تحديد ميزانية طاقة الاتصالات لمصابيح الشوارع الشمسية في المدن الذكية

لا يكفي تصنيف القدرة الاسمية لوحدة الاتصالات لتحديد حجم نظام إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية. الكميات ذات الصلة هي استهلاكها للطاقة من جهة البطارية خلال يوم كامل، وتيار الذروة أثناء الاتصال والإرسال. تحدد الطاقة اليومية مدة الاستقلالية، بينما يحدد تيار الذروة ما إذا كان مصدر الطاقة سيظل مستقرًا أثناء تشغيل وحدة الراديو.

في أنظمة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية للمدن الذكية، قد ينشأ أكبر خطأ من إغفال المعدات المحيطة بوحدة الراديو: معالج يظل نشطًا دائمًا، أو مستقبل يعمل باستمرار في وضع الاستماع، أو محول يتجاوز استهلاكه في وضع الاستعداد متطلبات الوحدة في وضع السكون. لذلك، يجب أن تغطي ميزانية الطاقة القابلة للتحقق نظام الاتصالات الفرعي بالكامل في ظروف الخدمة العادية وظروف تدهور الشبكة.

حدّد ما يظل مزودًا بالطاقة والمدة التي يظل فيها كذلك

حدّد حدود النظام الكهربائية قبل مقارنة التقنيات اللاسلكية. أدرج المودم أو جهاز الإرسال والاستقبال، والمعالج المضيف، ودوائر الواجهة، والمستشعرات اللازمة لإرسال التقارير، ومحولات الطاقة الخاصة بها. وافصل هذه المكونات عن استهلاك وحدة التحكم في الإنارة المدرج بالفعل في موضع آخر ضمن ميزانية النظام، لتجنب احتساب الطاقة مرتين.

لا يقل جدول التشغيل أهمية عن الأجهزة. تختلف خصائص استهلاك الطاقة لعقدة ترسل الحالة دوريًا وتدخل في وضع السكون بين التقارير عن عقدة يجب أن تكون قادرة على استقبال الأوامر فورًا في أي وقت. ولا يحدد مصطلح «التحكم عن بُعد» هذا الفرق؛ بل يجب تحديد زمن الاستجابة المطلوب للأوامر.

تؤثر أدوار الشبكة أيضًا في الحساب. فلا يمكن إعداد ميزانية نقطة طرفية في شبكة متداخلة تدخل في وضع السكون كما لو كانت عقدة توجيه تستمع إلى حركة الأجهزة الأخرى وتعيد توجيهها. وبالمثل، تعتمد ميزات توفير الطاقة في المودم الخلوي على دعم الشبكة وإعداداتها؛ ولا يثبت رقم السكون الوارد في ورقة البيانات متوسط الاستهلاك اليومي الممكن تحقيقه.

حدّد فترات إرسال التقارير، ونوافذ الاستقبال، والتعامل مع الإقرارات، ومحاولات الاتصال، وسلوك الجهاز عند انقطاع الخدمة. وتعامل مع الإعداد الأولي وتحديثات البرامج الثابتة كحالات تشغيل منفصلة، بدلًا من إخفائها ضمن هامش أمان غير مفسر.

حوّل ملف التشغيل إلى واط-ساعة

بالنسبة إلى حالات التشغيل المقاسة عند خط تغذية منظّم، تكون طاقة الراديو اليومية كما يلي:

E_radio = Σ(V_i × I_i × t_i)

يُقاس الجهد بالفولت، والتيار بالأمبير، والزمن بالساعات، فتكون الطاقة بالواط-ساعة. استخدم حالات متنافية مجموع مددها 24 ساعة. وعندما يتغير جهد التغذية أو التيار بدرجة كبيرة، احسب تكامل القدرة المقاسة بدلًا من ضرب القيم الاسمية بعضها في بعض.

يوضح ملف التشغيل الافتراضي التالي طريقة الحساب؛ ولا يمثل ادعاءً بشأن أداء أي تقنية لاسلكية بعينها.

عند افتراض كفاءة تحويل تبلغ 85%، تحتاج وحدة الراديو إلى نحو 0.108 Wh/day من البطارية. ويضيف مضيف مستقل يستهلك 0.025 W باستمرار 0.60 Wh/day عند مدخله من جهة البطارية. كما يضيف تيار سكون للمحول يبلغ 0.8 mA من بطارية جهدها الاسمي 12.8 V نحو 0.246 Wh/day.

وبذلك يبلغ الاستهلاك الإجمالي نحو0.95 Wh/day، أي ما يقارب تسعة أضعاف الطاقة المحوّلة لوحدة الراديو وحدها. يفترض هذا المثال أن قيمة الكفاءة لا تشمل تيار السكون المحتسب على نحو منفصل. وإذا كانت قدرة الإدخال المقاسة تتضمن هذا التيار بالفعل، فلا ينبغي إضافته مرة أخرى.

ينبغي أن تتوافق كفاءة المحول مع نطاق الحمل الفعلي. فالكفاءة القصوى المعلنة قرب الخرج المقنن لا تكشف الكثير عن أدائه عند تيارات السكون بوحدة الميكروأمبير. ويُعد قياس الاستهلاك من جهة البطارية للنظام الفرعي بالكامل الطريقة الأوضح للتحقق من الحساب.

يحتاج تعطل الشبكة إلى حالة طاقة مستقلة

لا يكفي تكرار إرسال التقارير للتنبؤ بالاستهلاك. فقد يتضمن إرسال تقرير بنجاح تسجيل الشبكة، والمزامنة، والوصول إلى القناة، والاستقبال، والإرسال، والإقرارات. وقد يؤدي ضعف التغطية إلى إطالة وقت النشاط أو إلى إعادة الإرسال. أما انقطاع الخدمة، فقد يتسبب في محاولات اتصال متكررة من دون تسليم بيانات مفيدة.

حدّد ملفًا واحدًا على الأقل للخدمة العادية وآخر لانقطاع مستمر. وينبغي أن تحدد حالة الانقطاع حدًا أقصى للمحاولات، وجدولًا زمنيًا لفترات التراجع، وسلوك الاستعادة. ومن دون هذه الحدود، قد تستهلك محاولات إعادة الاتصال المتكررة الطاقة تحديدًا عندما تكون المراقبة عن بُعد غير متاحة.

في الأنظمة المتداخلة، أدرج حركة إعادة التوجيه لدى العقد المسؤولة عن التوجيه. وفي الأنظمة الخلوية، تحقّق من أوضاع السكون المدعومة وسلوك إعادة الاتصال وفق إعدادات المشغّل المقصود. أما الروابط بعيدة المدى منخفضة الطاقة، فاحسب معدل البيانات المحدد، وزمن البث، ونوافذ الاستقبال، وسياسة إعادة المحاولة، بدلًا من افتراض أن تكلفة الطاقة واحدة لكل رسالة.

تستحق تحديثات البرامج الثابتة مخصصًا مستقلًا: فقد تُبقي عمليات التنزيل والتحقق والكتابة إلى ذاكرة الفلاش وإعادة المحاولة المحتملة الأجهزة الإلكترونية نشطةً مدة أطول بكثير من إرسال القياسات عن بُعد المعتاد. وحيثما كان ذلك مقبولًا تشغيليًا، أجّل التحديثات غير الضرورية عند انخفاض شحن البطارية.

تحقّق من تيار الذروة بصورة مستقلة عن الاستهلاك اليومي

لا يضمن انخفاض متوسط الاستهلاك اليومي موثوقية الإرسال. فقد تؤدي نبضة الراديو إلى هبوط الجهد عبر المقاومة الداخلية للبطارية والأسلاك والموصلات وأجهزة الحماية والمحول. وقد ينتج عن ذلك إعادة تشغيل المودم أو تكرار دورة الاتصال بالشبكة، ما يزيد استهلاك الطاقة أكثر.

تحقّق من تيار الذروة، ومدة النبضة، والاستجابة العابرة للمحول، والحد الأدنى المقبول لجهد الوحدة. أجرِ الاختبار أثناء تشغيل LED، وعند انخفاض حالة شحن البطارية، وفي أدنى درجة حرارة تشغيل محددة. وينبغي أيضًا أن يراعي تقييم ممانعة مصدر الطاقة تقادم البطارية.

يمكن للسعة المحلية أن تدعم النبضات القصيرة، لكنها لا تعوّض عن مصدر طاقة غير كافٍ أثناء نشاط الاتصال المطول. ويقدّر التقريبC = I × Δt / ΔV السعة المثالية اللازمة لتعويض النقص في التيار؛ لكن يظل التحقق من مقاومة المكثف ودرجة الحرارة وديناميكيات المحول ضروريًا.

أدرج الاستهلاك في حساب سعة البطارية والتوليد

أضف استهلاك الاتصالات إلى ميزانية الإنارة والتحكم الحالية من جهة البطارية. ولحساب مبسط للاستقلالية من دون توليد الطاقة:

طاقة البطارية الاسمية ≥ الاستهلاك اليومي من جهة البطارية × أيام الاستقلالية ÷ (عمق التفريغ المسموح × معامل السعة المتبقية)

ينبغي أن يعكس معامل السعة المتبقية ظروف درجة الحرارة ونهاية العمر المحددة، استنادًا إلى بيانات مورّد البطارية. ويجب أن تكون خسائر التحويل مدرجة بالفعل ضمن الاستهلاك من جهة البطارية، أو أن تُحسب بصورة منفصلة من دون تكرار احتسابها.

للتوضيح، لنفترض أن الإنارة وأجهزة التحكم الحالية تتطلب 180 Wh/day. بإضافة 0.95 Wh/day للاتصالات، يصبح الاستهلاك 180.95 Wh/day. وتتطلب خمسة أيام من الاستقلالية، وعمق تفريغ مسموحًا به قدره 80%، ومعامل سعة متبقية افتراضيًا قدره 80%، نحو 1,414 Wh من سعة التخزين الاسمية، أو 110 Ah عند 12.8 V.

الزيادة الناتجة عن الاتصالات صغيرة في هذا المثال. لكن نظامًا فرعيًا يعمل باستمرار بقدرة 0.5 W يستهلك 12 Wh/day، ويرفع الحمل اليومي الأصلي بنحو 6.7%. وتعتمد أهمية ذلك على جدول الإنارة الكامل، لا على القدرة القصوى لوحدة الإنارة.

لتحديد حجم النظام الكهروضوئي، يكون التقدير الأولي للزيادة كما يلي:

قدرة الألواح الإضافية بالواط = الزيادة في الطاقة اليومية من جهة البطارية ÷ (ساعات ذروة الشمس التصميمية × صافي مردود مسار الشحن)

باستخدام قيم توضيحية تبلغ ساعتَي ذروة شمس ومردود صافٍ قدره 70%، تتطلب 12 Wh/day نحو 8.6 W من سعة الألواح الإضافية لمعادلة متوسط الاستهلاك فقط. ويتطلب التعافي بعد عدة أيام من انخفاض التوليد قدرة شحن احتياطية إضافية. كما يجب أن يراعي التحليل الموسمي الخاص بالموقع التظليل ودرجة الحرارة والاتساخ وفترات الطقس السيئ المتتالية.

لا يلغي التوليد الهجين هذا المتطلب. يذكرإنارة الشوارع الهجينة بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح | SHL-007 ألواحًا شمسية وتوربين رياح وتخزينًا بالليثيوم ووحدة تحكم هجينة بتقنية MPPT. وفي هذه البنية، يظل تحديد حجم الاتصالات بحاجة إلى جهد البطارية وسعة التخزين القابلة للاستخدام والاستهلاك الذاتي لوحدة التحكم وتقديرات التوليد الخاصة بالموقع. ولا تكفي سعة البطارية بالأمبير-ساعة من دون الجهد، ولا قدرة التوربين المقننة بالواط من دون بيانات موارد الرياح، لإثبات مدة الاستقلالية.

اجعل التحقق من ميزانية الطاقة ممكنًا عند الاستلام

لا يحدد اسم بروتوكول لاسلكي أو شهادة مطابقة لوحدة إنارة مخصصًا لاستهلاك الاتصالات من الطاقة. يتناول IEC 60598-1 متطلبات السلامة العامة واختبارات وحدات الإنارة؛ لكنه لا يحل محل حساب الاستقلالية الخاص بالمشروع. وتظل متطلبات الراديو والتوافق الكهرومغناطيسي والبطارية والتركيب السارية فحوصًا مستقلة للمطابقة.

ينبغي أن تحدد مواصفات القبول الحد الأقصى للاستهلاك اليومي من جهة البطارية بوحدة Wh/day لملفي التشغيل المتفق عليهما، العادي والمنقطع، وحدود تيار الذروة وجهد التغذية وأداء إرسال التقارير وزمن استجابة الأوامر. سجّل إصدار البرنامج الثابت وإعدادات الشبكة وظروف الإشارة ودرجة الحرارة وجهد البطارية مع كل نتيجة اختبار.

استخدم أجهزة قياس قادرة على التقاط تيارات السكون المنخفضة ونبضات الإرسال القصيرة. قِس دورات إرسال التقارير كاملة، وأحدث فقدان الشبكة، وتحقق من أن محاولات إعادة الاتصال تظل ضمن الحدود المحددة. ثم تحقّق من وحدة الإنارة المتكاملة مع تشغيل أحمال الإنارة والاتصالات في الوقت نفسه. والدليل الحاسم ليس أدنى تيار سكون مُعلن، بل ملف استهلاك للطاقة قابل لإعادة القياس، يحافظ على استقلالية الإنارة ويلبي خدمة الاتصال المطلوبة.