الطاقة الشمسية لأجهزة استشعار الجهد والتيار الضوئية

الإجابة السريعة

إذا كنتم بصدد تحديد متطلبات الطاقة من أجل مشروع مراقبة خطوط نقل الطاقة، فإن خيار الحساسات الضوئية يُعد جذابًا لأن رأس الاستشعار نفسه يستهلك قدرًا ضئيلًا جدًا من الطاقة. لكن الفخ يكمن في افتراض أن الحمل المنخفض يعني لوحًا شمسيًا صغير الحجم. فمتطلبات الاستقلالية، والإشعاع الشمسي الشتوي، ودقة الجهد، تحوّل حملًا بقدرة 2W سريعًا إلى قرار يتطلب لوحًا بقدرة 20W.

كيف تعمل الحساسات الضوئية (ولماذا تحتاج إلى طاقة نقية)

تقيس حساسات الجهد والتيار الضوئية معلمات خطوط الجهد العالي دون تلامس كهربائي مباشر. إذ يستخدم رأس استشعار مُركّب على البرج أو الموصل تأثير بوكلز (Pockels effect) أو تأثير فاراداي (Faraday effect) لتعديل الضوء بما يتناسب مع المجال الكهربائي أو المغناطيسي. وينقل كابل ألياف ضوئية الإشارة المُعدَّلة إلى وحدة معالجة عند مستوى الأرض تقوم بإعادة بناء قيمة الجهد أو التيار وزاوية الطور.

إن بنية عدم التلامس هي ما يجعل الحساسات الضوئية خيارًا جذابًا لمشغلي الشبكات. فلا يوجد اتصال جلفاني بموصل الجهد العالي، مما يلغي مخاطر العزل والتشبع والرنين الحديدي. وقد أشارت وزارة الطاقة الأمريكية في تقرير صدر عام 2023 إلى أن محولات القياس الضوئية يمكن أن تقلل المساحة التي تشغلها المحطات الفرعية بنسبة تصل إلى 40% مقارنة بالوحدات الكهرومغناطيسية التقليدية، مع الحفاظ على فئة دقة 0.2% عبر نطاقات درجات حرارة تتراوح بين −40°C و +70°C.

الطلب على الطاقة: منخفض ولكنه لا يقبل المساومة

تستهلك رؤوس الاستشعار الضوئية عادة ما بين 0.5–1W. حيث يعمل مصدر LED أو الليزر داخل الرأس بشكل مستمر. وتضيف وحدة معالجة الإشارة عند مستوى الأرض ما بين 0.5–1.5W أخرى. بينما ترفع وحدة الاتصال الخلوي أو الألياف الضوئية إجمالي استهلاك العقدة إلى 2–5W باستمرار.

تبدو هذه الأرقام ضئيلة للغاية مقارنة بكاميرا مراقبة CCTV أو محطة طقس بمحركات. لكن الفارق يكمن في حدود التفاوت المسموح بها. فالمُعدِّلات الضوئية حساسة لتموج جهد التغذية. إذ يمكن لنبضة مفاجئة بقدر 100mV، قد يتجاهلها محول DC لكاميرا مراقبة، أن تزيح نقطة الانحياز لمُعدِّل نيوبات الليثيوم بما يكفي للتسبب في خطأ بالقياس. وقد أفاد مهندسو الميدان في شركات المرافق الأوروبية في ورقة بحثية لمنظمة CIGRÉ عام 2022 بأن ضجيج التغذية الذي يتجاوز 50mV من القمة إلى القمة ارتبط بانحراف في القياس قدره ±0.5% في حساسات الجهد الضوئية المصنفة ضمن فئة دقة 0.2%.

لماذا تفوق جودة الطاقة في أهميتها كميتها

عنصر الاستشعار هو بلورة كهرضوئية يتغير معامل انكسارها بتغير الجهد المطبق عليها. وتتتبع إلكترونيات القراءة هذا التحول في الانكسار بمقارنة طور الضوء المار عبر البلورة بمسار مرجعي. فإذا هبط جهد تغذية مشغل الليزر، تتغير القدرة الضوئية. وإذا حدث تموج في الجهد، فإن حلقة تثبيت الطور في وحدة فك التعديل ستتبع الضجيج بدلًا من الإشارة.

تحدد معظم الشركات المصنعة للأجهزة الأصلية OEM للحساسات الضوئية تفاوتًا في التغذية بنسبة ±5% وتموجًا أقل من 50mV. ولا يتحقق الالتزام بهذه المواصفات تلقائيًا عبر نظام طاقة شمسية وبطارية. إذ يمكن لمنظم شحن PWM يعمل بالتبديل عند بضع مئات من الهرتز أن يُحدث تموجًا يتراوح بين 200–500mV في مسار 12V ما لم تعمل البطارية كمرشح كافٍ. وعند انخفاض حالة الشحن، مع ارتفاع مقاومة البطارية، يتراجع أداء هذا الترشيح. ولهذا السبب، يفصل مدمجو الأنظمة ذوو الخبرة دائرة الشحن الشمسي عن مسار تغذية الحساس باستخدام منظم جهد منخفض الهبوط مخصص أو محول DC-DC مزود بخاصية الاستشعار عن بعد.

ميزانية الطاقة لعُقد الحساسات الضوئية

قبل اختيار اللوح، قوموا بإدراج كل حمل ودورة تشغيله. يوضح الجدول أدناه ميزانية نموذجية لعقدة حساس جهد ضوئي أحادي الطور مزودة بوصلة إرسال LTE.

يُعد السخان هو العامل المتغير الحاسم. ففي المناخات التي تنخفض فيها درجة الحرارة المحيطة إلى ما دون −20°C، تحتاج المكونات الضوئية والبطاريات إلى حماية حرارية. ويمكن أن يقفز متوسط الحمل من 5W إلى 8–10W في فصل الشتاء. وإذا استغنيتم عن السخان واعتمدتم على المقاومة الداخلية للبطارية للتدفئة، فستضحون بالعمر الدوري للبطارية. إذ يمكن لبطاريات الليثيوم أيون التي تخضع لدورات شحن وتفريغ تحت −10°C أن تفقد 25–35% من سعتها الاسمية خلال موسم شتاء واحد.

كما أن دورة تشغيل الاتصالات تلعب دورًا مهمًا؛ إذ تسحب وصلة إعادة الإرسال بالألياف الضوئية قدرة ثابتة ولكنها تتجنب نبضات إرسال الاتصال الخلوي التي تبلغ 4W. وإذا كان برجكم مجهزًا بالألياف الضوئية، ينخفض المتوسط بنحو 1W. أما إذا كنتم تعتمدون على الاتصال عبر الأقمار الصناعية، فقد تصل نبضة الإرسال إلى 10–15W وترتفع دورة التشغيل إلى 5–10%، مما يغير معادلة تحديد الحجم بأكملها. وقد غطينا المفاضلات بين تقنيات وصلات الربط في دليل تحديد حجم الطاقة الشمسية لأجهزة مراقبة الخطوط عن بعد.

تحديد حجم الطاقة الشمسية: عندما يبدو 5W وكأنه 50W

يعادل الحمل المستمر بقدرة 5W نحو 120Wh يوميًا. وفي مدينة فينيكس، ينتج لوح بقدرة 10W نحو 40–50Wh في أحد أيام شهر ديسمبر. بينما يُنتج اللوح نفسه في سياتل ما بين 15–20Wh. ولا تعد النسبة بين الحمل وقدرة اللوح المطلوبة بالواط علاقة خطية، لأنكم بحاجة أيضًا إلى تغطية أيام الاستقلالية — وهي فترة الطقس الغائم التي لا تتلقى فيها البطارية أي شحن.

يشترط مشغلو الشبكات عادة فترة استقلالية تتراوح بين 5–10 أيام لعُقد المراقبة الحيوية. وعند 5 أيام، يجب أن تخزن البطارية 600Wh. وبجهد اسمي يبلغ 12V، يعادل ذلك 50Ah. وينتج لوح بقدرة 20W في مناخ يتميز بمعدل 3.5 ساعة ذروة شمسية ما مقداره 70Wh يوميًا. وبعد خصم خسائر النظام (كفاءة منظم MPPT بنسبة 95%، وكفاءة شحن البطارية 90%، والأسلاك 3%)، تصبح الطاقة الصافية القابلة للاستخدام قرابة 58Wh. وبالكاد يغطي اللوح حملاً يبلغ 120Wh، لذا ستحتاجون إما إلى لوح أكبر حجمًا أو تقليل أيام الاستقلالية.

مثال تطبيقي: شمال غرب المحيط الهادئ

دعونا نستعرض مواصفة واقعية لعقدة حساس ضوئي بقدرة 2W بالقرب من بورتلاند، أوريغون، حيث يبلغ متوسط الإشعاع الشمسي في ديسمبر 1.5 ساعة ذروة شمسية.

• الحمل: 2W مستمر = 48Wh/يوم
• هدف الاستقلالية: 7 أيام = تخزين 336Wh
• عمق التفريغ (LiFePO₄): 80%
• البطارية المطلوبة: 336Wh ÷ 0.80 ÷ 12V = 35Ah
• اللوح المطلوب: 48Wh ÷ (1.5h × كفاءة النظام 0.82) = 39W كحد أدنى

يتم التقريب صعودًا إلى لوح بقدرة 40W وبطارية بسعة 40Ah. وتلك نسبة تبلغ 20:1 بين قدرة اللوح والحمل بالواط، ليس لأن الحساس يستهلك الكثير، بل لشح الإشعاع الشمسي وصرامة متطلبات الجاهزية والتشغيل المستمر. ويوصي دليل وزارة الطاقة الأمريكية لعام 2022 بشأن الطاقة المتجددة عن بعد للبنية التحتية للشبكات بالتصميم وفقًا للشهر الأسوأ، وليس المتوسط السنوي، لأن انقطاعًا واحدًا في ديسمبر يكلف في إرسال فرق الطوارئ أكثر من تكلفة اللوح والبطارية الإضافيين.

مثال تطبيقي: صحراء الجنوب الغربي

العقدة نفسها بقدرة 2W بالقرب من فينيكس، أريزونا، حيث يبلغ الإشعاع الشمسي في ديسمبر 4.5 ساعة ذروة شمسية.

• الحمل: 2W مستمر = 48Wh/يوم
• هدف الاستقلالية: 5 أيام = تخزين 240Wh
• البطارية المطلوبة: 240Wh ÷ 0.80 ÷ 12V = 25Ah
• اللوح المطلوب: 48Wh ÷ (4.5h × 0.82) = 13W كحد أدنى

يوفر لوح بقدرة 15W وبطارية بسعة 30Ah هامش أمان. ورغم وضوح ميزة البيئة الصحراوية، إلا أن درجة الحرارة تمثل التحدي الخفي؛ إذ تؤدي درجة الحرارة المحيطة التي تتجاوز 45°C إلى خفض كفاءة منظم MPPT وتسريع التقادم الزمني لخلايا الليثيوم. وتحدد مصانعنا الشريكة خلايا LiFePO₄ بدرجة حرارة تشغيل قصوى تبلغ 60°C للمشاريع المنفذة في الجنوب الغربي، وهي أعلى بمقدار 10°C مقارنة بالبطاريات التجارية القياسية المخصصة للمستهلكين.

استقرار الجهد: المتطلب الخفي

تتوقف معظم أدلة تحديد حجم أنظمة الطاقة الشمسية عند حساب الواط-ساعة. أما بالنسبة للحساسات الضوئية، فإن معادلة جودة الجهد تحظى بالأهمية ذاتها. إذ يحتاج كل من جهد انحياز البلورة الكهرضوئية ومصدر تيار صمام الليزر الثنائي إلى مسارات تغذية مستقرة. وإليكم كيفية تحقيق ذلك.

اختيار منظم الشحن MPPT

لا تتساوى جميع منظمات الشحن MPPT عندما يتعلق الأمر بالأحمال الدقيقة. ابحثوا عن المواصفات التالية:

• تموج الخرج: < 50mV من القمة إلى القمة عند الحمل المقنن. تحدد العديد من وحدات MPPT التجارية الاستهلاكية تموجًا يتراوح بين 200–500mV. تحققوا من رقم ضجيج الخرج في ورقة المواصفات الفنية، وليس الكفاءة فحسب.
• تنظيم الحمل: < ±1% عبر كامل نطاق جهد الدخل ودرجة الحرارة. يضمن ذلك بقاء مسار 12V عند 12.0±0.12V حتى مع تأرجح جهد البطارية من 14.6V (أثناء الشحن) إلى 12.0V (أثناء التفريغ).
• التيار الساكن: < 10mA. في عقدة بقدرة 2W، يُعد منظم الشحن الذي يسحب 50mA في وضع الخمول حملًا طفيليًا بقدرة 0.6W — أي 30% من حملكم الإجمالي.
• نطاق درجات الحرارة: من −40°C إلى +85°C أثناء التشغيل. فغالبًا ما تتراجع قدرة المنظمات التجارية الاستهلاكية عند درجات حرارة تفوق 60°C.

تلبي المنظمات المصممة للأنظمة المعتمدة وفقًا لمعيار IEC 61215 هذه الحدود عادةً لأنها مصممة للاستخدامات الصناعية وليست السكنية. وإذا كانت ورقة المواصفات الفنية لمنظم الشحن لديكم لا تذكر تموج الخرج، فافترضوا أنه مرتفع وخططوا لإضافة مرحلة تنظيم ثانوية.

كيمياء البطارية: لماذا تتفوق بطاريات LiFePO₄

تتميز بطاريات الرصاص الحمضية بمنحنى تفريغ حاد. فبطارية AGM بجهد 12V تبدأ من 12.8V عند اكتمال الشحن، وتنخفض إلى 12.2V عند 50% من حالة الشحن، وتصل إلى 11.5V عند عمق تفريغ 80%. والحساس المصمم للعمل بجهد 12.0±0.5V سيشهد انحرافًا في مسار التغذية بمقدار 1.3V خلال دورة تفريغ واحدة، وهو ما يتجاوز نطاق ±5% المسموح به.

تحافظ خلايا LiFePO₄ على جهد يتراوح بين 13.2–12.8V لأول 80% من سعتها، ثم تنخفض بشكل حاد فقط عندما تقل حالة الشحن عن 10%. ويحافظ منحنى التفريغ المسطح هذا على تغذية الحساس ضمن حدود ±2% لمعظم وقت الدورة. وأظهرت ورقة بحثية لمعهد IEEE عام 2023 حول شبكات الحساسات المدعومة بالبطاريات أن بطاريات LiFePO₄ قللت من أخطاء القياس الناتجة عن تذبذب الجهد بنسبة 60% مقارنة ببطاريات AGM في تجربة ميدانية استمرت 6 أشهر على خط نقل بقدرة 138kV في تكساس.

ويُعد العمر الدوري الميزة الإضافية؛ حيث تدوم بطارية LiFePO₄ المصنفة لعدد 3,000 دورة عند عمق تفريغ 80% لمدة 8–10 سنوات في التطبيقات البعيدة ذات الدورات اليومية. بينما توفر بطاريات AGM عادة ما بين 400–600 دورة عند عمق التفريغ نفسه. وعلى مدار فترة تشغيل تمتد 10 سنوات، تجنبكم بطارية الليثيوم إرسال شاحنات الصيانة مرتين للاستبدال — حيث يمكن أن تكلف كل جولة ما بين $3,000–5,000 في ممرات نقل الطاقة الريفية.

التنظيم الثانوي: نهج الأمان المضاعف

بالنسبة للحساسات الضوئية ذات المتطلبات الأكثر صرامة، قوموا بإضافة محول DC-DC مخصص بين ناقل البطارية وإلكترونيات الحساس. حيث يوفر منظم خافض-رافع للجهد بدقة ±1% وتموج < 20mV مسار تغذية نقيًا ومعزولًا بغض النظر عن تأرجحات جهد البطارية. والمفاضلة هنا هي خسارة في الكفاءة بنسبة 5–10% وتكلفة إضافية قدرها $15–30 في قائمة المواد (BOM). وفي مشروع حساسات بقيمة $50,000، يُعد هذا تأمينًا بتكلفة لا تذكر.

يتضمن دليلنا لتحديد حجم البطاريات لحساسات خطوط نقل الطاقة مثالًا تطبيقيًا مع مسار ثانوي بجهد 5V لمودم ألياف ضوئية، موضحًا أرقام أجزاء المكونات وحسابات الكفاءة.

أفضل ممارسات تركيب أنظمة التغذية بالطاقة للحساسات الضوئية

يتشابه التركيب الميكانيكي لنظام الطاقة الشمسية المخصص لعقدة حساس ضوئي مع معدات مراقبة خطوط نقل الطاقة الأخرى، مع وجود بعض الفروق الدقيقة الخاصة بالأنظمة الضوئية.

موضع اللوح والتظليل

تلقي أبراج نقل الطاقة بظلالها؛ فقد يتعرض لوح مُركَّب على القائم الجنوبي لبرج شبكي للتظليل حتى الساعة 10 صباحًا في فصل الشتاء. وتوضح نماذج محاكاة الطاقة الكهروضوئية القياسية أن ساعتين من التظليل الصباحي يمكن أن تقللا الإنتاج اليومي في ديسمبر بنسبة 25–35%. قوموا بتركيب اللوح على ذراع يمتد شرق أو جنوب هيكل البرج، أو على عمود منفصل يبعد 10–15 مترًا.

يمكن لتفريغ الهالة من موصلات الجهد العالي أن يراكم غبارًا موصلًا على زجاج اللوح بمرور الوقت. وفي المناطق الساحلية أو الصناعية، تقلل طبقات الملح أو التلوث من نفاذية الضوء بنسبة 5–10% سنويًا ما لم يتم تنظيفها. إن تحديد ألواح ذات طبقة أمامية من ETFE بدلًا من الزجاج يسهل التنظيف الميداني — حيث يتخلص سطح ETFE غير اللاصق من الغبار مع هطول الأمطار بشكل أفضل من الزجاج. وتوفر مصانعنا الشريكة ألواحًا شمسية صغيرة حسب الطلب بطبقات أمامية من ETFE أو PET أو الزجاج وفقًا لظروف البيئة.

التأريض والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

تتمتع الحساسات الضوئية بحصانة ذاتية ضد التداخل الكهرومغناطيسي على مسار الاستشعار لأن الإشارة تنتقل عبر ألياف ضوئية. لكن الإلكترونيات الموجودة عند قاعدة البرج ليست كذلك. لذا يجب ربط إطارات ألواح الطاقة الشمسية، وهياكل منظمات الشحن، وعلب البطاريات بشبكة تأريض البرج وفقًا لإرشادات معيار IEEE Std 80. وأشار تقرير صادر عن معهد IEEE عام 2024 حول تأريض المحطات الفرعية إلى أن الربط غير الصحيح لأنظمة التيار المستمر DC المساعدة كان عاملًا مساهمًا في 12% من حالات الخلل في عمل أجهزة الحماية المرتبطة بالتداخل الكهرومغناطيسي التي شملتها دراسة استقصائية عبر 40 شركة مرافق في الولايات المتحدة.

قوموا بتمديد كابلات التيار المستمر DC للطاقة الشمسية بعيدًا عن كابلات الألياف الضوئية. إذ يمكن للتمديد المتوازي لمسافة تزيد عن 3 أمتار أن يُحدث ضجيجًا سعويًا بالحث. وإذا كان لا بد من تقاطعهما، فليكن بزاوية 90 درجة. واستخدموا كابلات أزواج ملتوية ومحمية لأي تمديدات للحساسات التناظرية بين وحدة المعالجة وأجهزة القياس على البرج.

الإدارة الحرارية للهيكل

تشترك وحدة معالجة الإشارة والبطارية في هيكل واحد. وفي فصل الصيف، يمكن أن تتجاوز درجة الحرارة الداخلية للهيكل درجة الحرارة المحيطة بمقدار 15–20°C. ويصل صندوق NEMA أسود تحت أشعة شمس أريزونا المباشرة إلى درجة حرارة داخلية تبلغ 65–70°C. وتتدهور خلايا LiFePO₄ بشكل أسرع فوق 45°C، كما تتراجع قدرة منظمات الشحن MPPT غالبًا فوق 60°C.

إجراءات التخفيف: طلاء الهيكل بلون أبيض أو عاكس، أو استخدام هياكل مزودة بفتحات تهوية وشباك لمنع الحشرات، أو التهوية النشطة إذا كانت ميزانية الحمل تسمح بمروحة تستهلك 1–2W. وفي المناخات الباردة، تظهر المشكلة المعاكسة؛ حيث يُعد تسخين الهيكل للحفاظ على درجة حرارة البطارية أعلى من 0°C أثناء الشحن ممارسة قياسية في المشاريع المنفذة في كندا وشمال أوروبا.

التقييم ومجموعات العينات

قبل الالتزام بمشروع نشر كامل، قوموا بالتحقق من نظام الطاقة عبر عقدة عينة. إذ تكشف التجربة الميدانية لمدة 30–90 يومًا عن تأثيرات التظليل الواقعية، ودرجات الحرارة، وموثوقية الاتصال التي قد تغفلها الحسابات النظرية.

ما يجب قياسه أثناء التجربة

• توازن الطاقة اليومي: قارنوا إنتاج الطاقة الشمسية المسجل في منظم MPPT مع استهلاك الحمل المقاس. إذ يشير العجز المستمر إلى نقص في تقدير الحجم.
• تأرجح جهد البطارية: سجلوا الحدين الأدنى والأقصى لجهد البطارية. وإذا انخفض الحد الأدنى إلى ما دون 12.0V (لبطارية 4S LiFePO₄) في أكثر من 5% من الليالي، فقوموا بزيادة سعة البطارية أو قدرة اللوح بالواط.
• استقرار قياس الحساس: اربطوا سجلات أخطاء الحساس بسجلات جهد البطارية؛ حيث يشير نمط زيادة الخطأ عند انخفاض حالة الشحن إلى وجود تموج في جهد التغذية أو هبوط في الجهد.
• مخططات درجات الحرارة: ضعوا مسجل بيانات داخل الهيكل. وإذا أمضت البطارية أكثر من 20% من وقتها في درجات حرارة تتجاوز 45°C أو تقل عن 0°C، فقوموا بمراجعة نظام الإدارة الحرارية.

تكوين مجموعة العينات

توفر LinkSolar مجموعات تقييم للتحقق من أنظمة التغذية بالطاقة للحساسات الضوئية. وتتضمن المجموعة النموذجية ما يلي:

• لوح أحادي البلورة بقدرة 20W أو 40W (محدد وفقًا لخط العرض لموقعكم)
• منظم شحن MPPT بتموج خرج < 30mV
• بطارية LiFePO₄ بسعة 20Ah أو 40Ah مزودة بنظام إدارة البطارية BMS وقاطع عند انخفاض درجة الحرارة
• ملحقات تثبيت للأبراج الشبكية أو الأبراج أحادية القطب
• هيكل مجهز مسبقًا بالأسلاك مع كتل أطراف توصيل وحماية بالمصهرات

يمكن لمصانعنا الشريكة تخصيص خرج الجهد (12V أو 24V أو 5V عبر منفذ USB-C) وإضافة تنظيم ثانوي إذا كانت الشركة المصنعة الأصلية OEM للحساس تحدد تفاوتًا دقيقًا. وتبلغ مدة تسليم العينات 7–10 يومًا. وبالنسبة للمقاسات والأشكال المخصصة — مثل لوح مصمم ليناسب دعامة قطرية داخل البرج — يمكننا قص الخلايا حسب الحجم وتوجيه قضيب التوصيل إلى موقع صندوق التوصيل لديكم. وتجدون التفاصيل في صفحة الألواح الشمسية حسب الطلب.

موارد ذات صلة

• التغذية بالطاقة للخطوط الهوائية لمراقبة خطوط النقل — الصفحة الرئيسية لجميع موضوعات طاقة مراقبة خطوط الطاقة
• منصات الطاقة الشمسية وحصاد التيار CT — مقارنة بين حصاد طاقة محولات التيار CT والطاقة الشمسية لمراقبة الخطوط
• كيفية تحديد حجم الطاقة الشمسية لأجهزة مراقبة الخطوط عن بعد — منهجية تحديد الحجم خطوة بخطوة مع جداول البيانات
• تحديد حجم البطاريات لحساسات خطوط نقل الطاقة — الكيمياء، والاستقلالية، وخفض القدرة بحسب درجات الحرارة
• ألواح شمسية حسب الطلب — خيارات الجهد والحجم والتغليف لمدمجي معدات OEM