خلايا الوقود الهيدروجينية (FCs) هي نوع من مصادر الطاقة المتجددة التي تكتسب اهتمامًا عالميًا كخيار مستدام للطاقة لمصادر الطاقة النظيفة. يتمثل التحدي الكبير في تحقيق كفاءة FC المثلى في ظل وجود عوامل متعددة تؤثر على أداء الخلية، مثل الضغط ودرجة الحرارة والرطوبة والتيار الموفر، مما يؤدي إلى سلوك ديناميكي غير خطي في توليد النظام. وبالتالي، يعد التحكم في FC ومراقبته أمرًا ضروريًا لتحسين الكفاءة العالمية واستخدام الهيدروجين والهواء وتحقيق استجابة متسقة ودقيقة للطاقة، مما يساهم في تحسين كفاءته وسلامته وتكلفته ومتانته.

في هذا العمل، تم تنفيذ تطوير جديد لوحدة التحكم العصبية التنبؤية للجهد والمراقبة عن بعد لنظام خلية وقود غشاء تبادل البروتونات غير الخطية (PEMFC) في الوقت الفعلي. الغرض الرئيسي من هذا العمل هو التحديد الدقيق والسريع لإجراء التحكم المناسب في الضغط الجزئي للهيدروجين (PH2) مع أقل عدد من التنبؤات خطوة للأمام (خطوة واحدة). يعمل إجراء التحكم الأمثل هذا على تحسين الأداء غير الخطي لخلية الوقود في ظل تيارات الحمل المتغيرة، مما يمنع تلف غشاء خلية الوقود وبالتالي إطالة عمر خلية الوقود. علاوة على ذلك، هناك غرض آخر وهو تمكين المراقبة عن بعد لاستجابة نظام PEMFC غير الخطية استنادًا إلى إنترنت الأشياء (IoT).

تتكون وحدة التحكم بالجهد التنبؤي المقترحة من ثلاث وحدات تحكم فرعية. الأول هو وحدة التحكم العددية بالتغذية الأمامية (NFFC)، والتي تُستخدم لتحديد إجراء التحكم في الحالة المستقرة PH2 اعتمادًا على الجهد المطلوب. وحدة التحكم الفرعية الثانية عبارة عن وحدة تحكم عصبية ذات تغذية مرتدة تستخدم بنية شبكة عصبية متعددة الطبقات (MLP) وخوارزمية تعلم الانتشار الخلفي لتوليد إجراء التحكم في التغذية المرتدة للضغط الجزئي للهيدروجين لتتبع جهد الخرج المطلوب لخلية الوقود أثناء ظروف عابرة. المتحكم الفرعي الثالث هو معادلة قانون التحكم التنبؤي والتي تعتمد على شبكة إلمان العصبية المتكررة (MERNN) المعدلة كمعرف لنموذج PEMFC ومؤشر الأداء متعدد الأهداف (Mean Square Error)، من نتائج المحاكاة باستخدام برنامج MATLAB، تتمتع وحدة التحكم المقترحة بالقدرة على توليد استجابة موقوتة بدقة وبسرعة لإجراء التحكم PH2 دون أي حالة تشبع من أجل تقليل خطأ جهد التتبع والقضاء على التذبذب في جهد خرج FC . يتم بعد ذلك التحقق من نتائج المحاكاة الرقمية لاستراتيجية التحكم التنبؤية المقترحة من خلال مقارنتها مع تلك الخاصة بأنواع أخرى من وحدات التحكم من حيث الحد الأدنى لعدد خطوات التنبؤ المسبق (التقليل من 10 إلى خطوة واحدة)، وتعزيز خطأ جهد التتبع بنسبة 81.8٪ مقارنة مع المتحكم العصبي التنبؤي، وتحسين خطأ جهد التتبع بنسبة 87.5% مقارنة بالمتحكم العصبي العكسي. علاوة على ذلك، يتم التخلص تمامًا من تأثير التذبذب في جهد الخرج، مما أدى إلى استجابة دون أي تجاوز. يتم استخدام حزمة منضدة عمل هندسة الأجهزة الافتراضية (LabVIEW) لتوضيح الأداء في الوقت الفعلي لوحدة التحكم العصبية للجهد التنبؤي المقترحة المطبقة على PROTIUM PEMFC بقدرة 150 واط، والتي سيتم استخدامها لتوليد المقدار المناسب من إجراء التحكم PH2 الذي سوف أدخل خلية الوقود لتثبيت جهد الخرج المطلوب. إن إنترنت الأشياء المستند إلى بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل (MQTT) وRaspberry Pi 4 الذي يعمل كخادم محلي هما اللبنات الأساسية التي يتم عليها تنفيذ مكون المراقبة في النظام المقترح من أجل مراقبة جهد الخرج المطلوب، خلية الوقود الجهد الناتج، وPH2. يقوم Raspberry Pi بجمع بيانات خلايا الوقود الضرورية ويرسلها إلى لوحة معلومات Node-RED للمراقبة.

وفقًا للمحاكاة والنتائج التجريبية التي تم الحصول عليها باستخدام وحدة التحكم العصبية التنبؤية المقترحة في PROTIUM PEMFC، يمكن لوحدة التحكم المقترحة توليد رد فعل دقيق وسريع وفي الوقت المناسب لإجراء التحكم PH2 لتقليل خطأ تتبع الجهد والتخلص من خلية الوقود. تذبذب الجهد الناتج. وتمت مقارنة العمل التجريبي المقترح مع نتائج المحاكاة للتأكد من فعاليته من حيث تتبع جهد الخرج المطلوب بشكل فعال، وتوفير استجابة سريعة، وتحقيق الضغط الجزئي الأمثل للهيدروجين. ومع ذلك، في نتائج المحاكاة، لوحظ وجود خطأ في الجهد قدره 0.01 فولت دون أي تذبذب. من ناحية أخرى، تشير النتائج التجريبية إلى وجود خطأ في الجهد أعلى قليلاً يبلغ حوالي 0.1 فولت، مصحوبًا بتذبذبات تبلغ حوالي ± 0.1 فولت.