ما الميزات الأمنية التي يجب أن تمتلكها بطارية تخزين طاقة الطاقة الشمسية؟

الوقاية من الانفلات الحراري والتصميم الآمن ضد الحرائق

كيف يحدث الانفلات الحراري في بطاريات تخزين الطاقة الشمسية الليثيوم-أيون؟

عندما تحدث ظاهرة الانفلات الحراري في بطاريات التخزين الشمسية الليثيوم-أيون، فإنها عادةً ما تبدأ من مشكلات داخل الخلايا نفسها، أو من أضرار ناجمة عن مصادر خارجية، أو حتى من التآكل الطبيعي الناتج عن التشغيل العادي. وبمجرد أن ترتفع درجة الحرارة إلى ما يزيد عن ٨٠ درجة مئوية (أي ما يعادل نحو ١٧٦ درجة فهرنهايت)، يتحلل الإلكتروليت ويُطلق غازات قابلة للاشتعال مع إنتاج كمية إضافية من الحرارة، مما يُشكّل ما يُشبه التفاعل المتسلسل الذي يستمر تلقائيًّا دون تدخل خارجي. وفي الأماكن التي تكون فيها هذه البطاريات مُركَّبة بكثافة عالية، تنتشر الحرارة بسرعة كبيرة إلى الخلايا المجاورة، وقد تدفع درجات الحرارة إلى ما يتجاوز ٤٠٠ درجة مئوية (أو نحو ٧٥٢ درجة فهرنهايت) خلال ثوانٍ معدودة. وفي معظم الحالات، تكون الدوائر القصيرة الداخلية هي السبب وراء هذه الحوادث. وغالبًا ما تنشأ هذه الدوائر القصيرة نتيجة نمو الرواسب الشجرية (Dendrites) داخل البطارية أو بسبب عيوب ناتجة عن عملية التصنيع. ووفقًا للسجلات، فإن هذه الأسباب تُفسِّر نحو سبع حالات من أصل عشر حالات من حالات الانفلات الحراري. ولإيقاف هذه العملية الخطرة، يجب على المصنِّعين دمج إجراءات أمان معينة في التصميم، مثل الفواصل التي لا تشتعل عند ارتفاع الحرارة، والإضافات الخاصة في الإلكتروليت التي تقاوم الاشتعال، والحواجز المصنوعة من راتنج الإيبوكسي التي تساعد في منع انتقال الحرارة بين الخلايا الفردية.

اختبار UL 9540A والتخفيف من انتشار الحريق في أنظمة بطاريات تخزين الطاقة الشمسية

الحصول على شهادة UL 9540A يعني الخضوع لسلسلة واسعة من اختبارات الحريق التي تُقيّم كيفية انتشار ظاهرة الانفلات الحراري في أنظمة تخزين البطاريات الشمسية التجارية. ويُصمَّم إجراء الاختبار بحيث يُحاكي سيناريوهات تمثِّل أسوأ حالات الفشل الممكنة، مثل ثقب البطاريات بواسطة جسم حاد أو شحنها بشكل مفرط. وتتناول هذه الاختبارات عوامل مثل سرعة تراكم الحرارة، والغازات المنطلقة، وقدرة النار على الانتقال من وحدة إلى أخرى. أما أنظمة البطاريات التي تنال هذه الشهادة فهي مزوَّدة بمزايا أمان مدمجة، ومنها أغلفة مقاومة للحريق حول كل وحدة، وفتحات تهوية تسمح بتفريغ الضغط بشكل آمن، وحواجز تمنع انتقال الحرارة بين الوحدات. وتُظهر الاختبارات المستقلة أن معظم الأنظمة المعتمدة تُحصر الأحداث الحرارية الخطرة داخل وحدة واحدة فقط في نحو ٩٩ حالة من أصل ١٠٠ حالة. وعند تركيب هذه البطاريات في الأماكن المغلقة أو المساحات الضيقة التي لا تتوفر فيها مسافات كافية بين الوحدات، فإن اختيار معدات معتمدة وفق معيار UL 9540A يُعتبر خيارًا منطقيًّا؛ سواءً بسبب اشتراطات اللوائح التنظيمية أو لأنها فعليًّا تقلِّل المخاطر في البيئة العملية. وقد أبلغ العديد من مدراء المرافق عن انخفاض عدد الحوادث بعد التحوُّل إلى هذه الأنظمة الأفضل أمانًا.

الحماية الكهربائية الذكية عبر نظام إدارة البطارية (BMS)

الوظائف الحرجة لنظام إدارة البطارية (BMS): الحماية من الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والدوائر القصيرة، ورصد العزل

نظام إدارة البطاريات (BMS) يعمل كدماغ لبطاريات التخزين الشمسي الليثيوم-أيون، ويدير أربع وظائف أساسية تتعلق بالسلامة لضمان سير العمليات بسلاسة. فعندما تصل شحنة البطارية إلى حدٍّ أعلى من المسموح به، يتولى نظام إدارة البطاريات إيقاف عملية الشحن عند حوالي 3.65 فولت لكل خلية، لأن تجاوز هذه القيمة قد يؤدي إلى ترسب الليثيوم الخطر الذي قد يسبب ارتفاع درجة الحرارة. ومن الناحية المقابلة، إذا انخفض جهد التفريغ عن 2.5 فولت تقريبًا لكل خلية، يتدخل النظام مجددًا لإيقاف التفريغ الإضافي، لأن ذلك قد يتسبب في تلف المكونات الداخلية وتقليل عمر البطارية بشكل دائم. أما في حالة حدوث قصر كهربائي، فإن الاستجابة تتم فورًا تقريبًا عند ارتفاع التيار إلى ثلاثة أضعاف مستواه الطبيعي، وذلك باستخدام مفاتيح خاصة لقطع تدفق الطاقة بأمان. كما يقوم النظام أيضًا بمراقبة مقاومة العزل باستمرار بين الأجزاء النشطة والغلاف المعدني للبطارية، للبحث عن أي انخفاض في هذه المقاومة دون 100 أوم لكل فولت، وهو مؤشر مبكر على التآكل أو التلف. وقد أظهرت التقارير الميدانية الصادرة عن كلٍّ من المنشآت الكبيرة والمنزلية في الولايات المتحدة أن هذه الطبقات المتعددة من الحماية نجحت في خفض الحوادث الكهربائية بنسبة تقارب الثلثين خلال السنوات الأخيرة.

تتبع في الوقت الفعلي لحالة الشحن (SOC) وحالة الصحة (SOH) واستجابة تنبؤية للأعطال لبطارية تخزين الطاقة الشمسية

تُدمج أنظمة إدارة البطاريات الأفضل اليوم تقنيات عد الكولوم مع مرشحات كالمان للحفاظ على دقة حالة الشحن (SOC) عند مستوى يتراوح بين زائد أو ناقص ٣٪. وفي الوقت نفسه، تتعقب هذه الأنظمة حالة الصحة (SOH) من خلال مراقبة مدى انخفاض السعة مع مرور الزمن. وتوفر هذه المجموعة من الوظائف لمشغِّلي الأنظمة طبقتين من المعلومات تساعدان في التنبؤ بالمشاكل قبل حدوثها. وعندما تبدأ الخلايا الفردية في إظهار فروق جهد تزيد عن ٥٠ ملي فولت، أو عندما يتجاوز الفرق في درجة الحرارة بين الوحدات ٤ درجات مئوية، تقوم المنظمة بتخفيض سرعة الشحن وإرسال تحذيرات تفيد باحتياج النظام إلى صيانة. وتمنع هذه الفحوص التشخيصية التفصيلية تراكم المشكلات الصغيرة بمرور الزمن، ما يؤدي فعليًّا إلى إطالة عمر البطارية بنسبة تصل إلى نحو ٤٠٪ مقارنةً بالأنظمة القديمة التي لا تُجري المراقبة النشطة. كما تزداد أحدث الإصدارات ذكاءً أيضًا، إذ تستخدم بيانات الأداء السابقة لتقدير الوقت الذي قد تصل فيه البطاريات إلى نهاية عمرها الافتراضي قبل حدوث ذلك بحوالي ثلاثة أشهر. ويساعد هذا النوع من التنبؤات مُركِّبي أنظمة الطاقة الشمسية في التخطيط لأعمال الاستبدال بشكل أفضل، بدلًا من الانتظار حتى يحدث عطل تام.

الشهادات التنظيمية الإلزامية لبطاريات تخزين طاقة الطاقة الشمسية

يُعد الامتثال للشهادات الدولية الخاصة بالسلامة شرطًا لا يمكن التنازل عنه لتثبيت بطاريات تخزين طاقة الطاقة الشمسية في المنشآت السكنية والتجارية. وتهدف هذه المعايير إلى الحد من مخاطر نشوب الحرائق، وضمان موثوقية التشغيل، كما تشكّل شروطًا مسبقة للربط مع شبكات المرافق العامة، والحصول على التصاريح، وتغطية التأمين.

معايير السلامة على مستوى الخلايا وعلى مستوى الحزم: UL 1642، وIEC 62619، وUN 38.3

تؤكد الشهادات على مستوى المكونات سلامة الأساس قبل دمج النظام:

• UL 1642 تخضع خلايا الليثيوم لظروف إساءة استخدام قصوى تشمل الاختصار القسري، والشحن الزائد، واختبارات السحق للتحقق من سلامة الهيكل والحرارة.
• IEC 62619 تحدد متطلبات السلامة للبطاريات الصناعية القائمة على الليثيوم، وتفرض مقاومة الإجهادات الميكانيكية، وإساءة الاستخدام الحراري، والشحن غير الطبيعي.
• UN 38.3 تُصدِر شهادة السلامة الخاصة بالنقل عبر اشتراط إجراء اختبارات محاكاة الارتفاع، والاهتزاز، والتأثير، والتغيرات الحرارية الدورية لمنع التسرب أو الأحداث الحرارية أثناء الشحن.
  يجب على المصنِّعين إثبات الامتثال لجميع المتطلبات الثلاثة قبل التقدم إلى تقييم المستوى النظامي.

الامتثال على مستوى النظام: UL 9540، وNFPA 855، ومتطلبات السلامة الخاصة بالاتصال بالشبكة الكهربائية (IEEE 1547، وNFPA 585)

يتطلب الدمج الكامل للنظام الالتزام بإطارات السلامة المترابطة:

• UL 9540 يقيّم انتشار الحريق المتكامل، والسلامة الكهربائية، والإدارة الحرارية في ظل ظروف مُحاكاة الانفلات الحراري.
• NFPA 855 تنظم متطلبات التركيب المادي، بما في ذلك الحد الأدنى للتباعد، والتبريد، وأنظمة إخماد الحرائق، ووسائل الإخلاء، بهدف الحد من انتشار الحريق وتيسير الاستجابة الطارئة.
• معايير الاتصال بالشبكة الكهربائية مثل IEEE 1547 (للتحمل عند انحراف الجهد/التواتر ومنع التشغيل المعزول)، و NFPA 585 (لإيقاف التشغيل السريع وكشف القوس الكهربائي) يضمن فصلًا آمنًا في حالات الأعطال.
  اعتبارًا من عام 2024، اعتمدت ٣٧ ولاية أمريكية معيار NFPA 855 في أنظمتها الكهربائية، ما جعل الامتثال له شرطًا فعليًّا للحصول على التصاريح.

تحسينات في اختيار المواد والمراقبة الاستباقية

لماذا تُعد كيمياء ليثيوم حديد الفوسفات (LFP) الخيار المفضل لبطاريات تخزين طاقة الطاقة الشمسية الآمنة

ليثيوم حديد الفوسفات (LFP)، وهو اختصار لليثيوم حديد الفوسفات، أصبح الآن الخيار المفضل لمعظم حلول تخزين طاقة الطاقة الشمسية نظراً لاستقراره الحراري العالي جداً. وما يميز هذه المادة هو تركيبها البلوري الفريد من نوع الزيتونيت، الذي يمنع في الأساس خروج الأكسجين حتى عند ارتفاع درجات الحرارة بشكل كبير. وهذا يعني أن بطاريات LFP أكثر أماناً بكثير مقارنة بتلك المصنوعة من النيكل أو الكوبالت، والتي تميل إلى الاشتعال بسهولة أكبر. ووفقاً لتقارير ميدانية فعلية، فإن المنشآت التي تستخدم تقنية LFP تسجل انخفاضاً في حوادث الحرائق بنسبة تقارب ٦٠٪. وهناك العديد من المزايا الأخرى أيضاً. فهذه البطاريات تدوم لعدد أكبر بكثير من دورات الشحن قبل أن تتآكل، وتحافظ على جهدها بشكل جيد نسبياً مع مرور الزمن، وتعمل بكفاءة وموثوقية حتى في الظروف الدافئة نسبياً، وبحد أقصى يبلغ نحو ٥٥ درجة مئوية. وهذه القدرة على التحمل الحراري مهمة جداً لأنظمة الطاقة الشمسية المركبة على الأسطح أو في الهواء الطلق، حيث قد تشكل الحرارة مشكلة.

التصوير الحراري عن بُعد، وكشف الشذوذ المدعوم بالذكاء الاصطناعي، والتنبيه الآلي

تُضيف المراقبة الاستباقية طبقةً حرجةً من الحماية تتجاوز ضوابط الأجهزة وأنظمة إدارة البطاريات (BMS):

• التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء توفر خريطةً مستمرةً لدرجة حرارة السطح دون تماس، مما يسمح بتحديد النقاط الساخنة قبل أن تتفاقم.
• تحليل مدفوع بالذكاء الاصطناعي ترابط انحرافات الجهد، وتحولات المعاوَقة، والاتجاهات الحرارية عبر الوحدات للكشف عن الشذوذ الذي لا يمكن اكتشافه عبر إنذارات تعتمد على العتبات.
• التنبيه الآلي يُرسل إشعاراتٍ فوريةً للفنيين مرفقةً بتشخيصات سياقية، ما يمكّنهم من التدخل قبل أن تتحوّل الانحرافات الطفيفة إلى أعطال.
  ويؤدي هذا النهج إلى خفض وقت التوقف غير المخطط له بنسبة ٣٤٪ في أساطيل تخزين الطاقة الشمسية، ويقلّل بشكلٍ كبيرٍ الاعتماد على جداول الصيانة التصحيحية، مما يعزّز السلامة والموثوقية على المدى الطويل.

الأسئلة الشائعة

• ما الأسباب التي تؤدي إلى الاندفاع الحراري في بطاريات تخزين طاقة الطاقة الشمسية الليثيوم-أيون؟

  يمكن أن يحدث الاندفع الحراري بسبب مشاكل داخلية في خلايا البطارية، أو أضرار خارجية، أو التآكل الطبيعي الناتج عن الاستخدام المنتظم. ويتضمّن هذه الظاهرة سلسلةً من التفاعلات الحرارية المتسارعة التي تفاقم المشكلة، وغالبًا ما تبدأ بدوائر قصيرة داخلية.

• ما شهادة UL 9540A، ولماذا هي مهمة؟

  تتضمن شهادة UL 9540A اختبارات حريق شاملة لتقييم كيفية انتشار حالة التسرّب الحراري (Thermal Runaway) في أنظمة بطاريات الطاقة الشمسية. وتشمل الأنظمة الحاصلة على هذه الشهادة غرفًا مقاومة للحريق وميزات أمان أخرى تمنع انتقال الحرارة بين الوحدات.

• كيف يعزِّز نظام إدارة البطاريات (BMS) سلامة البطاريات؟

  يُدار نظام إدارة البطاريات (BMS) حالات الشحن الزائد والتفريغ الزائد والدوائر القصيرة ومراقبة العزل لضمان الأداء الأمثل للبطارية ومنع المواقف الخطرة.

• ما الفوائد المترتبة على استخدام بطاريات فوسفات الليثيوم والحديد (LFP) في تخزين الطاقة الشمسية؟

  توفر بطاريات LFP استقرارًا حراريًّا ناتجًا عن تركيبها الفريد، ما يقلل من خطر نشوب الحرائق ويمنحها دورات عمر أطول مقارنةً بأنواع كيميائية أخرى مثل النيكل أو الكوبالت.