بمجرد فهم ملف أحمال عقدة المستشعر البيئي، يصبح تصميم الحزمة عملية موازنة بين ثلاث كميات تشد في اتجاهات مختلفة: الطاقة التي يجب تخزينها للنجاة خلال أطول فترة متوقعة بلا حصاد، والقدرة اللحظية التي يحتاجها الراديو للإرسال، والتيار الضعيف المتقطع الذي يمكن لحاصدة صغيرة توفيره واقعيًا. الحزمة المحسّنة للطاقة فقط قد تنهار تحت نبضة الإرسال؛ والحزمة المحسّنة للنبض فقط قد تكون أكبر من اللازم ولا تُشحن بالكامل من مصدر شمسي ضعيف؛ ودائرة شحن تفترض محولًا قويًا لن تملأ الحزمة أبدًا من أثر ضوئي داخلي أو شتوي. تتناول هذه المقالة الثانية ذلك التوازن بالنسبة لهيدريد معدن النيكل، وتغطي شكل الخلية وتكوينها على التوالي، وتحديد السعة وفق هدف محدد للاستقلالية في الظلام، وخزان المكثف الذي يحمل دفقة الراديو، وإدارة الشحن المضبوطة لمصادر ضعيفة ومتقطعة، ودور الكيمياء منخفضة التفريغ الذاتي، وقرارات البرد والتخطيط التي تفصل العقدة المتينة عن تلك التي تعمل على طاولة الاختبار فقط.
يُحدد متطلب السعة بأطول فترة لا توفر فيها الحاصدة شيئًا أساسًا – أيام غائمة متتالية لعقدة شمسية، أو تراكم أوساخ أو طمر لحاصدات أخرى – مضروبًا في متوسط الحمل عبر الدورات وهامش أمان. وحيث تحدد تصميمات العوامات والمحطات المنشورة عادةً سبعة أيام أو أكثر من الاستقلالية دون إعادة شحن، ينطبق الانضباط ذاته على نطاق أصغر: حدد نافذة الاستقلالية بالساعات، واضربها في متوسط التيار وجهد النظام للحصول على واط-ساعة، واقسمها على عمق التفريغ القابل للاستخدام، وأضف هامشًا لفقد السعة في درجات الحرارة المنخفضة وللتقادم.
يتحمل NiMH الدورات العميقة أفضل من كثير من الكيميائيات القابلة لإعادة الشحن، لكنه يعيش أطول عندما لا يُسطح بشكل متكرر؛ لذا يجب أن يستهدف التصميم عمق تفريغ متوسط ضحل عبر نافذة الاستقلالية، بدل تحديد الحجم حتى نقطة القطع المطلقة. وبما أن الخلية بجهد اسمي 1.2 فولت، يُختار عدد الخلايا على التوالي ليجتاز الحد الأدنى لدخل المنظم والراديو عبر جهد نهاية التفريغ؛ وتناسب خلية AA أو AAA واحدة الأنظمة تحت 1.8 فولت، بينما تغذي الحزم المكونة من خليتين أو ثلاث خلايا مسارات 2.4 فولت أو 3.6 فولت عبر مرحلة خافضة-رافعة عندما يتطلب الراديو 3 فولت أو أكثر.
حتى خلية NiMH منخفضة الممانعة تستفيد من خزان موضعي عندما تكون نبضة الإرسال قصيرة وحادة. يُحافظ على مكثف – مكثف فائق للدفقات الأكبر، أو مجموعة سيراميك متعدد الطبقات للعقد المدمجة – بجهد الحزمة بين عمليات الإرسال، ويُفرّغ في الراديو أثناء دفقة 50 إلى 150 مللي أمبير. يتبع تحديد الحجم Q = C × ΔV: يجب أن يحتفظ المكثف بشحنة كافية مع هبوط جهد مقبول لتوفير طاقة النبض، ثم تعيد خلية NiMH شحنه ببطء خلال فترة السكون الطويلة.
هذا التقسيم للعمل هو ما يجعل سعة NiMH الصغيرة قابلة للتطبيق. لا تحتاج الخلية أبدًا إلى توفير كامل تيار الإرسال مباشرة، لذا يبقى معدل تفريغها الفعلي قريبًا من المتوسط المنخفض، ويتحسن الكفاءة وتُقلَّل الحرارة وهبوط الجهد. المقايضة هي وقت إعادة الشحن والتسرب: يجب ملء الخزان خلال أقصر فترة بين الدفقات، ويصبح تيار تسربه جزءًا من ميزانية السكون. تُظهر مقارنة متحركة لتصميم خلية فقط وخلية مع خزان أن الأخير يحافظ على جهد أكثر استواءً بوضوح عبر الدفقة بنفس السعة الاسمية للخلية.
إن لوحة شمسية صغيرة على عقدة بيئية لا تشبه محول الشبكة إطلاقًا: يتحرك خرجها مع الغطاء السحابي والزاوية والأوساخ، وينهار إلى الصفر كل ليلة، وقد يوفر متوسطًا خلال اليوم يبلغ بضعة مللي واط فقط. لذا يجب على مرحلة إدارة الشحن أن تجري استخلاص طاقة بنمط نقطة القدرة القصوى باستهلاك منخفض جدًا، وأن تبدأ الشحن عند عتبة دخل منخفضة، وتمنع التيار العكسي ليلًا، وألا تفرض أبدًا ملف شحن لا تستطيع خلية NiMH قبوله من أثر بهذا الضعف.
وNiMH متسامح هنا على نحو مفيد: فالشحن المتحكم به بتيار ثابت مع إنهاء معوّض بالحرارة، أو سقف شحن تنقيطي متحفظ، يلائم التعبئات الضحلة المتقطعة، وتتسامح الكيمياء مع الشحن الزائد المعتدل الذي قد يطبقه منظم حصاد بسيط، أفضل بكثير من تحمل خلية الليثيوم-أيون لشحن غير متحكم به. ومع ذلك يحدد المصممون نافذة حرارة الشحن، وحد تيار يطابق سعة الخلية، وإنهاء -ΔV أو dT/dt لأي شحن سريع جوهري، مع وسائل حماية بالمؤقت والحرارة. والنتيجة حزمة تمتص ما تقدمه الحاصدة دون أن تتطلب انضباط الشحن الدقيق الذي يفرضه الليثيوم-أيون.
التفريغ الذاتي خسارة من الدرجة الأولى في جهاز قد يمضي أيامًا بين عمليات شحن ذات شأن، وهو سبب إخفاق NiMH العادي عالي السعة تاريخيًا في أدوار الاستعداد الشمسي. إن تركيبات منخفضة التفريغ الذاتي – وهي التقنية ذاتها التي تقيّمها صحائف البيانات بأنها تحتفظ بنحو 75 بالمئة من الشحنة بعد اثني عشر شهرًا – تغير ذلك الحساب بحفظ الطاقة المحصودة عبر الفترات المظلمة الطويلة. وسعتها الاسمية الأقل قليلًا لكل خلية هي عادة مقايضة مجزية مقابل خسارة تقويم أصغر بكثير في عقدة منخفضة دورة العمل.
يجب أن يتضمن نموذج توازن الطاقة التفريغ الذاتي كحمل موازٍ، لا كحاشية: في أسوأ أسبوع شتوي تفقد الحزمة كلًا من طاقة الحمل وحد تسرب التقويم، ويجب على الحاصدة تغطية كليهما. واختيار درجة LSD، والإبقاء على الحزمة في حالة شحن معتدلة حيثما أمكن، وتجنب الحرارة المرتفعة المستمرة، يقلل هذا الحد الطفيلي ويجعل تنبؤ الاستقلالية يطابق السلوك ميدانيًا.
تعيش العقد البيئية في الهواء الطلق، وتهبط سعة وجهد NiMH مع ارتفاع المقاومة الداخلية في البرد؛ ويكون الأثر معتدلًا قرب التجمد لكنه يصبح جوهريًا تحت نحو سالب عشرة إلى سالب عشرين درجة مئوية. تشمل استجابات التصميم تحديد سعة إضافية لأبرد شهر، ووضع الحزمة داخل غلاف معزول حراريًا بدل تعريضها على عمود، واستخدام خزان المكثف لتغطية النبضات الباردة عندما تكون ممانعة الخلية أعلى ما يمكن، و – حين يقترب الموقع من الحد العملي لـ NiMH – إضافة كتلة حرارية أو اختيار كيمياء أوسع نطاقًا حراريًا لأكثر المحطات تطرفًا.
والتخطيط الميكانيقي مهم بقدر التصميم الكهربائي: تحتاج الخلايا إلى تثبيت ضد الاهتزاز والتمدد الحراري، وألسنة ملحومة أو حامل مُثبت بدل وصلات نابضية في المواقع عالية الاهتزاز، ومستشعر حرارة قرب الخلايا لإنهاء الشحن، وفصلها عن دوائر الراديو المولدة للحرارة. إن الطلاء الواقي والغلاف المحكم المصنف للموقع يبقيان التكاثف والملح بعيدًا عن الحزمة، ما يربط تصميم الحزمة مباشرة ببرنامج الحماية من التسرب الذي تتناوله مقالة التأهيل.
يتبع جمع العناصر معًا تسلسلًا قابلًا للتكرار: ثبّت نافذة الاستقلالية ومتوسط الحمل؛ واختر عدد الخلايا على التوالي من جهد المسار؛ واستخرج السعة من الطاقة وعمق التفريغ وخفض البرد؛ وأضف وحدد حجم خزان النبض من طاقة الإرسال والهبوط المسموح به؛ وطابق شاحن الحصاد مع أضعف مصدر واقعي؛ واختر خلية LSD؛ ورتّب الحزمة من أجل المتانة الحرارية والميكانيكية. تنتج كل خطوة رقمًا يمكن التحقق منه بالقياس، بدل توصية عامة.
ثم يعيد التحقق تمثيل التصميم أمام دورة العمل الفعلية على الطاولة: تعيد وحدة مصدر-قياس أو حمل قابل للبرمجة تمثيل شكل موجة السكون-أخذ العينات-الإرسال، ويعيد محاكي شمسي أو مصدر قابل للبرمجة تمثيل أيام الشتاء الجيدة والسيئة، ويُحكم على التصميم ببقاء المسار فوق نقطة القطع عبر كل دفقة وبإغلاق حالة الشحن لتوازن كل أسوأ أسبوع بقيمة غير سالبة. التصميمات التي تجتاز ذلك التمثيل – والتأهيل الرسمي في المقالة الأخيرة – هي التي تعيش سنوات على عمود أو عوامة أو محطة مراقبة نائية.
Weijiang Power تصمم وتصنع خلايا هيدريد معدن النيكل المحكمة وحزمًا صناعية مُطابقة لمعدات نائية وخارج الشبكة ومرتبطة بالسلامة، وتدعم شركاء OEM بملفات أداء IEC 61951-2، وأدلة سلامة IEC 62133-2، وتوصيف أحمال النبض، واختبارات نطاق حراري واسع، وتحقق مشترك للشاحن/الحزمة. أخبرنا بدورة العمل وتيار الذروة والنطاق الحراري وهدف الاستقلالية والمعايير التي يجب أن يفي بها منتجك، وسيحدد مهندسونا تركيبة خلية-وحزمة تحمي زمن التشغيل والموثوقية وعمر الخدمة. راجع التشكيلة على صفحة المنتجات.
