MPPT هي تقنية تحكم مهمة تستخدم في أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية. تراقب وحدة التحكم MPPT باستمرار خرج الجهد الكهربائي للألواح الشمسية في الوقت الحقيقي، وتتبع قيم الجهد والتيار المثلى لضمان تحقيق النظام لأقصى خرج للطاقة. تقوم هذه التقنية بشحن البطارية بكفاءة أثناء تنسيق تشغيل الألواح الشمسية والأحمال، مما يجعلها "العقل" للنظام الشمسي الكهروضوئي. سوف يتعمق هذا الدليل في التعريف ومبادئ العمل واختيار المنتج الخاص بتقنية MPPT.

 

ما هو MPPT؟

تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) هي تقنية متقدمة تُستخدم في أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية (PV). وتحدد هذه التقنية بذكاء نقطة إنتاج الطاقة المثلى للوحدات الكهروضوئية وتحافظ عليها في ظل الظروف البيئية المتغيرة، مثل التغيرات في شدة الضوء ودرجة الحرارة. تضمن هذه التقنية أن تنتج الألواح الشمسية دائمًا أقصى إنتاج ممكن من الطاقة، مما يعزز الكفاءة وتوليد الطاقة الكلية للنظام.

 

أهمية تقنية MPPT

يتأثر خرج الطاقة للوحدة الكهروضوئية بعوامل مثل درجة الحرارة وشدة الضوء والحمل. وتسبب هذه الظروف تغيرات في المنحنيات المميزة للتيار-الجهد (I-V) ومنحنيات الطاقة-الجهد (P-V) للوحدة.

كما هو موضح في الشكل، يتبع جهد خرج الوحدة الكهروضوئية والتيار منحنيات I-V (برتقالي) ومنحنيات P-V (أزرق). ولضمان أن يخرج العاكس أقصى قدر من الطاقة، يجب أن يعمل جهد التيار المستمر عند النقطة الحمراء، والتي تمثل نقطة الطاقة القصوى Pmax عند Vmp. إذا كان يعمل بجهد أعلى أو أقل من Vmp، تنخفض الطاقة إلى أقل من Pmax. لذلك، بدون التتبع، يفشل العاكس في الحفاظ على الجهد والتيار الأمثل، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة على الرغم من أن النظام الكلي لا يتأثر.

التتبع المستمر لنقطة الطاقة القصوى ضروري لأن المنحنى المميز يتغير مع التغيرات في شدة الضوء ودرجة الحرارة والتظليل. قد تكون نقطة الطاقة القصوى 560 فولت في الصباح، و520 فولت عند الظهيرة، و550 فولت بعد الظهر. ومن ثم، يجب ضبط وحدة التحكم MPPT باستمرار لضمان أن توفر الألواح الطاقة القصوى باستمرار على مدار اليوم، لتجنب هدر الطاقة الشمسية.

 

مبدأ عمل وحدة التحكم MPPT

تستخدم وحدة التحكم MPPT، والمعروفة أيضًا باسم وحدة التحكم في الشحن الشمسي MPPT، تقنية MPPT لتحسين توليد الطاقة في الأنظمة الكهروضوئية. تتم إدارة التحكم في MPPT لمصفوفات الوحدات الكهروضوئية بشكل عام بواسطة دوائر محول التيار المستمر/التناوب المستمر كما هو موضح في الشكل أدناه. يكتشف جهاز التحكم جهد التيار المستمر للحلقة الرئيسية وتيار الخرج، ويحسب طاقة الخرج للمصفوفة الشمسية ويتتبع نقطة الطاقة القصوى.

على وجه التحديد، يتم توصيل مقاوم الاضطراب (R) وموسفيت MOSFET على التوالي. في ظل ظروف جهد الخرج المستقر، يتغير متوسط التيار عبر المقاوم عن طريق ضبط دورة عمل MOSFET، مما يؤدي إلى اضطراب التيار. يغير هذا الاضطراب تيار خرج الخلية الكهروضوئية وجهدها. من خلال قياس التغيرات في طاقة خرج الخلية الكهروضوئية والجهد قبل الاضطراب وبعده، تحدد وحدة التحكم اتجاه اضطراب الدورة التالية. إذا أدى الاضطراب إلى زيادة طاقة خرج اللوحة الشمسية، فإنه يستمر في نفس الاتجاه. وإلا فإنه يعكس الاتجاه. تضمن هذه العملية التكرارية للاضطراب والمراقبة تشغيل اللوح الشمسي عند أقصى نقطة طاقة له.

المؤشرات الفنية الرئيسية لوحدة التحكم بالشحن MPPT

• كفاءة التتبع: يقيس هذا المؤشر قدرة خوارزمية MPPT على متابعة نقطة الطاقة القصوى، وعادةً ما يتم التعبير عنها كنسبة مئوية. وهي نسبة خرج الطاقة بواسطة خوارزمية MPPT إلى أقصى طاقة ممكنة للمصفوفة الكهروضوئية خلال فترة معينة. تشير كفاءة التتبع الأعلى إلى خوارزمية MPPT أكثر فعالية في الحفاظ على خرج الطاقة الأمثل.
• سرعة الاستجابة: يشير هذا المؤشر إلى مدى سرعة استجابة خوارزمية MPPT للتغيرات في طاقة خرج المصفوفة الكهروضوئية. تسمح سرعة الاستجابة الأسرع للخوارزمية بالتكيف بسرعة مع نقطة الطاقة القصوى، مما يقلل من فقدان الطاقة. تقاس سرعة الاستجابة عادةً بالمللي ثانية.
• الاستقرار: هذا المؤشر هو قدرة خوارزمية MPPT على تتبع نقطة الطاقة القصوى باستمرار في ظل ظروف مختلفة. وتتغير عوامل مثل الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة والحمل باستمرار، مما يؤثر على طاقة الخرج للمصفوفة الكهروضوئية. يمكن لخوارزمية MPPT المستقرة أن تتكيف بسرعة مع هذه التغييرات وتحافظ على التشغيل بالقرب من نقطة الطاقة القصوى.

 

خوارزميات شائعة لتقنية MPPT في الأنظمة الكهروضوئية

أدت تقنية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) للمصفوفات الكهروضوئية إلى تطوير طرق تحكم مختلفة في كل من التطبيقات البحثية والعملية في جميع أنحاء العالم. في ظل الظروف غير المظللة، تشمل طرق التحكم الشائعة الاستخدام في مصفوفات الطاقة الكهروضوئية في المصفوفات الكهروضوئية تتبع الجهد الثابت (CVT)، والاضطراب والملاحظة (P&O)، والتوصيل التزايدي (INC).

فيما يلي مقدمة ومقارنة بين هذه الخوارزميات الثلاث:

1. تتبع الجهد الثابت (CVT)

يتمثل المبدأ الأساسي لطريقة الجهد الثابت في أن الجهد عند نقطة الطاقة القصوى على منحنى الخرج P-U للخلايا الكهروضوئية يظل بالقرب من قيمة ثابتة معينة في ظل ظروف تشميس مختلفة. تتحكم طريقة CVT في جهد خرج الخلية الكهروضوئية للحفاظ على هذا الجهد الثابت، مما يسمح للخلية بالعمل بالقرب من نقطة الطاقة القصوى طوال عملية التشغيل.

• المزايا: تنتج طريقة CVT خرج طاقة أعلى من المطابقة المباشرة ويمكنها تبسيط التحكم في MPPT في ظل ظروف معينة. وهي طريقة سهلة التنفيذ ومستقرة نسبيًا ومناسبة للمناطق ذات الظروف المناخية المستقرة حيث لا تتطلب دقة عالية.
• العيوب: إن قدرة هذه الطريقة على التكيف ضعيفة ودقتها منخفضة عند تغير درجة الحرارة المحيطة، حيث إنها تفشل في تتبع نقطة الطاقة القصوى بفعالية.

2. الاضطراب والمراقبة (P&O)

تنطوي طريقة P&O على اضطراب (تعديل) جهد خرج الخلية الكهروضوئية بشكل دوري ومراقبة التغير الناتج في الطاقة. إذا زادت الطاقة، يستمر التعديل في نفس الاتجاه. وإذا انخفضت الطاقة، يتم عكس الاتجاه. تستمر حلقة التغذية الراجعة هذه حتى الوصول إلى نقطة الطاقة القصوى.

• المزايا: طريقة P&O سهلة التنفيذ وسهلة الدمج في الأجهزة.
• العيوب: سرعة الاستجابة بطيئة، مما يجعلها مناسبة فقط للسيناريوهات التي تتغير فيها شدة ضوء الشمس تدريجيًا، مثل محطات الطاقة الكهروضوئية ومصابيح الشوارع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتسبب في حدوث تذبذبات صغيرة حول نقطة الطاقة القصوى، مما يؤدي إلى فقدان بعض الطاقة.

3. التوصيل التزايدي (INC)

تستخدم طريقة INC المشتق من الدرجة الأولى لمنحنى P-U للمصفوفة الكهروضوئية للعثور على أقصى نقطة طاقة. تحدد هذه الطريقة اتجاه التعديل التالي بناءً على معدل تغير التوصيل (G = I/U) والقيمة اللحظية للتوصيل.

• المزايا: توفر طريقة INC دقة أفضل من طريقة P&O لأنها تعتمد كليًا على معدل تغير التوصيل وقيمة التوصيل السالبة اللحظية، وليس على الجهد أو الطاقة السابقة. ويمكنها أن تتكيف بسرعة مع التغيرات السريعة في شدة ضوء الشمس، مما يجعلها دقيقة للغاية.
• العيوب: تتطلب الخوارزمية المزيد من أجهزة الاستشعار، مما يزيد من التكلفة. ونتيجة لذلك، لا تزال طريقة P&O الأبسط مستخدمة على نطاق واسع.

 

MPPT مقابل PWM: الاختلافات والمزايا الرئيسية

إن MPPT وPWM (تعديل عرض النبض) هما استراتيجيتان شائعتان للتحكم تستخدمان في الأنظمة الكهروضوئية (PWM). كمكونات رئيسية تضمن التشغيل الفعال والمستقر لهذه الأنظمة، تختلف وحدات التحكم MPPT و PWM اختلافًا كبيرًا من حيث الوظيفة والكفاءة والسيناريوهات القابلة للتطبيق.

1. الاختلاف في مبدأ العمل

• وحدات تحكم PWM: تنظم وحدات تحكم PWM الجهد والتيار في الدائرة عن طريق ضبط عرض النبضة. وكلما طالت المدة العالية المستوى في إشارة PWM، زاد زمن التحويل في الدائرة، مما يزيد من زمن تدفق التيار عبر الحمل، وبالتالي التحكم في خرج الطاقة.
• وحدات التحكم MPPT: تراقب وحدات التحكم MPPT الجهد والتيار للوحة الشمسية في الوقت الفعلي وتستخدم خوارزميات محددة لتحديد حالة التشغيل المثلى. فهي تقوم بضبط مقاومة الحمل أو جهد التشغيل لضمان تشغيل اللوحة دائمًا بأقصى طاقة لها. هذه العملية تلقائية ولا تتطلب أي تدخل بشري.

2. الكفاءة والأداء

• وحدات تحكم PWM: تتميز وحدات التحكم PWM بكفاءة منخفضة نسبيًا لأنها لا تستطيع الاستفادة الكاملة من الحد الأقصى لإخراج الطاقة القصوى للوحة الشمسية، حيث تحقق كفاءة تحويل شحن تتراوح بين 70 و801 تيرابايت و801 تيرابايت على الأكثر.
• وحدات التحكم MPPT: تتميز وحدات التحكم MPPT بكفاءة أكبر بكثير، مع مراقبة في الوقت الحقيقي للجهد والتيار مما يسمح لها بتتبع نقطة الطاقة القصوى (P=U*I). ويؤدي هذا إلى شحن البطارية بأقصى خرج للطاقة، مما يحقق كفاءة تتبع تصل إلى 991 تيرابايت 3 تيرابايت وكفاءة توليد طاقة النظام الكلية تصل إلى 971 تيرابايت 3 تيرابايت، وهو ما يزيد بحوالي 501 تيرابايت 3 تيرابايت عن الأنظمة التقليدية.

3. السيناريوهات القابلة للتطبيق

• وحدات تحكم PWM: تعد وحدات التحكم هذه مناسبة للسيناريوهات ذات التكلفة العالية ومتطلبات الكفاءة المنخفضة. ونظرًا لبساطة استراتيجية التحكم الخاصة بها، فإن وحدات التحكم PWM أكثر فعالية من حيث التكلفة وهي مثالية لأنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية منخفضة التكلفة وصغيرة الحجم.
• وحدات التحكم MPPT: تعد وحدات التحكم هذه مناسبة بشكل أفضل للسيناريوهات التي تتطلب كفاءة عالية للنظام. في محطات الطاقة الكهروضوئية واسعة النطاق، وأنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة، وغيرها من المتطلبات عالية الكفاءة، يمكن لوحدات التحكم MPPT أن تزيد من مزاياها وتحسن بشكل كبير من كفاءة توليد الطاقة الكلية للنظام.

 

العوامل الرئيسية في اختيار وحدة تحكم MPPT

يعد اختيار وحدة التحكم MPPT المناسبة أمرًا بالغ الأهمية للتشغيل الفعال والمستقر لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. فيما يلي العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها عند الاختيار:

1. جهد النظام والتيار

• نطاق جهد الإدخال: تأكد من أن نطاق جهد الدخل لوحدة التحكم MPPT يغطي خرج جهد الوحدة الكهروضوئية في ظل ظروف مختلفة. عادة، يجب أن يكون نطاق جهد دخل وحدة التحكم أعلى من جهد الدائرة المفتوحة (Voc) للوحدة الكهروضوئية.
• سعة تيار الإدخال: يجب أن تكون سعة تيار الإدخال لوحدة التحكم مساوية على الأقل لتيار الدائرة القصيرة للوحدة الكهروضوئية (Isc). من أجل السلامة والكفاءة، يوصى باختيار سعة تيار 20-25% أعلى من الحد الأقصى لتيار الدائرة القصيرة.
• جهد الإخراج والتيار: تأكد من أن جهد خرج وحدة التحكم والتيار يفيان بمتطلبات الحمل أو جهاز تخزين الطاقة.

2. تصنيف الطاقة

• سعة الطاقة: يجب أن تتطابق الطاقة المقدرة لوحدة التحكم MPPT مع الطاقة الإجمالية للنظام الكهروضوئي. تأكد من قدرة وحدة التحكم على التعامل مع طاقة الخرج للوحدة الكهروضوئية عند نقطة الطاقة القصوى. بشكل عام، يجب أن تكون سعة طاقة وحدة التحكم أعلى من الطاقة القصوى للنظام الكهروضوئي لمنع التحميل الزائد.

3. التوافق

• نوع البطارية: إذا كان النظام الكهروضوئي يشتمل على أجهزة تخزين الطاقة (مثل البطاريات)، تأكد من أن وحدة التحكم MPPT متوافقة مع نوع البطارية المستخدمة (حمض الرصاص، أيون الليثيوم، النيكل-الكادميوم، إلخ).
• بنية النظام: اختر وحدة تحكم MPPT مناسبة لهيكل نظامك، سواء كان خارج الشبكة أو متصلاً بالشبكة أو هجينًا.

 

أفضل 6 علامات تجارية لوحدات التحكم في الطاقة الشمسية MPPT

مع تزايد شعبية توليد الطاقة الكهروضوئية، يعد اختيار وحدة تحكم شمسية عالية الجودة وقابلة للتكيف ومستقرة أمرًا ضروريًا لإطالة عمر خدمة النظام الشمسي. لا تضمن وحدات التحكم هذه التشغيل الفعال فحسب، بل توفر أيضًا العديد من الميزات الإضافية لراحة المستخدم. فيما يلي أفضل 6 علامات تجارية لوحدات التحكم MPPT في العالم:

1. مورنينجستار (الولايات المتحدة الأمريكية)

منذ تأسيسها في عام 1993، استُخدمت منتجات مورنينغستار على نطاق واسع في المحطات الأساسية للاتصالات، والمراقبة الميدانية، وإمدادات الطاقة في الجزيرة، وغيرها من التطبيقات الصناعية المتوسطة إلى المتطورة. إنها علامة تجارية موثوق بها ومعترف بها جيدًا. على سبيل المثال، يبلغ سعر وحدة التحكم MPPT بقوة 40 أمبير 12/24 فولت حوالي $570.

 

2. فيكترون للطاقة (هولندا)

وبفضل 40 عاماً من الخبرة في مجال تصنيع إمدادات الطاقة، تعتبر منتجات شركة Victron Energy الخيار الاحترافي لأنظمة الطاقة المستقلة. وهي تُستخدم كمعدات قياسية في العلامات التجارية الشهيرة لليخوت مثل Sunseeker وFerretti وFerretti وFerline، وكذلك من قبل الشركات المصنعة لليخوت المحلية والمركبات الخاصة. يبلغ سعر وحدة التحكم MPPT بقوة 30 أمبير 12/24 فولت 12/24 فولت المزودة بتقنية البلوتوث المدمجة حوالي $170.

 

3. إبيفر (الصين)

تأسست شركة EPEVER في عام 2007 في بكين، وهي اسم رائد في صناعة الطاقة الشمسية، وتركز على البحث والتطوير والإنتاج والمبيعات وخدمة وحدات التحكم في الطاقة الشمسية والمحولات خارج الشبكة وأنظمة الطاقة الهجينة. تشتهر بفعاليتها من حيث التكلفة والأداء، ويبلغ سعر وحدة التحكم MPPT 30A 12/24V الخاصة بها $90.

 

4. فوكوس (ألمانيا)

تأسست شركة PHOCOS في عام 2000 في مدينة أولم بألمانيا، وهي واحدة من أكبر الشركات المصنعة لمكونات أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة في العالم. فهي تنتج وحدات التحكم في الشحن الشمسي ومصابيح الفلورسنت DC وغيرها. على سبيل المثال، يبلغ سعر جهاز التحكم المقاوم للماء 20 أمبير 12/24 فولت IP68 حوالي $90.

 

5. ستيكا (ألمانيا)

STECA هي شركة متخصصة في تصنيع وحدات التحكم في الشحن بالطاقة الشمسية على نطاق واسع. وتوفر منتجاتها، المصممة للأنظمة الكهروضوئية المتوسطة والصغيرة الحجم، ميزات قوية وتيارات شحن تتراوح من 6 أمبير إلى 140 أمبير، وهي مناسبة لمعظم أنظمة الطاقة الشمسية والتحكم في الحمل بالتيار المستمر.

 

6. رينوجي (الصين/الولايات المتحدة الأمريكية)

تأسست شركة Renogy في عام 2010 في الولايات المتحدة الأمريكية، وأصبحت علامة تجارية رائدة في مجال الطاقة الجديدة للمستهلكين على مستوى العالم. تلتزم Renogy بتوفير طاقة مستقلة ونظيفة، وتركز على تصميم منتجات الطاقة الجديدة والبحث والتطوير التكنولوجي والخدمات العالمية. يبلغ سعر وحدة التحكم MPPT بقوة 30 أمبير 12/24 فولت $130.

 

فكرة أخيرة

تعد تقنية MPPT جزءًا لا غنى عنه في النظام الكهروضوئي. ويمكنها تحسين كفاءة النظام بشكل فعال وزيادة توليد الطاقة. ومع ذلك، فإن تحقيق كفاءة MPPT ليس بالأمر السهل ويتطلب التغلب على العديد من الصعوبات التقنية. في المستقبل، مع تطوير خوارزميات ذكية وأجهزة فعالة، سيتم تحسين تقنية MPPT بشكل أكبر، مما يدفع الصناعة الكهروضوئية إلى الأمام.