الابتكارات في إمدادات الطاقة من توربينات النزهة النقالة

مقدمة: دور توربينات النزهة المحمولة

وقد انتقلت التوربينات الريحية المحمولة من النماذج الأولية المتخصصة إلى أدوات عملية لتوليد الطاقة خارج الشبكة، وسواء استخدمت في عمليات التخييم، أو الإغاثة في حالات الكوارث، أو شبكات الاستشعار عن بعد، أو العمليات العسكرية، فإن هذه المولدات المدمجة توفر بديلاً متجدداً للمولدات الكهربائية المسببة للمرض والمعتمدة على الوقود، فإن قلبها لا يكمن في الستربين أو المولدات الكهربائية، بل في [نظام المزود بالطاقة الكهربائية]

الإفطارات في الكيمياء البطارية وتخزين الطاقة

وتأتي أكثر القفزات وضوحاً في أداء توربينات الرياح المحمولة من تكنولوجيا بطارية الجيل الجديد ]. وتفسح البطاريات التقليدية التي تعمل بالرصاص، بمجرد أن تكون في نظم الرياح الصغيرة، المجال أمام الكيمياء التي تحشد المزيد من الطاقة إلى درجة أقل من الوزن وتسمح بدورات تصريف أعمق دون انحراف.

الليثيوم - إيون: المعيار الجديد

وتهيمن بطاريات الليثيوم (الليون) الآن على نظم رياح محمولة بسبب كثافة الطاقة العالية - عادة 150-250 Wh/kg، مقارنة بمتغيرات موازين الرصاص 30 إلى 50 Wh/kg. وبالنسبة لمستعمل يحمل توربينات رياحية إلى البلد الخلفي، يعني هذا إما أن يكون وزنه أسرع بالنسبة لنفس الخزن، أو ضعفه.

وقد أدمجت مصانع مثل آنكر ] وBluetti] حزم الليثيوم الجاهزة في محطات توليد الطاقة المحمولة، مما يسمح بربط متغيرات لامعة مع تربينات صغيرة، وكثيرا ما تشمل هذه العبوات MPPT (التحكم الأمثل في نواتج محطة توليد الطاقة).

الكيمياء المتشددة والكيميائيات الناشئة

وفي الأفق، تعد البطاريات المعبدة مكاسب أكبر، وباستبدال الكهروليت السائل بمواد صلبة، فإن هذه الخلايا تزيل مخاطر الحريق، وتزيد كثافة الطاقة بنسبة تصل إلى 50 في المائة، وتسمح بالعمل في درجات حرارة قصوى، وفي حين أن عدة نماذج أولية في اختبار ميداني لتطبيقات الطاقة المحمولة، حيث تبلغ نسبة المعتمدين المبكرين عن وجود حزمة الصلبة.

وهناك كيميائي آخر ناشئ، ] phosphate الحديدي الليثيوم (LiFePO4) ، شائع بالفعل في محطات الطاقة المحمولة المتوسطة المدى، ومع أن عدد الكثافة الكهربائية أقل قليلا (90-120 Whkg)، فإن شركة LiFePO4 تقدم استقرارا حراريا استثنائيا وحياة دورة احتياطية تبلغ 000 2 إلى 000 5 رسوم.

القياسات الرئيسية لاختيار البطاريات

• Energy density] (Wh/kg): Determines how long the system can run per unit weight.
• Charge acceptance rate]: How quickly the bat can absorb short blasts of wind energy.
• Depth of discharge (DoD)]: Li-ion and LiFePO4 can safely discharge to 80-100% regularly, maximizing usable capacity.
• ] نطاق درجات الحرارة التشغيلية : أهمية لنشرها في الصحراء أو البيئات المتجمدة.

وتؤثر هذه العوامل تأثيرا مباشرا على مدى عملية تربين الرياح المحمولة للاستخدام في العالم الحقيقي، حيث أن النظام الذي يمكن أن يخزن ثلاث أيام من الطاقة في بطارية تبلغ خمسة كيلوغرامات هو أكثر قيمة بكثير من نظام يتطلب 15 كيلوغراما من الرصاص في الخصم من أجل تحمل نفس الشحنة.

إدارة الطاقة الذكية: خارج نطاق الرقابة المالية البسيطة

فالوحدات التي تستخدم أجهزة التحكم في الشحنات التقليدية تمنع التداول المفرط، وهي اليوم هي مراكز المراقبة الرقمية الكاملة التي تتكيف في الوقت الحقيقي مع ظروف الرياح، وحالة البطاريات، والطلب على الحمولة، وقد أصبحت مخاً لنظام الرياح المحمول، مما يتيح زيادة الكفاءة وملاءمة المستعملين.

الحد الأقصى لتتبع نقاط القوة

ويتغير سرعتها باستمرار، إذ يقوم متحكم في القوة المتعددة الجنسيات باستمرار بتعديل الحمولة الكهربائية على التربين لاستخراج أقصى قدر ممكن من الطاقة في أي لحظة، ويمكن أن تؤدي الخوارزميات المتقدمة من طراز MPPT إلى تحسين مصادر الطاقة بواسطة 15-30 في المائة ] مقارنة بجهاز تنظيم بسيط للأجهزة التنظيف، وتستخدم بعض الوحدات الآن أنماط التكليل الآلى للتنبؤ بالتكتلة على أساس التكتل.

For example, the MidNite Solar KID] controller, though designed for solar, has been adapted for small wind by added an external dump load and custom firmware. Purpose-built wind MPPT controllers like those from ]Genasun are now compactc enough inside

إدارة القروض ومكافحة التعبئة

وعندما تكون البطاريات كاملة، ولا تزال الرياح تهب، يجب أن تُفرَّق الطاقة الزائدة بأمان، وتشغل وحدات الإزالة الذكية تلقائياً حمولة مضخة ] - عادة مصرف مقاومة - لمنع توربين بسرعة خطيرة أو البطارية من الإفراط في الشحن.

الاتصال والرصد عن بعد

وقد أصبحت وحدات الازرق والواي فاي مشتركة الآن في نظم الرياح المتوسطة المدى، ويمكن للمستعملين رصد التطاير، والحاضر، والناتج الكهربائي، وحالة البطاريات من جهاز هاتف ذكي، كما يتم إرسال إنذارات عن البطاريات المنخفضة أو الريح العالية أو عيوب النظم في الوقت الحقيقي، وهذه القدرة على الاتصال قيمة خاصة بالنسبة للمنشآت النائية (محطات الطقس، والمجسات البيئية) حيث يكون التفتيش المادي غير عملي.

Displays Digital and User Interfaces

وفي حين أن مراقبة التطبيقات آخذة في الازدياد، فإن الوصلات البينية المادية لا تزال هامة في الحالات الميدانية التي قد تُفقد فيها الأجهزة أو تُتلف فيها، وتظهر شاشات جديدة للدماغ والتلقيح المميت الجديد صوراً مفصّلة لإنتاج الطاقة على مر الزمن، وتقدّر الوقت اللازم لتحميل كامل، وتظلّ قادرة على دعم الأزرار المجمّعة، وتُضفيع أجهزة الإيقونات التي تتيح تشغيلها بالقفازات على مواقع العمل المُ المُ.

التكامل الهجين: الجمع بين الرياح والمصادر الشمسية وغيرها

فالريح متقطعة بطبيعتها - ففترات الهدوء يمكن أن تستغرق ساعات أو أياماً، ولتوفير طاقة موثوقة، تدمج النظم المحمولة بصورة متزايدة ] الهجينة التي تشحن ] من مصادر متجدّدة متعددة، وأكثرها شيوعاً هو الرياح + الشمس، ولكن المولدات الكهربائية الصغيرة والودالية، بل وحتى خلايا الوقود الصغيرة تدخل في المزيج.

مراقبو الشحن المزدوجون

وكثيرا ما تتضمن محطات الطاقة المحمولة الحديثة ميناءين أو أكثر من موانئ المدخلات، وكل منهما مع مقياسها الخاص للأفضليات المتعددة الأطراف من نوع المصدر، مثلا، يمكن لأي جهاز واحد أن يقبل توربين رياحي من نوع 48V على مدخل واحد، وثانيهما من طراز 12-24V على شكل لوحة شمسية، ويحمل البطارية الداخلية من آن واحد، ويسلم الطاقة إلى مخارج USB و DC و AC.

ويمكن لوحدات مثل EcoFlow Delta Pro] أن تعالج ما يصل إلى 2400W من مدخلات الطاقة الشمسية إلى جانب مدخلات ريحية منفصلة (حتى 200W-400W حسب الفولط) وفي حين أن الرياح ليست هي استخدامها الرئيسي الرسمي، فإن مكيفي الأطراف الثالثة وتشكيلات المستخدمين تبين الطلب المتزايد على محطات توليد الطاقة الهجينة.

المصدر غير المسموم

وحتى بدون وجود نظام ثنائي مكرس متعدد الأطراف، تستخدم بعض النظم دائرة بسيطة لنقل الطاقة أو دوارة القلب للتبدل بين الرياح والطاقة الشمسية، ويكمن الابتكار في منطق البرمجيات: يمكن أن يكتشف جهاز التحكم في الطاقة عندما يفشل أحد المصادر )مثل انخفاض الناتج الشمسي بسبب الغيوم( وأن يفجر فوراً ما يشحنه المصدر الآخر من تيارات، وهذا " الموازنة في الحمل " يضمن عدم تفريغ البطارية على الإطلاق.

الاستحقاقات العملية للمستعملين غير القانونيين

وبالنسبة للمخيمين والعاملين من بعد، فإن نظام الهجين يعني عددا أقل من صباح " البطاريات الميتة " ، وفي ليلة رشيقة، يمكن أن يشحن التربين الريح البطارية بينما ينام المستخدم؛ وفي يوم مشمس، تُستولى الألواح الشمسية على الغلاف الجوي، وفي سيناريو الكوارث، يكون التكرار بالغ الأهمية، وإذا ما أسقطت العواصف الألواح الشمسية، ربما يكون التربين الريحي قد لا يزال يعمل.

المعمارات الهجينة في المستقبل

ويختبر الباحثون وحدات " ميكروجريد في مربع " تشمل توربينات صغيرة للريح، وألواح شمسية قابلة للطي، وبطارية يمكن أيضا شحنها من مشعل للمركبات، وتستخدم هذه الحلول كلها أحواض خوارزمية ذكية لتحديد أكثر مصادر الشحن كفاءة استنادا إلى وقت النهار، والتنبؤات الجوية المتجددة )عن طريق ويفي(، والأولوية في الحمل.

الوزن الخفيف والمكونات الدائمة: الهندسة اللازمة للتنقل

وكثيرا ما تلتقط عبارة " توربين الرياح المحمولة " صورة لآلة ثقيلة وحرجة، وتتغير الابتكارات الأخيرة في المواد والتغليف، ويجري إعادة تصميم إمدادات الطاقة - البطاريات واللافتات والضغوط - مع تخفيض الوزن والتبديد بوصفهما هدفين رئيسيين.

المتعهدون المعنيون بالاتفاقات والجهات التي تتعامل مع السلطة

ويحل مترجمو الغيليوم (GaN) وكاربيد السيليكون محل الشعارات التقليدية في اللافقاريات، حيث يتحول نصف الموصلات ذات النطاق الواسع مع انخفاض الخسائر، مما يسمح للمتحولين بأن يكونوا أصغر وأخفر، ويحمل مضخة الموجات اللامعة 500 واحية باستخدام الـ GN ثلث وزن أي مكافئ مستعمل من الزعانف.

عمليات الكشف المسبقة والإدارة الحرارية

وبدلاً من الحالات المعدنية الثقيلة، يستخدم المصنّعون glas-reinforced nylon و]aluminum-magnesium alloys] for batler housings. These materials offer high strength-to- weightivity resistance, good the stamprmal conduct

البطاريات النموذجية

وبدلا من بطارية واحدة كبيرة، تستخدم الآن العديد من النظم المحمولة عبوات من الطوب المتحركة، وتحتوي كل مجموعة على نظام إدارة المباني الخاص بها ويمكن إضافته أو إزالته مثل لبنات البناء، مما يسمح للمستعملين بالبدء بقدرات أصغر (يقال 500 وه) ثم التوسع فيما بعد، وتصمم العبوات بحمل المناولة ويمكن تحميلها على حدة، بل إن بعضها قد أدمج موانئ من طراز USB لشحن الأجهزة المباشرة، وتشغيل مصارف.

تحسين المرافئ والموصلات

ويجري استبدال موصلات بولكي أندرسون أو الرابطة الوطنية للكهرباء بأجهزة اتصال مقفلة (مثلا، M8/M12) تستخدم في التشغيل الآلي الصناعي، وهي تعمل على التيار العالي (حتى 40 ألف) في مجموعة من المواد التي تمنع المياه وتمنع الاهتزاز، وتستعمل الكابلات نفسها عزلات السليكون التي لا تزال مرنة في درجات الحرارة دون الصفرية دون التشقق.

اعتبارات الأثر الحقيقي العالمي والمستعملين

وفي حين أن التكنولوجيا تتقدم، ينبغي للمشترين المحتملين أن يقيّموا كفاءة النظام إلى المجموع ]، وليس فقط الناتج الأقصى، فالتوربين الذي يمكن أن ينتج 200 وول في الريح 12 متراً لا فائدة منه إذا فقدت البطارية واللافقار 30 في المائة من تلك الطاقة، وتحقق النظم الحديثة الآن كفاءة في المراحل المستديرة (يصل معظمها إلى طاقة مأسرة) تبلغ 85-90 في المائة.

وثمة اعتبار آخر هو [(FLT:0]]peak power handling]. وغالبا ما تنتج التوربات الريحية الصغيرة زيادات قصيرة في الطاقة العالية؛ ويجب أن يكون الإمداد بالطاقة قادرا على استيعاب هذه الحالات دون أن تضاعف دوائر الحماية. وينبغي أن تبحث وحدات الإنتاج الذكية ذات المعدل القصير للفولطاضوئية، والصمامات السريعة المفعول، عن أقل وحدات الإنتاج من التربينات قدرة على تحمل 15٪.

وأخيراً، وقف إنشاء ] مسائل، فبعض نظم الرياح المحمولة تأتي الآن على رأسها ببطاقات ربط سريعة بين التربين والتحكم والبطارية، والوصلات المزودة باللوائح والتعليمات البسيطة تقلل من منحنى التعلم.() وتجعل تجربة المستعملين " تضبطها وتنساها " من الممكن الحصول على الطاقة المتجددة لمن لا يحملون هذه الطاقة، وهو أمر حاسم بالنسبة للتبني واسع النطاق.

الاتجاهات المستقبلية: ما هي الخطوة التالية في إمدادات الطاقة النادرة المحمولة

ويتواصل الابتكار بوتيرة سريعة، وهناك عدة اتجاهات ستشكل الجيل القادم من نظم التوربينات الريحية المحمولة:

تعليم الآلات لأغراض إدارة الطاقة الافتراضية

وسيجمع المتحكمون المتقدمون بين بيانات التنبؤ بالطقس المحلية (التي يتم الوصول إليها عن طريق الساتل LTE) وقياسات الرياح في الوقت الحقيقي للتنبؤ بساعات توافر الطاقة قبل ذلك، ويمكن للنظام أن يشحن البطارية قبل أن يُتوقع أن تكون هناك حاجة إلى التلويث، أو تلقائيا [(FLT:0)] أن يشحنها ] إذا اقتربت العاصفة (لخفض احتمال حدوث ضرر في المكونات).

نقل الطاقة اللاسلكية

ويمكن أن تؤدي رسوم الشحن القصيرة المدى إلى إزالة الحاجة إلى وصلات برقية مادية بين التربين والبطارية، وفي حين أن ذلك يؤدي إلى فقدان بعض الكفاءة (5-10 في المائة)، فإنه يقلل من ارتداء الوصلات ويبسط انتشارها في ظروف مبللة أو مغرية، وتوجد نماذج أولية للتربينات الدقيقة التي تشحن برقية محطة بطارية قريبة.

البطاريات المطبوعة والخلايا المرنة

وقد أظهر الباحثون في جامعة كاليفورنيا بطاريات رقيقة ومرنة يمكن إدماجها في نسيج البرجين أو حقيبة ظهر المستخدم، ويمكن أن تحول هذه " البطاريات الهيكلية " جزءا من توربين نفسها إلى تخزين للطاقة، مما يقلل من الوزن وزيادة القدرة، وفي حين أنه لا يتوقع بعد أن تكون البطاريات المرنة ذات قدرة تجارية، فإنه يتوقع أن تكون هناك دولة صلبة مرنة في غضون خمس سنوات.

توسيع نطاق الاعتماد في مجال الاستخدام الإنساني والعسكري

وتقوم الأمم المتحدة ومختلف المنظمات غير الحكومية بتجريب نظم رياح محمولة للمستشفيات الميدانية ومخيمات اللاجئين، وتحتاج هذه البعثات إلى قدر كبير من الموثوقية، وانخفاض الوزن، والقدرة على شحن الأجهزة الطبية، وستنخفض الابتكارات في إمدادات الطاقة التي تدفعها هذه التطبيقات العالية الاستعمال إلى منتجات المستهلكين في نهاية المطاف، فعلى سبيل المثال، تحتاج بعض الوحدات العسكرية الآن إلى أجهزة مراقبة " شاملة " للشحنات التي تقبل أي توربين الريح بين 100 و 1 كيلوواط وبدون تشكيلة يدوية - وهي سمة يمكن أن تصبح سمة عادية.

الاستنتاج: مصدر أكثر موثوقية، ومفيد ومجدد

إن الابتكارات المذكورة أعلاه - من البطاريات ذات الصلــة ومراقبي الطاقة الكهربائية الذكية إلى التكامل الهجين وأجهزة السحب - تحولت من رياح محمولة من قنابل الكهرومغناطيسية إلى حلول جدية وموثوقة للطاقة خارج الشبكة، وأصبح الإمداد بالطاقة، بمجرد التفكير بعد ذلك، هو محور تصميم النظام، مما يفرض على الرؤوس الريحية، ويزيد من الكفاءة، ويسهل استخدامها.