وحدات تحكم الري الشمسية: حدّد حجم اللوح والبطارية لفترات ضعف الشمس

حدّد حجم التغذية الشمسية لوحدة تحكم الري انطلاقًا من استهلاكها اليومي للطاقة، والاحتياطي القابل للاستخدام من البطارية، والإشعاع الشمسي خلال فترة التشغيل الأكثر تقييدًا. يجب أن يغطي اللوح الحمل المستمر ويعوّض الطاقة المسحوبة أثناء الطقس السيئ. وقد يستعيد النظام الذي يوازن يومًا متوسطًا فقط مخزونه ببطء شديد بعد عدة أيام دون شحن مفيد.

محطة تعمل بالطاقة الشمسية لرصد ماء التربة في حقل ذرة، وخلفها نظام ري محوري. لا تثبت الصورة قدرات وحدة التحكم أو البطارية الواردة في هذا المثال. الصورة: Nancy Davis، دائرة البحوث الزراعية بوزارة الزراعة الأمريكية.

يشمل هذا الدليل وحدة تحكم ري زراعي بعيدة، وتشغيل الصمامات الذي تدعمه، والحساسات والاتصالات. طاقة محرك المضخة خارج هذا المثال. جميع الأحمال وأحجام الألواح وعوامل البطارية وقيم المورد الشمسي أدناه افتراضية؛ تشرح الحسابات طريقة مراجعة، وليست تصنيفًا لمنتج من IrriNex أو تصميمًا كهربائيًا كاملًا.

1. حدّد نطاق المعدات التي ستتلقى الطاقة

احصر وحدة تحكم الري وبوابة الاتصالات والحساسات ومشغلات الصمامات ومنظم الشحن وأي محولات تشترك في التغذية. ميّز الأحمال المستمرة عن الأحمال الإضافية للأحداث. أدرج إغلاق الصمامات والاختبارات اليدوية وإعادة محاولات الاتصال اللاسلكي وسلوك إعادة التشغيل. قد تختلف كثيرًا متطلبات مؤقت صغير ذي خلية شمسية مدمجة عن خزانة أكبر تخدم عدة أجهزة.

افصل في الوثائق بين وحدة تحكم الري ومنظم الشحن الشمسي. الأولى تدير وظائف الري، والثاني يدير طاقة المصفوفة الكهروضوئية وتفاعلها مع البطارية. قد يجمع منتج واحد الوظيفتين، لكن أيًا من الاسمين لا يثبت توافقه مع أي بطارية أو لوح أو ملف صمام تختاره.

يساعد دليل بنية وحدات تحكم الري على تحديد ترتيب مخارج الصمامات. سجّل هل تسحب الصمامات الطاقة عند تغيير الحالة فقط أم أثناء بقائها مفتوحة أيضًا. أبقِ مضخة الماء في ورقة طاقة منفصلة ما لم تدرج صراحة كامل احتياجات تشغيلها وبدئها.

اختر حدًا مشتركًا لحساب الطاقة. هنا يُعبَّر عن الطلب اليومي بالطاقة المطلوبة عند حد الأحمال المفيدة. تُعالَج جميع خسائر التحويل والتخزين بين اللوح والبطارية وهذا الحد بواسطة عوامل محددة بالاسم. إذا تضمنت القياسات خسارة بالفعل، فلا تخصمها مرة أخرى في موضع آخر.

2. أنشئ ميزانية الطاقة اليومية لوحدة التحكم

للحمل الثابت، تساوي الطاقة بوحدة Wh القدرة بوحدة W مضروبة في ساعات التشغيل. عند توافر قياسات، احسب تكامل القدرة المتغيرة خلال الحدث الكامل. قد لا تشمل نبضة خرج المشغل القصيرة إعادة شحن مخزونه الداخلي اللاحقة؛ لذا استخدم الحدث الكامل من جهة التغذية وانقله إلى الحد المختار بطريقة متسقة.

مساهمة الحساسات منفصلة عن الاستهلاك الأساسي لوحدة التحكم، وبندا الاتصالات والصمامات زيادتان عليه. يمنع ذلك حساب الاستهلاك الأساسي ليوم كامل ثم احتسابه مجددًا داخل كل حدث. ويجب أن يشمل بند إلكترونيات التغذية استهلاك السكون الفعلي للترتيب المختار.

أعد الميزانية لكل نمط تشغيل مؤثر. قد يحتاج الحقل إلى عمليات صمامات أقل خارج موسم الزراعة بينما تبقى البوابة نشطة. وعلى العكس، قد يزيد عطل الاتصال الطلب خلال فترة ضعف الشحن. يوضح دليل التحكم بالري عند عدم موثوقية الإنترنت السياق التشغيلي؛ لكن ميزانية الطاقة الشمسية تظل بحاجة إلى سلوك إعادة المحاولات الفعلي للجهاز.

3. اختر بيانات الشمس لفترة التشغيل المقيدة

ساعات الشمس القصوى كمية مكافئة للطاقة، وليست الساعات بين الشروق والغروب. في تقرير NREL لعام 1999 عن أداء الأنظمة الكهروضوئية المستقلة تشير إلى الإشعاع اليومي في مستوى المصفوفة، معبّرًا عنه بساعات مكافئة عند 1,000 W/m². ويعرّف التقرير شهر التصميم بحسب أدنى نسبة بين التوليد والاستهلاك، وهي لا تتزامن بالضرورة مع الشهر الأقل شمسًا.

مثلًا، مع لوح افتراضي قدرته 40 W وعامل توصيل فعلي 0.60، تعطي فترة فيها 1.5 ساعة شمس قصوى وحمل 6 Wh يوميًا نسبة توليد إلى استهلاك مقدارها 6.0. أما فترة أكثر نشاطًا فيها 2 ساعة شمس قصوى وحمل 18 Wh يوميًا فتعطي نسبة تقارب 2.67. الفترة الثانية أشد تطلبًا بالنسبة إلى التغذية رغم توافر شمس أكثر.

استخدم بيانات شمسية لموقع التركيب واتجاه اللوح والموسم المعني. احتفظ بمجموعة البيانات والفترة والوحدات وطريقة التحويل إلى مستوى المصفوفة. الإشعاع على سطح أفقي لا يساوي تلقائيًا المورد الذي يستقبله لوح مائل. افحص التظليل الفعلي من المحاصيل والمعدات والمباني والتضاريس عند موضع التثبيت المقترح.

يشرح عرض وزارة الطاقة الأمريكية للطاقة الشمسية والتخزين أثر الموسم والسحب والظلال واتساخ السطح في الإنتاج، وكيف ينقل التخزين الطاقة المتاحة إلى وقت آخر. لا يصف المتوسط السنوي ولا ملصق التخزين تعاقب الأيام الغائمة الذي يجب أن تتحمله منظومة الري.

4. احسب طاقة البطارية القابلة للاستخدام واحتياطيًا مستقلًا

تختلف الطاقة الاسمية للبطارية عن الطاقة التي تستطيع إيصالها إلى وحدة التحكم. يميّز دليل NREL للمنظومات الكهروضوئية على مستوى المنشآت، القسم 5.1.2 بين التخزين القابل للاستخدام الذي يحتاجه حمل مستقل عن الشبكة وبين سعة اسمية قد تكون أكبر. كما يحدد القدرة القصوى والفترة المطلوبة دون شحن كمدخلين مستقلين للتحديد.

استخدم الطاقة المحددة للبطارية متى توافرت. ضرب الجهد الاسمي في السعة بوحدة Ah تحويل تقريبي فقط للطاقة الاسمية، لأن الجهد يتغير أثناء التفريغ. في هذا المثال اقبل بطارية افتراضية 12 V و10 Ah كمدخل طاقة اسمية 120 Wh. افترض نسبة نافذة تفريغ مسموحة 0.80، وعامل إتاحة سعة مقيّمًا بصورة مستقلة 0.75، وكفاءة توصيل من البطارية إلى الحمل 0.90.

تصبح الطاقة المفيدة للأحمال 120 × 0.80 × 0.75 × 0.90 = 64.8 Wh. تمثل العوامل آثارًا مختلفة: نافذة التشغيل المسموحة، والسعة المتاحة في الحالة المقيّمة، وخسائر التوصيل. ليست قيمًا عامة لنوع كيميائي معين. إذا كانت السعة المقدمة مقاسة بالفعل ضمن النافذة المسموحة وفي ظروف التشغيل، فلا تطبق هذه التصحيحات مرة أخرى.

احتفظ الآن باحتياطي تشغيلي إضافي يساوي 20% من الطاقة القابلة للاستخدام. يستطيع الاستهلاك المخطط استخدام 64.8 × 0.80 = 51.84 Wh. تتطلب ثلاثة أيام عند 18 Wh يوميًا مقدار 54 Wh؛ لذلك تفشل البطارية في تلبية المطلب مع الاحتياطي، رغم أن قسمة 64.8 على 18 تعطي مدة دون احتياطي مقدارها 3.6 أيام.

وفق هذه الافتراضات، الحد الأدنى الحسابي للطاقة الاسمية هو 54 ÷ (0.80 × 0.75 × 0.90 × 0.80) = 125 Wh. يجتاز المثال الأكبر اختبار الطاقة هذا، لكن الجهد وتيار النبضة وحدود الشحن والتوافق الحراري لا تزال بحاجة إلى تأكيد. لا يثبت رقم أكبر بوحدة Ah وحده ملاءمة تشغيل الصمامات.

5. حدّد اللوح لتغطية الطلب المستمر واستعادة المخزون

للمقارنة الأولية، اجعل التوليد اليومي المكافئ عند حد الأحمال المفيدة يساوي القدرة الاسمية للوح × ساعات الشمس القصوى × عامل التوصيل الفعلي. يشمل العامل الافتراضي 0.60 كامل المسار المنطبق، بما فيه مسار الطاقة المخزنة المفترض. إنه مدخل تجميعي للسيناريو، وليس كفاءة الخلايا الكهروضوئية. لا تضرب في عامل توصيل البطارية مرة ثانية عند حساب هذا التوليد.

افترض 2 ساعة شمس قصوى لكل يوم استعادة، والحمل نفسه البالغ 18 Wh يوميًا. تُحدث ثلاثة أيام دون توليد مفيد عجزًا قدره 54 Wh. يجب تعويض هذا العجز بينما تستمر وحدة التحكم في العمل. عرّف صافي طاقة الاستعادة اليومية بأنه التوليد المفيد المكافئ مطروحًا منه الطلب المستمر.

لاستهداف تعويض 54 Wh خلال يومين بهذه الظروف، يعطي النموذج المبسط قدرة لوح مطلوبة (18 + 54 ÷ 2) ÷ (2 × 0.60) = 37.5 W. يجتاز اختيار لوح افتراضي 40 W المقارنة العددية. لكنه لا يضمن إعادة الشحن خلال يومين، لأن قبول الشحن وتوافق الجهود وحدود المنظم وتوقيت الشمس تظل مؤثرة.

يؤثر الافتراض الشمسي بقوة في النتيجة. عند 4 ساعات شمس قصوى، يعطي مثال 20 W مقدار 48 Wh يوميًا، لكن استبدال الافتراض بهذه القيمة الأعلى يخفي بطء الاستعادة عند 2 ساعة. ومع 0.5 ساعة شمس قصوى فقط، حتى لوح 40 W لا يعطي سوى 12 Wh يوميًا، ويستمر المخزون في خسارة 6 Wh يوميًا أمام الحمل المفترض.

6. افحص تسلسل الأيام ضعيفة الشمس وحدود المعدات

أنشئ سجلًا زمنيًا للطاقة يبدأ من حالة استخدام محددة. أضف الطاقة التي قُبلت فعلًا من الشحن، واطرح الاستهلاك، واقصر الناتج على سقف التخزين القابل للاستخدام. سجّل كل هبوط تحت الاحتياطي المختار أو نقطة نهاية تشغيل المعدات. الطاقة التي تصل حين تكون البطارية ممتلئة لا تُحسب رصيدًا مخزنًا لعاصفة لاحقة.

استخدم فواصل زمنية قصيرة بما يكفي لتمثيل الأحداث المهمة وفرص الشحن. قد تخفي المجاميع اليومية أمر صمام فاشلًا قبل الشروق رغم أن التوليد النهائي لذلك اليوم يفوق الطلب. عامل التوليد في الورقة اليومية مجرد تقريب لهذا التسلسل؛ وينبغي أن يمثل التحليل التفصيلي مسارات الشحن والتفريغ الفعلية دون تكرار عوامل الخسارة.

أكد من وثائق المعدات المختارة جهد الدارة المفتوحة للوح ضمن المجال الحراري المنطبق، وحدود تيار الشحن، وكيمياء البطارية وإعدادات حرارتها، ومجال دخل وحدة التحكم وأحمال الصمامات المدعومة. راجع خسائر الكابلات والطلب الأقصى بصورة منفصلة عن الطاقة اليومية بوحدة Wh. استخدم دليل توصيل وحدة التحكم وخريطة اختبار الدوائر للحفاظ على اتساق هوية الدوائر ونقاط القياس.

في المؤقتات الشمسية المدمجة، استخدم التكوين المعتمد وأدلة مدة العمل المستقل الموثقة. لا تفترض إمكانية استبدال البطارية الداخلية ببطارية خارجية أكبر أو توصيل لوح آخر. وإذا كانت التغذية مجموعة منفصلة، فليؤكد المصمم المسؤول متطلبات الحماية والتثبيت والغلاف والتوصيل الخاصة بتلك المجموعة.

7. تحقق من وظائف الري عند ضعف التغذية والاستعادة

احتفظ بورقة الأحمال وافتراضات المورد الشمسي وأدلة البطارية واختيار الاحتياطي وحساب الاستعادة معًا. سجّل المعدات المركبة وإعداداتها كي يؤدي أي تغيير لاحق في تكرار التقارير أو الحساسات أو دورات الري إلى مراجعة التقييم.

استخدم إجراء اختبار معتمدًا لتأكيد أوامر الفتح والإغلاق المطلوبة قرب حد الخدمة المخطط. افحص السلوك الموثق للفصل عند انخفاض الجهد وإعادة الاتصال وإعادة التشغيل. لا تستنتج حالة مرور الماء في صمام ثنائي الاستقرار من انطفاء وحدة التحكم. قيّم استجابة الري الفعلية إلى جانب جهد التغذية وطاقة الشحن المقبولة.

يساعد دليل تخطيط إنذارات الري على تحديد استجابة عملية لضعف التغذية أو الاستعادة غير الكافية. تتبع الملاحظات خلال أيام متتالية: لا تثبت قراءة جهد واحدة في ظهيرة مشمسة اكتمال العمل الليلي السابق أو استرجاع احتياطي البطارية المقصود.

8. أسئلة حول تحديد حجم تغذية وحدة التحكم الشمسية

هل تعمل وحدة تحكم الري الشمسية ليلًا؟

يمكنها ذلك إذا دعم ترتيب التخزين المعتمد الخدمة الليلية وأوامر الصمامات المطلوبة. وجود اللوح وحده لا يثبت هذه القدرة. افحص التكوين الذي تدعمه وحدة التحكم الفعلية والتخزين القابل للاستخدام.

هل تعالج بطارية أكبر نقص الطاقة التي يقدمها اللوح؟

قد تطيل المدة قبل نفاد الطاقة المخزنة، لكنها لا تصحح عجز توليد مستمرًا. يجب أن يغطي اللوح الطلب المستمر والاستعادة المطلوبة مع احترام حدود الشحن.

هل يكون الشهر الأقل شمسًا دائمًا شهر التصميم الصحيح؟

لا. قارن التوليد بالحمل المطلوب في كل فترة تشغيل. قد يكون شهر أقل شمسًا مع نشاط ري قليل أقل تطلبًا من شهر أكثر سطوعًا بعمل أكبر كثيرًا لوحدة التحكم والصمامات. ثم اختبر تسلسلات الأيام غير المواتية ضمن الفترة المعنية.