل كبير كفاءة إنتاج الطاقة بشكل عام، ويُمدد عمر البطارية، ويضمن موثوقية وتوفير تكلفة الإمداد بالطاقة.

​أ. خلفية المشروع وأهميته​

1. ​سياق الطاقة:​​ على الصعيد العالمي، يتم استنزاف الوقود الأحفوري التقليدي بشكل متزايد، مما يشكل تحديات خطيرة للأمن الطاقي والتنمية المستدامة. أصبح تطوير واستخدام مصادر الطاقة الجديدة النظيفة والمتجددة مثل الطاقة الريحية والطاقة الشمسية أولوية استراتيجية لحل مشاكل الطاقة والبيئة الحالية.
2. ​قيمة النظام:​​ يستفيد النظام الهجين للرياح والطاقة الشمسية بشكل كامل من الخصائص الطبيعية المتكاملة للطاقة الريحية والطاقة الشمسية من حيث التوقيت والجغرافيا (مثل ضوء الشمس القوي خلال النهار، وربما رياح أقوى في الليل)، مما يتجاوز تقطيع مصدر الطاقة الواحد. إنه حل إمداد مستقل بالطاقة له بنية منطقية وتكلفة تشغيل منخفضة، يحل بشكل فعال مشاكل الإمداد بالطاقة لمرافق مثل المعيشة السكنية، ومحطات الاتصالات، ومحطات الرصد الجوي في المناطق النائية التي لا يوجد فيها كهرباء أو الكهرباء ضعيفة.
3. ​أهمية المكونات الأساسية:​​ تعمل البطارية كوحدة تخزين الطاقة في النظام وهي حاسمة لضمان الإمداد المستمر بالطاقة للأحمال خلال الفترات التي لا توجد فيها رياح أو أشعة الشمس. تشكل تكلفتها نسبة كبيرة من النظام بأكمله لتوليد الطاقة. لذلك، فإن تحسين كفاءة شحن البطارية وتحسين استراتيجيات شحنها وإفراغها لتمديد فترة خدمتها أمر ضروري لتقليل تكلفة دورة حياة النظام وتعزيز موثوقيته التشغيلية.

​ب. تصميم النظام العام​

1. ​أهداف النظام الأساسية:​​
• ​تحسين الاستغلال الطاقي:​​ تنفيذ التحكم الأمثل لتحقيق الكفاءة القصوى على الكهرباء المنتجة بواسطة التوربينات الريحية والألواح الشمسية، تحقيق تتبع نقطة القوة القصوى (MPPT) للاستفادة الكاملة من الموارد الطبيعية.
• ​إدارة نظام تخزين الطاقة:​​ إدارة عملية شحن وإفراغ البطارية بشكل ذكي، منع الشحن الزائد والإفراغ الزائد، حماية البطارية بشكل فعال، وتحسين كفاءة الشحن ومدة الخدمة بشكل كبير.
2. ​هندسة الأجهزة لنظام:​​

يتكون النظام من ثلاثة وحدات وظيفية رئيسية، يتم تنسيقها بواسطة وحدة المعالجة المركزية الرئيسية لتشكيل نظام تحكم ذكي متكامل.

​ج. التكنولوجيا الأساسية للتحكم: إدارة البطارية الذكية​

1. ​اختيار البطارية والأساسيات:​​
• ​النوع:​​ تختار هذه الحل البطاريات الرصاصية بدون صيانة، والتي هي ناضجة من الناحية التكنولوجية ورخيصة الثمن، ومناسبة لأنظمة الرياح والطاقة الشمسية الصغيرة.
• ​مبدأ العمل:​​ عملية شحن وإفراغ البطارية هي عمليات تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية والعكس صحيح. ومع ذلك، بسبب ظواهر مثل قطبية الأقطاب، لا يمكن أن تصل كفاءة تحويل الطاقة إلى 100٪.
2. ​تحديات التحكم والاستراتيجية الأمثل:​​
• ​عيوب التحكم التقليدية:​​ تعتمد طرق التحكم التقليدية بـ PID بشكل كبير على نموذج رياضي دقيق للمتحكم فيه (البطارية). البطارية هي نظام غير خطي ومتغير زمنياً، تتغير معلماتها (المقاومة الداخلية، كثافة الإلكتروليت، وما إلى ذلك) بشكل ديناميكي مع درجة حرارة البيئة والحالة الاستعمالية، مما يجعل من الصعب إنشاء نموذج دقيق. هذا يؤدي إلى تحديات في ضبط معلمات PID التقليدية، وعدم ملاءمتها، وأداء سيء للتحكم.
• ​الطريقة المتقدمة للتحكم المستخدمة:​​ يستخدم هذا الحل استراتيجية التحكم المركبة Fuzzy-PID، والتي تجمع بين مزايا كلاهما:
• ​مزايا التحكم الضبابي:​​ لا يتطلب نموذجًا رياضيًا دقيقًا للمتحكم فيه، يمكنه التعامل مع معلومات الإدخال الغير دقيقة، يظهر قدرة قوية على التكيف مع تغيرات معلمات البطارية، ويمكنه دمج المعرفة الخبرية.
• ​مزايا التحكم بـ PID:​​ يمكنه تحقيق التحكم عالي الدقة، بدون خطأ ثابت عند انحراف صغير للنظام.
• ​سير عمل المتحكم:​​ يقوم النظام بمراقبة الفرق e(t) بين الجهد المرغوب للبطارية والجهد الفعلي لها باستمرار. عندما يكون الانحراف e(t) كبيرًا، يهيمن التحكم الضبابي للرد السريع. عندما ينخفض e(t) ضمن نطاق معين، يتحول بسلاسة إلى التحكم بـ PID للضبط الدقيق. في النهاية، يتم تعديل الإشارة u(t) للتحكم في نسبة الدورة الزمنية لمفتاح MOSFET، مما يحقق التحسين الديناميكي للتيار الشحن.

​د. ملخص الحل وآفاق المستقبل​

• ​فعالية التحكم:​​ حقق نظام التحكم في توليد الطاقة الهجين للرياح والطاقة الشمسية المصمم في هذا الحل إدارة شحن وإفراغ البطارية الأمثل من خلال خوارزمية التحكم الذكية المتكاملة Fuzzy-PID. هذا ليس فقط يحمي البطارية ويُمدد عمرها، ولكنه يحسن أيضًا كفاءة التقاط الطاقة الريحية والطاقة الشمسية من خلال MPPT، مما يعزز كفاءة النظام الكلي لتوليد الطاقة.
• ​التحقق التجريبي:​​ أظهرت النتائج التجريبية أن المتحكم تم تصميمه بشكل صحيح وقابل للتطبيق، يعمل بأمان وموثوقية، ويظهر أداء استجابة ديناميكي جيد ودقة ثابتة جيدة.
• ​آفاق التطبيق:​​ تعتبر هذه الحل المتكامل لتوليد الطاقة الهجين للرياح والطاقة الشمسية بتكنولوجيا إدارة البطارية الذكية مناسبة بشكل خاص للسيناريوهات مثل المناطق النائية التي لا تتوفر فيها شبكة كهربائية، الجزر، المراعي، ومحطات الاتصالات. تقدم فوائد اقتصادية واجتماعية كبيرة ولها آفاق تطبيق واسعة.