Μια διεθνής ερευνητική ομάδα ανέπτυξε έναν αλγόριθμο βελτιστοποίησης σμήνος σωματιδίων (PSO) που βασίζεται σε κβαντικό υπολογισμό για εφαρμογή παρακολούθησης μέγιστης ισχύος (MPPT) σε πραγματικό χρόνο σε φωτοβολταϊκά συστήματα.
Οι επιστήμονες εξήγησαν ότι η κβαντική έκδοση του αλγορίθμου PSO αξιοποιεί την υψηλή ταχύτητα του κβαντικού υπολογισμού και μειώνει το διάστημα των τυχαίων αριθμών στα επόμενα στάδια για να αποφευχθεί η πρόωρη σύγκλιση. «Παρέχεται μια λεπτομερής υλοποίηση της κβαντικής πτυχής της λύσης χρησιμοποιώντας καταστάσεις qubit αντί για κλασικά σωματίδια και εκτελώντας περιστροφές qubit χρησιμοποιώντας τις πύλες περιστροφής του άξονα y για την εκτέλεση των κινήσεων στις καταστάσεις qubit για αναζήτηση της βέλτιστης λύσης», εξήγησαν.
Στον κβαντικό υπολογισμό, ένα qubit ή ένα κβαντικό bit είναι μια βασική μονάδα κβαντικών πληροφοριών. Είναι το κβαντομηχανικό ανάλογο του bit στον κλασικό υπολογισμό που βασίζεται σε δυαδικά ψηφία.
Ο προτεινόμενος αλγόριθμος βελτιστοποίησης σμήνος κβαντικών σωματιδίων (QPSO) βασίζεται στην εξίσωση του Schrödinger - μια διαφορική εξίσωση που καθορίζει τη συμπεριφορά των κυματοσυναρτήσεων στην κβαντική μηχανική.
«Η προσομοίωση της συμπεριφοράς της ανθρώπινης νοημοσύνης, αντί της συμπεριφοράς ενός κοπαδιού πουλιών ή ενός κοπαδιού ψαριών, απαιτεί την σύλληψη των διαδικασιών σκέψης ενός πολύπλοκου κοινωνικού οργανισμού, ο οποίος δεν μπορεί να περιγραφεί επαρκώς από μια γραμμική εξίσωση εξέλιξης», είπαν οι ερευνητές, αναζητώντας να περιγράψει την αρχή λειτουργίας του αλγορίθμου. «Πιστεύεται ότι η ανθρώπινη σκέψη είναι τόσο αβέβαιη όσο ένα σωματίδιο με κβαντικές συμπεριφορές».
Η ομάδα δοκίμασε την απόδοση του αλγορίθμου μέσω του λογισμικού Matlab Simulink σε μια προσομοιωμένη συστοιχία φωτοβολταϊκών που βασίζεται σε τέσσερις ηλιακές μονάδες 213 W. Βρήκε ότι ο αλγόριθμος QPSO δείχνει μια ισχυρή ικανότητα να διατηρεί την απόδοση κοντά σε αυτή του συμβατικού PSO σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες. «Αποδίδει καλά στη βελτιστοποίηση ισχύος και στη διατήρηση της δραστηριότητας του συστήματος, όπως υποδεικνύεται από τις τιμές ισχύος εξόδου και κύκλου λειτουργίας τόσο σε βέλτιστες όσο και σε δύσκολες συνθήκες», πρόσθεσαν οι ακαδημαϊκοί, σημειώνοντας ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος απαιτεί επίσης «πιο εμφανείς» υπολογιστικές απαιτήσεις.
Βρήκαν επίσης ότι, αν και η ισχύς που επιτυγχάνεται από τον συμβατικό αλγόριθμο PSO ήταν περίπου 0,15% υψηλότερη από αυτή που επιτυγχάνεται από τον αλγόριθμο QPSO υπό τις ίδιες συνθήκες, το QPSO ήταν σε θέση να νικήσει το συμβατικό PSO σε πιο δύσκολες συνθήκες.
«Συγκεκριμένα, ο κβαντικός αλγόριθμος παράγει 3,33% περισσότερη ισχύ σε δοκιμές υψηλότερης θερμοκρασίας και 0,89% περισσότερη ισχύ σε δοκιμές μερικής σκίασης», τόνισαν. "Επιπλέον, ο κβαντικός αλγόριθμος εμφανίζει χαμηλότερους κύκλους λειτουργίας, με μείωση 3,9% σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, 0,162% σε δοκιμές υψηλής θερμοκρασίας και 0,54% σε δοκιμές μερικής σκίασης."
Ο νέος αλγόριθμος περιγράφηκε στη μελέτη «Κβαντική παρακολούθηση μέγιστης ισχύος (QMPPT) για βέλτιστη εξόρυξη ηλιακής ενέργειας», που δημοσιεύτηκε στο Systems and Soft Computing. Η ερευνητική ομάδα περιελάμβανε επιστήμονες από την École Nationale Polytechnique της Αλγερίας και την École Nationale Supérieure de Technologies, το Πανεπιστήμιο του Κεμπέκ του Καναδά à Trois-Rivières και το Νορβηγικό Ερευνητικό Κέντρο.
«Παρά το οριακό πλεονέκτημα του κλασικού αλγορίθμου στην απόδοση ισχύος υπό κανονικές συνθήκες, ο κβαντικός αλγόριθμος δείχνει ανώτερη απόδοση σε όλες τις άλλες μετρήσεις, επιτυγχάνοντας υψηλότερες τιμές ισχύος και σταθερά χαμηλότερα ρεκόρ κύκλου λειτουργίας, υποδεικνύοντας πιο εξαιρετική γενική απόδοση», κατέληξαν οι επιστήμονες. «Η μελλοντική εργασία θα μπορούσε να εξερευνήσει προσαρμοστικούς αλγόριθμους που προσαρμόζονται δυναμικά στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες, ενισχύοντας την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία».
