EN
روابط سريعة
يُعيد المزيد والمزيد من المصانع التحول إلى أنظمة البطاريات بجهد 48 فولت لأنها توفر المزيج المناسب من الكفاءة، وميزات السلامة، والتوافق مع المعدات الأخرى. فعند تشغيل الأنظمة بجهد 48 فولتًا، فإنها تستهلك تيارًا أقل لنفس كمية الإخراج الكهربائي، ما يعني تقليل الفقد في الطاقة بسبب المقاومة في الأسلاك (تذكّر صيغة P تساوي I تربيع R التي درستها في المدرسة). علاوةً على ذلك، يسمح هذا التيار المنخفض للشركات باستخدام كابلات أرفع، مما يقلل التكلفة الإجمالية. وثمة ميزة كبيرة أخرى تتعلق بالسلامة. فبجهد 48 فولتًا، تبقى هذه الأنظمة دون حد 60 فولت المحدد كجهد منخفض جدًا آمن وفقًا للمعايير الدولية مثل IEC 61140. وهذا يعني أن العمال لا يحتاجون إلى القلق بشأن الشرارات الكهربائية الخطرة عند أداء مهام الصيانة الروتينية، ويمكنهم تفادي شراء معدات الحماية المكلفة في معظم الأحيان. والأمر المثير أن هذا المستوى من الجهد موجود منذ أمد بعيد في تطبيقات مثل شبكات الهواتف وأنظمة أتمتة المصانع ولوحات التحكم في جميع أنحاء العالم. وبالتالي يمكن للمنشآت توصيل هذه الأنظمة بما هو موجود بالفعل دون إنفاق أموال طائلة على أسلاك جديدة أو تعديلات.
يجعل معيار 48 فولت من الأسهل بكثير التعامل مع مكونات الطاقة الأساسية بشكل عام. ففي الواقع، تأتي العديد من أنظمة التغذية الكهربائية غير المنقطعة (UPS) والعواكس المستخدمة اليوم مزودة بدعم داخلي لتيار مستمر بجهد 48 فولت مباشرة من المصنع. وهذا يعني أنه يمكن للبطاريات الاتصال مباشرة دون المرور عبر خطوات تحويل الطاقة المهدرة من تيار متردد إلى تيار مستمر أو من تيار مستمر إلى تيار مستمر التي تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة. وما يُثير الاهتمام حقًا هو كيف يعمل هذا بشكل جيد أيضًا في الإعدادات الصناعية القديمة. فما زالت العديد من المصانع تعمل بشبكات أجهزة الاستشعار الخاصة بها، ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs)، والعديد من الدوائر التحكمية الأخرى على طاقة 48 فولت. ونتيجةً لهذه البنية التحتية القائمة، يمكن التحول إلى بطاريات ليثيومية بجهد 48 فولت بسرعة، وتكون المخاطر على العمليات ضئيلة للغاية، ولا يتطلب الأمر استثمارات رأسمالية ضخمة أيضًا.
يشكل التقييم الدقيق لاحتياجات الطاقة الصناعية أساس تصميم نظام البطاريات الاحتياطية 48 فولت الموثوق. تحدد هذه العملية الأنظمة الأساسية التي تحتاج إلى حماية، وتحدد استهلاكها للطاقة لمنع التوقف عن العمل.
ابدأ بإعداد قائمة كاملة بكل شيء في المنشأة، ثم قم بقياس كمية الطاقة التي يستهلكها كل عنصر فعليًا. تعد أجهزة القياس الكهربائي (Clamp meters) مناسبة جدًا لهذا النوع من العمل، على الرغم من أن بعض الأشخاص يفضلون أنظمة القياس الفرعية عند التعامل مع التركيبات الأكبر حجمًا. أثناء مراجعة القائمة، ركّز أولًا على العناصر التي يجب أن تظل تعمل باستمرار دون انقطاع. مثل وحدات التحكم في العمليات، ومفاتيح السلامة التي تتوقف عندها الآلات عند حدوث خلل، وجميع معدات الشبكة التي تحافظ على اتصال العمليات – يجب أن تكون هذه أولوية قصوى. أما باقي المعدات؟ مثل الإضاءة في منطقة المكتب، أو وحدات التدفئة أو التبريد الإضافية غير المرتبطة مباشرةً بعمليات الإنتاج، فيمكن عادةً تأجيل تشغيلها أو حتى إيقافها مؤقتًا دون التسبب في مشكلات كبيرة. تأكد من تسجيل أرقام الاستهلاك المنتظمة، ولكن كن حذرًا أيضًا من الزيادات المفاجئة في الطلب على الطاقة. فالمحركات والضواغط الكبيرة معروفة بسحب تيار يصل إلى ثلاثة أضعاف استهلاكها الطبيعي عند بدء التشغيل، لذا من المفيد جدًا معرفة ما يحدث بالضبط خلال لحظات التشغيل هذه.
| نوع المعدات | نطاق الطاقة | الأهمية |
|---|---|---|
| أنظمة التحكم في العمليات | 300–800 واط | مرتفع |
| الخوادم ومعدات الشبكة | 500–1500 واط | مرتفع |
| ضواغط أنظمة التدفئة وتكييف الهواء | 2000–5000 واط | متوسطة |
| إضاءة المرافق | 100–300 واط | منخفض |
تقلل أدوات النمذجة التنبؤية الحديثة من أخطاء تحديد الحجم بنسبة 39٪ مقارنةً بالحسابات اليدوية عند دمجها مع بيانات الأحمال التاريخية. احسب إجمالي استهلاك الكيلوواط ساعة يوميًا بضرب متوسط الواط في ساعات التشغيل، ثم أضف هامشًا بنسبة 25٪ لمراعاة تقادم المعدات والتوسعة المستقبلية.
تتمسك معظم المرافق الصناعية بتصنيفات وقت التشغيل القياسي هذه الأيام. تحتاج المنشآت من الفئة الثالثة (Tier III) إلى توفر حوالي 99.982% في المتوسط، في حين تسعى المرافق من الفئة الثانية (Tier II) لتحقيق نسبة حوالي 99.741%. عند النظر إلى دورات تشغيل المعدات، هناك فرق كبير بين الأحمال المستمرة مثل أنظمة SCADA والآلات التي تبدأ وتتوقف بشكل متكرر خلال فترات تشغيلها. بالنسبة للتطبيقات الحرجة حقًا، تطلب العديد من المواصفات ما يُعرف بتكوين التكرار N+1. وهذا يعني ببساطة وجود سعة طاقة احتياطية تتجاوز متطلبات القمة بوحدة إضافية كاملة. ومع ذلك، فإن العوامل البيئية مهمة أيضًا. فعندما تنخفض درجات الحرارة عن ظروف التشغيل الطبيعية، تنخفض أداء بطاريات الليثيوم بشكل كبير. عند نقطة التجمد (0 درجة مئوية)، توفر هذه البطاريات عادةً فقط حوالي 15 إلى 20 بالمائة من سعتها المصنفة مقارنة بما يمكنها توصيله عند درجة الحرارة المرجعية القياسية البالغة 25 درجة مئوية.
يبدأ الحصول على الحجم المناسب لبنك بطاريات 48 فولت بتحديد عدد الكيلوواط في الساعة (kWh) المطلوبة. تبدو المعادلة الأساسية كالتالي: خذ الحمل الأساسي بوحدة الكيلوواط واضربه في المدة الزمنية التي نرغب خلالها في توفر الطاقة الاحتياطية. ثم اقسم الناتج على عاملين - أولًا، نسبة التفريغ العميقة (Depth of Discharge)، وثانيًا، معامل كفاءة النظام. يمكن للبطاريات الليثيومية عادة تحمل تفريغ بنسبة تتراوح بين 80 و90%، وهي تقريبًا ضعف ما تحققه بطاريات الرصاص الحمضية التي تبلغ حوالي 50%. لنفترض أن شخصًا ما يحتاج إلى طاقة قدرها 10 كيلوواط لمدة أربع ساعات، مع عمق تفريغ بنسبة 80% وكفاءة نظام تبلغ 95%. عند إجراء الحساب، نحصل على نحو 52.6 كيلوواط في الساعة مطلوبة. لتحويل هذه القيمة إلى أمبير في الساعة لنظام 48 فولت، اضرب قيمة الكيلوواط في الساعة في 1000 ثم اقسم الناتج على 48 فولت. وهذا يعطي نتيجة تقارب 1,096 أمبير في الساعة. يتبع هذه الطريقة يساعد في تجنب شراء بطارية صغيرة جدًا، مع الحفاظ على التكاليف معقولة على المدى الطويل وضمان أداء جيد منذ اليوم الأول.
عندما نرغب في تمديد طاقة الاحتياط لأكثر من يوم واحد فقط، فإن كل ما نقوم به في الأساس هو ضرب استهلاكنا اليومي العادي بعدد الأيام التي نحتاجها. دعونا ننظر إلى مثال: إذا كانت منشأة ما تستهلك حوالي 120 كيلوواط ساعة يوميًا وترغب في ثلاث أيام كاملة من التشغيل الذاتي مع الحفاظ على عمق تفريغ بنسبة 80%، فإن الحساب يكون كالتالي: نأخذ 120 كيلوواط ساعة مضروبة في 3 أيام، أي 360، ثم نقسم على 0.8 بسبب متطلبات الـ80%، مما يعطينا تقريبًا 450 كيلوواط ساعة مطلوبة. ومع ذلك، لا أحد يعمل في ظل ظروف مثالية. فحسب وحدها، يمكن أن تقلل درجات الحرارة المنخفضة سعة البطارية بنسبة حوالي 20% عندما تنخفض الحرارة دون درجة التجمد. كما أن بطاريات الليثيوم تفقد كفاءتها مع مرور الوقت، بنحو 3% كل عام. وعندما تحدث طلبات مفاجئة على تيار عالٍ، يشهد النظام انخفاضات في الجهد تجعل السعة القابلة للاستخدام الفعلية أقل من المتوقع. ولذلك، فإن معظم المهندسين يضيفون هامشًا إضافيًا بنسبة 25 إلى 30% فقط لضمان السلامة. وهذا يرفع تقديرنا الأولي من 450 إلى حوالي 562 كيلوواط ساعة من السعة الكلية، مما يضمن استمرار العمل بشكل صحيح حتى عند حدوث مشكلات غير متوقعة أثناء انقطاعات الكهرباء الطويلة.
تستخدم الأنظمة الاحتياطية في البيئات الصناعية عادةً تكوينات متسلسلة-متوازية للحفاظ على استقرار خرج 48 فولت حتى عند تغير الأحمال. عندما تُوصل البطاريات على التوالي، تصل إلى مستوى الجهد المطلوب. ويؤدي إضافتها على التوازي إلى زيادة السعة الكلية (تقاس بوحدة أمبير-ساعة) بحيث يمكن للنظام العمل لفترة أطول أثناء انقطاع التيار الكهربائي. والميزة الكبيرة هنا هي أن هذا التكوين يمنع تدفق التيار غير المتوازن الذي يؤدي غالبًا إلى فشل مبكر للبطاريات. على سبيل المثال، تكوين شائع يُعرف بـ 4S4P، أي أربع مجموعات من أربع بطاريات متصلة معًا. وهذا يمنحنا 48 فولت المطلوبة مع مضاعفة السعة الكلية أربع مرات. ما هو مهم حقًا هو التأكد من توزيع التيار بشكل متساوٍ عبر جميع التوصيلات المتوازية تلك. يعلم معظم الفنيين ذوي الخبرة أن الحفاظ على التباين أقل من حوالي 5٪ يتطلب تخطيطًا دقيقًا لأعمدة التوصيل (البص بار) ومطابقة الخلايا بدقة. وتؤكد اختبارات التصوير الحراري التي تُجرى في مواقع صناعية فعلية هذه النتائج باستمرار.
بالنسبة لأولئك الذين يديرون منشآت من الفئة الثالثة أو الرابعة بهدف تحقيق نسبة تشغيل تبلغ 99.995%، فإن نظام الازدواجية N+1 ليس مجرد خيار مرغوب بل ضرورة مطلقة. فحينما تعطل وحدة واحدة، تستمر العمليات دون أي مشاكل. يتميز النهج الوحداتي بوجود مفاتيح انقطاع مدمجة متطورة يمكنها عزل الأجزاء المعطوبة خلال نصف ثانية فقط. أما بالنسبة للنمو، فقد تم تصميم هذه الأنظمة بحيث يمكن توسيعها بسهولة بفضل واجهات الرفوف القياسية. ويمكن للمنشآت زيادة السعة تدريجيًا بإضافة وحدات بسعة 5 كيلوواط ساعة حسب الحاجة، دون الحاجة إلى إعادة توصيل معقدة. وتُفيد التقارير أن الشركات توفر حوالي 60٪ من تكاليف التحديث عند الانتقال من الأنظمة التقليدية الضخمة. وتدعم دراسات حديثة صادرة في عام 2023 هذا الاستنتاج، حيث تُظهر مدى الادخار المالي على المدى الطويل مع هذا النوع من البنية التحتية المرنة.