أداء البطاريات في مراقبة خطوط نقل الطاقة في المناخ البارد: ما الذي يعمل عند -40°C

إجابة سريعة

مشكلة الخصائص الكيميائية في الطقس البارد

لا تتراجع سعة البطارية خطيًا مع انخفاض درجة الحرارة، بل تنحدر انحدارًا حادًا مفاجئًا. وبالنسبة لمهندسي شركات المرافق الذين يقومون بنشر أجهزة مراقبة خطوط نقل الطاقة ذاتية التغذية عبر مينيسوتا أو ألبرتا أو ألاسكا، يحدد هذا الانحدار الحاد ما إذا كان جهاز الاستشعار سيظل متصلاً بالشبكة طوال شهر فبراير أو سينقطع عن العمل لثلاثة أسابيع.

هذه الآلية مفهومة بدقة؛ حيث تعتمد خلايا الليثيوم-أيون على حركة أيونات +Li بين مصعد الجرافيت ومهبط أكسيد الفلز عبر الكهرل (electrolyte). عند -20°C، تزداد لزوجة الكهرل وترتفع مقاومة نقل الشحنة عند سطح القطب بشكل حاد. وفقًا لاختبارات نشرها المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) في عام 2022، تحتفظ خلية NMC (نيكل منغنيز كوبالت) القياسية بنحو 70% من سعتها المسجلة عند 25°C وذلك عند وصول الحرارة إلى -20°C. وبحلول -30°C، ينخفض الاحتفاظ بالسعة إلى 45-55%. وعند -40°C، توفر العديد من الخلايا التجارية أقل من 30% من سعتها الاسمية.

كما يتغير منحنى التفريغ أيضًا؛ ففي درجة حرارة الغرفة، تحافظ خلية LiFePO4 على استقرار ثابت للجهد بالقرب من 3.2V لمعظم دورتها. ولكن عند -40°C، ينهار هذا الاستقرار، حيث ينخفض الجهد تحت الحمل، وقد يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) بتفعيل فصل الجهد المنخفض قبل استنفاد الخلية كيميائيًا. فالبطارية بسعة 100 Ah المصنفة لتعمل 20 ساعة عند 25°C قد تعطي سعة فعلية تتراوح بين 30-40 Ah فقط عند -40°C في ظل أحمال مراقبة الخطوط الواقعية (2-5W مستمرة، و15-20W ذروة أثناء فترات إرسال القياس عن بعد).

وينطوي الشحن تحت 0°C على خطر مستقل: ترسب الليثيوم (lithium plating). فعند الشحن في درجات حرارة تحت الصفر، يمكن أن يترسب الليثيوم المعدني على سطح المصعد بدلاً من التداخل داخل الجرافيت. ويؤدي هذا الليثيوم المترسب إلى فقدان لا رجعة فيه في السعة. والأسوأ من ذلك، أن التشعبات المعدنية (dendrites) قد تنمو وتثقب الفاصل، مما يسبب قصرًا داخليًا في الدائرة. ولهذا السبب، تنص بروتوكولات اختبار IEC 62660-1 لخلايا الليثيوم-أيون على أن الشحن تحت 0°C يتطلب إما خفض التيار أو توفير تدفئة نشطة. إن النظام الشمسي في المناخات الباردة الذي يشحن بطارية متجمدة لا يتسم بعدم الكفاءة فحسب، بل يُعد مدمرًا للبطارية.

مقارنة الخصائص الكيميائية للمناخات الباردة

لا تستجيب جميع تركيبات البطاريات الكيميائية للبرودة بنفس الطريقة. وفيما يلي مقارنة بين الخيارات الرئيسية لتركيبات مراقبة الخطوط في المواقع النائية.

LiFePO4: أفضل عمر للدورات، ولكن أداء متواضع في البرودة

تهيمن بطاريات LiFePO4 (فوسفات حديد الليثيوم) على سوق التخزين الثابت لأسباب وجيهة؛ فهي توفر ما بين 3,000 إلى 6,000 دورة، ومقاومة للهروب الحراري فوق 270°C، ومنحنيات تفريغ مسطحة ومستقرة. وتُعد الخيار التلقائي لأجهزة مراقبة الخطوط المعتمدة على محولات التيار (CT) في المناخات المعتدلة.

ومع ذلك، تواجه LiFePO4 صعوبة بالغة في البرودة. تظهر بيانات مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) (2021) أن احتفاظ LiFePO4 بالسعة يبلغ نحو 75% عند -10°C، و60% عند -20°C، و45% عند -30°C. وعند -40°C، ينخفض الاحتفاظ إلى 35-45% اعتمادًا على معدل التفريغ. هذه التركيبة الكيميائية أكثر أمانًا من NMC في درجات الحرارة المنخفضة (خالية من الكوبالت، ومخاطر أقل لحدوث قصر ناتج عن ترسب الليثيوم)، غير أن التراجع في السعة حقيقي ومؤثر.

لمراقبة الخطوط في المناخات الباردة، لا تكون بطارية LiFePO4 المجردة مجدية إلا إذا تمت زيادة أبعاد مصفوفة البطاريات بدرجة كبيرة. فمصفوفة بسعة اسمية 100 Ah تصبح سعتها الفعلية 35-45 Ah في ذروة الشتاء. وتنجح هذه الحسابات إذا كانت العلبة تتسع وميزانية المشروع تسمح بخلايا تتراوح بين 200-300 Ah، لكنها لا تنجح إذا كان الصندوق المثبت أعلى العمود ضيقًا بالفعل.

بطاريات LiFePO4 المخصصة لدرجات الحرارة المنخفضة (مع التدفئة): تحسين الأداء على حساب الطاقة

تقدم بعض الجهات المصنعة الآن حزم LiFePO4 مخصصة لدرجات الحرارة المنخفضة مزودة بوسادات تسخين سيليكون مدمجة. تستهلك هذه الوسادات من 5-15W من البطارية نفسها أو من مصدر طاقة منفصل للسخان. تدفأ الحزمة حتى 5-10°C قبل بدء عملية الشحن، مما يلغي مخاطر ترسب الليثيوم ويستعيد معظم السعة المفقودة.

تتمثل المقايضة هنا في الحمل الطفيلي (parasitic load)؛ إذ يستهلك سخان بقدرة 10W يعمل 8 ساعات يوميًا أثناء نافذة الشحن في شهر يناير ما يصل إلى 80 Wh. وبالنسبة لجهاز مراقبة خطوط يستهلك 3W باستمرار (72 Wh/يوم)، يضيف السخان أكثر من 100% إلى ميزانية الطاقة اليومية. لذا يجب تحديد أبعاد الألواح الشمسية والبطارية لتغطية الحمل + السخان + انخفاض السعة الناتج عن البرودة. أظهرت البيانات الميدانية من ورقة بحثية عام 2023 في مجلة IEEE Transactions on Power Delivery حول الشبكات الدقيقة في المناطق القطبية أن أنظمة LiFePO4 المدفأة تطلبت مساحة ألواح شمسية تعادل 2.2 ضعف الأنظمة المكافئة في درجات الحرارة المعتدلة للحفاظ على التشغيل طوال العام.

بطاريات الصوديوم-أيون: تشغيل عند -40°C وسلسلة توريد ناشئة

جذبت كيمياء الصوديوم-أيون (Na-ion) الاهتمام لأن كهرلها يظل سائلاً في درجات حرارة يتحول فيها كهرل الليثيوم-أيون إلى قوام هلامي. أعلنت شركة CATL عن خلية Na-ion في عام 2021 مصنفة للعمل عند -40°C مع الاحتفاظ بأكثر من 70% من السعة. وبحلول عام 2024، قامت Farasis Energy وHiNa Battery بشحن أنظمة Na-ion مخصصة لشركات المرافق لاختبارها في المناطق الباردة في منغوليا الداخلية.

تُعد الأرقام واعدة للغاية؛ حيث أظهرت الاختبارات المستقلة في المختبر الوطني للطاقة المتجددة (2024) أن خلية Na-ion بسعة 210 Ah من Farasis احتفظت ب65% من سعتها عند -40°C و82% عند -20°C. ولا تستخدم هذه الكيمياء الكوبالت أو النيكل، مما يقلل من مخاوف سلسلة التوريد والتكاليف. وتتراوح ادعاءات عمر الدورات بين 3,000 إلى 4,000 دورة، وهي مقاربة لبطاريات LiFePO4 من الفئة المتوسطة.

العقبة تكمن في مدى التوفر؛ فحتى أوائل عام 2026، تُنتج خلايا الصوديوم-أيون في نطاق 100-300 Ah المناسبة لمراقبة الخطوط من قبل أقل من خمس شركات مصنعة عالميًا، وتصل مدد التسليم إلى 12-16 أسبوعًا. وبالنسبة لفريق مشتريات في شركة مرافق لديه موعد نهائي للنشر في الربع الثالث، فإن Na-ion خيار مناسب لعام 2027 وليس لعام 2026. تواصلوا مع فريقنا الهندسي إذا كنتم ترغبون في الحصول على ورقة المواصفات الفنية لبطاريات الصوديوم-أيون لمشروع تجريبي لعام 2027.

بطاريات الرصاص الحمضية: رخيصة ولكنها لا تتحمل البرودة

لا تزال بطاريات الرصاص الحمضية المغلقة (SLA) وبطاريات الألياف الزجاجية الماصة (AGM) موجودة في تركيبات مراقبة الخطوط القديمة نظرًا لانخفاض تكلفتها الأولية. ومع ذلك، تنخفض سعة AGM عند -20°C إلى 50-60% من تصنيفها عند 25°C. وعند -40°C، تصل السعة الفعلية إلى 25-30%، حيث يقترب الكهرل من التجمد، وترتفع المقاومة الداخلية بشكل حاد.

تعاني بطاريات الرصاص الحمضية أيضًا من ضعف عمر الدورات عند حالة الشحن الجزئي (PSOC)، وهي حالة شائعة في الأنظمة التي تعمل بالطاقة الشمسية خلال أسابيع الشتاء ذات السطوع الشمسي المحدود. وجد تقرير صادر عام 2020 عن مختبرات سانديا الوطنية التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) حول طاقة الاتصالات النائية أن بطاريات AGM في المناخات الباردة تطلبت استبدالاً كل 2-3 سنوات، مقارنة ب8-10 سنوات لبطاريات LiFePO4. وابتلعت تكاليف العمالة للاستبدال والنقل بالمروحيات إلى مواقع الأبراج النائية أي توفير ناتج عن سعر الشراء المنخفض. وبالتالي، فإن الاعتماد على بطاريات الرصاص الحمضية في عمليات نشر مراقبة الخطوط الجديدة يُعد اقتصادًا زائفًا في المناطق الباردة.

كلوريد الثيونيل-ليثيوم (Li-SOCl2): خلايا أولية لعمر فائق الطول

تُعد Li-SOCl2 تركيبة ليثيوم كيميائية أولية (غير قابلة لإعادة الشحن) تتمتع بأعلى كثافة طاقة بين أي خلية تجارية: 350-400 Wh/kg. وهي تعمل في نطاق يتراوح بين -60°C إلى +85°C، ويتجاوز الاحتفاظ بالسعة عند -40°C نسبة 80%. تجعل هذه الخصائص Li-SOCl2 خيارًا جذابًا لأجهزة الاستشعار التي يجب أن تعمل لمدة 10-15 سنة دون صيانة.

أما القصور فواضح للعيان: انعدام الشحن بالطاقة الشمسية. ويتم تحديد أبعاد حزمة Li-SOCl2 لتغطي العمر التصميمي بالكامل. فبالنسبة لجهاز مراقبة خطوط بقدرة 3W يستهلك 26 kWh/سنة، يتطلب النشر لمدة 15 سنة ما يقرب من 390 kWh من الطاقة الأولية. وعند 350 Wh/kg، يعادل ذلك 1,114 kg من الخلايا. ويُعد هذا الوزن وتلك التكلفة باهظين لمعظم التركيبات أعلى الأعمدة. وتكون Li-SOCl2 مجدية فقط لأجهزة الاستشعار ذات الاستهلاك الفائق الانخفاض (أقل من 1W) أو المواقع التي تجعل فيها مخاطر تخريب ألواح الطاقة الشمسية استخدام البطاريات القابلة لإعادة الشحن أمرًا غير عملي.

الهياكل المدفأة مقابل البطاريات المدفونة

بمجرد اختيار التركيبة الكيميائية، يكون القرار التالي هو مكان وضع البطارية. ويهيمن نهجان على مراقبة الخطوط في المناخ البارد: الهياكل المدفأة فوق الأرض وصناديق البطاريات المدفونة (المثبتة تحت الأرض).

الهياكل المدفأة: استهلاك 5-15W وسهولة في الوصول

يتم تركيب الهيكل المدفأ على العمود أو البرج بالقرب من لوح الطاقة الشمسية ومعدات المراقبة. ويحتوي على البطارية ونظام BMS ووسادة التسخين ومواد العزل. ويحافظ الهيكل النموذجي بسعة 40L المزود بعزل رغوة البولي يوريثان بسمك 25mm وسخان سيليكون بقدرة 10W على درجة حرارة داخلية تتراوح بين 5-10°C عندما تكون درجة الحرارة المحيطة -30°C.

الميزة الكبرى هي سهولة الوصول، حيث يمكن للفنيين فتح الصندوق دون الحاجة إلى الحفر. أما العيب فهو استهلاك السخان؛ فخلال أسبوع غائم في شهر يناير في مانيتوبا، قد يعمل السخان 24 ساعة يوميًا إذا لم تتلق البطارية طاقة شمسية كافية لتدفئة نفسها. وهذا السيناريو قد يستنزف بطارية محددة الأبعاد بالحد الأدنى ويدخلها في تفريغ عميق. وتعمل الهياكل المدفأة بأفضل شكل عند ربطها بمصفوفات ألواح شمسية ذات أبعاد مضاعفة (بنسبة لا تقل عن 3:1 بين الألواح والحمل شتاءً) ونظام BMS يعطي الأولوية لإيقاف تشغيل السخان عند الانخفاض عن حد حرج لحالة الشحن.

البطاريات المدفونة: درجة حرارة أرضية مستقرة واستهلاك صفري للسخان

يستفيد دفن البطارية على عمق 1 متر تحت الأرض من الاستقرار الحراري الأرضي. فعند عمق 1m، تظل درجة حرارة التربة في مينيسوتا أو ألبرتا بين 2°C و8°C على مدار العام، حتى عندما تصل درجة حرارة الهواء إلى -35°C. وبذلك تعمل البطارية في نطاق حراري شبه مثالي دون استهلاك أي طاقة تدفئة.

ويكمن التحدي في التركيب؛ إذ يجب أن يكون صندوق البطارية المدفون مقاومًا للماء بدرجة (IP68)، ومقاومًا للقوارض، ومزودًا بعلامات واضحة لأعمال الحفر المستقبلية. وفي مناطق التربة الصقيعية (شمال ألاسكا، ويوكون)، قد يتطلب الحفر لعمق 1m إذابة الطبقة النشطة، مما يرفع التكلفة ويزيد من تعقيد التصاريح البيئية. وأشار تقرير فني صادر عن NREL عام 2022 حول الشبكات الدقيقة المتجددة في القطب الشمالي إلى أن أنظمة البطاريات المدفونة في مناطق التربة الصقيعية كانت تكلفتها التركيبية أعلى بنسبة 40% مقارنة بالأنظمة المثبتة على الأعمدة، لكن تكاليف تشغيلها على مدار 10 سنوات كانت أقل بنسبة 60% بفضل إلغاء صيانة السخان واستبدال البطاريات.

بالنسبة لمراقبة الخطوط على الهياكل الخشبية ذات الإطار H دون وصول سهل للأرض، قد يكون الدفن غير عملي. أما بالنسبة للأبراج المدعومة بكابلات شد ذات منصة معدات صغيرة عند القاعدة، فإن الدفن غالبًا ما يكون الخيار الأقل في تكلفة دورة الحياة.

بيانات واقعية: الاحتفاظ بالسعة حسب التركيبة الكيميائية ودرجة الحرارة

يلخص الجدول أدناه بيانات الاختبارات المنشورة من NREL، ومختبر أرغون التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، والتجارب الميدانية لIEEE، وأوراق المواصفات الفنية للشركات المصنعة. تمثل القيم الاحتفاظ التقريبي بسعة التيار المستمر DC عند معدل تفريغ 0.2C مقارنة بالسعة الاسمية عند 25°C.

المصادر: التقرير الفني لNREL رقم TP-6A20-82047 (2022)؛ مختبر أرغون الوطني بوزارة الطاقة ANL-21/44 (2021)؛ IEEE Trans. Power Delivery، المجلد 38، العدد 4 (2023)؛ ورقة المواصفات الفنية لشركة Farasis Energy طراز FS-210NA (2024)؛ النشرة التعريفية لمنتجات الصوديوم-أيون لشركة CATL (2021).

يبرز نمطان أساسيان: أولاً، الفجوة بين بطاريات LiFePO4 القياسية والمدفأة عند -40°C تبلغ نحو 30 نقطة مئوية، وهي فجوة تبرر استهلاك طاقة السخان في معظم المشروعات. ثانيًا، الصوديوم-أيون هي الكيمياء الوحيدة القابلة لإعادة الشحن التي تقترب من أداء LiFePO4 المدفأة دون استهلاك طفيلي للسخان. وعندما تنضج سلاسل توريد Na-ion، فمن المرجح أن تصبح الخيار الافتراضي للمنشآت الجديدة في المناخات الباردة.

قواعد التصميم لمراقبة الخطوط في المناخات الباردة

بناءً على البيانات الموضحة أعلاه والخبرة الميدانية المستمدة من مشاريع شركات المرافق المنفذة عبر مصانعنا الشريكة، نورد فيما يلي خمس قواعد تصميم نطبقها عند توريد أنظمة البطاريات لمراقبة الخطوط في المناخ البارد.

1. زيادة أبعاد البطارية بمقدار 2-3 أضعاف السعة الاسمية

يحتاج جهاز مراقبة الخطوط الذي يستهلك 3W باستمرار إلى 72 Wh يوميًا. وفي شهر يناير بمينيسوتا، يُتوقع الحصول على ما يعادل 2-3 ساعات ذروة سطوع شمسي من لوح شمسي موجه نحو الجنوب. وينتج لوح بقدرة 50W ما بين 100-150 Wh/يوم. وبعد احتساب مفقودات منظم الشحن (كفاءة MPPT بنسبة 97.5%، وPWM بنسبة 75-80%)، يكون صافي حصاد الطاقة الشمسية 98-146 Wh/يوم.

يبدو هذا كافيًا، ولكن عند إضافة سخان بقدرة 10W يعمل 6 ساعات يوميًا (60 Wh)، تصبح الميزانية اليومية 132 Wh. وفي يوم غائم مع 1.5 ساعة سطوع شمسي، لا ينتج اللوح سوى 75 Wh، ويجب على البطارية تغطية هذا العجز. بطارية LiFePO4 بسعة 100 Ah وبجهد اسمي 12.8V توفر 1,280 Wh. وعند -30°C مع احتفاظ بنسبة 45%، تصبح السعة الفعلية 576 Wh، وهو ما يغطي نحو 4 أيام من التشغيل الذاتي (الحمل + السخان) دون شمس. ولتحقيق هدف التشغيل الذاتي لمدة 7 أيام الشائع في مواصفات شركات المرافق، يجب أن تكون سعة المصفوفة الفعلية 200-250 Ah، مما يعني 400-500 Ah اسمية عند -30°C. وقاعدة مضاعفة الأبعاد ب2-3 أضعاف تراعي هذا الواقع بدقة.

2. استخدام نظام BMS لدرجات الحرارة المنخفضة مزود بخاصية فصل الشحن

تحتاج أي بطارية ليثيوم يتم تركيبها في الهواء الطلق في مناخ تنخفض فيه درجات الحرارة شتاءً تحت الصفر إلى نظام BMS يعطل الشحن تحت 0°C. تكتفي بعض وحدات BMS المنخفضة التكلفة بمراقبة جهد الخلية والتيار فقط، وستستمر في شحن بطارية عند -20°C دون توقف حتى يترسب الليثيوم داخليًا. ويجب أن يحتوي نظام BMS المخصص للمناخ البارد على مستشعر حرارة على سطح الخلية وقاطع فصل صارم عند 0°C (أو -5°C للتركيبات الكهرلية المخصصة لدرجات الحرارة المنخفضة).

3. قصر التدفئة على فترات الشحن فقط

تتمثل استراتيجية التحكم في التدفئة الأكثر كفاءة في "التدفئة أثناء الشحن فقط"؛ حيث يقوم نظام BMS بتنشيط السخان فقط عند توفر طاقة شمسية داخلة وتكون درجة حرارة الخلية أقل من الحد الأدنى للشحن. هذا يمنع استنزاف البطارية لتدفئة نفسها خلال ساعات الظلام. وقد وجدت ورقة بحثية صادرة عام 2023 عن IEEE حول الشبكات الشمسية الدقيقة في المناخ البارد أن التدفئة أثناء الشحن فقط خفضت استهلاك الطاقة الشتوي بنسبة 35% مقارنة بالتدفئة المستمرة التي يتحكم فيها منظم الحرارة (thermostat).

يتطلب التطبيق قدرة نظام BMS على قراءة جهد لوح الطاقة الشمسية (أو إشارة منظم الشحن) ودرجة حرارة الخلية في وقت واحد. لا تدعم جميع وحدات BMS هذا المنطق التناغمي. وعند التوريد عبر شركائنا من المصانع، نحدد التدفئة أثناء الشحن فقط كإعداد افتراضي لحزم بطاريات مراقبة الخطوط.

4. تحديد أبعاد الطاقة الشمسية وفقًا لشهر ديسمبر وليس يونيو

غالبًا ما يحدد مصممو الطاقة الشمسية أبعاد المصفوفات بناءً على متوسط الإشعاع الشمسي السنوي. وبالنسبة لمراقبة خطوط الكهرباء في المناخ البارد، يُعد ذلك خطأً جسيمًا؛ فالشهر الحرج في التصميم هو ديسمبر أو يناير، حيث تكون ساعات السطوع الشمسي في أدنى مستوياتها واستهلاك السخان في أعلى درجاته. تظهر بيانات PVWatts من NREL أن اللوح ذو زاوية الميل الثابتة في منيابولس يتلقى 2.3 kWh/m2/يوم في ديسمبر مقابل 5.8 في يونيو. لذا يجب تحديد أبعاد المصفوفة وفقًا لرقم 2.3، وإلا سيتوقف النظام عن العمل في أصعب شهوره.

5. التخطيط لدورة استبدال البطارية كل 10 سنوات

حتى مع الإدارة المثالية لدرجة الحرارة، تتعرض خلايا LiFePO4 للتدهور. أظهرت دراسة أجرتها وزارة الطاقة الأمريكية عام 2021 حول تدهور بطاريات الشبكة أن الخلايا التي تدور يوميًا عند عمق تفريغ 80% تفقد 20% من سعتها بعد 8-10 سنوات. وتدور بطاريات مراقبة الخطوط بعمق تفريغ أقل (عادة 30-50% DOD)، لكن التقادم الزمني يظل قائمًا. يجب وضع ميزانية لاستبدال البطارية في السنة العاشرة، وتصميم الهيكل أو غرفة الدفن تحت الأرض بحيث تتيح الوصول لعمليات الاستبدال بسهولة.

نماذج مواصفات لمشاريع مينيسوتا وكندا وألاسكا

نستعرض أدناه ثلاثة نماذج لمواصفات اعتمدناها عند توريد أنظمة البطاريات للمناخ البارد عبر مصانعنا الشريكة لعملاء من شركات المرافق. هذه النماذج تمثل نقاط انطلاق وليست حلولاً موحدة تصلح لكل الحالات، كما تتوفر تكوينات مخصصة للجهد والسعة لتناسب مختلف استهلاكات الأحمال.

المواصفة (أ): مينيسوتا (تصميم لتحمل -30°C، هيكل مدفأ)

المواصفة (ب): جنوب أونتاريو (تصميم لتحمل -35°C، بطارية مدفونة)

المواصفة (ج): شمال ألاسكا (تصميم لتحمل -45°C، نظام هجين أولي + شمسي)

توضح هذه المواصفات مبدأ التوريد الأساسي الذي نلتزم به في LinkSolar: البطارية "المثالية" تتحدد وفقًا للموقع الميداني وليس وفقًا لكتالوج المنتجات. فالخطوط ذات الأعمدة الخشبية في مينيسوتا مع سهولة الوصول للأرض تفضل بطاريات LiFePO4 المدفونة، بينما برج مدعوم بكابلات شد في ألاسكا النائية دون طرق وصول يفضل الخلايا الأولية. في المقابل، يفضل ممر شبكة الكهرباء الكندية ذو فترات الصيانة الموحدة الهياكل المدفأة التي يمكن للفنيين فحصها بسرعة.

ما يجب تحديده عند التوريد

إذا كنتم بصدد صياغة مواصفات مشتريات لبطاريات مراقبة خطوط نقل الطاقة في المناخات الباردة، فقوموا بتضمين هذه البنود الخمسة لتصفية الموردين الذين لم يسبق لهم نشر أنظمة تعمل تحت -20°C:

1. الاحتفاظ بالسعة عند -40°C: اطلبوا ورقة المواصفات الفنية من الشركة المصنعة توضح سعة التفريغ عند -40°C، وليس فقط عند -20°C؛ فالعديد من البطاريات المسماة "لدرجات الحرارة المنخفضة" تُختبر حتى -20°C فقط.
2. فصل الشحن عند درجات الحرارة المنخفضة عبر BMS: حددوا فصلاً صارمًا عند 0°C أو أقل، مع استشعار درجة الحرارة على سطح الخلية مباشرة (وليس الهواء المحيط).
3. الإفصاح عن ميزانية طاقة السخان: إذا كانت الحزمة تتضمن سخانًا، فاطلبوا من المورد تحديد قدرة السخان بالواط والاستهلاك اليومي التقديري للطاقة عند أدنى درجة حرارة تصميمية.
4. عمر الدورات عند حالة الشحن الجزئي: اطلبوا بيانات عمر الدورات عند متوسط حالة شحن 50%، وهو ما يعكس دورات الشحن الشمسي الواقعية بصورة أفضل من اختبارات المعامل عند عمق تفريغ 100% DOD.
5. درجة الحماية IP للهيكل وقيمة العزل R-value: للمشاريع فوق الأرض، اشترطوا IP65 كحد أدنى وعزلاً مكافئًا لسمك 25mm. وللمشاريع المدفونة، اشترطوا IP68 ومداخل تمديدات مقاومة للقوارض.

أنتجت مصانعنا الشريكة حزم بطاريات للمناخ البارد لمشاريع شركات المرافق في الدول الاسكندنافية وشمال الصين. ويمكننا توفير تقارير الاختبار ووحدات العينات التي تلبي المعايير المذكورة أعلاه. اطلبوا ورقة المواصفات الفنية أو عرض سعر للعينات لمنطقة مشروعكم.

الخلاصة

عند -40°C، لا تكون التركيبة الكيميائية للبطارية مجرد خيار نظري، بل هي قرار يحدد استمرار عمل شبكة أجهزة الاستشعار لديكم من عدمه. فبطاريات LiFePO4 القياسية دون تدفئة ستترككم مع 35-40% فقط من السعة الاسمية. أما بطاريات LiFePO4 المدفأة فتستعيد الأداء ولكنها تضيف 50-100% إلى ميزانية الطاقة اليومية. وتبشر بطاريات الصوديوم-أيون بالجمع بين الميزتين، ولكن ينبغي لفرق المشتريات التخطيط لتوفرها بحلول عام 2027. وتُعد بطاريات الرصاص الحمضية فخًا لتكاليف الاستبدال الباهظة. في حين تحل خلايا Li-SOCl2 الأولية مشكلة البرودة جذريًا، لكنها مقتصرة فقط على التطبيقات منخفضة الاستهلاك وغير القابلة لإعادة الشحن.

قواعد التصميم واضحة ومباشرة: ضاعفوا السعة بمقدار 2-3 أضعاف، واقصروا التدفئة على فترات الشحن فقط، وحددوا أبعاد الطاقة الشمسية بناءً على شهر ديسمبر، واستخدموا نظام BMS يحمي من الشحن في البرودة. طبقوا هذه القواعد الأربع وستضمنون بقاء أجهزة مراقبة الخطوط متصلة بالشبكة خلال أشد أسابيع الشتاء برودة. وإن أهملتموها، فستضطرون لإرسال فرق العمل في شهر يناير لاستبدال بطاريات متجمدة على أعمدة يصعب الوصول إليها.