Una stazione galleggiante di qualità dell'acqua o idrologica è un sistema di alimentazione off-grid che deve continuare a misurare di notte, nei giorni nuvolosi consecutivi e durante la vita soggetta a biofouling di un dispiegamento in mare o su un lago. Le piattaforme commerciali di boe convergono su un'architettura riconoscibile: un pannello fotovoltaico da decine a oltre cento watt carica un banco di accumulo di bordo dimensionato per diversi giorni di autonomia – gli integratori specificano comunemente sette o più giorni nuvolosi –, mentre un datalogger si sveglia su un ciclo da uno a sessanta minuti, eccita una sonda multiparametro che misura pH, ossigeno disciolto, torbidità e conducibilità, a volte aziona una pompa, un tergicristallo o un meccanismo di pulizia, e carica su 4G, GPRS o LoRaWAN tramite Modbus o MQTT. Questo articolo, il primo di tre sull'alimentazione a nichel-idruro metallico per il monitoraggio galleggiante, scompone quell'architettura, quantifica i componenti di carico che distinguono una boa da un semplice logger meteorologico, spiega il ciclo giornaliero di carica-scarica che l'elemento di accumulo vede realmente e mostra perché un buffer NiMH sigillato e tollerante ai cicli è ben adattato a una piattaforma ricaricata ogni giorno, sollecitata da raffiche periodiche ad alta corrente e destinata a sopravvivere in un ambiente corrosivo e umido.
Una moderna boa multiparametro è più assetata di energia di quanto suggerisca la sua piccola velocità dati. I sensori elettrochimici e ottici della sonda assorbono corrente quando eccitati; i canali ottici di torbidità e ossigeno disciolto necessitano di illuminazione; molte piattaforme azionano tergicristalli meccanici o pulitori a getto d'aria per controllare il biofouling; le pompe possono muovere acqua campione; e il datalogger e il bus sensori RS485/Modbus sono attivi durante ogni finestra di misura. Il caricamento attiva quindi una radio cellulare o LPWAN il cui stadio di trasmissione assorbe la più grande corrente istantanea del ciclo.
La cadenza di misura è configurabile da una volta al minuto a ogni ora, e ogni accorciamento dell'intervallo aumenta il carico medio all'incirca in proporzione. Le specifiche pubblicate di boe descrivono sistemi a dodici volt con solare-più-accumulo, cicli di misura regolabili su quell'intervallo da uno a sessanta minuti e LoRaWAN su EU868 o uplink cellulare. Il primo compito progettuale è quindi lo stesso conteggio energetico per ciclo usato per qualsiasi nodo remoto – elencare ogni stato, la sua corrente e durata –, ma con termini di pompa, pulitore e sensore ottico che una stazione meteorologica non ha.
Le piattaforme galleggianti raccolgono quasi universalmente tramite fotovoltaico perché sono off-grid ed esposte al cielo aperto. Le specifiche degli integratori descrivono pannelli da circa cinquanta a centocinquanta watt che caricano un banco di accumulo, essendo il requisito determinante l'autonomia attraverso giorni consecutivi di pioggia o cielo coperto: sette giorni è un comune obiettivo commerciale, e alcune linee di boe meteorologiche specificano quindici o più. L'elemento di accumulo è quindi dimensionato non per una notte ma per il periodo di peggiore stagione di scarso irraggiamento, un calcolo fondamentalmente diverso da quello di un gadget solare diurno.
In quell'architettura la tecnologia di accumulo ha tre compiti: assorbire carica ogni volta che il pannello produce, fornire il ciclo di misura e caricamento su richiesta e superare il deficit di più giorni. Il NiMH sigillato è una scelta credibile per boe piccole e medie proprio perché è una tecnologia ciclica e ricaricabile che tollera la carica superficiale e irregolare fornita da un pannello mobile, a volte ombreggiato, e i cicli giornalieri ripetuti di anni di servizio – una proposta di valore diversa dai grandi pacchi litio primario usati dove non esiste alcun pannello solare.
Diversamente da una batteria primaria che solo si svuota, un buffer di boa traccia un'orbita giornaliera ripetitiva: si scarica di notte e durante le raffiche di misura, si ricarica nelle ore diurne e si assesta a uno stato di carica che segue il meteo. In una settimana soleggiata fluttua alto; in una settimana di tempesta tende verso il basso e deve recuperare. L'elemento di accumulo necessita di conseguenza di alta tolleranza ai cicli in ciclaggio superficiale, buona accettazione di carica da una fonte intermittente e autoscarica sufficientemente bassa da non disperdere l'energia accumulata.
Il NiMH è a suo agio con esattamente questo regime. Accetta carica da un regolatore solare controllato senza la disciplina di carica severa e sensibile alla placcatura degli ioni di litio, tollera il modesto sovraccarico che un semplice controller marino può applicare e percorre l'orbita giornaliera per la vita utile della piattaforma. Si specificano gradi a bassa autoscarica affinché l'energia accumulata sopravviva a lunghi periodi nuvolosi, e il pacco è deliberatamente fatto funzionare in una fascia centrale di stato di carica dove sia la vita in cicli sia l'affidabilità sono migliori.
Diversi carichi della boa sono impulsivi anziché stabili: un motore tergicristallo o una pompa che parte sotto carico, il flash di illuminazione di un sensore ottico e soprattutto una radio cellulare che trasmette su un margine di segnale debole possono ciascuno richiedere brevemente una corrente più volte la media. Come su un nodo sensore, l'elemento di accumulo deve mantenere la tensione del proprio rail attraverso questi impulsi, altrimenti il logger si azzera e la misura è persa – un guasto costoso su una piattaforma che può essere visitata solo in barca.
Le celle NiMH sigillate hanno bassa impedenza interna, dell'ordine di decine di milliohm in una cella AA carica, e le linee industriali sostengono scariche di diversi ampere, così un piccolo pacco mantiene la tensione attraverso avvii di motore e radio che farebbero abbassare una fonte ad alta impedenza. I progettisti aggiungono spesso un serbatoio locale di condensatori per gli impulsi più acuti, lasciando al banco NiMH il compito di fornire l'energia del ciclo a un modesto tasso medio. La prima figura animata impila l'energia di ciascun carico della boa; la seconda contrappone una sana orbita giornaliera di stato di carica a una settimana di deficit.
L'acqua è un ambiente elettrico ostile, in modi che raggiungono la batteria anche dentro uno scafo sigillato: alta umidità e condensa, ampie oscillazioni di temperatura, aria carica di sale che attacca i connettori e ogni metallo esposto, movimento e vibrazione costanti di basso livello e rischio di un compartimento violato. Questi fattori di stress aumentano la resistenza di contatto, accelerano la corrosione e possono degradare un pacco più velocemente della sua vita calendario elettrochimica se il design meccanico e di tenuta è debole.
Per questo il design dell'alimentazione della boa è inseparabile dal design dell'involucro. Il vano batteria siede dietro la barriera IP68 che definisce una piattaforma sommergibile; le celle sono trattenute contro il movimento con linguette saldate o supporti robusti; i connettori sono resistenti alla corrosione e con rivestimento protettivo; e il design termico tiene il pacco fuori dai punti caldi solari diretti. La mancanza di liquido libero del NiMH e la sua robusta costruzione sigillata sono vantaggiose qui, ma il vantaggio si realizza solo quando il pacco è imballato deliberatamente per l'ambiente marino come lo scafo stesso.
L'analisi di carico e architettura produce un chiaro insieme di requisiti per l'elemento di accumulo: ricaricabile e tollerante ai cicli lungo anni di orbite giornaliere; caricabile da una fonte fotovoltaica debole e intermittente senza un protocollo di carica fragile; a impedenza sufficientemente bassa da coprire impulsi motore, ottici e radio, opzionalmente con un serbatoio di condensatori; bassa autoscarica per sopravvivere a deficit di più giorni; e robusto dentro un vano sigillato, umido, vibrante ed esposto al sale. Tali requisiti inquadrano il design dettagliato del pacco nel prossimo articolo.
Inquadrano anche un onesto confronto tra chimiche. Le grandi boe con volume e budget generosi possono usare ioni di litio per la sua densità energetica, e le piattaforme senza solare a lunga vita possono usare litio primario; ma per boe piccole e medie mantenibili e assistite dal solare – soprattutto dove sono apprezzate la semplicità di trasporto, il comportamento di carica indulgente e l'erogazione di impulsi – un buffer NiMH sigillato ben progettato è una scelta forte e difendibile. L'articolo seguente trasforma questi requisiti in decisioni su numero di celle, capacità, serbatoio e gestione della carica.
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