ما هي الحلول الخاصة بإمداد الطاقة بالصمامات الذكية في تطبيقات الري الزراعي

في سيناريوهات الري الزراعي، فإن إمدادات الطاقة المستقرة للصمامات الذكية (مثل الصمامات الكهربائية) هي الضمانة الأساسية لتشغيلها الموثوق. نظرًا لخصائص المساحة الواسعة، والبنية التحتية الضعيفة للطاقة، والتضاريس المعقدة في البيئات الزراعية، فإن إمدادات الطاقة البلدية التقليدية تواجه مشاكل مثل ارتفاع تكاليف الأسلاك وصعوبة الصيانة. لذلك، من الضروري اختيار حلول مرنة وفعالة لإمداد الطاقة بناءً على خصائص السيناريو. فيما يلي حلول إمدادات الطاقة الذكية الشائعة للصمامات الذكية، والتي تغطي مسارات تكنولوجية مختلفة مثل الطاقة الجديدة وتخزين الطاقة وحصاد الطاقة في الموقع، وتحليل السيناريوهات القابلة للتطبيق ومزاياها وعيوبها: 1 、 نظام إمداد الطاقة الشمسية الطاقة الشمسية هي أكثر طرق الإمداد بالطاقة الجديدة استخدامًا في سيناريوهات الري الزراعي، وهي مناسبة بشكل خاص للمناطق التي تتمتع بأشعة الشمس الكافية مثل الحقول المفتوحة والبساتين وحدائق الشاي وغيرها. وتتمتع بمزايا كونها نظيفة ومتجددة وحصاد الطاقة في الموقع. التركيب الأساسي الألواح الشمسية: اختيار ألواح السيليكون أحادية البلورية/متعددة البلورات على أساس قوة الصمام الذكي (عادةً ما تكون من 5 إلى 50 واط)، مع نطاق طاقة يتراوح بين 10 و100 واط (مطابقة الاستهلاك اليومي للطاقة). بطارية تخزين الطاقة: تخزن الطاقة الكهربائية الزائدة للتعامل مع ظروف الإضاءة المنخفضة مثل الأيام الغائمة والليل. تُستخدم عادةً مع بطاريات الليثيوم (مثل فوسفات حديد الليثيوم الذي يتميز بعمر افتراضي طويل وكثافة طاقة عالية) أو بطاريات الرصاص الحمضية (وهي منخفضة التكلفة ومناسبة للاستخدام منخفض التردد). يتم تصميم السعة بناءً على الاستهلاك اليومي للطاقة مضروباً في عدد الأيام الاحتياطية (عادةً 3-7 أيام). وحدة إدارة الطاقة: تتضمن حماية الشحن والتفريغ، وتحويل الجهد (مثل خرج 12 فولت/24 فولت)، ووظيفة إيقاظ التحكم في الضوء/التحكم في الوقت، لتجنب الشحن الزائد والتفريغ الزائد للبطارية وإطالة عمرها الافتراضي. سيناريوهات قابلة للتطبيق المناطق المفتوحة ذات أشعة الشمس الكافية (مثل الأراضي الزراعية السهلية والبساتين الجبلية). تردد عمل الصمامات الذكية معتدل (مثل الفتح والإغلاق 3-5 مرات في اليوم)، ووقت العمل الفردي قصير (بضع ثوانٍ إلى بضع دقائق). المزايا والعيوب المزايا: لا حاجة إلى أسلاك، دورة صيانة طويلة (عمر البطارية من 2-5 سنوات)، تكاليف تشغيل منخفضة. العيوب: يتأثر بشكل كبير بالظروف الجوية (قد يحدث انقطاع التيار الكهربائي خلال الأيام الممطرة المستمرة)، وتكلفة المعدات الأولية مرتفعة نسبيًا (حوالي 300-1000 يوان/مجموعة). 2 、 نظام الإمداد المباشر للبطارية بالنسبة للصمامات الذكية ذات الطاقة المنخفضة (≤ 10 واط) وتردد التشغيل المنخفض (مثل الفتح والإغلاق 1-2 مرات في اليوم)، يمكن استخدام طاقة البطارية مباشرة دون الحاجة إلى معدات تحويل الطاقة المعقدة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام قصير المدى أو السيناريوهات صغيرة النطاق. أنواع البطاريات الشائعة بطاريات الليثيوم: مثل 18650 و26650 ونماذج أخرى، بجهد 3.7 فولت (يمكن توصيلها على التوالي إلى 12 فولت)، وكثافة طاقة عالية، ونطاق من 3 إلى 12 شهرًا (حسب استهلاك الطاقة). البطاريات القلوية الجافة، مثل بطاريات AA/AAA، منخفضة التكلفة ومناسبة للصمامات الذكية ذات الطاقة الصغيرة جدًا (مثل الاتصالات فقط)، ولكن عمر البطارية قصير (1-3 أشهر) واستبدالها بشكل متكرر. بطارية الرصاص الحمضية: جهد 12 فولت/24 فولت، سعة كبيرة (12-100 أمبير)، مناسبة للصمامات الذكية ذات الطاقة العالية قليلاً، ولكنها ثقيلة (غير ملائمة للنقل) وعمر قصير (1-2 سنة). ماتلاب اعتماد رقاقات منخفضة الطاقة (مثل سلسلة STM32L) وآلية إيقاظ السكون (الاستيقاظ فقط أثناء التشغيل، تيار الاستعداد ≤ 10 μ A) لتقليل استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد. مجهزة بوحدة مراقبة البطارية، يتم توفير تذكيرات عن بُعد لاستبدال البطارية من خلال الاتصال اللاسلكي (LoRa/NB IoT) لتقليل تكاليف الفحص اليدوي. السيناريوهات القابلة للتطبيق الصوبات الزراعية صغيرة الحجم أو الري في أصص أو الحقول التجريبية المؤقتة. تحتاج الصمامات الذكية فقط للعمل بشكل متقطع (مثل مرة واحدة في الأسبوع). المزايا والعيوب المزايا: التكلفة الأولية المنخفضة (حوالي 50-200 يوان للبطارية ودائرة الحماية)، النشر المرن. العيوب: عمر بطارية محدود، يتطلب استبدال/شحن منتظم (تكلفة عمالة عالية)، غير مناسب لسيناريوهات العمل عالية التردد. 3 、 نظام إمداد الطاقة التكميلية لطاقة الرياح/الطاقة الشمسية التكميلية لطاقة الرياح في المناطق التي تهب فيها الرياح مثل الهضاب والمناطق الجبلية والأراضي الزراعية الساحلية، يمكن أن تعمل طاقة الرياح كمكمل للطاقة الشمسية أو حتى توفير إمدادات طاقة مستقلة؛ يمكن للنظام التكميلي لطاقة الرياح والطاقة الشمسية أن يجمع بين مزايا كليهما ويحسن استقرار إمدادات الطاقة. التركيب الأساسي توربينات الرياح الصغيرة: بقدرة 10-100 واط (مثل المراوح ذات المحور الرأسي، مناسبة لسرعات الرياح المنخفضة)، خرج تيار مستمر 12 فولت/24 فولت. الألواح الشمسية: مكمّلة لطاقة الرياح (استخدام الطاقة الشمسية في الأيام المشمسة، واستخدام طاقة الرياح في الأيام الغائمة/ الليلية). بطارية تخزين الطاقة + وحدة تحكم: مثل نظام الطاقة الشمسية، تحتاج وحدة التحكم إلى دعم مدخلات طاقة الرياح والطاقة الشمسية على حد سواء، مع إعطاء الأولوية لاستخدام طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية (بناءً على مستويات الطاقة في الوقت الفعلي). السيناريوهات القابلة للتطبيق مناطق ذات ارتفاعات عالية ورياح وأمطار أقل (مثل الأراضي الزراعية الشمالية الغربية وري المراعي). تواتر عمل الصمامات الذكية مرتفع نسبيًا (مثل الفتح والإغلاق أكثر من 10 مرات في اليوم)، ويلزم وجود مصدر طاقة مستقر. المزايا والعيوب المزايا: استقرار إمدادات الطاقة أفضل من الطاقة الشمسية المنفردة، ومناسبة للمناطق المناخية المعقدة. العيوب: تكلفة المروحة مرتفعة نسبيًا (حوالي 500-2000 يوان)، ويجب مراعاة موقع التركيب (لتجنب العوائق). الصيانة معقدة أيضًا (المروحة عرضة لتراكم الغبار وتآكل الشفرة). 4 、 نظام إمداد الطاقة الكهرومائية إذا تم نشر صمامات ذكية بالقرب من قنوات الري وخطوط الأنابيب (مثل خطوط الأنابيب الرئيسية للري بالتنقيط والقنوات المفتوحة)، فيمكنها استخدام طاقة تدفق المياه لتشغيل مولدات كهرومائية صغيرة، مما يحقق "حصاد الطاقة في الموقع"، وهو مناسب بشكل خاص للسيناريوهات التي تحتوي على المياه على مدار السنة. التكنولوجيا الأساسية مولدات الطاقة الكهرومائية الصغيرة: تنقسم إلى نوع خط الأنابيب (مثبتة في خطوط أنابيب الري، باستخدام فرق ضغط المياه) ونوع القناة (عائمة على سطح القناة، باستخدام دفع تدفق المياه)، بطاقة تتراوح بين 5-50 واط ومخرج 12 فولت/24 فولت تيار مستمر. تنسيق تخزين الطاقة: نظرًا لاحتمالية عدم استقرار تدفق المياه (مثل المياه خلال فترات الري وانقطاعها خلال فترات عدم الري)، يجب استخدام بطاريات صغيرة (مثل بطاريات الليثيوم 12 فولت/20 أمبير في الساعة) لتخزين الطاقة الكهربائية. السيناريوهات القابلة للتطبيق قنوات الري المزودة بإمدادات المياه على مدار العام، أو الأراضي الزراعية أسفل الخزانات، أو بالقرب من خطوط الأنابيب الرئيسية لأنظمة الري بالتنقيط/الرش. تتطلب الصمامات الذكية التشغيل المستمر على المدى الطويل (مثل المراقبة في الوقت الحقيقي للتدفق والتعديل الديناميكي). المزايا والعيوب المزايا: طاقة مجانية ومستقرة (عندما يكون تدفق المياه مستمرًا)، لا حاجة للاعتماد على الطقس. العيوب: نظرًا لقيود دورة الري (غير قادر على توليد الكهرباء عند عدم وجود مياه)، يتطلب التركيب تعديل خطوط الأنابيب/القنوات (مما قد يؤثر على كفاءة الري). 5 、 تكنولوجيا حصاد الطاقة (سيناريو الاستهلاك المنخفض للغاية للطاقة) بالنسبة للصمامات الذكية منخفضة التكلفة للغاية التي لا تتطلب سوى اتصال متقطع (مثل الإبلاغ عن الحالة) ولا تحتاج تقريبًا إلى تشغيل عمل الصمام (مثل وظيفة الاستشعار الخالص + وظيفة التغذية المرتدة اللاسلكية)، يمكن استخدام تقنية حصاد الطاقة لتحقيق إمدادات طاقة "بدون صيانة". التقنيات الشائعة حصاد الطاقة الاهتزازية: من خلال الاستفادة من الاهتزاز الميكانيكي لمضخات الري وخطوط الأنابيب، يتم تحويل الاهتزاز إلى طاقة كهربائية (مستوى طاقة μW) من خلال ألواح السيراميك الكهرضغطية. تجميع طاقة فرق درجة الحرارة: بالاستفادة من فرق درجة الحرارة بين التربة والهواء (مثل ارتفاع درجة حرارة التربة عن الهواء أثناء النهار)، يتم توليد الطاقة من خلال المولدات الكهروحرارية (TEG)