التخزين المؤقت للطاقة المعتمد على المكثفات الكهربائية

توفر أنظمة حصاد الطاقة التي تجمع بين الألواح الشمسية والمخازن المؤقتة ذات المكثف الفائق خياراً جذاباً لتشغيل الأنظمة الحسابية في الإعدادات الميدانية، حيث يتعذر الوصول إلى طاقة البنية التحتية، كما تقدم المكثفات الفائقة ميزة مقنعة بشكل خاص على البطاريات الكهروكيميائية لمثل هذه الإعدادات.

الغاية من التخزين المؤقت للطاقة واللجوء الى المكثفات الكهربائية

شهدت السنوات الأخيرة اهتماماً متزايداً بنشر الأجهزة المزودة بقدرات استشعار وحساب واتصالات مضمنة في “الإعدادات الميدانية” التي تتميز بالتشغيل المستقل ونقص البنية التحتية للطاقة وعدم وجود صيانة، وفي هذه الحالات؛ إما أن الأجهزة تحتاج إلى أن يتم نشرها بمصدر طاقة كافٍ طوال عمرها التشغيلي أو أنها تحتاج إلى حصاد الطاقة من بيئتها للحفاظ على تشغيلها.

ونظراً لأن توفر الطاقة البيئية متقطع؛ فإن تخزين الطاقة ضروري أيضاً مع الحصاد، بحيث تم اعتبار الحصاد تقليدياً للتطبيقات منخفضة الطاقة إلى حد ما وبشكل أساسي مع التخزين المؤقت القائم على البطارية القابلة لإعادة الشحن.

لذلك تستخدم أجهزة الاستشعار والاتصالات منخفضة الطاقة (10-100 ميغاوات)، مثل تلك المستخدمة في شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSN) بفعل حصاد الطاقة، وبالاعتماد على مصادر الطاقة مثل (RF) (الراديو -التردد) والاهتزاز والإشعاع الشمسي؛ فإنها تستخدم منصات الاستشعار والاتصالات منخفضة الطاقة دوائر وطرق حصاد الطاقة منخفضة التعقيد، كما تتراوح كفاءة الحصاد لهذه الأنظمة من (30% – 65%).

الأبحاث التجريبية التي ركزت على التخزين المؤقت للطاقة الكهربائية

ركزت الأبحاث الحديثة على الأنظمة المضمنة الأكثر تطوراً، والتي تشغل تطبيقات كثيفة البيانات في هذا المجال وتتطلب قدراً كبيراً من الحسابات للمعالجة المحلية للبيانات لتقليل زمن الوصول ومتطلبات النطاق الترددي للاتصالات واستهلاك الطاقة الكهربائية.

كما تشمل الأمثلة الرئيسية لهذه الأنظمة تلك التي تم نشرها لتطبيقات رؤية الكمبيوتر مثل مراقبة حركة المرور على الطرق السريعة، ولتحليل هذا السلوك؛ فإنه يمكن للأنظمة المضمنة مثل (BeagleBone Black) و (Arduino Due) تشغيل هذه التطبيقات واستهلاك (1-10) واط، والتي نعرّفها على أنها أنظمة طاقة متوسطة.

وبالنسبة لأنظمة الطاقة المعتدلة؛ تعد الطاقة الشمسية خياراً جذاباً كمصدر للطاقة، ونظراً لانخفاض التكلفة والتوافر الجاهز للألواح الشمسية، وبالنسبة لهذه الأنظمة وعلى الرغم من أن البطاريات القابلة لإعادة الشحن؛ فإنها تمثل تقنية تخزين طاقة ناضجة مستخدمة على نطاق واسع، بحيث توفر المكثفات الفائقة أربع مزايا مهمة، وهي كثافة طاقة أعلى بكثير وذات عمر افتراضي غير محدود.

استخدام النظام المعدل لوظائف مكثفات القدرة الكهربائية

يصف هذا القسم الوظائف الأساسية للنظام بالإضافة إلى المعلومات اللازمة لتجميع النظام ككل، كما يوضح الشكل التالي (1) واجهات الاتصال بين نظام (UR-SolarCap) والمكونات التي يوفرها المستخدم. تشمل المكونات التي يوفرها المستخدم ما يلي:

• لوحة شمسية تزود النظام بالطاقة الكهربائية.

• المكثفات الفائقة التي تحفظ الطاقة للنظام الكهربائي.

• جهاز حسابي يتم تشغيله بواسطة النظام، وعادةً ما يكون هذا نظاماً مضمناً يقوم بتشغيل التطبيق الذي يتم نشر النظام بأكمله من أجله.

كما يمكن اختيار حجم اللوح الشمسي وحجم وتكوين المكثفات الفائقة من قبل المستخدم النهائي لتحديد أولويات التكلفة أو البصمة أو السعة أو الطاقة.

آلية عمل النظام المرتبط بالطاقة الشمسية ودور المكثفات

يعمل النظام تلقائياً وبشكل مستقل بمجرد توصيل الألواح الشمسية والمكثفات الفائقة، بحيث تتحقق وظائف التحكم والحصاد والاتصال الأساسية للنظام عن طريق برنامج يعمل على متحكم دقيق (μC)، وفي بقية الدراسة نستخدم مصطلح البرامج الثابتة لتمييز برنامج (μC) هذا عن أي برنامج تطبيقي يعمل على الجهاز الحسابي الخارجي.

كما يتم حصاد الطاقة الشمسية المتوفرة من اللوحة وتخزينها في المكثفات الفائقة، وعند النهاية من حالة النضوب، حيث تكون الطاقة المتاحة في المخزن المؤقت غير كافية لتشغيل دائرة التحكم؛ يكون الحصاد الأولي سلبياً، وبمجرد تخزين الطاقة الكافية لبدء التشغيل الموثوق به لدائرة التحكم؛ ينتقل النظام إلى حالة التشغيل حيث يدير بنشاط حصاد الطاقة لتحسين الكفاءة ويتحكم في توفر الطاقة للجهاز الحسابي.

بالعادة تكون الطاقة المخزنة في المكثفات الفائقة كافية لتوفير الطاقة أيضاً للجهاز الحسابي، بحيث يتيح النظام إخراج الجهد المنظم (5) فولت لهذا الغرض، وذلك مع الاستمرار في حصاد الطاقة الشمسية المتاحة من اللوحة، كما يمكن للمستخدم الاستعلام عن حالة النظام عبر زر الضغط “قراءة الحالة” و “مؤشرات (LED) للحالة”، كما يشير المصباح الأحمر والمصباح الأصفر إلى الحالة على النحو التالي:

• أحمر (OFF)، أصفر (OFF): يكون النظام مستنفذ ولا توجد طاقة كافية لتشغيله.

• أحمر (ON)، أصفر (OFF): يكون النظام قيد التشغيل، لكن جهد كتلة المكثف الفائق أقل من الحد الأدنى (3.6) فولت، والمطلوب لتوفير خرج (5) فولت للجهاز الحسابي، لذلك يتم إيقاف تشغيل خرج (5) فولت.

• أحمر (OFF)، أصفر (ON): يكون النظام قيد التشغيل ويكون جهد كتلة المكثف الفائق (≥3.6) فولت ويوفر (5) فولت للجهاز الحسابي، لكن كتلة المكثف الفائق ليست مشحونة بالكامل.

• أحمر (ON) ، أصفر (ON): تكون كتلة المكثف الفائق مشحونة بالكامل، كما تم تمكين خرج (5) فولت، بحيث يتم تعطيل الحصاد عمداً لمنع الشحن الزائد للمكثفات الفائقة.

عملية توفير الألواح الشمسية والمكثفات الكهربائية الفائقة

يجب على المستخدم تحديد حجم اللوحة الشمسية وتكوين المكثفات الفائقة المتصلة بنظام (UR-SolarCap)، ووفقاً لمتطلبات الطاقة الخاصة بهم وتوافر الإشعاع الشمسي في موقع النشر وخصائص الألواح المحددة والمكثفات الفائقة المستخدمة؛ يصف هذا القسم هذه العملية بدءاً من المعلمات المعلن عنها تجارياً والمستخدمة لتقييم الألواح الشمسية والمكثفات الفائقة.

وللحصول على مرجع جاهز؛ يلخص الجدولان التاليين (1) و (2) الاصطلاحات الترميزية المستخدمة ونطاقات متغيرات النظام الرئيسية التي نستخدمها في هذه الدراسة.

• حجم الألواح الشمسية: يجب توفير الألواح الشمسية لتزويد النظام بالطاقة الكافية. بحيث يتم الإعلان عن اللوحات باستخدام قوتها المصنفة، والتي نشير إليها بواسطة (Prated)، بحيث لا يمكن تحقيق هذه الطاقة إلا عند تصنيف إشعاع شمسي محدد (Wrated).

• حجم المكثف الفائق: يجب تكوين كتلة المكثف الفائق لتوفير قدرة تخزين كافية للطاقة، كما يتم الإعلان عن المكثفات الفائقة الفردية من خلال السعة المقدرة المصنفة والجهد الكهربائي المقنن (Vrated)، كما يمكن تكوين كتلة المكثف الفائق باستخدام طوبولوجيا التوصيل المتوازي بالكامل أو التسلسلي الكامل أو التسلسلي المتوازي، وذلك بشرط احترام الحدود التشغيلية في الجدول السابق (2).

• توفير الألواح الشمسية والمكثفات الفائقة: بالإضافة إلى تلبية قيود الحد الأدنى أو الأقصى المدرجة في الجدول (2)، كما يجب أن توفر الألواح الشمسية والمكثفات الفائقة المختارة وتخزن طاقة كافية لتشغيل الحمل المطلوب، لذلك ستؤدي الألواح الشمسية أو كتل المكثفات الفائقة الأصغر من اللازم إلى نفاد طاقة النظام إما بسبب عدم القدرة على تلبية طلب الطاقة للجهاز الحسابي أو بسبب عدم كفاية المخزن المؤقت.

في نهاية هذه الدراسة، يتم تقديم نظام حصاد الطاقة مفتوح المصدر، والذي يستخدم الألواح الشمسية كمدخل وحيد للطاقة والمكثفات الفائقة كمصدر للطاقة الوحيد، كما أن النظام قادر على حصاد طاقة شمسية قصوى تبلغ (15) واط وتوفير جهد (5) فولت منظم لجهاز مضمن خارجي، بحيث يُطلق عليه الجهاز الحسابي في جميع أنحاء الدراسة، والذي يستهلك أقصى طاقة (10) واط.