מכשירים מדעיים מרוחקים לעתים קרובות פרוסים בחלק מההמקומות הבלתי נגישים ביותר על פני כדור הארץ – מהשטחים הקפואים של אנטארקטיקה ועד למעמקי המעמקים המחץ של רצפת האוקיינוס, ומפסגות ההרים המיושבים על ידי רוחות אל המדברים השמש.במקומות אלה, חיבור רשת אמין הוא פשוט אופציה של ניהול אנרגיה מרחוק, הצלחה של משימות מדעיות ארוכות טווח על מערכות כוח שיכול לפעול באופן אוטונומי במשך חודשים או אפילו עיצוב עצמי של רכיבים אלה, ללא שינוי כוח.

מערכות חשמל אוטונומיות

מערכת כוח של שימור עצמי חייבת לשלב כמה בלוקים פונקציונליים שעובדים יחד כדי ללכוד, לאחסן, להסדיר ולספק אנרגיה באופן אמין בתנאים קשים.

מקורות אנרגיה מתחדשת

הקלט העיקרי של מערכות מרוחקות ביותר מגיע ממקורות מתחדשים.פאנלים סולאריים Photovoltaic (PV) הם הנפוצים ביותר בשל העלות המידרדרת שלהם, אמינות מוצקה של המדינה, והיקף מזג אוויר טיפוסי יכול להשתמש 300-500 W השמש מצמד טורבינות רוח קטנה כדי ללכוד אנרגיה במהלך ימי הקיץ ארוכים.

אחסון אנרגיה

אחסון אנרגיה מגשר הפער בין דור וצריכה, במיוחד במהלך תקופות של פלט מתחדשים נמוך (לילה, אוויר רגוע, חורף חושך) סוללות ליתיום מתקדם הם תקן הנוכחי עבור מכשירים מרוחקים בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם, חיי מחזור ארוכים, וטעון עצמי נמוך.עבור סוללות קרות קיצוניות, מיוחד זמניות שטוחות תאי ליתיום או supercapacitors עשוי לשמש; supercapacitors מצטיינים באספקת חשמל גבוה של מיליוני ימים, אך לעתים קרובות לשרוד את נפח אנרגיה גבוה יותר של אנרגיה, אך פחות צפוי של מחזורי דם גבוה יותר, אך פחות.

ניהול חשמל ותקנות

מערכת ניהול חשמל מבוססת מיקרובקר (PMS) היא המוח של ההתקנה.זה מבצע מעקב מקסימלי של נקודת כוח (MPPT) עבור לוחות סולאריים, מסדיר סוללות טעינה למנוע מתח או פריקה עמוקה, וממיר מתחים כדי להתאים לדרישות המכשיר (למשל, 12 V, 24 או 48 V DC).

גיבוי ו Redundancy

שום מקור מתחדש יחיד הוא אמין 100%.מערכת שימור עצמי חזקה כוללת גיבוי או אלמנטים היברידיים. תאי דלק קטנים (למשל, methanol או מימן) יכול לספק כוח חירום במשך שבועות אם השמש והרוח נכשלים לחלוטין. לחלופין, בנק סוללות משני המוקדש לעומסים קריטיים (כמו יומן נתונים) יכול להבטיח כי לפחות נתונים חיוניים לא אבודים.

שיקולים עבור מחסומים מרוחקים

תכנון מערכת כוח עצמאית היא לא רק עניין של התאמת פאנל סולארי וואטג' לטעון.ההגבלות הייחודיות של מיקומים מרוחקים לכפות על פעולות מסחר קריטיות שיש לטפל בהן מוקדם בתהליך ההנדסה.

קיצונים סביבתיים

קיצוניות טמפרטורה משפיעות על כל רכיב.קור מפחית את יכולת הסוללה ומגדיל את ההתנגדות הפנימית; חום מאיץ את ההשפלה של לוחות אלקטרוניקה ו- PV. Humidity, תרסיס מלח, וחול יכול לקשור מחברים ולהקטין את ההתנגדות בידוד.מעצבים חייבים לבחור רכיבים מדורגים עבור הסביבה הספציפית - לדוגמה, ציפוי קונפורטיבי על לוחות מעגלים, מחברים חתומי חום עבור סוללות בתנאים קוטביים, אבק על ידי 20 גרם חום (אובייט) יכול גם כן, ניקוי מגנטיים אוטומטיים של סוללות.

הערכה של טעינה

המערכת כולה מבוססת על פרופיל צריכת האנרגיה של המכשיר.כל חיישן, בקר, מודול תקשורת, ומבצע חייב להיות אחראי, כולל תחזיות סטארט-אפ וזרמים של חומרת שומן.זה נפוץ כדי להמעיט בזרם הסקיזנט בגלי נתונים או טרנזוור אלחוטיים, המוביל לאחסון בינוני בלבד.

תחזוקה מינימלית

גישה מרחוק היא יקרה ולעתים מסוכנת.טיסת מסוק לתחנת הרים יכולה לעלות אלפי דולרים, וביקור באונייה ב- buoy האוקיינוס דורש חלונות מזג אוויר טובים, לכן, רכיבים חייבים להיות נבחרים למשך זמן רב ותחזוקה מינימלית. סוללות ליתיום עם 10+ שנים תוחלת חיים מועדפים על פני טכנאים בסיסיים ללא טיפול תרופתי (מרכיב חשמלי) צריך להיות חסר כלי וקורטוזיאוסטרוציוניסט כל כך יכול להיות ניטור אוטומטי (מסלולארי) עם טכנאים חשמליים).

סקלאלה ועתיד-Proofing

משימות מדעיות לעתים קרובות להתרחב עם הזמן כמו חיישנים חדשים מוסיפים או sampling עלייה.מערכת הכוח צריכה להיות מעוצבת עם יכולת נוספת לשדרג בעתיד.זה יכול להיות oversizing את מערך השמש בתחילה (העברת כמה לוחות נוספים הוא זול יחסית) או עיצוב בנק הסוללה לקבל מודולים נוספים.ה- PMS צריך להיות חסך דיגיטלי I / O וקלטות אנלוגיות עבור חיישנים חדשים, ואת הקישור (למשל, כגון תאים סולאריים) יש לאפשר גם כן.

סודיות ובטיחות

אפילו מכשירים מרוחקים חייבים לציית לתקנות מקומיות ובינלאומיות.לדוגמה, פריסות באנטארקטיקה דורשות דבקות בפרוטוקולים הסביבתיים של האמנה האנטארקטית. תקנות ליתיום משלוח (UN 38.3) יש לעקוב אחריהם. בסביבות ימיות, buoyancy ו-סימון דרישות החלות.בנוסף, המערכת חייבת להיות בטוחה עבור חיות בר: חוטים חשופים, קצוות חדים או להבים טורבינות נעים יכולים להוות סיכונים.

יישומים אמיתיים ומקריות

העקרונות המתוארים לעיל הוחלו בהצלחה על פני מגוון רחב של דיסציפלינות מדעיות. להלן הם מספר דוגמאות מרשימות, עם פרטים נוספים על אדריכלות המערכת וביצועים.

תחנת מחקר Polar

סקר אנטארקטיקה הבריטי פועל תחנות מזג אוויר אוטומטיות (AWS) על רמת אנטארקטיקה בגובה של מעל 3,000 מטרים.תחנות אלה משתמשות במערכת היברידית של 400 פאנלים סולאריים W-Axis רוח טורבינות, אשר טעונה ל-24 V, 500 Lithium-ion-ion בנק סוללות.S מיועד באופן מותאם אישית לטפל בקור קיצוני (ב- 40 ° C) ומשתמשת בחום עמיד כדי לשמור על סוללות חורף 10 -2 שעות ביממה.

ניטור עמוק-Sea Oceanographic

בטווח הארוך, סממטרים ו הידרופוניקנים זקוקים לכוח אוטונומי לתקופות של 12 עד 24 חודשים.מכשירים אלה פרוסים בעומק של 2,000-6,000 מטרים, שבו אין אנרגיה סולארית זמינה. במקום זאת, הם משתמשים בחבילות סוללות ליתיום ראשוניות (למשל, ליתיום קיטורל-קלי) עם יכולת של 500-1,000 קילו אנרגיה.

תגית: Desert Environmental Sensor

במדבר אטאמה בצ'ילה – אחד המקומות הדמים ביותר על פני כדור הארץ – רשת של לחות אדמה וחיישנים אטמוספריים פועלת על כוח סולארי בלבד.כל אחד מהם משתמש בפאנל סולארי של 100 W מונוקריסטלליין, הצטברות של 12 V 100 LiFePO4 סוללה, ו- MPPT מטען מטען גבוה רק לאחר 55 מעלות צלזיוס) וקרינת UV אינטנסיבית כדי להילחם באבק, הם מחלחלים ל- 50 שנים לחום, רק על ידי מערכת תחזוקה מוגבלת לחום, עם תאים ממונעה.

פלטפורמות בלון לטווח גבוה

בלונים מדעיים טסים ב stratosphere (30-40 ק"מ גובה) דורשים מערכות כוח קלות משקל, עצמאיות של עומסים שעשויים להימשך שבועות.מערכות אלה לעתים קרובות להשתמש לוחות פוטו-וולטאיים דקים (שהינם גמישים וקלים) בשילוב עם סוללות פולימר ליתיום-יון-יון. במהלך היום, הלוחות לייצר יותר מ 1 קילוואט בגובה הבלון, שבו השמש אינה מאוזנת, 12 שעות ביממה, אלא גם לחץ דם בינוני (כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, 12 שעות לחץ דם בינוני).

טכנולוגיות מתפתחות וכיוונים עתידיים

תחום מערכות הכוח הנטועות עצמיות מתקדם במהירות, מונע על ידי חומרים מדע, אלקטרוניקה מיניטורציה ואינטליגנציה מלאכותית. כמה חידושים מבטיחים להרחיב את היכולות של מכשירים מדעיים מרוחקים אפילו יותר.

אנרגיה מתקדמת

קצירי אנרגיה Piezoelectric, אשר להמיר רטטים מכניים לתוך חשמל, משולבים לתוך buoys האוקיינוס כדי ללכוד אנרגיה גל.טיפוס מוקדם נוצר עד 50 mW מ גל 1 הרץ, מספיק כדי כוח חיישן קטן. תאי דלק מיקרוביאלי, אשר משתמש חיידקים כדי לשבור חומר אורגני לייצר אלקטרונים, נבדקים בשפי הנהרות רטובים כדי מים לפקח על איכות תאים אלה יכול לפעול באופן קבוע כמו גם על ידי חיישן מינימלי של תאים של חום (G) כמו גם כן.

הבאGeneration Batteries

סוללות מוצקות-מדינה, עם כרית מתכת ליתיום אלקטרוליט מוצק, מציעים צפיפות אנרגיה גבוהה יותר (300-500 Wh / ק"ג) ושיפור בטיחות בהשוואה לתאי אלקטרוליטה נוזלית.הם גם פועלים על פני טווח טמפרטורה רחב יותר, מה שהופך אותם אידיאליים עבור סביבת הקוטב והמדבר.

ניהול כוח AI-Driven Power Management

אלגוריתמים של מכונות יכולים כעת לצפות כיבוי סולארי מקומי ומהירות רוח באמצעות נתונים מתמונות לוויין וחיישנים באתר. A PMS מצויד ברשת עצבית זעירה יכול להחליט בזמן אמת אם לטעון את הסוללה, להפעיל ניסוי כבד עומס, או להיכנס למצב של כוח נמוך (למשל, מערכת במדבר Mojave למדה כי לעתים קרובות עננים לעתים קרובות להביא דיפר בדור השמש ולהפחית את לוח ה-Sinapative של שבבים) כגון חומצות מים.

העברה של חשמל Wireless

עבור מכשירים שקשה להתחבר פיזית - כגון חיישנים משובצים בקרחונים או קבורים במשקעים - העברת כוח ללא חוט לאורך מרחקים קצרים (באמצעות הפיכה חינוכית או הפיכה מגנטית resonant) יכול לחסל את הצורך בחדירה כי חותמות פשרה מזהמים. חוקרים הוכיחו יעילות של 90% על פני כמה סנטימטרים.עבור טווחים ארוכים יותר, מיקרוגל או לייזר להיות מתפתל עבור resoning זה עדיין אפשרי חיישנים ניסיוניים, בעוד חיישנים רבים של סוללות.

מסקנה

תכנון מערכת כוח עצמאית עבור מכשירים מדעיים מרוחקים הוא אתגר רב תחומי הדורש מומחיות בהנדסה אנרגיה, חומרים מדע, אלקטרוניקה ומדע סביבתי. על ידי בחירה קפדנית של מקורות אנרגיה מתחדשת, אחסון חזק, ניהול כוח אינטליגנטי, ו אדמוניות מתחשבת, מהנדסים יכולים ליצור מערכות שפועלות באופן אמין במשך שנים עם התערבות מינימלית.

לקריאה נוספת, לחקור את המשאבים הבאים:

  • סקר אנטארקטיקה הבריטית (FLT:0) 1 (הסקר האנטארקטי הבריטי) – תחנת מזג אוויר אוטומטית:203FLT 3: 3 (פרטים על מערכות היברידיות הקוטביות)
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • [01:0] [13]] ,[עריכת קוד מקור]