الطاقة الشمسية لأجهزة استشعار التصنيف الديناميكي للخطوط (DLR)

قام مورد مستشعرات DLR بشحن الأجهزة لديكم. وقام فريق التركيب بتثبيت وحدة قياس حرارة الموصل ومحطة الطقس. ثم طرح أحدهم السؤال الذي نادرًا ما يجد إجابة واضحة في ورقة المواصفات الفنية: كيف يتم تزويد هذا الجهاز بالطاقة فعليًا؟

بالنسبة لخطوط النقل التي تعمل بحمل مرتفع، تكون الإجابة واضحة: يقوم محول تيار (CT) مثبت حول موصل الطور بحصاد طاقة كافية لتشغيل المستشعر وجهاز اللاسلكي باستمرار. ولكن بالنسبة للخطوط التي تعمل لساعات أو أيام بأحمال منخفضة، أو الخطوط الجديدة التي لم يتم شحنها بالكهرباء بعد، أو نقاط المراقبة في المقاطع غير المزودة بالطاقة أثناء الصيانة، لا يكفي حصاد طاقة CT بمفرده. وهنا تسد الطاقة الشمسية تلك الفجوة.

كُتب هذا الدليل لمهندسي خطوط النقل ومديري الأصول الذين يحتاجون إلى تحديد أبعاد نظام الطاقة الشمسية لمشاريع نشر مستشعرات DLR. ويغطي ميزانيات الطاقة الفعلية، ومثالين عمليين لتحديد الأبعاد، وبنية CT-الشمسية الهجينة، واعتبارات المناخ البارد التي تحدد نجاح المنظومة البعيدة أو فشلها.

لماذا تستهلك مستشعرات DLR طاقة كبيرة (ولماذا تستحق ذلك)

يرفع التصنيف الديناميكي للخطوط (DLR) قدرة نقل الطاقة بنسبة 10–30% مقارنة بالتصنيفات الثابتة دون الحاجة إلى بناء أبراج أو موصلات جديدة، وفقًا لموجز الابتكار الصادر عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) لعام 2020. ومن الناحية العملية، يعني ذلك أن مسار نقل بطول 200 ميل وجهد 345 kV مصنفًا لحمل ثابت قدره 1,200 A يمكنه نقل ما بين 1,500–1,800 A بأمان عندما تسمح سرعة الرياح ودرجة الحرارة المحيطة بذلك. وبالنسبة لإحدى تعاونيات توليد ونقل الكهرباء في الغرب الأوسط الأمريكي، أتاح النشر الواسع لتقنية DLR زيادة سعة النقل بنسبة تقارب 50% على الخطوط المستهدفة، وفقًا لما نشرته الصحافة المتخصصة.

تعمل هذه التقنية من خلال دمج بيانات حرارة الموصل في الوقت الفعلي، ودرجة الحرارة المحيطة، وسرعة الرياح، والإشعاع الشمسي لحساب السعة الحرارية الفعلية للخط في أي لحظة. وتستخدم أنظمة DLR القائمة على المستشعرات أجهزة مادية مثبتة على الموصل أو بالقرب منه، وتحتاج هذه الأجهزة إلى طاقة مستمرة دون انقطاع.

متطلبات الطاقة التي يتجاهلها معظم الموردين

عُقدة DLR القائمة على المستشعرات ليست مجرد مسجل لدرجة الحرارة منخفض الاستهلاك بتقنية إنترنت الأشياء IoT، بل هي جهاز حوسبة طرفية متعدد الوظائف يعمل باستمرار:

• استشعار حرارة الموصل: تستهلك أنظمة الألياف الضوئية أو المزدوجات الحرارية المزودة بعناصر تسخين لمنع تشكل الجليد ما بين 1–2 W كحمل أساسي.
• محطة الطقس المحيط: يضيف مقياس سرعة الرياح، ومستشعر الحرارة/الرطوبة، ومقياس الإشعاع الشمسي ما بين 0.5–1.5 W.
• الحوسبة الطرفية: يستهلك تشغيل خوارزمية DLR في الوقت الفعلي على معالج ARM أو FPGA ما بين 0.5–2 W اعتمادًا على معدل التحديث.
• الاتصال الخلفي اللاسلكي: تستهلك وحدات LTE-M أو NB-IoT الخلوية ما بين 1–3 W أثناء فترات بث البيانات؛ ويمكن للشبكات المتداخلة (Mesh) أو أجهزة مودم الأقمار الصناعية أن ترفع هذا الاستهلاك إلى 5 W.
• سخان منع تكون الجليد: في المناخات الباردة، يمكن لسخان المقاومة الموجود على هيكل المستشعر أو مشبك الموصل أن يسحب ما بين 5–15 W خلال فترات الشتاء.

بجمع هذه الأحمال، يتبين أن عُقدة DLR النموذجية تعمل باستهلاك مستمر يتراوح بين 3–8 W. وخلال موجات الجليد الشتوية مع تفعيل السخانات، يمكن أن يصل الحمل الذروي إلى 15–20 W. وتحدد المواصفات الفنية لشبكة جنوب الصين للطاقة (China Southern Power Grid) لأجهزة مراقبة الخطوط الهوائية حدًا أقصى للقدرة الذروية يبلغ 15 W وميزانية طاقة يومية تبلغ 2.5 Ah عند 12 V، وهو ما يعادل تقريبًا 30 Wh يوميًا أو متوسط 1.25 W. وغالبًا ما تتجاوز أنظمة DLR الواقعية ذات البيانات عالية الدقة والبث المتكرر هذا المعدل الأساسي.

لماذا يفشل حصاد طاقة CT في الخطوط ذات الأحمال المنخفضة

تقوم محولات التيار بحصاد الطاقة من المجال المغناطيسي المحيط بالموصل، وتتناسب الطاقة المحصودة طرديًا مع تيار الخط. وأظهرت ورقة بحثية نُشرت عام 2015 في مجلة IEEE Transactions on Industrial Electronics حول دوائر CT متعددة الملفات للتحويل الصاعد أن دوائر المطابقة التقليدية لمحولات التيار تحقق كفاءة ضعيفة عند التيارات المنخفضة في النطاق بين 1–100 A. وأوضحت الدراسة أن التصميم المحسن متعدد الملفات يمكنه توفير قدرة شحن أعلى بنسبة 175% مقارنة بالحلول التقليدية في ظل ظروف الخط الضعيفة، ولكن حتى هذا التصميم المحسن يظل له حد أدنى لا يمكن النزول تحته.

وتؤكد الخبرة الميدانية هذا القصور؛ إذ قد يوفر خط النقل الذي يعمل بنسبة 10% من حمله الاسمي ما بين 100–200 mW فقط عبر وحدة حصاد CT قياسية، وهو أقل بكثير من معدل 3–8 W الذي تتطلبه عُقدة DLR. أما بالنسبة للخطوط الجديدة التي لم يتم شحنها بالكهرباء بعد، أو الخطوط الخارجة من الخدمة لأعمال الصيانة، فإن حصاد طاقة CT يوفر صفر واط. وهذا هو السيناريو الدقيق الذي تصبح فيه الطاقة الشمسية مصدر الطاقة الأساسي.

ميزانية الطاقة لمستشعر DLR

قبل تحديد أبعاد أي لوح شمسي أو بطارية، تحتاجون إلى ميزانية طاقة دقيقة. يوضح الجدول أدناه تفاصيل الأنظمة الفرعية لعُقدة DLR نموذجية قائمة على المستشعرات. الأرقام مستمدة من المواصفات الفنية المنشورة، وأبحاث IEEE، والبيانات الميدانية لمشاريع مراقبة خطوط النقل.

الطلب اليومي على الطاقة هو العامل الحاسم لتحديد أبعاد النظام الشمسي. فعقدة تستهلك 5 W بشكل مستمر تستهلك 120 Wh يوميًا. وإذا قامت نفس العُقدة بتشغيل سخان بقدرة 10 W لمدة 8 ساعات أثناء موجة برد، يقفز الطلب اليومي إلى 200 Wh. وتحديد الأبعاد بناءً على اليوم المتوسط سيؤدي إلى انقطاع الطاقة عنكم تمامًا في أسوأ الأيام.

توصي الممارسات الصناعية للبنية التحتية الحيوية البعيدة، والموثقة في المعيار IEEE 1562:2007، بتوفير فترة تشغيل ذاتي للبطارية تتراوح بين 7–14 يومًا للأحمال الحيوية في المناطق ذات الإشعاع الشمسي المنخفض. وفي مراقبة خطوط النقل، حيث يعني توقف المستشعر العمل في ظلام تام أثناء الظروف الجوية المسببة لحالات الطوارئ الحرارية تحديدًا، فإن التصميم المحافظ ليس مجرد حذر مفرط، بل هو هندسة سليمة.

تحديد أبعاد النظام الشمسي لمواقع DLR: مثالان عمليان

تستعرض الأمثلة التالية حسابات تحديد الأبعاد الكاملة لسيناريوهين واقعيين. يفترض كلاهما نظام تيار مستمر بجهد 12 V DC مع منظم شحن MPPT، وبطارية LiFePO₄، وحمل أساسي مستمر قدره 5 W مع فترات بث لاسلكي دورية.

المثال 1: صحراء أريزونا، عُقدة DLR بقدرة 10 W، وتشغيل ذاتي لمدة 3 أيام

يحتاج ممر نقل بجهد 345 kV في وسط أريزونا إلى مراقبة DLR في مقطع ينقل أحمالاً متغيرة من مزارع الطاقة الشمسية. يبلغ متوسط ساعات الذروة الشمسية في فينيكس 6.5 ساعة يوميًا على مدار العام، وتنخفض في ديسمبر إلى 5.0 ساعة. ونادرًا ما تنخفض درجات الحرارة المحيطة إلى ما دون الصفر، وبالتالي لا يلزم وجود أحمال تسخين.

نمط الحمل: 10 W مستمر (المستشعر + محطة الطقس + المعالج + اتصال LTE-M كل 15 دقيقة).

الطلب اليومي على الطاقة: 10 W × 24 h = 240 Wh/يوم.

تحديد أبعاد مصفوفة الألواح الشمسية: بالاعتماد على نسبة المصفوفة إلى الحمل المحددة في IEEE 1562 والبالغة 1.2 للمواقع غير الحيوية ذات الإشعاع الشمسي العالي، يجب أن يوفر اللوح 240 Wh ÷ 5.0 ساعات ذروة شمسية × 1.2 = 57.6 W. ويُعد اللوح بقدرة 60 W هو الخيار العملي.

تحديد سعة البطارية: لتوفير تشغيل ذاتي لمدة 3 أيام عند عمق تفريغ 90% (لبطارية LiFePO₄) وكفاءة نظام تبلغ 85%: 240 Wh × 3 أيام ÷ (0.90 × 0.85) = 941 Wh. وعند جهد اسمي قدره 12.8 V، يعادل ذلك 73.5 Ah. وتلبي بطارية LiFePO₄ بسعة 75 Ah هذه المتطلبات.

ملخص المنظومة: لوح شمسي بقدرة 60 W، وبطارية LiFePO₄ بسعة 75 Ah، ومنظم شحن MPPT بتيار 10 A. التكلفة التقديرية للأجهزة: $280–$350 لنظام التغذية بالطاقة الفرعي، باستثناء هياكل التثبيت والتمديدات الكهربائية.

المثال 2: المناخ البارد في مينيسوتا، عُقدة DLR بقدرة 15 W (مع التسخين)، وتشغيل ذاتي لمدة 7 أيام

يحتاج خط نقل بجهد 230 kV في جنوب مينيسوتا إلى مراقبة DLR على مدار العام. تصل درجات الحرارة في فصل الشتاء بانتظام إلى −20 °C، وتحدث حالات تراكم الجليد بين 3–5 مرات في الموسم الواحد. وتتضمن عُقدة DLR سخانًا بقدرة 10 W يعمل عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة إلى ما دون −5 °C.

نمط الحمل: 5 W حمل أساسي + سخان بقدرة 10 W (يعمل بمتوسط 12 h/يوم في أشهر الشتاء).

الطلب اليومي على الطاقة في الشتاء: (5 W × 24 h) + (10 W × 12 h) = 120 + 120 = 240 Wh/يوم. وخلال موجة البرد القارس مع عمل السخان لمدة 20 ساعة: 100 + 200 = 300 Wh/يوم. يجب التصميم على أساس 300 Wh/يوم.

الإشعاع الشمسي: يبلغ متوسط ساعات الذروة الشمسية في مينيابوليس 4.5 ساعة صيفًا ولكن 3.0 ساعات فقط في ديسمبر. ويمكن لتراكم الثلوج أن يقلل إنتاجية اللوح بنسبة 30–50% حتى تتم إزالته أو يذوب. وبالاعتماد على القيمة المحافظة البالغة 3.0 ساعات مع معامل أمان قدره 1.4 للأحمال الحيوية وفقًا للمعيار IEEE 1562: 300 Wh ÷ 3.0 h × 1.4 = 140 W. وتكون مصفوفة ألواح بقدرة 150 W مناسبة.

تحديد سعة البطارية: لتوفير تشغيل ذاتي لمدة 7 أيام عند عمق تفريغ 80% (تقدير محافظ لخفض السعة بفعل درجات الحرارة المنخفضة) وكفاءة 85%: 300 Wh × 7 ÷ (0.80 × 0.85) = 3,088 Wh. وعند جهد 12.8 V، يعادل ذلك 241 Ah. ويلزم توفير بطارية LiFePO₄ بسعة 250 Ah.

ملاحظة حول البطاريات في المناخ البارد: لا ينبغي شحن خلايا LiFePO₄ القياسية في درجات حرارة أقل من 0 °C. وبالنسبة لفصول الشتاء في مينيسوتا، احرصوا على تحديد بطارية مزودة بوسادة تسخين مدمجة أو تركيبة كهرلية مخصصة لدرجات الحرارة المنخفضة. توفر العلامات التجارية الرائدة لبطاريات LiFePO4 طرازات شتوية من LiFePO₄ مصنفة للشحن حتى −20 °C. وكبديل لذلك، يمكن وضع البطارية داخل علبة معزولة مزودة بسخان مقاومة بقدرة 5 W يتم التحكم فيه عبر مفتاح حراري.

ملخص المنظومة: لوح شمسي بقدرة 150 W (أو لوحان بقدرة 2 × 80 W)، وبطارية LiFePO₄ مصنفة للطقس البارد بسعة 250 Ah، ومنظم شحن MPPT بتيار 20 A مزود بحماية من الشحن في درجات الحرارة المنخفضة. التكلفة التقديرية للأجهزة: $900–$1,200.

النظام الهجين بين حصاد طاقة CT والطاقة الشمسية: أفضل بنية لتقنية DLR

لا يُعد حصاد طاقة CT أو اللوح الشمسي بمفرده حلاً مثاليًا لجميع ظروف التشغيل؛ إذ تعتمد التركيبات الأكثر كفاءة على الجمع بينهما، مع تزويدها بمنطق تحويل تلقائي يمنح الأولوية للمصدر الذي يولد الطاقة فعليًا.

الخطوط ذات الحمل المرتفع: محول CT أساسي، والطاقة الشمسية احتياطية

في خط رئيسي بجهد 500 kV محمل بكثافة وينقل 2,000 A، يمكن لوحدة حصاد CT مصممة جيدًا استخلاص ما بين 5–20 W باستمرار. وفي هذا النمط، يكون محول CT هو مصدر الطاقة الرئيسي، بينما يعمل اللوح الشمسي والبطارية كمصدر احتياطي في حالات:

• انقطاع التيار عن الخط وفترات الصيانة
• فترات الليل ذات الأحمال المنخفضة عندما يهبط إنتاج محول CT
• ظروف التشغيل على البارد (Cold-start) حيث يتعين على المكثف الفائق أو البطارية بدء تشغيل النظام قبل استقرار حصاد طاقة CT

يستخدم التصميم المرجعي TIDA-01385 من Texas Instruments لحصاد الطاقة بمحولات التيار CT مكثفًا فائقًا كعنصر تخزين أساسي مع بطارية Li/SOCl₂ أولية كاحتياطي. ويحقق التصميم بدء التشغيل خلال 2 ثانية فقط من تيار ثانوي لمحّول CT منخفض يصل إلى 3 mA. وفي تطبيقات DLR، تؤدي إضافة لوح شمسي صغير (10–20 W) إلى هذه البنية الهندسية إلى تمديد فترة التشغيل الاحتياطي من دقائق إلى عدة أيام.

الخطوط منخفضة الحمل والخطوط الجديدة: الطاقة الشمسية أساسية، ومحول CT تكميلي

بالنسبة للخطوط التي تعمل بعوامل سعة منخفضة، أو المغذيات الإشعاعية لشبكات التوزيع التي تتم مراقبتها للتخطيط للترقيات المستقبلية، أو ممرات النقل الجديدة التي لم يتم شحنها بالكهرباء بعد، تمثل الطاقة الشمسية مصدر الطاقة الأساسي. وتصبح وحدة حصاد CT، في حال تثبيتها، مصدرًا تكميليًا يقلل من عدد دورات شحن وتفريغ البطارية خلال فترات الحمل المرتفع.

هذا هو السيناريو الذي يكون فيه تحديد أبعاد النظام الشمسي في غاية الأهمية؛ إذ لا توجد شبكة أمان يوفرها محول CT. ويجب أن تتحمل البطارية الحمل بالكامل طوال فترة التشغيل الذاتي المصممة، كما يتعين على مصفوفة الألواح الشمسية إعادة شحن البطارية بالكامل خلال أقصر يوم في السنة.

منطق التحويل وتصميم التكرارية

يحتاج نظام إدارة الطاقة الهجينة العملي لمستشعرات DLR إلى ثلاث ميزات رئيسية:

1. تحديد أولوية المصدر: يقوم محول CT بتغذية الحمل وشحن البطارية ببطء (شحن تعويضي) عندما يكون إنتاجه كافيًا. وعندما ينخفض جهد CT عن متطلبات الحمل، يتحول مدير الطاقة بسلاسة إلى البطارية.
2. تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) الشمسي: يعمل اللوح الشمسي من خلال منظم MPPT مستقل يشحن البطارية كلما توفر الإشعاع الشمسي. ويجب ربط دوائر الشحن لمنظم MPPT ومحول CT بصمامات ثنائية منطقية (diode-OR'd) أو إدارتها بفاعلية لمنع التغذية العكسية.
3. تخفيف الأحمال: خلال فترات انخفاض الشحن الطويلة، يجب على مدير الطاقة تعطيل الوظائف غير الحيوية أولاً (تقليل تكرار الإرسال، وإيقاف المعالجة الطرفية، والإبقاء على الاستشعار الأساسي فقط)، ثم إرسال تنبيه صيانة.

تنتج مصانعنا الشريكة ألواحًا شمسية مخصصة من 3 V إلى 48 V مزودة بمنظمات MPPT مدمجة تحقق كفاءة تحويل تصل إلى 97.5%. وبالنسبة لعُقد DLR التي تعمل بجهد 12 V أو 24 V، فإن استخدام لوح بقدرة 20–40 W مع منظم MPPT مدمج يغني عن استخدام منظم منفصل ويقلل من تعقيد التمديدات السلكية على البرج.

اعتبارات المناخ البارد لتغذية DLR بالطاقة

يؤثر الطقس البارد على كل مكوّن في نظام الطاقة الشمسية البعيد المدى. ويساعد فهم هذه التأثيرات على تجنّب السبب الأكثر شيوعًا لأعطال المستشعرات في فصل الشتاء: ليس اللوح الشمسي، بل البطارية.

أداء الألواح الشمسية في الطقس البارد

على عكس ما قد يبدو بديهيًا، تكون الألواح الشمسية أكثر كفاءة في درجات الحرارة الباردة؛ إذ يتراوح المعامل الحراري للقدرة لألواح السيليكون أحادية البلورة عادة بين −0.35% و −0.45% لكل °C فوق 25 °C. وعند درجة حرارة −10 °C، ينتج اللوح طاقة تزيد بنسبة 12–15% عن قدرته الاسمية وفقًا لظروف الاختبار القياسية (STC). وليست المشكلة في كفاءة اللوح، بل في ساعات سطوع الشمس المتاحة وتراكم الثلوج.

في خطوط العرض الشمالية، قد ينخفض الإشعاع الشمسي في شهر ديسمبر إلى ثلث مستوياته في يونيو. كما يمكن أن يؤدي تراكم الثلوج على الألواح إلى انخفاض إنتاج الطاقة إلى ما يقارب الصفر حتى ينزلق الثلج أو يتم تنظيفه. وتساعد زوايا الميل البالغة 45–60 درجة على انزلاق الثلوج، لكنها قد لا تتطابق مع زاوية التثبيت الهيكلية المثالية على برج النقل.

انخفاض سعة البطارية

تفقد بطاريات الرصاص الحمضية ما بين 30–50% من سعتها القابلة للاستخدام عند 0 °C. في المقابل، تحافظ بطاريات LiFePO₄ على 70–80% من سعتها الاسمية عند −20 °C، ولهذا السبب تُعد المعيار القياسي لتغذية المواقع البعيدة بالطاقة في المناخات الباردة. ومع ذلك، يؤدي شحن بطاريات LiFePO₄ في درجات حرارة تحت الصفر دون عنصر تسخين إلى ترسب الليثيوم وفقدان دائم في السعة.

بالنسبة لمواقع DLR في المناطق 3–5 وفق تصنيف وزارة الزراعة الأمريكية للمناطق المناخية (أعالي الغرب الأوسط، وشمال نيو إنجلاند، والمناطق الجبلية الغربية)، يجب مراعاة انخفاض سعة البطارية في الطقس البارد من خلال زيادة حجم بنك البطاريات بنسبة 25–30% عن المتطلبات المحسوبة، أو تحديد بطارية مزودة بدائرة تسخين داخلية تستمد طاقتها من البطارية نفسها أثناء دورات الشحن.

حمل السخان: المستهلك الخفي للطاقة

لا يُعد سخان منع تكون الجليد في مستشعر DLR أمرًا اختياريًا في المناخات الباردة؛ إذ يؤدي تراكم الجليد على مستشعرات حرارة الموصل إلى تشويه القياس الحراري الذي تعتمد عليه حسابات DLR برمتها. ويضيف سخان بقدرة 10 W يعمل لمدة 12 ساعة يوميًا 120 Wh إلى الحمل اليومي، مما يضاعف متطلبات الطاقة فعليًا.

أحد البدائل التصميمية هو استخدام بنية CT-شمسية هجينة حيث تقوم وحدة حصاد CT، إن توفرت، بتغذية السخان مباشرة بينما تتولى الطاقة الشمسية تشغيل أحمال المستشعر والاتصالات. ويقلل هذا النهج القائم على تقسيم الأحمال من حجم البطارية، ولكنه يتطلب تصميمًا دقيقًا لإدارة الطاقة.

قائمة فحص التوريد وأطقم التقييم

عند توريد معدات الطاقة الشمسية لمشاريع DLR، نادرًا ما يكون اللوح الأرخص على موقع Alibaba هو الخيار المناسب. فأبراج نقل الكهرباء البعيدة بيئات قاسية؛ حيث تفرض الاهتزازات، والتقلبات الحرارية، والصواعق، والحيوانات البرية إجهادات كبيرة على المكونات التي قد تدوم لعقود على أسطح المنازل السكنية.

مواصفات الألواح الشمسية للتركيب على أبراج النقل

• نوع الخلايا: خلايا PERC أحادية البلورة أو خلايا بتقنية التلامس الخلفي IBC (Interdigitated Back Contact) لتحقيق أعلى كفاءة لكل وحدة مساحة. وتحقق خلايا IBC، مثل المستخدمة في ألواح LinkSolar الصغيرة، كفاءة تتجاوز 22%+ وتعمل بشكل أفضل في ظروف التظليل الجزئي.
• التغليف: طبقة علوية من ETFE لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية UV وميزات التنظيف الذاتي. يميل PET إلى الاصفرار والتشقق بعد مرور 2–3 سنوات من التعرض المباشر للشمس. أما الزجاج فيتميز بالمتانة ولكنه ثقيل ويصعب تثبيته على هياكل الأبراج.
• الجهد: يجب مطابقة جهد دخل عُقدة DLR. تقبل العديد من أجهزة IoT الصناعية جهد 12 V أو 24 V DC مباشرة. وتتوفر مخارج جهد مخصصة من 3 V إلى 48 V عبر الشركات المصنعة للألواح حسب الطلب.
• التثبيت: يجب أن يتحمل اللوح هبات رياح تصل سرعتها إلى 150 mph (240 km/h) الشائعة في ممرات النقل المكشوفة. استخدموا حوامل ألمنيوم بحرية مع براغي ومثبتات من الفولاذ المقاوم للصدأ معتمدة وفقًا لمعايير الحمل الميكانيكي IEC 61215 ومتطلبات أنظمة التثبيت UL 2703.
• الكابل: كابل مقاوم للأشعة فوق البنفسجية UV ومزدوج العزل ومصنف للاستخدام الخارجي. يجب أن يقل الطول من اللوح إلى البطارية عن 10 أمتار لتقليل هبوط الجهد في أنظمة 12 V.
• درجة الحماية البيئية: حددوا درجة حماية IP68 لصندوق التوصيل ونقاط دخول الكابلات في اللوح. وتُعد درجة IP67 مقبولة لسطح اللوح، ولكن التوصيلات المدفونة في علب قاعدة البرج تتطلب IP68 لمقاومة الفيضانات وتسلل القوارض. وبالنسبة لعلبة منظم الشحن، فإن الهياكل الحاصلة على تصنيف NEMA 4X مع درجة حماية IP67 والتهوية السلبية تلبي معظم ظروف قاعدة البرج.
• الامتثال والمعايير: يُعد الامتثال لمعايير RoHS قياسيًا للمعدات الموجهة للاتحاد الأوروبي. وتضمن شهادة ISO 9001 على مستوى الشركاء المصنعين ضبط جودة قابلاً للتتبع واختبارات وميض (flash testing) متسقة للخلايا. وبالنسبة للألواح الموجهة لمشاريع شركات المرافق في أمريكا الشمالية، تطلب شركة المرافق الرابطة عادةً شهادات UL 1703 أو IEC 61215.

متطلبات البطارية ومنظم الشحن

• التركيب الكيميائي: بطاريات LiFePO₄ لعمرها الدوري الطويل (3,000–5,000 دورة مقارنة مع 500 دورة لبطاريات الرصاص الحمضية) وأدائها في الطقس البارد.
• نظام إدارة البطارية (BMS): نظام إدارة مدمج مزود بخاصية فصل الشحن عند درجات الحرارة المنخفضة وموازنة الخلايا.
• منظم الشحن: منظم MPPT وليس PWM؛ فعند جهد 12 V مع لوح بقدرة 40 W، يبلغ الفرق بين منظم MPPT (بكفاءة 97.5%) ومنظم PWM (بكفاءة 75–80%) استعادة ما بين 7–10 W من الطاقة الإضافية. وفي الظروف الشتوية الحرجة، يحدد هذا الفارق ما إذا كان المستشعر سيظل متصلاً أم سينقطع.
• العلبة الحاضنة: مصنفة وفق NEMA 4X أو بدرجة حماية IP67، مع تهوية سلبية أو مروحة يتم التحكم فيها عبر ثرموستات.

منهجية أطقم التقييم

بالنسبة لمشاريع DLR التجريبية، اطلبوا طقم تقييم واحدًا للتغذية بالطاقة قبل الالتزام بنشر المنظومة على 50 برجًا. ويتضمن طقم التقييم النموذجي:

• 1 × لوح شمسي مخصص بقدرة 20–40 W مع حوامل التثبيت
• 1 × بطارية LiFePO₄ بسعة 20–40 Ah مع نظام BMS
• 1 × منظم شحن MPPT بتيار 10 A
• 1 × وحدة مراقبة الطاقة (تقيس في الوقت الفعلي جهد اللوح، وحالة شحن البطارية SOC، وتيار الحمل)
• كابل بطول 2 m مقاوم للأشعة فوق البنفسجية UV مع موصلات MC4

قوموا بتشغيل طقم التقييم على منصة الاختبار لمدة أسبوعين لتسجيل بيانات الطاقة، ثم قوموا بنشره في أكثر المواقع صعوبة (أقل إشعاع شمسي، وأعلى حمل رياح، وأصعب وصول) لمدة 30 يومًا. تتيح البيانات المسجلة التحقق من ميزانية الطاقة لديكم أو تصحيحها قبل طلب كميات الإنتاج التجاري.

يمكن لمصانعنا الشريكة تسليم أطقم تقييم مخصصة خلال 7–10 أيام بجهود وموصلات متطابقة مع أجهزة DLR لديكم. يبدأ الحد الأدنى لكمية الطلب (MOQ) للألواح المخصصة من 100 وحدة، مع إمكانية شحن عينات التقييم كوحدات فردية.

أبرز النقاط المستفادة

تتيح مستشعرات DLR زيادة قدرة النقل بنسبة 10–30% دون الحاجة إلى إنشاءات جديدة، ولكن بشرط استمرار تزويدها بالطاقة خلال فترات الحمل المنخفض والعواصف الشتوية. ويعمل حصاد طاقة CT بفعالية على الخطوط ذات الأحمال العالية ولكنه يفشل عندما تكونون في أمسّ الحاجة إليه: أثناء انقطاع التيار، وأعمال الصيانة، وفترات انخفاض الطلب. وتسد الطاقة الشمسية هذه الفجوة بتوفير طاقة يمكن التنبؤ بها وخالية من أعمال الصيانة.

تُعد ميزانية الطاقة هي الأساس؛ حيث تستهلك عُقدة DLR النموذجية القائمة على المستشعرات ما بين 3–8 W باستمرار و15–25 W في أوقات الذروة مع تشغيل السخانات. احرصوا على تحديد أبعاد مصفوفة الألواح الشمسية بناءً على أسوأ شهر، وليس الشهر المتوسط. وحددوا سعة البطارية لتوفير تشغيل ذاتي لمدة 7–14 يومًا في التطبيقات الحيوية. واعتمدوا بطاريات LiFePO₄ المصنفة للمناخ البارد مع حماية من الشحن في درجات الحرارة المنخفضة لأي موقع تنخفض فيه درجات الحرارة شتاءً إلى ما دون التجمد.

بالنسبة لمهندسي خطوط النقل الذين يخططون لنشر تقنية DLR، لا يُعد نظام التغذية بالطاقة الفرعي مسألة ثانوية؛ بل هو الفارق الحاسم بين مستشعر يوفر تصنيفات مستمرة لسعة الخط ومستشعر ينقطع عن العمل أثناء الظروف الجوية الدقيقة التي تحدد السعة الحرارية للخط.

قراءات ذات صلة:

• التغذية بالطاقة للخطوط الهوائية لمراقبة خطوط النقل
• منصة الطاقة الهجينة (محول CT والطاقة الشمسية) لمراقبة الخطوط
• كيفية تحديد أبعاد الطاقة الشمسية لأجهزة مراقبة الخطوط عن بعد
• دليل تحديد سعة البطاريات لمستشعرات خطوط النقل

المصادر: IRENA (2020)، موجز مشهد الابتكار: التصنيف الديناميكي للخطوط؛ مكتب الكهرباء التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE)، تقرير التصنيف الديناميكي للخطوط إلى الكونغرس (2019)؛ IEEE 1562:2007، دليل تحديد أبعاد المصفوفات والبطاريات في الأنظمة الكهروضوئية المستقلة؛ IEEE Transactions on Industrial Electronics (2015)؛ المواصفات الفنية لشبكة جنوب الصين للطاقة (China Southern Power Grid) لأجهزة مراقبة الخطوط الهوائية؛ مجلة Power (2024)، دراسة حالة لنشر تقنية DLR في إحدى تعاونيات توليد ونقل الكهرباء في الغرب الأوسط الأمريكي؛ التصميم المرجعي TIDA-01385 من Texas Instruments.