وتشكل النظم الميكانيكية الإلكترونية العمود الفقري للهياكل الأساسية الصناعية الحديثة، من خطوط التصنيع الآلية والجمعيات الآلية إلى محركات الكهرباء ونظم HVAC، ويمثل استهلاكها الجماعي للطاقة جزءا كبيرا من الطلب العالمي على الكهرباء، ولا يعد تحسين كفاءة هذه النظم شرطا اقتصاديا فقط لخفض التكاليف التشغيلية، بل أيضا عاملا حاسما في إزالة انبعاثات الكربون من القطاع الصناعي، كما أن الانجازات التكنولوجية الحديثة في مراقبة تقنيات الإنتاج الرقمي، وتقنيات تخزين النفايات.

استراتيجيات الرقابة المتقدمة

وكثيرا ما تعمل النظم الكهربائية الميكانيكية التقليدية في ظل معايير ثابتة أو مصممة يدويا للمراقبة، ونظرا لتقلبات ملامح الحمولة وظروف التشغيل، فإن هذا التقلب يؤدي إلى استخدام الطاقة دون المستوى الأمثل، وتتجاوز استراتيجيات الرقابة المتقدمة هذا التقييد بتمكين التكيف في الوقت الحقيقي والتنبؤ الأمثل، وهذه التقنيات تنتقل من مختبرات البحوث إلى محركات تجارية، ومراقبين للمحركات، وأجهزة توليد الطاقة الإلكترونية.

نموذج المراقبة الافتراضية

ويعتمد نموذج المراقبة الافتراضية على نموذج دينامي للنظام للتنبؤ بدول المستقبل على الأفق المحدد، وفي كل خطوة من خطوات المراقبة، يتم حل مشكلة الاستخدام الأمثل لاختيار مدخلات تتصل إلى أدنى حد بمهمة التكلفة تتصل بمعوقات استهلاك الطاقة أو تتبع الأخطاء - مع احترامها، ولأن لجنة البرنامج والتنسيق تقوم باستمرار بإعادة صياغة خطتها استنادا إلى أحدث القياسات، فإنها يمكن أن تتوقع حدوث تغيرات في استهلاك الطاقة وتكيفها مع سرعة استخدام الطاقة.

الرقابة التأديبية

وتُعدل نظم الرقابة التكييفية تلقائياً معايير التحكم الخاصة بها استجابةً للتغيرات في ديناميات النبات، وهذا أمر ذو قيمة خاصة في التطبيقات التي تتطور فيها اللبس الميكانيكي أو التباينات في درجات الحرارة أو الخواص المادية بمرور الزمن، فعلى سبيل المثال، في محركات السيارات الكهربائية، يمكن لمراقبي التكييف أن يعوضوا عن الارتفاع في حجم البطاريات وارتفاع درجات الحرارة، بما يكفل تشغيل أجهزة التوليد على نحو نقطة الذروة في ظل جميع ظروف القيادة.

الاستخبارات الفنية والتعلم في مجال تعزيز القدرات

وثمة حدود جديدة تتمثل في استخدام الاستخبارات الاصطناعية، ولا سيما التعلم في مجال التعزيزات العميقة، لتعلم سياسات الرقابة المثلى مباشرة من البيانات، وبدلا من اشتراط نموذج تحليلي دقيق، يتفاعل عملاء الشبكة مع النظام (أو محاكاة عالية الجودة) ويكتشفون استراتيجيات تقلل إلى أدنى حد من الاستخدام التراكمي للطاقة، وتظهر البحوث أن أجهزة التحكم القائمة على أساس RL يمكن أن تحقق كفاءة شبه متكاملة في نظم المحركات الهندسية المعقدة المتعددة العناصر، مثل أجهزة تكييف الآلية التقليدية.

استعادة الطاقة وتخزينها

إن القدرة على الطاقة التي ستُفرَد، لولا ذلك، كثيف حرارة أو ميكانيكية، هي أحد أكثر الطرق مباشرة لتحسين كفاءة النظام، إذ أن التقنيات الإبداعية ومكونات التخزين المتقدمة تسمح للنظم الكهروميكانيكية بإعادة استخدام الطاقة المسببة للصدمات أو الجاذبية أو غير المادية، وسلاسة ذروة الطلب، وخفض الطاقة الصافية المستمدة من الشبكة.

Regenerative Braking and Kinetic Energy Recovery

وتنشأ المكابح الإبداعية في المركبات الكهربائية والهجينة حيث تستعيد الطاقة الحركية أثناء التباطؤ من خلال إعادة تشغيل المحرك للعمل كمولد للطاقة الكهربائية وتخزن الطاقة الكهربائية المستعادة في البطاريات للاستخدام في وقت لاحق، وتطبق في البيئات الصناعية مبادئ مماثلة على الرافعات والمصاعد ومحركات الطاردات المركزية.

المكثفات والبطارية

ويعرض المكثفون )المعظمون( كثافة عالية جدا في الطاقة ودورات تخفيف الضغط السريع، مما يجعلهم مثاليين لعزل الطاقة في النظم التي تُعاني من متطلبات الطاقة القصيرة الأجل، وعندما يقترن ذلك ببطارية، يُعالج المكثف تيارات طفرة مثل بدء المحرك أو تجديده، ويخفض عدد مركبات الدفع الآلي التي تُسحب على البطاريات إلى أقصى حد.

تخزين الطاقة في الفلفل

وتخزن الطاقة الحركية في كتلة متناوبة مع وقفها على محملات مغناطيسية في إطار حجب فراغ، ويمكنها استيعاب الطاقة وإطلاقها بسرعة بما يتجاوز 85 في المائة من الكفاءة في استخدام الطاقة المتحركة، أما بالنسبة للنظم الميكانيكية ذات الدورات المتقطعة مثل الضغطات أو الريح أو المنسوجات - السائلة فتؤدي إلى حدوث خسائر في الميكانيكيين، وإلى سلاسة الحمولة.

المواد والمكونات الناشئة

وتخفض التحسينات في المواد المستخدمة في بناء السيارات والمحولات والإلكترونيات الكهربائية بصورة مباشرة الخسائر المقاومة والمغنطسية والميكانيكية، وأصبحت الابتكارات التي كانت تقتصر على الفضاء الجوي والفيزياء العالية الطاقة الآن صالحة تجاريا للصناعة العامة.

الموصلات الخارقة للطبيعة العالية

ولا توجد في المواد المجهزة بمواد التموين مقاومة كهربائية عند تبريدها تحت درجة حرارتها الحرجة، بينما لا تزال الموصلات فوق درجة الحرارة العالية الحرارة (مثل YBCO أو BSCCO) تعمل في درجات حرارة السائل (77 كاف)، التي يسهل تحقيقها أكثر من درجات الحرارة المحيطة بالنحاس والتي يحتاجها الموصلون التقليديون.

المغنيات الدائمة المتقدمة

وبالإضافة إلى ذلك، أصبحت المغناطيسات ذات الكفاءات العالية الكفاءة (النيوديوم - البرون أو NdFeB) المعيار الذي يتيح استخدام مواد عالية الكفاءة في استخدام الحركية المتزامنة، غير أن تقلب سلاسل الإمداد والشواغل البيئية قد حفزت على إجراء بحوث في البدائل، بينما تُبقي درجات جديدة من النسيج المتداخل مع سعة النطاق الحرجي المتجمدة على درجة عالية من الحرارة.

الهياكل المركبة للوزن الخفيف

كما أن خفض كتلة أجزاء النقل يقلل من العيادة والطاقة اللازمة للتعجيل والتباطؤ، كما أن البوليمرات المسببة للكربون والمتحررة من الكثافة والمركبات المتحركة تستخدم بصورة متزايدة للدوارات والزواحف والربط بين الأسلحة في الآلات العالية السرعة، وفي التطبيقات الفضائية الجوية والسيارات، يمكن أن تؤدي العناصر المركبة للضوضاء إلى خفض في حجم التناوب بنسبة 30 إلى 50 في المائة.

شركة " باور " الواسعة النطاق

أما أجهزة توليد الطاقة الكهربائية في السيليكون (SiC) وأجهزة النايت الصالة (GaN) فتحل محل أجهزة النسيج الدولي المغناطيسي والأشعة فوق البنفسجية في محركات السيارات ولافتاتها، وتخفض خسائر التحويل والتصريف، إلى جانب القدرة على العمل في ترددات أعلى، وتسمح بمكونات أقل سرعة، وتخفض متطلبات التبريد، وقد تبين أن أجهزة تصنيع البرمجيات ذات القاعدة تزيد من حيث الكفاءة.

رصد الذكاء، التشخيص، الاستخدام الأمثل

ولا تنتهي كفاءة الطاقة بتصميم المعدات؛ بل تتطلب استخبارات تشغيلية مستمرة، كما أن شبكات الاستشعار الحديثة، والحواسيب الحافة، ومنابر التحليل تسمح للمشغلين برصد تدفقات الطاقة في الوقت الحقيقي، وتحديد التدهور، والتدخل قبل تراكم الخسائر.

شبكة إنترنت للأشياء (IoT) ومحللي إدج

ويمكن أن تقوم أفرقة تجهيزات العصر بتجميع هذه البيانات، وفحص نماذج للآلات ذات الوزن الخفيف، مثل الاحتكاك، أو التضليل، أو التنبيه إلى تدهور الطاقة، على سبيل المثال، يمكن أن يضاهي ارتفاع درجة حرارة الجسم في درجة الحرارة العالية، أو أن يضاهي ارتفاعاً في درجة حرارة الريح أعلى من قيمة الألف.

التوائم الرقمية والصيانة الافتراضية

والتوائم الرقمي هو نسخة طبق الأصل من النظام المادي الذي يعكس حالته في الوقت الحالي، ومن خلال تحفيز السلوك الكهروميكانيكي في ظل الحمولة الحالية والظروف البيئية، يمكن للتوائم أن يتوقّع الأداء ويوصوا بمراكز التشغيل المثلى، كما أن خوارزميات الصيانة الافتراضية تحلل البيانات المستشعرة تاريخياً والوقت الحقيقي لتحسب الإخفاقات في العناصر مثل ارتدائه أو تدهوره إلى حد بعيد.

Data —Driven Energy Profiling

ويمكن أن تولد أدوات التحليل المتقدمة بيانات مفصلة عن استهلاك الطاقة لكل جهاز أو خط تصنيع، عن طريق ربط استخدام الطاقة بالجدول الزمني للإنتاج، والظروف المحيطة، وسجلات الصيانة، يحدد المشغلون الأسباب الجذرية للارتدادات والهالات، فمثلا يمكن اقتفاء أثر انخفاض كفاءة الضغط إلى مرشّح مُغلّف في الرش، الذي يُنظّف أيضاً معايير قياسية لقياس الأداء.

التكامل على مستوى المنظومة وتحقيق الاستخدام الأمثل

وفي حين أن التحسينات على مستوى العناصر ذات قيمة، فإن أكبر مكاسب الكفاءة تأتي في كثير من الأحيان من إعادة التفكير في هيكل النظام العام، ونادرا ما تكون النظم الميكانيكية الكهربائية معزولة؛ وهي تتفاعل مع إمدادات الطاقة وشبكات النقل ونظم الإدارة الحرارية.

Variable — Frequency Drives with Active Front Ends

أما حملات الترددات المتباينة فهي معيار لمراقبة السرعة المحركية، ولكن أجهزة الاستصلاح التقليدية ذات الست نبضات، التي تستخدم أجهزة إعادة التصحيح، وتسحب القدرة الاسترجاعية، وتستخدم أجهزة الاسترجاع ذات القدرة العجلية العاملة، أجهزة الاستجمام ذات السعة العالية، التي تستخدم أجهزة الاستصلاح ذات الشبكة العالية التي تعمل بالشبكة والتي تنظم ارتفاع عدد المركبات التي تستخدمها البلدان النامية والتي تقل عن 5 في المائة، وتخفض عوامل التدفق ذات الاتجاه المزدوج.

التصنيع الأمثل وإدارة القروض

وهناك الكثير من النظم الصناعية التي تبالغ فيها بسبب هامش التصميم المحافظ أو بدلات التوسع في المستقبل، كما أن السيارات والسيارات التي تعمل بشكل مفرط لا يتسم بالكفاءة عند تحميل جزئي، كما أن التقنيات مثل تقاسم الأحمال الدينامية - حيث توجد محركات أصغر متعددة توازيها تطابق الطلب الفوري - كل وحدة تعمل بالقرب من أفضل نقطة من حيث الكفاءة، وبالمثل، فإن تحديد مواعيد المعدات غير الحرجة التي تدار خلال ساعات العمل المتجهة إلى الحد من رسوم إدارة الطاقة المتكاملة.

نوعية الطاقة وتكييفها

ويمكن أن يؤدي ضعف نوعية الطاقة الكهربائية والانسجام والاختلالات في النظم الكهروميكانيكية للقوى إلى زيادة القدرة على توليد نفس الناتج الميكانيكي، وزيادة الخسائر المقاومة، وتركيب مرشحات متجانسة نشطة، ومقارنات ثابتة لأجهزة قياس التردد VAR، أو مكيفات موحدة لنوعية الطاقة، إلى تحسين الكفاءة العامة لنظام التوزيع الكهربائي، وعلى سبيل المثال، فإن تصحيح اختلال حرارة تبلغ 10 درجات مئوية من الدرجة الأولى يمكن أن يقلل من درجة الحرارة بمقدار ثلاثة.

النظر إلى الرأس: التكامل والتعظيم الذاتي

كما أن التقارب بين الضوابط المتقدمة والمواد الجديدة والاستشعار المتفشي يتيحان طبقة جديدة من النظم الكهروميكانيكية الذاتية التشغيل، وفي العقد القادم، يمكن أن نتوقع من المحركات الصناعية والمكتظين الذين يختارون بشكل مستقل أكثر أساليب التشغيل كفاءة استنادا إلى تسعير الشبكة في الوقت الحقيقي، ويرتدين الدولة، وأولويات الإنتاج، كما أن البحث في شبكات الاستشعار اللاسلكية وأجهزة الاستشعار ذات البصمات الكربونية يزيد من الحاجة إلى استخدام أدوات التشغيل المصغرة.

الموارد الخارجية لمزيد من القراءة: