وتشكل أجهزة الاستشعار عن بعد العمود الفقري لعلوم البيئة الحديثة، والزراعة الدقيقة، ومراقبة الدفاع، ورصد الهياكل الأساسية الحرجة، وترتبط القيمة التشغيلية لهذه الأجهزة ارتباطا وثيقا بقدرتها على العمل بشكل مستقل على فترات ممتدة دون تدخل بشري، وفي حين أن التعبئة الاستشعارية للبطارية، وحساب الحواف، وضغط البيانات المتطورة قد تحسنت بشكل كبير عملية تجهيز البيانات ونقلها، فإن أكبر حدا واحدا من مدة الانتشار يظل هو الحد الأقصى للتشغيل الحرجي.

رياليتي العملياتية: لماذا السلطة هي مضيق أساسي

إن فهم سبب كون الطاقة التحدي الرئيسي في الاستشعار عن بعد يتطلب نظرة دقيقة على الحقائق التشغيلية للنشر الميداني، وهذه القيود لا تغتفر وتؤثر مباشرة على نوعية البيانات وميزانيات المشاريع وسلامة الموظفين الميدانيين.

إمكانية الوصول إلى الموقع والمخاطر المتعلقة بالسلامة

وقد تم نشر العديد من منشآت الاستشعار عن بعد في مناطق حساسة إيكولوجيا أو خطرة جسديا أو مقيدة قانونا، وكثيرا ما يتطلب الوصول إلى هذه المواقع القيام بحملات تهوية متعددة الأيام أو دعم طائرات الهليكوبتر أو مركبات متخصصة من جميع المواقع، ويمكن أن تكلف زيارة موقعية واحدة لمبادلات البطاريات آلاف الدولارات في السوقيات والتصاريح والقوى العاملة، وفي أماكن البرية، تزيد كل زيارة من مخاطر اللقاءات أو الحوادث التي يتعرض لها البشر في الحياة، ويقلل من تواتر هذه الزيارات.

المُضيات البيئية وتحلل المكونات

ودرجات الحرارة القصوى هي عدو البطاريات القياسية، إذ أن درجات الحرارة الباردة تقلل بشدة من معدلات التفاعل الكهروكيميائي؛ ويمكن أن تفقد خلية ألكال قياسية أكثر من 50 في المائة من قدرتها القابلة للاستخدام عند - 18 درجة مئوية.

التكلفة الحقيقية للبطاريات الأولية

وكثيرا ما يكشف تحليل بسيط للتكاليف عن عدم كفاية البطاريات الأولية (المستخدمة في المغسلة) للنشر الطويل الأجل، وفي حين أن التكلفة الأولية لخلية أولية لليتام منخفضة، فإن سوقيات الشحن، والتخزين، والاستعاضة عن مئات الخلايا عبر شبكة الاستشعار الموزعة تصبح باهظة، كما أن التأثير البيئي يثير قلقا متزايدا، إذ أن التخلص من كميات كبيرة من البطاريات المستعملة في المواقع النائية لا يمكن عمليا،

الابتكارات الأساسية في توليد الطاقة

وتوفر التطورات في تكنولوجيات توليد الطاقة للمهندسين مجموعة من الخيارات أوسع نطاقاً لمواءمة مصادر الطاقة مع بيئات محددة من مناطق النشر، والهدف هو بناء نظام يمكن أن يُحصد بصورة موثوقة طاقة كافية لتلبية احتياجات الحمولة، حتى خلال فترات ندرة الموارد.

الجيل القادم من الفيزياء

أما الطاقة الشمسية فهي أكثر مصادر توليد الطاقة المتاحة استخداماً على نطاق واسع للاستشعار عن بعد، غير أن التكنولوجيا تتقدم بسرعة إلى ما يتجاوز لوحات البوليسترالينات القياسية، حيث أن درجة الحرارة العالية في مجال إنتاج المواد الكلورية (الخامسة والخلية الحمراء) قد تزيد بشكل منتظم على 22 في المائة من الكفاءة، وتستخرج الطاقة القصوى من مساحة سطحية محدودة.

الهندسة المهجورة

إن التحول إلى مصدر واحد من مصادر الطاقة يخلق مخاطر كبيرة، فالنظام الشمسي الوحيد يفشل خلال فترات الغيوم الممتدة، ونظام الرياح فقط يفشل في حالة الطقس الهادئ، وتجمع النظم الهجينة بين مصدرين أو أكثر من مصادر الطاقة الذكية لتوفير إمدادات الطاقة على نحو أكثر اتساقاً وموثوقية، وتتكون تشكيلة مشتركة من أجهزة توليد الطاقة الكهربائية ذات التردد المتوسط من مجموعة من الطاقة الشمسية ذات الريح الصغيرة.

خلايا الوقود الصغيرة للطاقة العالية الدقة

أما بالنسبة للشحنات العالية الطاقة، مثل الرادار النشط، وشركة ليدار، أو وصلات الاتصالات الساتلية ذات التردد العالي، فإن النظم الشمسية والريحية وحدها قد تكون غير كافية أو أكثر من اللازم، كما أن خلايا الوقود الصغيرة الحجم، ولا سيما خلايا الوقود المباشرة التي تستخدم في البطاريات المتعددة الوقود، وخلايا الوقود المحتوية على بروتون للتبادل تعمل على الهيدروجين، توفر كثافة عالية نسبيا من الطاقة.

تعلم المزيد عن البحوث المتقدمة في مجال التصوير الفلكي في NREL .]

السلف في مجال تكنولوجيات تخزين الطاقة

إن مصرف البطاريات هو قلب نظام الطاقة الاستشعارية عن بعد، ويجب أن يكون قادرا على التدوير يوميا لسنوات، ويعمل بأمان تحت درجات الحرارة القصوى، ويوصل انفجرات عالية من التيار الكهربائي لحدث نقل البيانات.

The Rise of Lithium Iron Phosphate (LiFePO4)

وأصبح ليفيبو 4 الكيمياء المفضلة لتطبيقات الاستشعار عن بعد الثابتة، بينما تكون مزاياه على مستوى ليثيوم -يون (ليكو - 2) وحامض الرصاص كبير، ويوفر ليف - 4 استقرارا حراريا ممتازا، مما يعني أنه أقل عرضة للطرق الحرارية أو الحريق، وهو عامل أساسي في السلامة بالنسبة للمنشآت غير المجهزة، ويوفر قدرا أكبر من الكفاءة في استخدام الطاقة قدره 000 2

Solid-State and Sodium-Ion Batteries

وتعود البطاريات ذات الوضع الصلب إلى المستقبل بتحسين درجة التغير في كثافة الطاقة وسلامتها، وباستبدال الكهروليت السائل بجهاز انفصالي صلب، يمكن لهذه البطاريات أن تحزم المزيد من الطاقة في حجم أصغر، وأن تزيل مخاطر تسرب الكهروليت أو تجميده، كما أن البطاريات ذات القدرة العالية على الصعود هي تكنولوجيا ناشئة أخرى.

المكثفات العليا لإدارة طاقة بورست

ويتطلب نقل البيانات، ولا سيما عن طريق نماذج ساتلية مثل إيريديوم أو BGAN، نبضات جارية عالية تستغرق عدة ثوان، ويمكن أن تؤدي هذه النبضات إلى انخفاض كبير في البطارية، مما قد يؤدي إلى إعادة تشغيل نظام أو إغلاق تحت الضغط، ويعمل المكثفون كعازف مثالي لهذه الأحداث، ويحققون الانفجار السريع المرتفع، ويحميون البطارية وييسرون إمدادات الطاقة.

Explore the latest developments in solid-state battery technology from IEE Spectrum.]

تسخير الطاقة من بيئة النشر

وبالإضافة إلى الطاقة الشمسية والريحية المكرَّسة، تتيح التكنولوجيات الناشئة لجمع الطاقة للمهندسين الحصول على كميات دقيقة من الطاقة الكميّة، أو تمديد فترة النشر بفعالية، أو خفض الاحتياجات من حجم البطاريات.

مولدات كهربائية حرارية

ويمكن أن يتحول هذا النوع من الاختبارات إلى أصناف من درجات الحرارة مباشرة إلى الطاقة الكهربائية، وبالنسبة للاستشعار عن بعد، فإن هذا ينطبق بدرجة كبيرة، إذ يمكن أن يجني جهاز رصد الأحافير الطاقة من الفرق بين التربة الجوفية الدافئة والهواء البارد، ويمكن أن يجني مرصد العمليات الصناعية الطاقة من أنبوب ساخن، إذ أن الفرق بين خامس وعشر درجات مئوية يكفي لتوليد الطاقة الكهربائية المصغرة التي تنقل القراءات غير المتكررة.

Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerators (TENGs)

وقد تحول محصولو الطاقة الكهربائية إلى كهرباء، وهي مناسبة تماما لرصد بيئات عالية النشاط مثل الجسور أو الآلات الصناعية، كما أن المسببات التريبية للمرض غير المتجانسة كانت ابتكارا أحدث في مجال جني الطاقة الميكانيكية المنخفضة التردد، مثل شبكات الريح، أو حركة الأشجار، أو موجات المياه.

RF Energy Harvesting

وفي البيئات الحضرية أو شبه الحضرية، فإن طاقة الترددات اللاسلكية المحيطة من الأبراج الخلوية، وموجهات الواي فاي، والتلفزيون الاذاعي، وفرة، ويمكن لدوائر جمع الطاقة التابعة لمؤسسة ريال أن تلتقط هذه الطاقة الضالة وتتحولها إلى طاقة مائية قابلة للاستخدام، وفي حين أن الطاقة المتاحة محدودة، فإنها يمكن أن تكون كافية للمستشعرات البيئية الداخلية أو لتوسيع الوقت الاحتياطي للأجهزة المنتشرة بالقرب من البنية التحتية.

Read a comprehensive review of energy harvesting technologies for IoT devices.]

إدارة الطاقة الذكية ومراقبة البرمجيات

ولا تكفي إدارة البرامجيات الذكية، وهي ضرورية لاستخراج القيمة التشغيلية القصوى من ميزانية الطاقة المتاحة.

الواجبات الإضافية

وتتمثل أكثر الطرق فعالية لتمديد مدة الانتشار في خفض متوسط استهلاك الطاقة، ويتيح التدوير التصحيحي للأجهزة الاستشعار أن تعدل دينامية معدل أخذ العينات ونقلها استنادا إلى الطاقة المتاحة، وعندما تكون البطارية محملة بالكامل، يمكن للمجس أن ينقلها على أعلى مستوياتها، ونظرا لأن معدل ضربات الرصاص، فإن البرمجيات تقلل بشكل تدريجي معدل أخذ العينات، وتعطي الأولوية لبيانات البقاء (مثلاً لحجم البطاريات ودرجات).

ميزانية الطاقة الافتراضية

ويمكن أن تتضمن برامج الاستشعار عن بعد الحديثة الميزنة التنبؤية للطاقة، إذ إن النظام، بتحميل توقعات الطقس المحلية عن طريق وصلة ساتلية أو تحليل الاتجاهات الحديثة في مجال الشحن الشمسي، يمكن أن يتوقع فترات من الجيل المنخفض (مثلا الأيام الغائمة)، ثم يخفض استهلاك الطاقة بصورة استباقية قبل أن ترتفع البطارية، بدلا من الاستجابة لحالة منخفضة من الشحنات، وهذا النهج التنبؤي يوفر عملية أكثر استقرارا ويقلل من فترات التوقف غير المتوقعة.

النشرات والدراسات الإفرادية في العالم الحقيقي

وأفضل دليل على فعالية هذه الابتكارات هو دراسة عمليات النشر الناجحة الطويلة الأجل في البيئات المتطلبة.

تعقب الحياة البرية في الغابات المدارية

إن نشر شراك الكاميرات والمجسات الصوتية في الغابات المدارية الكثيفة يشكل تحدياً كبيراً للطاقة الشمسية، ويستوعب الكانوب معظم ضوء الشمس، ويخلق بيئة مشرقة عميقة، مشاريع مثل تلك التي تديرها

بؤرة المحيط والمياه العذبة

فالبيئات البحرية متآكلة ونائية، إذ يجب أن تعمل طوافات الرصد البيئي لسنوات عديدة، وقد قام المركز الوطني لبوي البيانات بدور رائد في النظم الهجينة التي تجمع بين الألواح الشمسية وخلايا الوقود الهيدروجينية، وخلال الصيف، تُعالج الطاقة الشمسية، وخلال أشهر الشتاء المظلمة في خطوط العرض العالية، توفر خلية الوقود الطاقة المستمرة، وقد مدد هذا النهج الهجيني من ستة أشهر.

رصد الزلازل في مناطق الألب والصحر

وكثيرا ما تنتشر صفائف الاستشعار السيزمي لرصد الزلازل عبر مشهدات واسعة أو قاحلة أو مرتفعات جبلية عالية الارتفاع، ويمكن للعواصف الدافئة في الصحراء وتراكم الثلج في الجبال أن تحجب الألواح الشمسية لأسابيع، وفي هذه البيئات، تقوم النظم الهجينة التي تجمع صفائف الشمسية التي تزيد فيها طاقتها والتي تحتوي على تربينات صغيرة، وتوفر بطاريات صلبة عالية القدرة نظما للارتداد استثنائية.

مستقبل الاستشعار عن بعد المستقل

إن مسار نظم الطاقة الاستشعارية عن بعد هو نحو الاستقلال الذاتي الكامل للطاقة، إذ أن التقارب بين الأجهزة الالكترونية ذات الطاقة المنخفضة، مثل وحدات القدرة المتوسطة الأجل، وأجهزة التصنيع المقارن في الذاكرة، مع تكنولوجيات متقدمة لجمع الطاقة وتخزينها، يمكن أن يتيح عمليات النشر المتعددة السنوات، غير المجهزة، التي اعتبرت مستحيلة قبل عقد من الزمن.

خاتمة

إن القدرة الموثوقة هي العامل الوحيد الأكثر تقييدا في نشر البنية التحتية للاستشعار عن بعد في الأجل الطويل، ويستلزم النجاح في التصدي لهذا التحدي اتباع نهج هندسي رفيع المستوى ، وهو نهج يُدمج توليد الطاقة الكهرمائية العالية الجودة (الجيل الخارجي، والخليجات الدقيقة، والوقود)، والتخزين القوي (البرنامج الفرعي 4، البرمجيات ذات الجودة العالية)