A smart single stage solar battery driven desalination system with hybrid MPPT and optimal control for brackish water treatment

Abstract

Системи опріснення зворотним осмосом (RO), що працюють на відновлюваній енергії, є практичним рішенням для забезпечення питною прісною водою віддалених автономних громад. Проте опріснення зворотним осмосом є енергоємним процесом, який потребує стабільного й ефективного енергопостачання. У цій статті представлено високопродуктивну одноступеневу систему опріснення PV-RO з акумуляторним накопиченням. Алгоритм SHO-P&O MPPT оптимізує відбір потужності від фотоелектричних модулів, мінімізує коливання напруги та забезпечує стабільну роботу за змінних сонячних умов. Для підвищення ефективності системи інтегровано квазі-Z-джерельний інвертор (QZSI), який покращує перетворення енергії та усуває потребу в окремому підвищувальному DC-DC каскаді. Крім того, систему RO змодельовано як систему з двома входами та двома виходами (TITO), де точне регулювання витрати пермеату та солоності продуктової води є необхідним для підтримання якості води. Для цього реалізовано лінійно-квадратичний регулятор (LQR), що ефективно мінімізує перехідні похибки, скорочує час встановлення та підвищує стійкість системи. Крім того, порівняльний аналіз демонструє, що SHO-P&O MPPT перевершує традиційні методи P&O та автономний SHO, досягаючи ефективності 99,9 % зі зменшеними коливаннями та швидшим відстеженням точки максимальної потужності (MPP). Аналогічно регулятор LQR демонструє кращу продуктивність зі скороченням часу встановлення та перерегулюванням 2 %, перевершуючи традиційні стратегії PID, FOPID і SMC, яким притаманні більше перерегулювання та довший час встановлення. HIL-валідація на платформі dSPACE DS1104 підтверджує ефективність запропонованої системи в забезпеченні стабільного та енергоефективного опріснення за динамічних умов довкілля.

Reverse Osmosis (RO) desalination systems powered by renewable energy provide a practical solution for fresh drinking water in remote off-grid communities. However, RO desalination is an energy-intensive process that requires a stable and efficient power supply. This paper presents a high-performance, single-stage PV-RO desalination system with battery storage. A SHO-P&O MPPT algorithm optimizes PV power extraction, minimizes voltage fluctuations and ensures stable operation under fluctuating solar conditions. To enhance system efficiency, a Quasi-Z Source Inverter (QZSI) is integrated to improve energy conversion, eliminating the need for a separate DC-DC boost stage. Additionally, the RO system is modeled as a Two-Input-Two-Output (TITO) system, where precise regulation of the permeate flow rate and product water salinity is essential for maintaining water quality. To achieve this, a Linear Quadratic Regulator (LQR) is implemented, effectively minimizing transient errors, reducing settling time, and enhancing system stability. Furthermore, comparative analysis demonstrates that the SHO-P&O MPPT outperforms conventional P&O and standalone SHO methods, achieving 99.9% efficiency with reduced oscillations and faster tracking of MPP. Similarly, the LQR controller exhibits superior performance with a settling time reduction and an overshoot of 2%, outperforming conventional PID, FOPID and SMC strategies, which exhibit higher overshoot and longer settling times. HIL validation using the dSPACE DS1104 platform confirms the effectiveness of the proposed system in ensuring stable and energy-efficient desalination under dynamic environmental conditions.