وفي أعقاب كارثة طبيعية أو فشل كبير في الشبكة، كثيرا ما يتوقف الفرق بين الفوضى والاستجابة الخاضعة للمراقبة على عامل واحد: الطاقة الاحتياطية الموثوقة، وتتوقف المستشفيات، وملاجئ الطوارئ، وأبراج الاتصالات، ومرافق معالجة المياه على الكهرباء غير المتقطعة التي يمكن تشغيلها، وتصبح نظم تخزين الطاقة القائمة على البطاريات العمود الفقري العمود الفقري للإمدادات الحديثة من الطاقة الكهربائية لاستعادة القدرة على العمل بعد الكوارث، مما يتيح الاستعداد الفوري، والقدرة على سد الفجوة القائمة بين نظم إعادة تصميم المولدات.

Understanding Disaster Recovery Power Systems

إن نظم الطاقة التعافي من الكوارث تبنى الغرض للحفاظ على استمرار العمليات أثناء فترات انقطاع الشبكة الممتدة بسبب الأعاصير أو الزلازل أو الفيضانات أو حرائق الغابات أو الهجمات الإلكترونية، وعلى عكس ما توفره نظم الطاقة غير المتعمدة من بيانات احتياطية، فإن نظم استعادة القدرة على العمل بعد الكوارث مصممة للحفاظ على الحمولات لساعات أو حتى أيام، وهي عادة ما تدمج البطاريات مع المولدات أو الألواح الشمسية أو غيرها من المصادر لتشكل حدثاًاً مصغرة.

وتشمل الحمولات الحرجة في سيناريو الكوارث معدات السلامة على الحياة (المفاتن والإضاءة والإنذارات) ومراكز البيانات التي تخزن سجلات الطوارئ، والهياكل الأساسية للاتصالات (أبراج الخلايا، ومكررات الراديو)، ومحطات الضخ للمياه أو الوقود، وكل حمولة لها صورة واضحة عن الطاقة، وبعضها يتطلب سحبا ثابتا منخفض المستوى، وبعضها الآخر يتطلب تيارا عاليا.

مبادئ التصميم الرئيسية

الموثوقية من خلال إعادة التوطين

Reliability in disaster recovery systems is non-negotiable. The principle of N+1 redundancy] means that if the system requires N batter strings or inverters to meet the load, at least one additional unit is installed to cover a failure. For ultra-critical applications such as operating rooms, a

Scalability for Future Growth

ويمكن أن يتغير الحمل على نظام استعادة القدرة على العمل بعد الكوارث مع مرور الوقت مع توسيع المرافق أو إضافة معدات جديدة، فالتصميم بعجلات البطارية النموذجية واللافتات القابلة للتكدس يسمح بزيادة القدرة دون استبدال النظام بأكمله، كما أن نظم البطاريات الليثيومية والتدفقية مناسبة بشكل خاص للتوسع في الوحدات، لأن وحدات البطارية الفردية يمكن أن تضاف أو استبدالها حسب الحاجة، كما أن قابلية القياس تنطبق على طبقة الرصد والإدارة: ينبغي أن يقبل النظام برامجيات الاضافية.

كفاءة الطاقة ومجموع تكلفة الملكية

وفي حين أن التكلفة الأولية كثيرا ما تكون مصدر قلق، فإن القياس الحقيقي للكفاءة هو كفاءة الطاقة في المرحلة المحيطة ] - نسبة الطاقة التي يتم تسليمها من البطارية إلى الطاقة المطلوبة لشحنها.

السلامة في الظروف القاسية

(د) أن تُخضع بيئات البطاريات لدرجات حرارة شديدة، ورطوبة، ورذاذ الملح، والصدمة البدنية؛ ويجب أن يشمل تصميم السلامة الوقاية من الممر الحراري (لا سيما بالنسبة للليثيوم)، وكشف القوس، وكشف الضياع التي تُقيَّم لحماية العصي (IP65 أو أعلى) ويجب أن ترصد نظم إدارة البطاريات فولت الخلوي، ودرجة الحرارة، والتجهيزات الحالية في الوقت الحقيقي، وأن تكون لديها قدرات على التخلص من النفايات.

القدرة على الحفظ والخدمة

وفي حالة وقوع كارثة، قد لا يكون التقنيون المهرة متاحين على الفور، وينبغي تصميم النظم اللازمة لتيسير الوصول إلى العناصر القابلة للاستبدال: وحدات البطاريات، والصمامات، والموصلات، ومجالس المراقبة، وربط الأعلام باللونين، وربط الشبكات بين اللاعبين، والحد من الخطأ البشري أثناء عمليات إصلاح الطوارئ، كما أن قدرات الرصد عن بعد تتيح للخبراء من خارج الموقع تشخيص المسائل قبل إيفاد فريق للتصليح البصري.

اختيار تكنولوجيات البطاريات الصحيحة

ويؤثر اختيار كيميائي البطاريات تأثيراً كبيراً على أداء النظام وتكلفته وطويلته، ولا يوجد كيمياء واحد أفضل لجميع تطبيقات استعادة القدرة على العمل بعد الكوارث؛ ويتوقف الخيار الأمثل على الميزانية، والحيز، ومدة التجاوز المتوقعة، وظروف التشغيل.

البطاريات الأمامية

أما البطاريات التي تُستخدم في إطار نظام الرصاص المُعدَّل بالقيمة والفيضانات، فتظل شائعة في الدعم القصير الأجل (من 15 دقيقة إلى 4 ساعات) بسبب انخفاض تكلفتها الأولية واتساع نطاق توافرها، وتُغلق أنواع البطاريات ذات الصلة بالجرعات، ولا تحتاج إلى إضافة مياه، ويمكن تركيبها في خزانات مُهَوَّلة داخلها، غير أن لديها عمراً أطول من دورة (من 200 إلى 500 دورة) في 50 في المائة من الدونات.

ليثيوم - آيون باتري

أما البطاريات التي تستخدم في إنتاج الليثيوم (الخاصة الفوسفات الحديدي الليثيوم أو LFP) فقد أصبحت التكنولوجيا المفضلة للنظم الحديثة لاستعادة القدرة على العمل بعد الكوارث، وهي توفر ثلاث إلى خمس مرات كثافة الطاقة [[FLT:] من التنبيهات المسبقة، مما يتيح بصمة أقل ويسهل التركيب.

البطاريات المتفجرة

فبطاريات التدفق الأحمر في فاناديوم (VRFBs) في تطبيقات طويلة الأجل (4-12 ساعة أو أكثر) وحيث يتوقع أن تكون الدراجات العميقة كل يوم، وتخزن الطاقة في البطاريات الكهربائية السائلة، وبالتالي تكون القدرة والطاقة مستقلة - فالقدرات المتزايدة تتطلب ببساطة صهاريجا أكبر، ونادرا ما تكون البطاريات المتدفقة حياة غير محدودة (20 سنة + سنة ب100 في المائة دودة) وتعمل في جو من درجات الحرارة المادية دون مخاطر.

التكنولوجيات الناشئة

وتدخل البطاريات القائمة على أساس الصوديوم والزنك السوق ويمكن أن توفر تكلفة أقل وتوافراً أكبر للمواد، وفي حين أنها لا تنشر على نطاق واسع في أدوار استعادة القدرة على العمل بعد الكوارث، فإنها تستحق الاهتمام مع نضوج التكنولوجيا، وينبغي للمهندسين أن يرصدوا المعايير من IEE (مثلاً، IE 1881 للبطاريات الثابتة) .]

اعتبارات التصميم من أجل المرونة

تحديد مواقع القرض وتوسيقه

ومن الأهمية بمكان أن تكون هناك صورة دقيقة للشحن، وأن تستخدم محللاً لجودة الطاقة لقياس الحمولات الفعلية على مدى 24 ساعة، مع ملاحظة ارتفاع الطلب ودورات العمل، وبالنسبة لاسترداد الكوارث، يجب أن يغطي التصميم السيناريو الأسوأ: جميع الحمولات الحرجة التي تجري في آن واحد، بالإضافة إلى التيارات التي تبدأ في المضخات والضغطات، وتحسب القدرة على البطارية (في الساعات الطويلة) على النحو التالي:

Capacity (kWh) = (Total Critical Load × Required Autonomy)/ (System Voltage × × × الكفاءة)]

فعلى سبيل المثال، يحتاج حمل حرج يبلغ 50 كيلوواطاً يتطلب 12 ساعة من الاستقلال الذاتي، مع نظام الليثيوم البالغ 48 في المائة من الـ ديوان الـ 80%، و 95 في المائة من الكفاءة إلى نحو 447 16 آه (بعد تحويل الوحدة)، ويضيف دائماً هامش أمان بنسبة 20 في المائة ليحسب حجم البطاريات وغير المتوقعة.

الاتحادات الخفيضة

وتشمل أعلىيات التكرار المشتركة ما يلي:

  • N+1:] سلاسل بطارية إضافية أو وحدة منحرفة تتجاوز الاحتياجات المحسوبة، مناسبة للتطبيقات الحرجة ولكن لا تتعلق بالسلامة الحياتية.
  • 2N:] نظامان مستقلان تماما، كل منهما قادر على معالجة 100 في المائة من الحمولة، مطلوبان لمناطق الرعاية الحيوية في المستشفيات لكل من الرابطة الوطنية للزراعة 99.
  • ]Distributed redundancy:] Multiple small bat systems spread across a facility rather than one central bank, limiting the impact of a single failure.

وينبغي اختبار كل تشكيلة من خلال تحفيز فشل مصرف البطاريات الأولية أثناء تحميله. ويجب التحقق من تحويلات النقل الآلي وأجهزة التفافية الثابتة للعمل في غضون فترة النقل المطلوبة (نحو 10 أمتار لتطبيقات نظام البريد العالمي).

حماية البيئة والإدارة الحرارية

ويجب حماية البطاريات التي يتم تركيبها في الهواء الطلق من درجة الحرارة القصوى، وعادة ما تعمل الليثيوم على أفضل وجه بين 15 درجة مئوية و35 درجة مئوية؛ وخارج هذا النطاق، تزداد درجات الأداء ومخاطر السلامة.() وينبغي أن تشمل عمليات التبريد الفعالة (التكييف أو التبريد السائل) ومواصف التدفئة للمناخ المعزولة من الأملاح، وبالنسبة للمناطق المعرضة للفيضانات، وضع خزانات للبطارية على منصات المتطورة، وتتم جميع الكابلات.

نظم الرصد والإدارة

نظام إدارة البطاريات المتطور هو دماغ نظام مرنة، ويرصد كل خلية من مجموعات الخلايا ودرجات الحرارة وأجهزة التغليف، ويمكنه فصل البطارية إذا تجاوزت أي بارامتر الحدود الآمنة، كما ينبغي أن ينص نظام إدارة المباني على ما يلي:

  • Remote status via cellular or satellite modem (since internet may be down)
  • تقييم الدولة للصحة للتحذير من البطاريات القديمة
  • تسجيل البيانات التاريخية لتحليل ما بعد وقوع الأحداث
  • التكامل مع نظم إدارة المباني ومراقبي المولدات

وهناك وحدات حديثة من وحدات إدارة المباني تدعم البروتوكولات المفتوحة مثل برنامج مودبوس للاختبارات المكلورة قصيرة الأجل أو برنامج الرصد الوطني من أجل تيسير التكامل، وضمان أن يمكن لمنصة الرصد أن ترسل تنبيهات عبر قنوات متعددة (البريد الإلكتروني، ونظام الرصد، والإخطارات بالدفع) لضمان الإخطار أثناء وقوع الكارثة.

تنفيذ وصيانة نظم البطاريات

أفضل الممارسات في مجال التركيب

وينبغي أن يتبع التركيب مواصفات الصانع فيما يتعلق بالتهوية والتهوية والتخليص الكهربائي، ويجب فحص جميع الموازين البطارية من أجل التسخين السليم لتجنب التدفئة المقاومة، واستخدام الصمامات أو أجهزة تنقية الدوائر التي يتم تقديرها على النحو المناسب في كل سلسلة من خطوط البطاريات، وفيما يتعلق بنظم الليثيوم، تتبع متطلبات NFPA 855[FLT: discharge].

الاختبارات والتكليف

وقبل أن يوضع النظام في الخدمة، يجري اختباراً مصرفياً للشحن بنسبة 100 في المائة لفترة الاستقلال الذاتي الكاملة التي يُقيّم بها، ويتحقق من استقرار التطاير، والأداء الحراري، وعملية إدارة المباني تحت ضغط حقيقي، ويوثق جميع القراءات الأساسية (المقاومة الداخلية، ومجلدات الخلايا، ودرجات الحرارة) للمقارنة في المستقبل، وبالإضافة إلى ذلك، يختبر قدرة النظام على الانتقال إلى المولد أو من الطاقة الكهربائية أو الشبكة بشكل سلس.

الصيانة الجارية

برنامج صيانة وقائية يمدّد حياة البطاريات ويمسك القضايا في وقت مبكر، وتشمل المهام الرئيسية ما يلي:

  • Monthly: Visual inspection for corrosion, leaks, and loose connections; check BMS alarms and event logs.
  • فصلي: قياس كل مجموعة من مجموعات الخلايا ومقاومة داخلية؛ مرشحات لتبريد نظيفة.
  • Annually: Full capacity discharge test; torque check on all bus bars; replace any weak cells.
  • كل سنتين إلى خمس سنوات: يستعاض عن وحدات البطاريات التي تقترب من نهاية الحياة استنادا إلى عد الدورات أو تدهور القدرات.

ويجب تسجيل جميع أنشطة الصيانة في سجل يمكن أن يتاح لأفراد الطوارئ، وينبغي تخزين قطع الغيار - بما في ذلك الصمامات، والموصلات، ونموذج البطاريات الاحتياطية - في الموقع.

بروتوكولات التدريب والسلامة

ويجب أن يتلقى متعهدو المرافق تدريباً يدوياً في بدء النظام وإغلاقه وإجراءات الطوارئ، وينبغي أن يشمل التدريب السلامة في الهواء (متطلبات المعدات والمنشآت والمعدات) وإجراءات الغلق/الرسوم الخاصة بقطع الاتصالات بالبطارية، وكيفية تفسير أجهزة الإنذار بأجهزة إدارة المباني، وفي حالة وقوع كارثة، يمكن التشديد على الموظفين وتهينهم، بحيث تكون الإجراءات بسيطة ومحددة بوضوح بالقرب من النظام، وإجراء تدريبات دورية تحفز على وضع خطط كاملة للتعافي من الشبكة للتحقق من إمكانية استرداد الموظفين.

خاتمة

إن تصميم نظام للبطارية من أجل توفير القدرة على استعادة القدرة على العمل بعد الكوارث يتطلب نهجا شاملا يدمج الهندسة المتينة، والاختيار المناسب للتكنولوجيا، والصيانة المقسمة، ومن خلال إعطاء الأولوية لمديري التصريف، والقدرة على التصعيد، والكفاءة، والسلامة، يمكن للمنظمات أن تبني حلولا احتياطية للطاقة تؤدي دون عيوب عندما تفشل الشبكة، والاستثمار في البطاريات العالية الجودة - عادة ما يؤدي إلى زيادة في وتيرة التطبيقات الحديثة - وإلى حدوث تغير شامل في نظام إدارة المناخ.