طريقة التنفيذ المحددة لمُحسِّن الجهد

سيجمع ما يلي نماذج مختلفة لشرح مخطط هذا الاختراع بوضوح ودقة. النماذج المذكورة هي نماذج توضيحية فقط، وليست جميعها. وبناءً على هذه النماذج، فإن المخططات التي يتوصل إليها الفنيون في هذا المجال دون بذل جهد إبداعي تندرج ضمن نطاق حماية هذا الاختراع.

في نظام التغذية الكهربائية التبديلية، يستخدم مصدر الطاقة عادةً أجهزة أشباه موصلات الطاقة كعناصر تبديل، ويضبط جهد الخرج عن طريق تشغيل وإيقاف المفتاح بشكل دوري والتحكم في دورة تشغيل عناصر التبديل. يتكون مصدر الطاقة التبديلية بشكل أساسي من دائرة إدخال، ودائرة تحويل، ودائرة إخراج، ووحدة تحكم. يُعد تحويل الطاقة الجزء الأساسي منه، ويتكون بشكل رئيسي من دائرة تبديل، ويُستخدم محول كهربائي في بعض الحالات. ولتلبية متطلبات كثافة الطاقة العالية، يجب أن يعمل المحول بتردد عالٍ، ويجب أن يستخدم ترانزستور التبديل ذراعًا بلوريًا بسرعة تبديل عالية وزمن تشغيل وإيقاف قصير. تشمل مفاتيح الطاقة النموذجية الثايرستورات، وترانزستورات تأثير المجال، والترانزستورات ثنائية القطب المعزولة. يُقسم نمط التحكم إلى تعديل عرض النبضة، وتعديل عرض النبضة مع تعديل التردد، والتعديل المختلط، وتعديل تردد النبضة، وغيرها، ويُستخدم تعديل عرض النبضة بشكل شائع. يُقسم مصدر الطاقة ذو نمط التبديل (SMPS) إلى محولات تيار متردد إلى تيار متردد (AC/AC) مثل محولات التردد والمحولات الكهربائية، وذلك وفقًا لأشكال جهد الدخل والخرج المختلفة؛ كما يُقسم إلى محولات تيار متردد إلى تيار مستمر (AC/DC) مثل المقومات؛ ويُقسم أيضًا إلى محولات تيار مستمر إلى تيار متردد (DC/AC) مثل العاكسات؛ ويُقسم كذلك إلى محولات تيار مستمر إلى تيار مستمر (DC/DC) مثل محولات الجهد ومحولات التيار. مصدر الطاقة ذو نمط التبديل المستخدم في هذا التطبيق هو في الأساس محول جهد تيار مستمر إلى تيار مستمر. يُسبب ضجيج التبديل الناتج عن عملية التبديل أثناء تشغيل مصدر الطاقة ذي نمط التبديل تداخلًا كهرومغناطيسيًا في المعدات الإلكترونية، بما في ذلك مصدر الطاقة نفسه. يشير ضجيج التبديل إلى مُكوّن الضجيج وبعض مُكوّنات التوافقيات الناتجة عن تردد تشغيل مفتاح الطاقة في وحدة التغذية الكهربائية ذات نمط التبديل. عند حدوث تداخل كهرومغناطيسي، يتأثر عمل الأجهزة الإلكترونية الطرفية لوحدة التغذية، بما في ذلك وحدة التغذية الكهربائية ذات نمط التبديل. تتمثل الطريقة التقليدية لكبح حدوث التداخل الكهرومغناطيسي في تغيير طريقة تعديل تردد تشغيل التبديل. مع ذلك، تُنتج طريقة تعديل التردد تموجًا في جهد الخرج مُعدّلًا وفقًا لتردد تشغيل التبديل، ويتراكب هذا التموج على مُكوّن تموج جهد الخرج الناتج عن تموج جهد الدخل، مما يُولّد تموجًا أكبر في جهد الخرج.
... في نظام التغذية الكهربائية التبديلية، يستفيد هذا التطبيق استفادة كاملة من خصائص مصدر التغذية التبديلية نفسه، مثل محول الجهد من التيار المستمر إلى التيار المستمر الذي يُعتبر مُحسِّنًا للطاقة، وذلك بإضافة عناصر الحث/المكثف إلى دائرة تحويل الجهد، وربط جهد الخرج الناتج عن عملية التبديل بواسطة دائرة تحويل الجهد بطرف الإدخال أو الإخراج للدائرة نفسها، ثم نقله إلى خط نقل التيار المستمر المشترك لتوفير جهد السلسلة الكلي.

مُحسِّن الجهد هو محول جهد من التيار المستمر إلى التيار المستمر يعمل بنظام رفع/خفض الجهد، وهو أيضًا جهاز لتتبع الطاقة القصوى للبطارية على مستوى المكون الواحد. بعد أن يُحسِّن مُحسِّن الطاقة الطاقة القصوى لمكون واحد، يتم نقلها إلى عاكس طرفي لتحويلها من التيار المستمر إلى التيار المتردد، ثم تُزوَّد للاستخدام المحلي أو لتوليد الطاقة وربطها بالشبكة. عادةً ما يكون العاكس الطرفي جهاز عاكس بسيط بدون تتبع الطاقة القصوى أو جهاز عاكس مزود بتتبع ثانوي للطاقة القصوى. تنقسم مُحسِّنات الطاقة الشائعة إلى نوعين رئيسيين: مُحسِّنات التوصيل على التوالي ومُحسِّنات التوصيل على التوازي، وتختلف بنيتها قليلاً، مثل دوائر خفض الجهد (BUCK) ورفع الجهد (BOOST) وخفض الجهد ورفع الجهد معًا (BUCK-BOOST).

يعتمد مُحسِّن الطاقة المُوصَّل على التوالي على مبدأ الجهد الثابت. ببساطة، تقوم لوحة تحكم العاكس بتحديد جهد ثابت لحافلة التيار المستمر بناءً على جهد طرف التيار المتردد، ثم تجمع أقصى قدرة مُجمَّعة بواسطة كل مُحسِّن مُوصَّل على التوالي، ثم تحسب تيار الحافلة وترسله إلى المُحسِّن لاسلكيًا أو عبر ناقل طاقة. في هذه الحالة، يكون الجهد عند مخرج كل مُحسِّن مساويًا لأقصى قدرة للمُكوِّن المُجمَّع مقسومة على تيار الحافلة. عند تعطل أحد المُكوِّنات، يُعيد المُحسِّن تحديد قيمة أقصى قدرة خرج بناءً على منحنى الفولت-أمبير ويرسلها إلى لوحة تحكم العاكس لاسلكيًا أو عبر ناقل طاقة. مع الحفاظ على جهد حافلة التيار المستمر ثابتًا.

عندما يكون الجهد ثابتًا، تعيد لوحة التحكم حساب تيار ناقل التيار (يصبح أقل) وتُعيده إلى كل مُحسِّن. في هذه الحالة، يتم تقليل طاقة المكون المُعطَّل، كما يُخفِّض المُحسِّن الجهد للتأكد من أن تيار الخرج يفي بالمعيار. أما مُحسِّنات المكونات الأخرى غير المُعطَّلة فتزيد الجهد ليتوافق مع معيار تيار الخرج. إذا كان عطل المكون شديدًا، يتجاوز مُحسِّن الطاقة هذا المكون حتى يعود إلى حالة التشغيل. هذه العملية هي في الواقع عملية تزويد بالجهد، مما يُزوِّد العاكس بجهد ناقل تيار مستمر مُستقر ومُحسَّن.

يستخدم مُحسِّن الطاقة المتوازي أيضًا وضع الجهد الثابت. يُحدِّد العاكس جهد ناقل التيار بناءً على الحلقة المغلقة للتيار المستمر والتيار المتردد. يُعزِّز كل مُحسِّن جهد طرف الخرج الخاص به إلى قيمة مُحدَّدة. في هذه الحالة، يكون تيار الدخل إلى العاكس مُكافئًا لمجموع التيارات بعد قسمة أقصى طاقة مُجمَّعة بواسطة كل مُحسِّن على الجهد المُقنَّن. بما أن تأثير السحب الكثيفة على جهد المكونات ضئيل، وإنما يؤثر بشكل رئيسي على تيار الخرج، فإن مُحسِّنات الجهد المتوازية لا تحتاج عادةً إلى تعديلات متكررة لعدم تطابق الجهد، وبسبب التوازي، لا تتأثر تيارات الخرج ببعضها البعض، لذا يُمكن اعتبار ذلك ميزةً لمُحسِّنات الجهد المتوازية على مُحسِّنات الجهد التسلسلية. في الوقت نفسه، إذا تعرضت مكونات معينة لعائق شديد ولم يتمكن جهاز رفع الجهد من البدء، فإن المُحسِّن يفصل نفسه تلقائيًا ويرسل إشارة خطأ، ثم يُعيد التشغيل حتى زوال العائق. مع ذلك، بالمقارنة مع التوصيل التسلسلي، فإن التوصيل المتوازي يُعاني من نفس عيوب العاكس الصغير، ونطاق رفع الجهد فيه كبير. حاليًا، يبلغ جهد الدائرة المفتوحة الأكثر شيوعًا للمكونات حوالي 38 فولتًا، بينما يبلغ جهد التشغيل حوالي 30 فولتًا. في الظروف العادية، يتم التحكم في نطاق رفع وخفض الجهد في التوصيل التسلسلي بين 10% و30%، ويزداد هذا النطاق إلى 10%-90% في حالة انخفاض الجهد. مع ذلك، يتطلب كل من تصميم الشبكة المتوازية والمحول الصغير رفع جهد دخل المكونات إلى قيمة عالية نسبيًا، حوالي 400 فولت، وهو ما يعادل زيادة عشرة أضعاف. يمثل هذا تحديًا أكبر لجهاز رفع الجهد الذي يُتحكم فيه بواسطة مفتاح فقط دون استخدام محول.

من أبرز خصائص مُحسِّن الطاقة فصل وظائف المكونات عن وظائف المحول، وهو ما يختلف عن نظام الخلايا الكهروضوئية التقليدي. يبدو ظاهريًا أن المكونات متصلة بالمحول عبر المُحسِّن، ولكن في الواقع، تُستخدم المكونات فقط لتشغيل المُحسِّن، الذي يجمع أقصى طاقة من المكونات ثم يتعاون معها لتوفير وظيفة المحول. ولأن تقنية الجهد الثابت لا تحل مشكلة التظليل الجزئي في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية فحسب، بل تتيح أيضًا، في الأنظمة متعددة السلاسل، عدم اشتراط تساوي عدد المكونات في كل سلسلة، ولا حتى تساوي اتجاه كل مكون في نفس السلسلة. في مُحسِّن التيار المتسلسل، لا يتجاوز جهد الدائرة المفتوحة بعد الفصل قيمة ضئيلة تبلغ 1 فولت. أما في مُحسِّن التيار المتوازي، فإن جهد الدائرة المفتوحة بعد الفصل لا يتجاوز جهد الدائرة المفتوحة للمكون، مما يُمثل نقلة نوعية في أداء السلامة والموثوقية لنظام توليد الطاقة.

إضافةً إلى المزايا الهيكلية لتصميم الدائرة، يتميز مُحسِّن الطاقة بمزايا جوهرية في خوارزمية تتبع نقطة القدرة القصوى. تعتمد خوارزمية تتبع نقطة القدرة القصوى التقليدية بشكل أساسي على نوعين: طريقة تسلق التل وطريقة القياس المنطقي. كما تستخدم طريقة التتبع المتقدمة طريقة مُركبة: على سبيل المثال، تُدمج طريقة تسلق التل مع طريقة النطاق الثابت، وتُستخدم طريقة المسح الكامل بفترة زمنية ثابتة للعثور على نقطة القدرة القصوى؛ وهناك أيضًا طريقة مُركبة من طريقة قطبية الميل وطريقة زيادة الموصلية، وتُستخدم طريقة التحكم في خطوة الكشف للعثور على نقطة القدرة القصوى. في ظل ظروف الاختبار المثالية، يُمكن أن تصل دقة هذه الخوارزميات إلى أكثر من 99%. في الواقع، يتمثل التحدي الأكبر حاليًا في تعدد الذروات والارتفاعات المفاجئة في التيار. تعني ظاهرة تعدد القمم وجود عدة قمم طاقة في منحنى القدرة-التيار أو القدرة-الجهد لمصفوفة. وهناك أسباب عديدة لذلك، منها انسداد بعض المكونات وانحراف ثنائيات التجاوز للأمام، مما يؤدي إلى تجاوز ثلث الخلايا، وبالتالي انخفاض جهد التشغيل لمجموعة الخلايا، الأمر الذي يتسبب بدوره في عدم تطابق الجهد في المصفوفة وظهور قمم متعددة. أو قد يكون السبب هو بقاء ثنائيات التجاوز في وضع عكسي بسبب الانسداد.

في حالة عدم بدء حالة الانحراف، يحدث عدم تطابق في التيار في نفس السلسلة، مما يؤدي إلى ظهور قمم متعددة. تؤثر القمم المتعددة والزيادات المفاجئة في الضوء بشكل كبير على العديد من خوارزميات نقطة الطاقة القصوى. نظرًا لطبيعتها غير القابلة للتحكم والمتغيرة، فإنها تُربك جهاز التتبع في تحديد اتجاه الكشف وأي قمة هي نقطة الطاقة القصوى. في الواقع، يكمن السبب الجذري لهذه المشكلة في وجود عدد كبير جدًا من المكونات المتصلة. تخيل لو أن كل مُحسِّن متصل بمكون واحد فقط، وأن كل مكون يحتوي على اثنين أو ثلاثة فقط من ثنائيات التجاوز، وأن المكونات لا تؤثر على بعضها البعض. هذا يقلل بشكل كبير من صعوبة تحليل وتتبع نقطة الطاقة القصوى، كما أن تعديل منطق وحدة التحكم بسيط ودقيق للغاية. نظرًا لأن منحنى التيار-الجهد هو 38 فولت و8.9 أمبير فقط، فإن تتبع نقطة الطاقة القصوى للمُحسِّن لا يحتاج إلى استخدام الخوارزميات التقليدية. توجد حاليًا طريقتان شائعتان. الأولى هي طريقة تتبع نقطة التماس، والثانية هي مزيج من طريقة التحكم في المقاومة وطريقة التحكم في الجهد مع التتبع الثانوي. بفضل هذه الميزة، يُمكن لمُحسِّن الطاقة زيادة الطاقة الإنتاجية بنسبة 30% مقارنةً بالعواكس التقليدية. إضافةً إلى ذلك، وعلى عكس قدرة التيار المتردد المحدودة للعواكس الدقيقة، يُمكن لمُحسِّن الطاقة نقل الطاقة المُجمَّعة بالكامل إلى العاكس.

لا يقتصر توافق مُحسِّن الطاقة على جميع ألواح السيليكون البلوري فحسب، بل يُمكن استخدامه أيضًا مع بعض أنظمة البطاريات الرقيقة. كما تبذل الصناعة جهودًا حثيثة لتوسيع نطاق توافق مُحسِّن الطاقة. مع ذلك، فإن معظم العواكس الدقيقة غير متوافقة أو ذات تأريض وظيفي، مما يجعلها غير متوافقة مع بعض المكونات الشائعة في السوق. في الوقت نفسه، يتراوح نطاق جهد الإدخال لمُحسِّن الطاقة بين 5 و50 فولتًا تقريبًا، مما يضمن بقاء دائرة التحسين في حالة التشغيل حتى في حال تغطية المكونات بشكل كبير. يُمكن ربط مُحسِّن الطاقة بعاكس من طرف ثالث، والتواصل معه، وتنظيم النظام من خلال وحدة تحكم إضافية. تُعدّ دائرة تحسين الطاقة أو تحويل الجهد في جوهرها محوّل تيار مستمر إلى تيار مستمر، مثل دوائر خفض الجهد (BUCK) ورفع الجهد (BOOST) وخفض الجهد ورفع الجهد معًا (BUCK-BOOST). تجدر الإشارة إلى أن أي حل لتتبع الطاقة القصوى للخلايا الكهروضوئية في التقنيات السابقة ينطبق أيضًا على دائرة تحويل الجهد المستخدمة في هذا التطبيق. تشمل طرق تتبع الطاقة القصوى الشائعة طريقة الجهد الثابت، وطريقة زيادة الموصلية، وطريقة مراقبة الاضطراب، وغيرها. لن يتناول هذا التطبيق بالتفصيل كيفية أداء دائرة تحويل الجهد لتتبع الطاقة القصوى (MPPT).

في مجال توليد الطاقة الكهروضوئية، تُعدّ الوحدات الكهروضوئية أو الخلايا الكهروضوئية أحد المكونات الأساسية لتوليد الطاقة. تُصنّف الألواح الشمسية، وفقًا للتقنيات السائدة، إلى خلايا شمسية من السيليكون أحادي البلورة، وخلايا شمسية من السيليكون متعدد البلورات، وخلايا شمسية من السيليكون غير المتبلور، وغيرها. يُستخدم عدد كبير من وحدات البطاريات في محطات الطاقة الكهروضوئية المركزية الكبيرة، بينما يُستخدم عدد أقل نسبيًا في محطات الطاقة المنزلية الموزعة الصغيرة. نظرًا لأن العمر الافتراضي المطلوب لخلايا السيليكون في هذا المجال يصل عادةً إلى أكثر من 20 عامًا، فمن الضروري مراقبة أداء الألواح ومتانتها على المدى الطويل. تؤدي العديد من العوامل الداخلية والخارجية إلى انخفاض كفاءة توليد الطاقة في وحدات الخلايا الكهروضوئية، مثل الاختلافات في التصنيع أو التركيب بين هذه الوحدات، أو التظليل، أو عدم القدرة على تتبع الطاقة القصوى، مما يُسبب انخفاضًا في الكفاءة. فعلى سبيل المثال، إذا حُجب جزء من وحدات الخلايا الكهروضوئية بسبب الغيوم أو المباني أو ظلال الأشجار أو الأتربة أو غيرها من العوامل المشابهة، فإنها ستتحول من مصادر طاقة إلى أحمال كهربائية، ولن تُنتج الكهرباء. قد ترتفع درجة الحرارة الموضعية للوحدات الكهروضوئية في المناطق التي يكون فيها تأثير البقع الساخنة شديدًا، وقد تتجاوز في بعض الأحيان 150 درجة مئوية، مما يؤدي إلى احتراق أجزاء من الوحدات أو ظهور بقع داكنة، وانصهار وصلات اللحام، وتلف مواد التغليف، وتشقق الزجاج، والتآكل، وغيرها من الأضرار الدائمة، الأمر الذي يشكل خطرًا كبيرًا على سلامة وموثوقية الوحدات الكهروضوئية على المدى الطويل. تكمن المشكلة التي يجب حلها في محطات/أنظمة الطاقة الكهروضوئية في القدرة على مراقبة حالة عمل كل لوحة كهروضوئية مثبتة في الوقت الفعلي، والتحذير من الحالات غير الطبيعية مثل ارتفاع درجة الحرارة، وزيادة الجهد، وزيادة التيار، وقصر دائرة خرج البطارية. من المهم جدًا اتخاذ تدابير طارئة مثل إيقاف التشغيل الآمن النشط أو غيرها من التدابير في حالة وجود خلل في البطاريات. سواء كانت محطة طاقة كهروضوئية مركزية أو محطة صغيرة موزعة

في محطات الطاقة، من الضروري تقييم وتحديد المكونات التي قد تعاني من مشاكل بناءً على بيانات معايير التشغيل المُجمّعة للوحدات الكهروضوئية.

في مجال توليد الطاقة الكهروضوئية، تُوصَّل الوحدات أو الخلايا الكهروضوئية على التوالي لتشكيل سلسلة بطاريات، ثم تُوصَّل سلسلة البطاريات بالتوازي مع معدات الطاقة مثل صندوق التجميع أو العاكس، مما يستلزم تركيب الوحدات أو البطاريات، وهو ما يتطلب أعلى معايير السلامة. في حال وجود أي خلل في الوحدة الكهروضوئية، كارتفاع درجة الحرارة أو الجهد أو التيار، يجب إيقاف تشغيلها فورًا. وعندما تعود الوحدة إلى وضعها الطبيعي، يجب إعادة توصيلها، وهو ما يتطلب أيضًا أعلى معايير السلامة. إضافةً إلى ذلك، في بعض الحالات، من الضروري فحص توليد الطاقة من الوحدة أو مراقبة الطاقة الخارجة، وهو ما يُعد أساسًا لتقييم جودة الوحدة. على سبيل المثال، إذا انخفض توليد الطاقة من الوحدة بشكل ملحوظ، فمن المرجح حدوث خلل في توليد الطاقة، نتيجةً لعوائق مثل فضلات الطيور، والغبار، والمباني، وظلال الأشجار، والغيوم، مما يستدعي تنظيف البطارية أو تغيير اتجاه التركيب واتخاذ تدابير أخرى. يدرك المختصون في هذا المجال أن خلايا السيليكون أحادية البلورة، وخلايا السيليكون متعددة البلورات، وخلايا السيليكون غير المتبلورة، وغيرها، جميعها مواد تتأثر خصائصها بالتدهور. لذا، من الضروري مراقبة درجة تدهور الوحدة، وهو أمر بالغ الأهمية لتقييم جودة البطارية. تكمن المشكلة في عدم قدرتنا على تحديد المكونات السليمة وغير السليمة ضمن مجموعة كبيرة من المكونات. سيتناول المحتوى التالي حل هذه المشكلة. في كثير من الحالات، نحتاج إلى تحديد الخلايا أو المكونات ذات الجودة الرديئة مباشرةً أثناء مرحلة التركيب، وعدم السماح بتجميع/تركيب أي خلايا بها عيوب في مصفوفة الخلايا الكهروضوئية. وإلا، فإن دخول خلايا بها مشاكل في الجودة إلى مصفوفة الخلايا الكهروضوئية سيؤدي إلى انخفاض كفاءة توليد الطاقة في المصفوفة بأكملها. والأسوأ من ذلك هو أن قيمة الجهد أو التيار غير الطبيعية لخلية واحدة أو عدة خلايا بها مشاكل قد تتسبب في تلف سلسلة البطارية بأكملها، مما يؤدي إلى خسائر أكبر.