تتبع نقطة القدرة القصوى

تتبع نقطة القدرة القصوى (ام بي بي تي)، أو ما يعرف أحياناً بتتبع نقطة القدرة فقط، هي تقنية توظف مع مصادر الطاقة المتغيرة بهدف زيادة استخلاص الطاقة مع تغير الظروف التشغيلية. ويَشيع استخدام هذه التقنية في المنظومات الشمسية الكهروضوئية (PV)، ولكنها تُستعمل كذلك مع العَنَفات الريحية، وفي نقل القدرة ضوئياً، ومع أنظمة التوليد الكهروضوئي الحراري.

ترتبط المنظومات الشمسية الكهروضوئية بعلاقات متباينة مع كل من منظومات العاكس، والشبكات الكهربائية الخارجية، ومنظومات البطاريات، وغيرها من الأحمال الكهربائية. وتتمثل الإشكالية المحورية التي تعالجها تقنية تتبع نقطة القدرة القصوى في أن كفاءة نقل القدرة من الخلية الشمسية تعتمد على مقدار الإشعاع الشمسي الساقط، ودرجة التظليل، ودرجة حرارة اللوح الشمسي، والخصائص الكهربائية للحمل.
ومع تغير هذه الظروف، فإن خاصية الحمل (المعاوقة) التي تحقق أعلى قدرة منقولة تتغير هي الأخرى. وتصل المنظومة إلى وضعها الأمثل حين يتم تكييف خاصية الحمل هذه للحفاظ على كفاءة نقل القدرة عند أقصاها. وتعرف خاصية الحمل المثلى هذه باسم نقطة القدرة القصوى (MPP). وعليه، فإن عملية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) هي عملية الضبط المستمر لخاصية الحمل مع تغير الظروف. ويمكن تصميم دوائر كهربائية مخصصة لتوفر الحمل الأمثل للخلايا الكهروضوئية، ثم تقوم بتحويل الجهد أو التيار أو التردد بما يتناسب مع الأجهزة أو المنظومات الأخرى.

يمكن تحليل العلاقة غير الخطية بين درجة الحرارة والمقاومة الكلية للخلايا الشمسية بالاستناد إلى منحنى التيار-الجهد (I-V) ومنحنيات القدرة-الجهد (P-V). وتقوم أجهزة تتبع نقطة القدرة القصوى بأخذ عينات من خرج الخلية وتطبيق المقاومة (الحمل) الملائمة لاستخلاص القدرة القصوى.
تُدمَج هذه الأجهزة عادة ضمن منظومة محولات للقدرة الكهربائية، التي توفر وظائف تحويل الجهد أو التيار، والترشيح، والتنظيم، وذلك لتغذية مختلف الأحمال بما في ذلك الشبكات الكهربائية، أو البطاريات، أو المحركات. وتقوم العاكسات الشمسية بتحويل القدرة من التيار المستمر إلى التيار المتردد، وقد تتضمن بداخلها تقنية تتبع نقطة القدرة القصوى.

إن القدرة عند نقطة القدرة القصوى  هي حاصل ضرب جهدها  في تيارها .

بوجه عام، قد يُظهر منحنى القدرة-الجهد لمصفوفة شمسية مظللة جزئيا قمما متعددة، مما قد يؤدي إلى وقوع بعض الخوارزميات في فخ إحدى النقاط القصوى المحلية بدلا من بلوغ النقطة القصوى الشاملة للمنحنى.

 الخلفية 
تصغير|منحنيات التيار-الجهد لخلية شمسية كهروضوئية، يتقاطع فيها خطٌّ مع "ركبة" المنحنيات حيث تقع نقطة نقل القدرة القصوى.
للخلايا الكهروضوئية علاقة معقدة بين بيئتها التشغيلية والقدرة التي تنتجها. ويمكن توصيف الخاصية غير الخطية لمنحنى التيار-الجهد (I-V) لخلية معينة، تحت ظروف محددة من درجة الحرارة والإشعاع الشمسي الساقط، من خلال معامل وظيفي يُعرف باسم عامل الملء (FF).

ويُعرَّف عامل الملء بأنه نسبة القدرة القصوى المستخلصة من الخلية إلى حاصل ضرب جهد الدائرة المفتوحة () في تيار القِصَر (). وعادة ما تُستخدم البيانات المجدولة لتقدير القدرة القصوى التي يمكن للخلية أن تقدمها عند توصيلها بحمل أمثل تحت ظروف معينة:
.

لأغلب الأغراض، تُعد قيم ، و ، و  معلومات كافية لتقديم تصور تقريبي ومفيد عن السلوك الكهربائي للخلية في ظل الظروف الاعتيادية.

تحت أي مجموعة معينة من الظروف، يكون للخلية نقطة تشغيل وحيدة تتحقق عندها أقصى قدرة خرج ممكنة. وتقابل قيمتا التيار (I) والجهد (V) عند هذه النقطة مقاومة حمل محددة، تساوي  بحسب قانون أوم. أما القدرة P فتُعطى بالعلاقة: .

تسلك الخلية الكهروضوئية، في الجزء الأعظم من منحناها التشغيلي، سلوكَ مصدر تيار ثابت. ولكن عند منطقة نقطة القدرة القصوى، يُظهر منحناها علاقة أسية عكسية تقريبية بين التيار والجهد.

ووفقاً للمبادئ الأساسية لنظرية الدوائر، فإن القدرة المنقولة إلى الحمل تبلغ قيمتها المثلى (عند نقطة القدرة القصوى) حين تكون مشتقة منحنى التيار-الجهد ( أي ميله بيانياً)، مساويةً ومعاكسةً لنسبة ؛ وهي النقطة التي ينعدم عندها مشتق القدرة بالنسبة للجهد ، وتتوافق مع ما يعرف بمنطقة "الركبة" في المنحنى.

تصغير|منحنى القدرة-جهد (P-V)

إن الحمل الذي يستخلص القدرة القصوى من الجهاز هو ذلك الذي تكون مقاومته  مساويةً للنسبة  عند نقطة التشغيل المثلى. تُعرف هذه القيمة أحيانا باسم "المقاومة المميزة" للخلية.
وهي كمية ديناميكية تتغير تبعا لمستوى الإشعاع الساقط، فضلاً عن عوامل أخرى كدرجة الحرارة وحالة الخلية. وأي مقاومة أعلى أو أدنى من هذه القيمة تؤدي إلى خفض القدرة الناتجة. وتوظّف أجهزة تتبع نقطة القدرة القصوى دوائر تحكم أو خوارزميات منطقية لتحديد هذه النقطة بدقة.

في حال توفر منحنى القدرة-الجهد (P-V) كاملاً، فإنه يمكن تحديد نقطة القدرة القصوى باستخدام طريقة التنصيف.

 التطبيق 
عند توصيل الحمل بالخلية مباشرة، قلما تتوافق نقطة تشغيل اللوح مع نقطة قدرته القصوى. فالمعاوقة التي يواجهها اللوح هي التي تحدد نقطة تشغيله، ومن خلال الضبط الدقيق لهذه المعاوقة يمكن بلوغ القدرة القصوى.
ولما كانت الألواح أجهزة تعمل بالتيار المستمر، فإن محولات التيار المستمر (DC-DC) تُستخدم لمواءمة معاوقة دائرة المصدر مع معاوقة دائرة الحمل. إن تغيير دورة التشغيل للمحول يؤدي بدوره إلى تغيير المعاوقة الظاهرية التي تراها الخلية. والجدير بالذكر أن منحنى التيار-الجهد للوح يتأثر تأثرا كبيرا بالظروف الجوية، كشدة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة.

تعمل خوارزميات تتبع نقطة القدرة القصوى على أخذ عينات متكررة من جهد اللوح وتياره، ومن ثم تضبط دورة التشغيل بما يتناسب معها. وتُنفذ هذه الخوارزميات بواسطة المتحكمات الدقيقة.
أما التطبيقات العملية الحديثة فكثيراً ما توظف حواسيب أكثر تطوراً لإجراء التحليلات والتنبؤ بالأحمال.

 تصنيف 
يمكن لوحدات التحكم اتباع عدة نُهُج لأَمْثَلَة خرج القدرة. وقد تبدّل هذه الوحدات بين خوارزميات متعددة وفقاً لما تقتضيه الظروف.Rahmani, R.; Seyedmahmoudian, M.;, Mekhilef, S.; Yusof, R.; 2013. Implementation of fuzzy logic maximum power point tracking controller for photovoltaic system. American Journal of Applied Sciences, 10: 209-218.

 الاضطراب والرصد 
في هذا النهج، يقوم المتحكم بتعديل جهد المصفوفة بمقدار ضئيل ثم يقيس القدرة؛ فإذا ازدادت القدرة، تستمر التعديلات في الاتجاه ذاته حتى تتوقف عن الزيادة. يُعرف هذا النهج باسم الاضطراب والرصد (P&O)، وهو الأكثر شيوعاً، على الرغم من أنه قد يتسبب في تذبذب القدرة الخارجة.

ويشار إليه أيضا بنهج ، لأنه يعتمد على تصاعد منحنى القدرة-الجهد قبل نقطة القدرة القصوى، وهبوطه بعد تلك النقطة. ويعد نهج الاضطراب والرصد هو الأكثر استخداما نظراً لسهولة تنفيذه.

تقوم خوارزمية الاضطراب والرصد بضبط جهد تشغيل المنظومة الكهروضوئية لتتبع نقطة القدرة القصوى. فمن خلال إحداث اضطرابات دورية في الجهد ورصد التغير الناتج في القدرة، تقرر الخوارزمية ما إذا كان يجب زيادة جهد التشغيل أو خفضه. فإذا ازدادت القدرة، يستمر الاضطراب في الاتجاه ذاته؛ وإلا، فإنه يعكس اتجاهه. وقد يفضي نهج الاضطراب والرصد إلى كفاءة قصوى، شريطة تبني نهج تسلق تل تنبؤي وتكيفي ملائم.

 المراجع 

تصنيف:مكونات نظم الطاقة الكهربائية
تصنيف:قوة شمسية
تصنيف:خلايا كهرضوئية