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 إمداد طاقة الصمامات الذكية الشائعة التي 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 الطريقة الجديدة الأكثر استخدامًا للإمداد بالطاقة في سيناريوهات الري الزراعي، وهي مناسبة بشكل خاص للمناطق التي تتمتع بأشعة الشمس الكافية مثل الحقول المفتوحة والبساتين وحدائق الشاي وغيرها. وهي تتميز بكونها نظيفة ومتجددة وحصاد الطاقة في الموقع.
التركيبة الأساسية
الألواح الشمسية: اختر ألواح السيليكون أحادية البلورية/متعددة البلورات بناءً على طاقة 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. وهي تستخدم 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 الحماية من الشحن والتفريغ، وتحويل الجهد (مثل خرج 12 فولت/24 فولت)، ووظيفة إيقاظ التحكم في الضوء/التحكم في الوقت، لتجنب الشحن الزائد والشحن الزائد للبطارية وإطالة عمرها الافتراضي.
سيناريوهات قابلة للتطبيق
المناطق المفتوحة ذات ضوء الشمس الكافي (مثل الأراضي الزراعية السهلية والبساتين الجبلية).
يكون تردد عمل الصمامات الذكية معتدلًا (مثل الفتح والإغلاق 3-5 مرات في اليوم)، ويكون وقت العمل الفردي قصيرًا (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: تتأثر بشكل كبير بالظروف الجوية (قد يحدث انقطاع التيار الكهربائي خلال الأيام الممطرة المستمرة)، وتكلفة المعدات الأولية مرتفعة نسبيًا (حوالي 300-1000 يوان/مجموعة).
2 、 2 、 نظام الإمداد المباشر للبطارية
بالنسبة للصمامات الذكية ذات الطاقة المنخفضة (≤ 10 واط) وتردد التشغيل المنخفض (مثل الفتح والإغلاق مرة أو مرتين أو مرتين في اليوم)، يمكن استخدام طاقة البطارية مباشرةً 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 وغيرها من الطرز الأخرى، 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 افتراضي قصير (1-2 سنة).
ماتلاب
اعتماد رقاقات منخفضة الطاقة (مثل سلسلة STM32L) وآلية الاستيقاظ أثناء 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.
سيناريوهات قابلة للتطبيق
الصوبات الزراعية صغيرة الحجم، أو الري في أصص أو حقول التجارب المؤقتة.
تحتاج الصمامات الذكية فقط للعمل بشكل متقطع (مثل مرة واحدة في الأسبوع).
المزايا والعيوب
المزايا: تكلفة أولية منخفضة (حوالي 50-200 يوان للبطارية ودائرة الحماية)، نشر مرن.
العيوب: عمر بطارية محدود، يتطلب استبدالها/شحنها بانتظام (تكلفة عمالة عالية)، غير مناسب لسيناريوهات العمل عالية التردد.
3 、 نظام الإمداد بالطاقة الريحية/الطاقة الشمسية التكميلية للطاقة الشمسية
في المناطق التي تهب فيها الرياح مثل الهضاب والمناطق الجبلية والأراضي الزراعية الساحلية، يمكن أن تكون طاقة الرياح مكملة للطاقة الشمسية أو حتى توفر إمدادات طاقة مستقلة؛ ويمكن للنظام التكميلي للطاقة الشمسية الريحية أن يجمع بين مزايا كليهما ويحسن استقرار إمدادات الطاقة.
التركيبة الأساسية
توربينات الرياح الصغيرة: بقدرة 10-100 واط (مثل المراوح ذات المحور العمودي، مناسبة لسرعات الرياح المنخفضة)، خرج تيار مستمر 12 فولت/24 فولت.
الألواح الشمسية: مكملة لطاقة الرياح (استخدم الطاقة الشمسية في الأيام المشمسة، واستخدم 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).
سيناريوهات قابلة للتطبيق
مناطق ذات ارتفاعات عالية ورياح وأمطار أقل (مثل الأراضي الزراعية الشمالية الغربية والأراضي العشبية المروية).
إن تردد 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 العرقلة). الصيانة معقدة أيضًا (المروحة عرضة لتراكم الغبار وتآكل الشفرات).
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 تتوافر فيها المياه على مدار السنة.
التكنولوجيا الأساسية
المولدات المائية الصغيرة: تنقسم إلى مولدات مائية صغيرة: تنقسم إلى نوع خط الأنابيب (مثبتة في أنابيب الري، باستخدام فرق ضغط المياه) ونوع القناة (تطفو على سطح القناة، باستخدام قوة دفع تدفق المياه)، بقوة 5-50 واط وخرج 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.
سيناريوهات قابلة للتطبيق
قنوات الري المزودة بإمدادات المياه على مدار العام، والأراضي 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: بسبب قيود دورة الري (عدم القدرة على توليد الكهرباء في حالة عدم وجود مياه)، يتطلب التركيب تعديل خطوط الأنابيب/القنوات (مما قد يؤثر على كفاءة الري).
5 、 تقنية 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 إمداد طاقة "بدون صيانة".
التقنيات الشائعة
حصاد الطاقة الاهتزازية: بالاستفادة 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 أن تكون درجة حرارة التربة أعلى من الهواء خلال النهار)، يتم توليد الطاقة من خلال المولدات الكهروحرارية (TEG)