Table of Contents
مقدمة: تحدي السلطة في الزراعة الدقيقة
وتعتمد الزراعة الحديثة على شبكة الكثيفة من أجهزة الاستشعار التي تتبع رطوبة التربة ودرجاتها الرطبة وورقات الرطبة وحتى مستويات المغذيات، وتجعل هذه أجهزة الاستشعار العمودية العمود الفقري للزراعة الدقيقة، وتسمح باتخاذ قرارات ناجمة عن البيانات بشأن الري، والتخصيب، ومكافحة الآفات، غير أن إحدى العقبات المستمرة تحد من انتشارها: الطاقة الموثوقة، والمكونات الغزيرة، والكهرباءات
كيف يعمل المولدات الكهربائية الحرارية
The Seebeck Effect and TEG Architecture
والمولدات الكهربائية الحرارية هي أجهزة صلبة تستخدم تأثير سيبيك، اكتشفها توماس يوهان سيبيك في عام 1821، وعندما ينضم إلى مركبتين متوازيتين من الموصلات السطحية وغير المتجانسة، ينتج اختلاف في درجة الحرارة بين المقاطعتين فولت، وفي نموذج نموذجي من نوع تي جي، يرتبط العديد من الفلزات من نوع بي إي تي إي تي إي تي إي تي إي تي إي تي إي تي إي تي إي تي إي تي أو شبه مونتاجي.
ونظراً لأن الشركات التجارية لا تملك قطعاً متحركة - لا توجد بها قطع أو توربينات أو مضغطة - فهي موثوقة في جوهرها ولا تتطلب أي تزييف أو صيانة ميكانيكية، مما يجعلها مثالية للعمليات غير المجهزة في المناطق الزراعية النائية، حيث تكون الزيارات إلى الخدمات باهظة التكلفة ومتكررة، وتتوفر نماذج موحدة للمجموعات المتوسطة الحجم في مجموعة من الأحجام والنواتج الكهربية، من المليات إلى أجهزة الاستشعار الصغيرة.
درجة الحرارة في البيئات الزراعية
ويتمثل مفتاح ناتج الطاقة في الانتقال من مرحلة إلى مرحلة الانتقال في الفرق في درجة الحرارة بين جانبيه، وفي الحقول الزراعية توجد مستويات طبيعية متعددة:
- Soil-air gradient:] Soil temperature often differs from ambient air temperature, especially at night. The soil retains heat from the day and can be several degrees warmer than the air, creating a usable chet.
- ]Solar-shade gradient: A surface exposed to direct sunlight can reach temperatures 20-30°C above the shaded underside or a nearby cold sink.
- Plant-air gradient:] leaves and stems can be warmer or cooler than surrounding air, particularly during transpiration or early morning dew formation.
- Water-air gradient:] Near irrigation canals or reservoirs, the temperature difference between water and air can be harnessed.
وفي حين أن هذه التدرجات تكون متواضعة في كثير من الأحيان )٥-٢٠ درجة مئوية(، فإن التقدم في المواد الكهربية - مثل سبائك البسيموث - منخفضة من مستويات الطراز التاجي لتوليد الطاقة الصالحة للاستخدام حتى من الاختلافات في درجات الحرارة الصغيرة، مثلاً، يمكن أن ينتج عن ارتفاع حرارة 10 درجات مئوية بضعة مليواط في كل سنتيمتر مربع، يكفي لمحسات منخفضة الطاقة الكهربائية التي تنقل كل دقيقة.
مزايا مولدات الطاقة الحرارية للاستشعار عن بعد
الطاقة المتجددة دائماً
وعلى عكس الألواح الشمسية التي تتطلب ضوء الشمس المباشر، يمكن أن تعمل الشركات الصغيرة باستمرار ما دامت درجة الحرارة موجودة، وهذه القدرة الليلية اليومية هي ميزة كبيرة في الزراعة، حيث يلزم قطع البيانات على مدار الساعة، وتستمر الخانات في التربة حتى في الأيام الغيومية أو تحت غطاء الحرج، وتوفر مصدرا ثابتا للطاقة إذا كان صغيرا، وفي العديد من التطبيقات، يمكن أن تشحن البطاريات المبردة كبسولة صغيرة.
الصيانة المنخفضة والعمر الطويل
فبدون قطع متحركة، تكون الشركات التجارية الصغيرة شديدة المقاومة للارتداء، إذ يمكن أن يعمل نظام مصمم تصميما سليما لشركات النقل التقني على مدى عقود دون صيانة، لا يقتصر على التدهور التدريجي للمواد شبه الموصلية في درجات الحرارة العالية، وهذا العمر يتجاوز كثيرا قدرة البطاريات القابلة للتصريف (التي تحتاج إلى استبدال كل بضعة أشهر) بل وحتى العديد من البطاريات القابلة للشحن (التي تفقد القدرة على ما يزيد على سنتين إلى خمس سنوات).
Environmental Resilience
فالبيئات الزراعية قاسية: الغبار والرطوبة ومبيدات الآفات والإشعاع فوق البنفسجية ودرجات الحرارة القصوى، ويمكن أن تتحمل هذه الظروف، عندما تكون مكتظة في مساكن دائمة (مثلاً، أو أكياس أو فلزات)، وتكون مقاومتها للهزات، أو تعمل في الرطوبة العالية، ولا تعاني من التآكل بسرعة أكبر من النطاقات الكهربائية المعرضة.
التكلفة - الأثر في سكال
وعلى الرغم من أن التكلفة الأولية لنموذج TEG يمكن أن تكون أعلى من لوحة شمسية صغيرة، فإن التكلفة الإجمالية للملكية على مدى عدة سنوات تكون أقل في كثير من الأحيان، كما أن إزالة استبدال البطاريات، وتخفيض العمالة لأغراض الصيانة، وتجنب الهياكل الأساسية لأسلاك الأسلاك تسهم كلها في انخفاض التكاليف الطويلة الأجل، وبالنسبة للنشرات الكبيرة مثل شبكة من آلاف أجهزة استشعار التربة عبر مزرعة تبلغ ٥٠٠ هكتار، فإن المدخرات تصبح كبيرة.
التطبيقات العملية: شبكات الاستشعار التي يعمل بها فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي
رصد حركة التربة
ومن أكثر التطبيقات شيوعاً تشغيل أجهزة استشعار لرطوبة التربة في المناطق المحيطة، وكثيراً ما يتم تركيب هذه أجهزة الاستشعار في أعماق تتراوح بين 10 و30 سنتيمتر، حيث تقل درجة الحرارة عن السطح، وتظهر في العادة أن هناك تغيرات في نمط حرارة الجسم في الهواء الطلق في أي درجة حرارة أقل من المستوى التجاري، وتظهر هذه الطاقة في شكل ثنائي الفينيل متعدد الأشعة فوق سطحي.
Microclimate and Crop Health Sensors
ويمكن أن تُستخدم أجهزة الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية التي ترصد درجة حرارة الهواء، والرطوبة النسبية، والرطب من الورق، والضغط الجوي بواسطة شركات TEGs التي تستغل الفرق في درجات الحرارة بين أوراق الشروق والأوراق المظللة أو بين أرجل النبات والأرض، وعلى سبيل المثال، فإن جهاز الاستشعار الذي يلحق بخيوط في فناء قد يستخدم الفرق في درجات الحرارة بين أعلى مستوى للأشعة ودرجة التحلل تحت سطح الماء.
مراكب الماشية والملابس الخارجية
وفي عمليات الرعي، يمكن تركيب الماشية أو الخراف بالياقات التي تطبعها الشبكة العالمية لتحديد المواقع أو بطاقات أذن الرصد الصحي، مما يثير مشاكل في تحمل هذه البطاريات بسبب الوزن وتكاليف الاستبدال، ويمكن أن يجني فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي الذي يدمج في الطوق حرارة من جسم الحيوان (التعداد 37 درجة مئوية) ويرفضها إلى الهواء المحيط، ويولد تيارا صغيرا ولكنه ثابت.
نوعية المياه ورصد تدفق المياه
ويمكن أيضاً أن تستفيد أجهزة الاستشعار المستخدمة في قنوات الري أو البراعم أو المجاري من هذه الأنواع، ويمكن أن تكون المياه التي تكون درجة حرارة ثابتة (مثل 10-15 درجة مئوية في قناة مظلة) بمثابة الجانب البارد، بينما يعمل طبقة معدنية سوداء اللون في شبكة الشمس كجانب ساخن، مما ينتج عنه من اضطراب في القوى الكهربائية، وحامض نووي، ومجسات تفكك الأكسجين، مما يتيح استمرار نوعية المياه.
التحديات والحدود
منخفض الناتج عن الطاقة
وأهم تقييد للمجموعات المتوسطة الدخل هو كثافة الطاقة المنخفضة نسبياً، إذ إن نموذجاً نموذجياً قياسياً بأربعة سنتيمتر × 4 سم لا ينتج سوى 10 إلى 100 ميغاواط بمقياس 20 درجة مئوية. وهذا يكفي لمستشعرات التوت المتقطعة، ولكن ليس للأجهزة ذات القدرة العالية مثل الكاميرات أو الترددات اللاسلكية المستمرة.
القيود على الكفاءة
وتخضع كفاءة الطاقة الحرارية لرقم الجدارة غير المستعمل الذي لا يبعد عن البعد. وتقيم الوحدات التجارية للزدحام في الفترة من 1 إلى 1.2، ولا تحوّل سوى 5 إلى 8 في المائة من تدفق الحرارة إلى الكهرباء، ومع أن هذا يكفي للاستشعار المنخفض القدرة، فإن معظم الحرارة تمر عبر غير مستخدمة، وتحسين الزلزال من خلال المواد المتقدمة (مثلاً، الطلقات الصوتية العالية التكلفة، أو المحورية النانوية)
درجة الحرارة غير المتجانسة
وتتباين درجات الحرارة الزراعية مع الطقس والموسم والوقت الذي يستغرقه اليوم، وفي الأيام التي تُلغى فيها الأشعة المقطعية قد تهبط إلى الصفر، مما يتسبب في أن يتحول جهاز الاستشعار إلى مهابط ما لم توفر بطارية احتياطية أو مكثفات احتياطية، ويجب أن يشمل تصميم النظام تخزين الطاقة المجهزة لأوضاع أسوأ، مما يضيف تكلفة وحجماً، والنظم الهجينة التي تجمع بين الخيوط والخلية الشمسية الصغيرة أو التي تعمل على تخفيف حدة الترسبات.
التكامل والتدفئة
ولكي يعمل فريق التكنولوجيا المتقدمة، يجب أن يظل الجانب البارد هادئاً، فالغراق الحراري الفعال في كثير من الأحيان يتطلب تصفية حرارية محددة يمكن أن تكون مشبعة، وفي التطبيقات التي تدفن التربة، قد يحتاج الجانب البارد إلى التدمير فوق الأرض أو أن يكون متصلاً بكتلة حرارية كبيرة، مما يزيد من آثار جهاز الاستشعار وقد يتداخل مع العمليات الزراعية (مثلاً، التنظيف أو التحصيل).
التطورات المستقبلية والتوجيهات البحثية
المواد المتقدمة لكهرباء الحرارة
ويستكشف الباحثون مواد ذات قيم أعلى من الـ ZT، مثل بلورات القصدير (SnSe) الوحيدة التي أظهرت أن الـ ZT ⁇ 2.5 في ظروف مثلى، وتشمل الطرق الواعدة الأخرى مقاييس الحرارة العضوية والأفران الحرارية القابلة للطباعة التي يمكن أن تتيح مستويات منخفضة التكلفة ومرنة من التركيزات التي تتفق مع السطح المكشوف مثل جذع النبات أو أجساد التحلل.
Hybrid Energy Harvesting Systems
فأكثر نظم الاستشعار عن بعد قوة تجمع بين تكنولوجيات متعددة للحصاد، مثلا، يمكن لجهاز توجيه ثلاثي الأبعاد أن يشحن بطارية أثناء الليل (تستخدم فيها أجهزة التحلل في التربة) بينما يشحنها فريق صغير من الطاقة الشمسية خلال النهار، ويمكن لمنتجع الفطائر الملحق بخط السياج أن يلتقط الاهتزازات الناجمة عن الرياح، ويمكن أن تكفل دوائر إدارة الطاقة التي تتحول بذكاء بين المصادر وتخزن الطاقة الزائدة 100 في المائة من البيئة التي تواجه تحديات حتى في الوقت.
Smart Power Management and Low —Power Electronics
ومع تزايد كفاءة استخدام الطاقة لدى البلدان الجزرية النامية، فإن القدرة العتبة اللازمة للاستشعار والاتصال تظل منخفضة، إذ أن المتحكمين في الطاقة المتناهية الصغر (مثلاً، فإن نواة أرم كورتكس - م - صفر + تستهلك ميكروه في طريقة النوم) والراديوات التي تنقل في صفر من الديموغرافيا مع تيارات احتياطية دون ميكروغرام تتيح الآن للمستشعرات العمل على أساس تطابق إنتاجات الدقيقة.
الدراسات البيئية ودراسات الأثر الاقتصادي
وتنظم عدة جامعات وبداية تكنولوجيا زراعية تجارب ميدانية لتحديد التكلفة الإجمالية للملكية للمستشعرات التي تعمل بالطاقات المتوسطة مقارنة بالبدائل التي تعمل بالطاقة الشمسية أو البطارية، كما أن النتائج الأولية من التجارب في وادي كاليفورنيا المركزي، وتظهر شركة سيرادو البرازيلية أن النظم القائمة على التاج والكهرباء يمكن أن تدفع لأنفسها في غضون سنتين وثلاث سنوات في إطار خفض استبدال البطاريات وإلغاء تكاليف التخلص.
مبادئ توجيهية للتصميم لتنفيذ أجهزة الاستشعار التي تعمل بالشركات المتعددة الأطراف
وفيما يتعلق بالمهندسين ومديري المزارع الذين ينظرون في التصنيفات التجارية، يوصى باتخاذ الخطوات التالية:
1 - وصف درجة الحرارة
استخدام سجلات البيانات لقياس الحد الأدنى، والمتوسط، والحد الأقصى للقطعة المتاحة في موقع الاستشعار المقصود على مدى سنة كاملة، وهذا يُبلغ ميزانية الطاقة ولا تعتمد على متوسط القيم وحدها - أي أن تكون التدرجات في الغلاف الجوي تحدد ما يلزم من تخزين للطاقة.
2- اختيار وحدة التحصيل العلمي العالي
اختيار وحدة تتناسب أبعادها مع التدفق الحر المتاح والقيود الميكانيكية، وتوفر الوحدات التجارية من المصنعين مثل مارلو )الثاني عشر( أو الكريوتوم أو تيغبرو مجموعة من الأحجام وتقديرات درجات الحرارة، وبالنسبة للاستخدام الزراعي، فإن وحدة تبلغ درجة حرارة التشغيل القصوى ١٥٠-٢٠٠ درجة مئوية، والمرفق المختلط للحرارة نقطة انطلاق جيدة.
٣ - تخزين الطاقة على نحو ملائم
ويجب أن تُستخدم بطارية مشرف أو بطارية ليون صغيرة لتوليد الطاقة للمستشعر خلال فترات لا يُذكر فيها (مثلاً، أثناء الليل إذا كان المدرج يوماً أو في أيام مطولة) والقاعدة النموذجية هي تخزين طاقة كافية لمدة 24 ساعة و48 ساعة من التشغيل استناداً إلى متوسط استهلاك جهاز الاستشعار.
4 - حماية النظام
(ب) أن تُضمِّن مجموعة التخصيصات الإلكترونية والإلكترونيات في ضيوف مضادة للطقس (IP67 أو أعلى) وأن تستخدم المعاطف المتطابقة على لوحات الدوائر، وأن تضمن عدم حرق الحواف (الجانب القديم) بالحطام أو الطين، أما بالنسبة للمستشعرات التي تُعدها التربة، فإن القفص المعدني المُنقَّف أو الميِّش يمكن أن يحمي التخ من القوارضات.
5 - رصد الأداء
ويشمل الرصد الدقيق والحالي في إطار برنامج المجس لتتبع إنتاج وبطارية المحصول، ويمكن للتحذيرات المتعلقة بانخفاض الطاقة أو تدهور أداء المشروع التركي المشترك أن تدفع إلى إجراء عملية لصيانة، ويمكن لجمع البيانات أن يُسترشد بها، بمرور الوقت، في تصميم أفضل للنظام للمنشآت المقبلة.
خاتمة
إن المولدات الكهربائية الحرارية ليست حلاً واحداً من العناصر المغذية، بل بالنسبة للغالبية العظمى من سيناريوهات الاستشعار الزراعي عن بعد، فهي توفر مصدراً للطاقة يتسم بالثقة، وبفعالية متزايدة من حيث التكلفة، حيث أن استخدام هذه المواد في مجموعات حرارة الغليان التي توجد بصورة طبيعية في التربة والهواء، أو الشمس، أو التواؤم، أو في مجموعات المواد السوقية ذات التأثيرات العالية.
For further reading, see U.S. Department of Energy overview of thermoelectric generation], a ]review of energy harvesting for agricultural IoT in Sensors journal, and a case study on TEGpowered soil moistors:5