인공광합성 광전기화학(PEC) 물분해 & 1,000Hz 0-Alloc C# 탠덤 광양극(Tandem) 밴드 정합 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.ArtificialPhotosynthesis
{
    /// <summary>
    /// PEC 인공광합성 탠덤 광양극 서보 상태 구조체
    /// 0-Alloc ref struct: GC 압박 완전 배제 (1,000Hz 실시간 루프)
    /// </summary>
    public ref struct PecWaterSplittingState
    {
        public float SolarIrradianceWm2;     // 현재 입사 일사량 [W/m^2] (예: 1000 W/m^2)
        public float TopPhotoanodeCurrentMa; // 전면 BiVO4 광전류 밀도 [mA/cm^2]
        public float BottomCellCurrentMa;    // 후면 Si 셀 광전류 밀도 [mA/cm^2]
        public float OperatingCurrentMa;     // 직렬 동작 전류 밀도 [mA/cm^2]
        public float SolarToHydrogenEfficiencyPct; // STH 수소 변환 효율 [%]
        public float BypassCompensatorVoltageV;    // 능동 정합 보상 바이어스 전압 [V]
        public bool IsCurrentMatched;        // 광전류 정합 잠금 여부
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 PEC 탠덤 물분해 밴드 정합 서보 엔진
    /// </summary>
    public static class PecTandemServoEngine
    {
        // 열역학적 물리 상수
        private const float ThermodynamicWaterSplittingPotential = 1.23f; // 1.23 V
        private const float OerOverpotential = 0.35f;                    // 350 mV OER 과전압
        private const float HerOverpotential = 0.08f;                    // 80 mV HER 과전압

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (1ms) 단일 실행 프레임: 상하부 광전류 불일치 감시 및 동적 바이어스 보상
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void UpdateFrame(
            ref PecWaterSplittingState state,
            float measuredIrradianceWm2,
            float topCurrentMa,
            float bottomCurrentMa,
            float dtSeconds)
        {
            state.SolarIrradianceWm2 = measuredIrradianceWm2;
            state.TopPhotoanodeCurrentMa = topCurrentMa;
            state.BottomCellCurrentMa = bottomCurrentMa;

            // 1) 직렬 탠덤 병목 전류 산출 (작은 쪽 전류에 의해 제한)
            float rawOperatingCurrent = MathF.Min(topCurrentMa, bottomCurrentMa);

            // 2) 전류 불일치 오차 산출
            float currentMismatch = topCurrentMa - bottomCurrentMa;

            // 3) 능동 커패시터/인덕터 바이어스 보상기 (0-Alloc 적분기)
            // 상부 셀 전류가 남으면 후면 셀에 미세 순방향 바이어스를 주입
            float kp = 0.08f;
            state.BypassCompensatorVoltageV += (kp * currentMismatch) * dtSeconds;
            state.BypassCompensatorVoltageV = MathF.Min(0.45f, MathF.Max(-0.45f, state.BypassCompensatorVoltageV));

            // 보상 후 실제 유효 동작 전류
            state.OperatingCurrentMa = rawOperatingCurrent + MathF.Abs(state.BypassCompensatorVoltageV) * 1.8f;

            // 4) STH 태양광-수소 변환 효율 계산: STH = (J_op * 1.23 V) / P_in * 100%
            float pinMwCm2 = (measuredIrradianceWm2 * 0.1f); // 1000 W/m^2 = 100 mW/cm^2
            if (pinMwCm2 > 1.0f)
            {
                state.SolarToHydrogenEfficiencyPct = (state.OperatingCurrentMa * ThermodynamicWaterSplittingPotential) / pinMwCm2 * 100.0f;
            }
            else
            {
                state.SolarToHydrogenEfficiencyPct = 0.0f;
            }

            // 5) 전류 정합 상태 판정 (불일치 < 0.2 mA/cm^2 이내)
            state.IsCurrentMatched = MathF.Abs(currentMismatch) < 0.25f;
        }
    }
}