إن نظم الإشارة بالسكك الحديدية هي عنصر أساسي في عمليات السكك الحديدية المأمونة والفعالة، حيث تتحكم هذه النظم في تحركات القطار، وتمنع الاصطدامات، وتتأكد من الحفاظ على الجداول عبر شبكات واسعة ونائية أحيانا، وتُستخدم إشارات السكك الحديدية عادة في الربط بالشبكة الكهربائية أو من خلال البطاريات الأولية في المواقع التي لا يمكن فيها الوصول إلى الشبكة، ويمكن أن تكون الاتصالات المظلمة باهظة الثمن في تركيب وصيانة النفايات السوقية، ولا سيما في المناطق الريفية أو الجبلية.

ما هي تكنولوجيات تسخير الطاقة؟

ويُشار إلى عملية جمع الطاقة، المعروفة أيضاً باختطاف الطاقة، في عملية استيعاب وتحويل كميات صغيرة من الطاقة المرنة من المناطق المحيطة إلى طاقة كهربائية صالحة للاستخدام، وكثيراً ما يكون الهدف هو أجهزة الاستشعار ذاتية الطاقية، أو أجهزة الاتصال، أو النظم الإلكترونية المنخفضة الطاقة دون الحاجة إلى وصلات سلكية أو تغييرات متكررة في البطاريات، وفي سياق الإشارة إلى السكك الحديدية، يمكن أن يوفر جني ميزات الطاقة الطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيل أجهزة الإنذار بالأشعة الإشارات،

وتولد حركة المرور التدريبي ذبذبات ميكانيكية، وتغيرات في الضغط الجوي، وميادين الكهرومغناطيسية، وكثيرا ما تكون الشمس متاحة على امتداد أجزاء المسارات المعرضة، وتختلف درجات الحرارة بين الأرض والهواء، أو بين مكونات السكك الحديدية، وتستخدم مجموعة من آليات التحويل مثل استمارات الثلوج الكهربائي، والكهرباء الكهربائية، والكهربائية، والكهرباء، والفولطية.

Key Energy Harvesting Technologies for Rail Signals

وقد تم تطوير واختبار عدة تكنولوجيات متميزة لجمع الطاقة خصيصا لتطبيقات السكك الحديدية، وكل منها يستعمل مبدأ مادي مختلف ويلائم على أفضل وجه ظروف معينة للسكك الحديدية، مثل خطوط الموج العالية، أو خطوط الفروع النائية، أو المناخات المشمسة، وتشمل الفئات الأكثر بروزا المحصولين القائم على الاهتزاز، والأجهزة الفطيرة الكهربية، والألواح الشمسية، ونظم التعقيم الكهرومغناطيسي.

Vibration Energy Harvesting

وتشهد مسارات السكك الحديدية والهياكل الأساسية المحيطة بها يقظة ميكانيكية مستمرة بسبب مرور القطارات، وهذه اليقظة غنية بالطاقة الحركية، التي يمكن أن تلتقط بواسطة أجهزة تحول الحركة الميكانيكية إلى كهرباء، وعادة ما تتألف محصولات الطاقة الميكانيكية من نظام لدب المحركات الكهربية في فصل الربيع، مقترنة بمنتج كهربائي، ومع مرور القطارات، وتشكيلات التجميلية، والحركة النسبية في السكن

وقد أظهرت البحوث أن مستويات اليقظة على مسارات السكك الحديدية يمكن أن تكون كبيرة، حيث تصل سرعة الضخ إلى عدة أمتار لكل متر مربع، ولا سيما في الاتجاه الرأسي، حيث أن الترددات المتردية للحصاد لا يمكن أن تضاهي الترددات المهيمنة على المسارات المهيمنة (من 10 إلى 30 هرتز بالنسبة للقطارات القياسية) يمكن أن تولد الأجهزة نواتج غير مؤثرة في نطاقات الأسرار.

Piezoelectric Energy Harvesting

وتنتج المواد الانشطارية الخاصة بالبيزويز شحنة كهربائية عند التعرض للإجهاد الميكانيكي، وفي بيئة السكك الحديدية، يسبب وزن وحركة القطارات ضغوطاً شديدة الضغط والإقراض في السكك الحديدية والأوعية، حيث أدى دمج متحولات فائقة العجلات (التي يقودها عادة تيتانات الزركنة أو تركيبات الفلوريد البوليفينيلدينية الفرعية في مسارات الميكانيكية)

ويمكن تصميم محصولات المركبات الفضائية على أنها أجهزة مكدسة (الأجهزة المستخدمة في الضغط) أو على شكل شعاعات متحركة تنشط، وعندما تمر القطارات، فإن تضخم السكك الحديدية يتجه نحو المحصول ويولد شحنة، كما أن العجلة الوحيدة التي تُنتج مئات من الفطائر المتحركة في كل يوم، مما يؤدي إلى حدوث تغييرات كبيرة في تصميمات الطاقة المتحركة.

الطاقة الشمسية لعلامات وايدسايد

إن جمع الطاقة الشمسية باستخدام الألواح الضوئية هو أكثر مصادر الطاقة المتجددة نضوجاً وانتشاراً على نطاق واسع في إشارة السكك الحديدية، وفي مناطق كثيرة، تُبث بالفعل إشارات جانبية في المناطق النائية بواسطة لوحات شمسية تشحن بنك للبطاريات، وتُعد التكنولوجيا مباشرة: تحول الألواح المكلورة من الفلائق الضوئية ضوء الشمس إلى كهرباء حالية مباشرة، وتُنظم وتخزن في البطاريات أو كبائن للاستعمال أثناء الليل أو فترات السحاب.

وتكمن ميزة الطاقة الشمسية في البساطة والتقسيم، إذ تتطلب الألواح الشمسية الحد الأدنى من التنظيف لفترة الصيانة والاستعاضة في نهاية المطاف عن البطاريات، ويمكن تهيئتها لتلبية احتياجات الطاقة من إشارات محددة، كما أن أجهزة الإنذار الحديثة والبوليكراتلين تحقق كفاءة التحويل بنسبة تتراوح بين 18 و22 في المائة، بل وفي خطوط العرض الشمالية التي تستخدم فيها أجهزة إعادة التكرار الأقل شمساً.

غير أن الطاقة الشمسية لها حدود: فهي تعتمد كليا على توافر ضوء الشمس، الذي يمكن أن يتأثر بالطقس، والتغير الموسمي، والنباتات، وفي القطع العميقة، أو الأنفاق، أو المناطق المظللة، قد لا تولد الألواح الشمسية طاقة كافية، ومن أجل التصدي لذلك، فإن العديد من نظم الإشارات الحديثة ذات الطاقة الشمسية تتضمن الحد الأقصى لتتبع نقاط القوة الكهربائية ونظم تخزين الطاقة التي يمكن أن تستمر في التشغيل من خلال فترات موسعة من الموثوقية.

Eectromagnetic Induction from Train Passage

وعندما يمر القطار عبر المسار، فإنه يخلق اضطراباً ميدانياً مغناطيسياً متحركاً بسبب العجلات المعدنية والتفاعل مع هيكل المسار، ويمكن لمنتجي الأشعة المغناطيسية أن يلتقطوا الطاقة من هذا التدفق المغنطيسي المتغير، وهذه الأجهزة عادة ما تتألف من سلك ومغناطيس، يتم ترتيبها بحيث يتم تعديل الحركة النسبية بين الفحم والميدان المغناطيسي الذي يقوم به ممر القطار الحالي.

في البداية، مولد خطي يوضع بين السكك الحديدية و النائم حيث ينتقل العمود الفقري للسكك الحديدية تحت وزن القطار إلى مغناطيس من خلال سكينة، في الثانية، يتم تركيب قمرة صغيرة بالقرب من السكك الحديدية، و الكتلة المعدنية في القطار المُرور تُغير التردد المغناطيسي،

مزايا تسخير الطاقة لأغراض نظم الإشارات السكك الحديدية

ويتيح اعتماد تكنولوجيات جمع الطاقة طائفة من الفوائد تتجاوز وفورات الطاقة البسيطة، وهذه المزايا تحول كيفية تعامل مشغلي السكك الحديدية مع الهياكل الأساسية للطاقة.

انخفاض تكاليف الصيانة والتشغيل

ومن أهم الفوائد إلغاء استبدال البطاريات المتكررة، إذ تتطلب الإشارات التقليدية التي تعمل بالبطارية في المناطق النائية تقديم خدمات دورية لمسح الخلايا المنضبة، التي تنطوي على تكاليف السفر والعمل والسوقيات، كما أن نظم جمع الطاقة، لا سيما تلك التي تقترن ببطارات قابلة للتغذية أو بمكثفات مشرفة، يمكن أن تعمل لسنوات دون تدخل بشري، وبالنسبة لشبكات السكك الحديدية التي تتسع آلاف الكيلومترات، فإن هذه الوفورات في التكاليف قد تُذكرت.

الاستدامة البيئية

ويمكن لمشغلي السكك الحديدية، عن طريق استخلاص الطاقة الكهرمائية، أن يقللوا بدرجة كبيرة من آثار الكربون، وقد تستمد الإشارات المرابطة بالجرعات كهرباء من محطات توليد الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري، بينما تولد الإشارات التي تعمل بالبطارية نفايات من الطحالب المهزومة أو البطاريات المحتوية على الرصاص، كما أن جمع الطاقة يزيل هذه الأعباء البيئية.

Enhanced Reliability in Remote and Harsh Environments

وكثيرا ما تجتاز شبكات السكك الحديدية صحاري وجبال ومواقع نائية أخرى حيث يكون توسيع شبكة الطاقة باهظ التكلفة، ويمكن أن توفر نظم جمع الطاقة قدرة مستقلة على الإشارة، ومراقبي العبور، والمجسات البيئية في هذه المناطق، ولأنها لا تعتمد على شبكة مركزية، فإنها محصنة على مسافات الشبكة وتقلبات النطاقات الفولطية، وفي البيئات القاسية (البرد الشديد، والحرارة، والغبار، والثلج)

القابلية للتسويق والوحدة

ويمكن أن تكون حلول جمع الطاقة مناظرة إلى حد كبير، حيث يمكن لفرقة شمسية واحدة أو لقلة من محصولي الاحترار أن تبث إشارة صغيرة؛ ويمكن للصفوف الأكبر أن تتحول إلى نظم متشابكة أو رموز اتصالات، وتتيح هذه القدرة على التصعيد لمشغلي السكك الحديدية نشر مجموعات تدريجية، بدءاً بأبعد المواقع أو بمواقع يمكن أن تكون فيها التكلفة، كما أن التكنولوجيا تتكامل مع الاتجاه الأوسع نحو جنيد الطاقة في الأشياء (IoT) والهياكل الأساسية الأذكية.

التحديات والنظر في المسألة

ورغم الإمكانات الواضحة، فإن جمع الطاقة لأغراض إشارات السكك الحديدية ليس بدون تحديات، فهم هذه القيود أمر حاسم الأهمية للنشر الناجح.

التدخُّل وتخزين الطاقة

إن معظم مصادر الطاقة المحيطة متقطعة، فالكهرباء الشمسية لا تتوفر إلا أثناء النهار وتتفاوت مع الطقس؛ ولا تنتج أجهزة الاستهزاء والتحجير الطاقة إلا عندما تجتاز القطارات، ولا بد من تخزين الطاقة إلا في ظل وجود ظروف متطورة من حيث القدرة على توليد الطاقة، كما أن المكثفات توفر القدرة على التزود بالكهرباء على مدى الحياة، وتسمح بدرجة حرارة كبيرة بتدني كثافة الطاقة عن البطاريات.

كفاءة تحويل الطاقة

وتتوفر تكنولوجيات جمع الطاقة الحالية على قدر محدود من الكفاءة في التحويل، إذ تبلغ ذروتها نحو 22 في المائة، بينما لا تحقق معابر الفطائر وأجهزة استخلاص الطاقة إلا نسبة 10 إلى 30 في المائة من الكفاءة في تحويل الطاقة الميكانيكية إلى الكهرباء، وقد تكون نظم التحفيز المغناطيسي أكثر كفاءة بقليل، ولكنها لا تزال تعمل بأقل من 50 في المائة، مما يعني أن الحجم المادي للمنتجين يجب أن يكون كبيرا نسبيا لالتقاط الطاقة الميكانيكية الكافية (التي يمكن أن تكون مصممة)

تكاليف التجهيز الأولي والسوقيات العائدة

فتركيب نظم جمع الطاقة، لا سيما على المسار الحالي، ينطوي على نفقات رأسمالية أولية، وتتطلب الألواح الشمسية زيادة هيكلية وربما خياطة لجرعات الكابلات، ويجب أن يُلحق محصولوّات الاحتراز والتجارب الحادة على المسار، مما يتطلب في كثير من الأحيان حيازة خط العمل وعماله المتخصص، ويمكن أن تشكل التكلفة الأولية بالنسبة للعديد من مشغلي السكك الحديدية حاجزا، حتى لو كانت تكلفة التصنيع الإجمالية لمركبات الإنتاج منخفضة تدريجيا.

الموثوقية والطول البيئي

إن بيئات السكك الحديدية قاسية: فالإهتزازات، ودرجات الحرارة القصوى، والمياه، والجليد، والغبار، والتلوث الكيميائي من غبار الفرامل ومواد التشحيم، كلها عوامل تحد، ويجب أن تكون أجهزة جمع الطاقة مقفلة، ومقاومة للتآكل، كما أن عناصر البيزوتريك يمكن أن تنهار تحت ضغط شديد متكرر؛ ويمكن أن تتضرر الألواح الشمسية من جراء الحرق أو التخريب؛ ويمكن أن تؤدي الاتصالات المصممة إلى تضاؤم.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الصناعية

ويعجل التقارب بين التقدم التكنولوجي والضغط التنظيمي وخفض التكاليف باعتماد حصاد الطاقة في الإشارة إلى السكك الحديدية، وهناك اتجاهات عديدة ترسم المشهد المستقبلي.

النظم الهجينة والتعددية

ولا توجد تكنولوجيا واحدة لجمع الطاقة هي رصاصة فضية، حيث أن أكثر النظم الموثوقة تجمع بين مصدرين أو أكثر، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تكون الإشارة الجانبية ذات الطاقة الشمسية أساسا، ولكنها تشمل محصولا صغيرا من الطاقة الحية يوفر الطاقة في الليل عندما تمر القطارات، ويقلل من القدرة على البطارية، وهناك هجين آخر مشترك هو الطاقة الشمسية بالإضافة إلى تربة صغيرة من الرياح للممرات الريحية، كما أن أجهزة التحكم في إدارة الطاقة الهجينة التي تتحول بين المصادر المتاحة على نحو غير متاح.

التكامل مع سكك الحديد الذكية وشبكة إيوت

جني الطاقة يتوافق تماما مع حركة صناعة السكك الحديدية نحو الرقمي، أجهزة الاستشعار اللاسلكية ذات الطاقة المنخفضة لرصد درجة حرارة السكك الحديدية، وتشريد المسارات، والتوقيعات الصوتية، وصحة العجلات يمكن أن تُزودها محصولات الطاقة المحلية، وإلغاء الحاجة إلى تغيير التموين والبطارية، وتغذي هذه أجهزة الاستشعار بيانات عن مدى جدوى استخدام أجهزة التحليل السحابي، مما يتيح الصيانة المتوقعة وصنع القرار في الوقت الحقيقي.

المبادئ التوجيهية للتوحيد القياسي والصناعة

ومع نضج جمع الطاقة، تقوم هيئات معايير السكك الحديدية بوضع مبادئ توجيهية للأداء والسلامة والتشغيل المتبادل، وعلى سبيل المثال، بدأ الاتحاد الدولي للسكك الحديدية والمنظمون الوطنيون بإصدار توصيات بشأن الإشارات التي تعمل بالطاقة الشمسية والنظم القائمة على الاهتزاز، وسيساعد توحيد المعايير على الحد من عدم اليقين في التصميم، وتحسين قابلية المكوِّنات للتبادل، وتسريع الموافقة التنظيمية، كما سيوفر إطارا للمصنِّعين المناسبين للاعتراف بمنتجاتهم.

البحث في المواد والنظم المتقدمة

أما البحوث الجارية فيسعى إلى زيادة كثافة الطاقة وقابلية جني المحاصيل، وبالنسبة للأجهزة الفائقة الكهربية، فإن التركيبات الخاليـة الجديدة من الرصاص والمركبات المتعددة الأطراف تبشر بزيادة الإنتاج وزيادة المرونة، أما بالنسبة للتحوط الكهرومغناطيسي، فإن الترتيبات المغنطية الجديدة التي تستخدم المغنطيسيات العالية الطاقة النادرة يمكن أن تزيد من الربط بين المحركات المتطورة.

السياسات والسائقون الاقتصاديون

وتقوم الحكومات في جميع أنحاء العالم بوضع أهداف طموحة لاحتقار الكربون وتحفيز البنية التحتية الخضراء، ويتزايد الطلب على مشغلي السكك الحديدية للإبلاغ عن الانبعاثات وخفضها، ويوفر جمع الطاقة مسارا مباشرا لتطهير شبكات الإشارات والرصد دون المساس بالأداء، وفي العديد من الولايات القضائية، تتاح المنح، والائتمانات الضريبية، أو الإعانات لمنشآت الطاقة المتجددة، بما في ذلك نظم السكك الحديدية التي تعمل بالطاقة الشمسية)١٥(.

خاتمة

وتتجه تكنولوجيات جمع الطاقة إلى إعادة تشكيل هيكل الطاقة في نظم الإشارة بالسكك الحديدية، إذ أن هذه النظم، بتحويل الطاقة الميكانيكية الشمسية والكهربائية إلى كهرباء، يمكن أن توفر قدرة موثوقة ومستدامة وفعالة من حيث التكلفة لمعدات الأمان الحرجة، حتى في المواقع النائية، وفي حين أن تحديات التداخل والكفاءة والتكلفة الأولية لا تزال قائمة، وتتحقق أوجه التقدم السريع في المواد، وتتكامل أجهزة جمع الطاقة الكهربائية، وتتغلب على تصميم الهياكل الأساسية غير المستقرة.