Pływająca stacja jakości wody lub hydrologiczna to system zasilania poza siecią, który musi mierzyć przez całą noc, przez kolejne pochmurne dni i przez podatne na biofouling życie wdrożenia na morzu lub jeziorze. Komercyjne platformy boi zbiegają się w rozpoznawalnej architekturze: panel fotowoltaiczny o mocy od kilkudziesięciu do ponad stu watów ładuje pokładowy bank magazynujący o wielkości na kilka dni autonomii – integratorzy zwykle określają siedem lub więcej pochmurnych dni –, podczas gdy rejestrator danych budzi się w cyklu od jednej do sześćdziesięciu minut, pobudza wieloparametrową sondę mierząca pH, tlen rozpuszczony, zmętnienie i przewodność, czasem napędza pompę, wycieraczkę lub mechanizm czyszczący i wysyła dane przez 4G, GPRS lub LoRaWAN z użyciem Modbus lub MQTT. Ten artykuł, pierwszy z trzech o zasilaniu niklowo-wodorkowym dla pływającego monitoringu, rozpakowuje tę architekturę, kwantyfikuje składniki obciążenia odróżniające boję od prostego rejestratora pogodowego, wyjaśnia codzienny cykl ładowania-rozładowania, który faktycznie widzi element magazynujący, i pokazuje, dlaczego szczelny, odporny na cykle bufor NiMH jest dobrze dopasowany do platformy ładowanej codziennie, okresowo proszonej o impulsy wysokiego prądu i mającej przetrwać korozyjne, wilgotne środowisko.
Nowoczesna wieloparametrowa boja jest bardziej żerna energii, niż sugeruje jej mała szybkość danych. Elektrochemiczne i optyczne czujniki sondy pobierają prąd po pobudzeniu; optyczne kanały zmętnienia i tlenu rozpuszczonego potrzebują oświetlenia; wiele platform napędza mechaniczne wycieraczki lub czyszczarki nadmuchowe do kontroli biofoulingu; pompy mogą przemieszczać wodę próbki; a rejestrator i magistrala czujników RS485/Modbus są aktywne w każdym oknie pomiarowym. Następnie wysyłanie kluczuje radiomodem komórkowy lub LPWAN, którego stopień nadawczy pobiera największy prąd chwilowy cyklu.
Rytm pomiarów jest konfigurowalny od razu na minutę do co godzinę, a każde skrócenie interwału podnosi średnie obciążenie mniej więcej proporcjonalnie. Publikowane specyfikacje boi opisują systemy dwunastowoltowe z solarem-plus-magazynowaniem, cykle pomiarowe regulowane w zakresie od jednej do sześćdziesięciu minut oraz LoRaWAN na EU868 lub łącze komórkowe. Pierwsze zadanie projektowe to zatem ta sama rachunkowość energii cyklu co dla każdego zdalnego węzła – wypisać każdy stan, jego prąd i czas trwania –, ale ze składowymi pompy, czyszczarki i czujnika optycznego, których stacja pogodowa nie ma.
Platformy pływające niemal powszechnie pozyskują energię fotowoltaicznie, ponieważ są poza siecią i wystawione na otwarte niebo. Specyfikacje integratorów opisują panele od około pięćdziesięciu do stu pięćdziesięciu watów ładujące bank magazynujący, przy czym wymaganiem definiującym jest autonomia przez kolejne dni deszczu lub zachmurzenia: siedem dni to powszechny cel komercyjny, a niektóre linie boi meteorologicznych określają piętnaście lub więcej. Element magazynujący jest więc wymiarowany nie na jedną noc, lecz na okres najgorszego sezonu słabego nasłonecznienia – zasadniczo inne obliczenie niż w przypadku dobowego gadżetu słonecznego.
W tej architekturze technologia magazynowania ma trzy zadania: pochłaniać ładunek zawsze, gdy panel produkuje, dostarczać cykl pomiarów i wysyłania na żądanie oraz przetrwać wielodniowy deficyt. Szczelny NiMH jest wiarygodnym wyborem dla małych i średnich boi właśnie dlatego, że jest cykliczną, ładowalną technologią tolerującą płytki, nieregularny ładunek dostarczany przez ruchomy, czasem zacieniony panel oraz powtarzające się codzienne cykle wieloletniej służby – inna propozycja wartości niż duże pakiety litowe pierwotne stosowane tam, gdzie nie ma w ogóle panelu słonecznego.
W przeciwieństwie do baterii pierwotnej, która tylko się opróżnia, bufor boi kreśli powtarzalną codzienną orbitę: rozładowuje się w nocy i podczas impulsów pomiarowych, ładuje się w godzinach dziennych i osiada na stanie naładowania podążającym za pogodą. W słonecznym tygodniu unosi się wysoko; w tygodniu sztormowym zmierza w dół i musi odzyskać stan. Element magazynujący potrzebuje zatem wysokiej tolerancji cykli przy płytkim cyklowaniu, dobrej akceptacji ładunku z przerywanego źródła i wystarczająco niskiego samorozładowania, by nie utracić zmagazynowanej energii.
NiMH dobrze czuje się w dokładnie takim reżimie. Przyjmuje ładunek z kontrolowanego regulatora słonecznego bez surowej, wrażliwej na powlekanie dyscypliny ładowania litowo-jonowego, toleruje umiarkowane przeładowanie, jakie może zastosować prosty kontroler morski, i przechodzi codzienną orbitę przez cały okres eksploatacji platformy. Stosuje się klasy niskosamorozładowowe, by zmagazynowana energia przetrwała długie okresy zachmurzenia, a pakiet celowo eksploatuje się w środkowym paśmie stanu naładowania, gdzie zarówno żywotność cykli, jak i niezawodność są najlepsze.
Kilka obciążeń boi jest impulsowych, a nie stałych: silnik wycieraczki lub pompa startująca pod obciążeniem, błysk oświetlenia czujnika optycznego, a zwłaszcza radiomodem komórkowy nadający na krawędzi słabego sygnału mogą każdy krótko wymagać prądu kilkukrotnie przewyższającego średnią. Jak w węźle czujnikowym, element magazynujący musi utrzymać napięcie swojej szyny przez te impulsy, inaczej rejestrator resetuje się i pomiar ginie – kosztowna awaria na platformie, do której można dotrzeć tylko łodzią.
Szczelne ogniwa NiMH mają niską impedancję wewnętrzną, rzędu kilkudziesięciu miliomów w naładowanym ogniwie rozmiaru AA, a linie przemysłowe wytrzymują rozładunek kilkuamperowy, więc mały pakiet utrzymuje napięcie przez rozruchy silnika i radia, które spowodowałyby zapadnięcie się źródła wysokiej impedancji. Projektanci często dodają lokalny zbiornik kondensatorowy dla najostrzejszych impulsów, pozostawiając bankowi NiMH dostarczanie energii cyklu przy umiarkowanej średniej szybkości. Pierwsza animowana rycina nakłada energię każdego obciążenia boi; druga kontrastuje zdrową codzienną orbitę stanu naładowania z tygodniem deficytu.
Woda jest wrogim środowiskiem elektrycznym, w sposób sięgający baterii nawet wewnątrz szczelnego kadłuba: wysoka wilgotność i kondensacja, szerokie wahania temperatury, powietrze nasycone solą atakujące złącza i każdy odsłonięty metal, stały niskopoziomowy ruch i wibracje oraz ryzyko naruszenia komory. Te stresory podnoszą rezystancję styków, przyspieszają korozję i mogą zdegradować pakiet szybciej niż jego elektrochemiczny żywot kalendarzowy, jeśli konstrukcja mechaniczna i uszczelnienie są słabe.
Dlatego projekt zasilania boi jest nierozerwalnie związany z projektem obudowy. Komora baterii znajduje się za barierą IP68 definiującą platformę zanurzeniową; ogniwa są utrzymywane przed ruchem za pomocą zgrzanych języczków lub solidnych uchwytów; złącza są odporne na korozję i pokryte powłoką ochronną; a projekt termiczny trzyma pakiet z dala od bezpośrednich słonecznych punktów gorących. Brak wolnej cieczy w NiMH i jego solidna szczelna konstrukcja są tu korzystne, ale korzyść realizuje się tylko wtedy, gdy pakiet jest pakowany dla środowiska morskiego równie celowo jak sam kadłub.
Analiza obciążenia i architektury daje jasny zestaw wymagań dla elementu magazynującego: ładowalny i odporny na cykle przez lata codziennych orbit; ładowalny ze słabego, przerywanego źródła fotowoltaicznego bez kruchego protokołu ładowania; o wystarczająco niskiej impedancji, by pokryć impulsy silnika, optyki i radia, opcjonalnie ze zbiornikiem kondensatorowym; niski samorozładowaniem, by przetrwać wielodniowe deficyty; oraz solidny wewnątrz szczelnej, wilgotnej, wibrującej, wystawionej na sól komory. Te wymagania ramują szczegółowy projekt pakietu w następnym artykule.
Ramują one także uczciwe porównanie chemii. Duże boje o dużym wolumenie i budżecie mogą używać litowo-jonowego z powodu gęstości energii, a bezsłoneczne platformy długowieczne mogą używać litu pierwotnego; ale dla łatwych w utrzymaniu, wspomaganych słońcem małych i średnich boi – zwłaszcza tam, gdzie cenione są prostota transportu, wybaczające zachowanie przy ładowaniu i dostarczanie impulsów – dobrze zaprojektowany szczelny bufor NiMH jest silnym, dającym się obronić wyborem. Następny artykuł zamienia te wymagania w decyzje o liczbie ogniw, pojemności, zbiorniku i zarządzaniu ładowaniem.
Weijiang Power projektuje i wytwarza szczelne ogniwa niklowo-wodorkowe i dopasowane pakiety przemysłowe dla sprzętu zdalnego, poza siecią i związanego z bezpieczeństwem oraz wspiera partnerów OEM plikami osiągów IEC 61951-2, dowodami bezpieczeństwa IEC 62133-2, charakteryzacją obciążeń impulsowych, badaniami w szerokim zakresie temperatur i wspólną walidacją ładowarka/pakiet. Podaj nam swój cykl pracy, prąd szczytowy, zakres temperatur, cel autonomii i normy, które musi spełniać Twój produkt, a nasi inżynierowie określą kombinację ogniwa-i-pakietu chroniącą czas pracy, niezawodność i żywotność. Przejrzyj asortyment na stronie produktów.
