ما مدى أمان نظام تخزين الطاقة منخفض الجهد في الاستخدام المنزلي؟

فهم واقع السلامة للجهد المنخفض في أنظمة تخزين الطاقة المنزلية

لماذا لا يعني 'الجهد المنخفض' 'عدم وجود خطر': الفيزيولوجيا البشرية وسلوك تيار العطل

قد تعمل الأنظمة ذات الجهد المنخفض بجهد أقل من 50 فولت تيار متردد أو 120 فولت تيار مستمر وفقًا لإرشادات NEC، ولكن لا تدع هذه الأرقام تخدع أحدًا بشأن السلامة. يتفاعل جسمنا بشكل مفاجئ مع الكهرباء حتى عند المستويات الصغيرة. فقد يؤدي مرور 5 ملي أمبير فقط عبر الجلد إلى شلل العضلات بحيث يصبح الشخص عالقًا وهو يمسك بسلك حي. وعندما يصل التيار إلى حوالي 50 ملي أمبير؟ يكون ذلك كافيًا للتسبب في اضطراب خطير في نبضات القلب. وتحدث هذه المشكلات غالبًا عندما يحدث خلل ما في النظام. فكّر فيما قد يحدث إذا فشل العزل أو حدث عطل أرضي على أسطح مثل الأرضيات الخرسانية الرطبة أو الطاولات المعدنية. فجأة، تصبح حتى أنظمة الـ 48 فولت تيار مستمر خطرة لأن مقاومة التلامس تنخفض إلى مستويات خطيرة تبلغ حوالي 480 أوم، مما يسمح بمرور 100 ملي أمبير بحرية. ثم هناك عامل الحرارة الذي لا يتوقعه أحد. يمكن أن تتسبب الشرارات الكهربائية (Arc flashes) في هذه الأنظمة ذات الجهد المنخفض في قفز درجات الحرارة إلى أكثر من 3500 درجة مئوية في لحظة واحدة، ما يشعل النار بأي شيء قريب. لذا انسَ ما يعتقده الناس حول تصنيفات الجهد. إن ممارسات العزل الجيدة، وأساليب التأريض السليمة، والاستجابة السريعة للأعطاب ليست مجرد توصيات للعمالقة العاملين مع هذه الأنظمة. بل هي ضرورات مطلقة بغض النظر عن كون مصدر الطاقة يستوفي التعريفات التقليدية للجهد العالي أم لا.

عوامل الجهد في السياق السكني: 48 فولت تيار مستمر باعتباره المعيار العملي لتخزين الطاقة منخفض الجهد

يتم اعتماد نظام تخزين الطاقة الكهربائية بجهد 48 فولت تيار مستمر بشكل متزايد في البيوت كمعيار للسلامة، حيث يوازن بين كثافة القدرة وانخفاض المخاطر بطبيعتها. يقع هذا الجهد تحت عتبة 60 فولت تيار مستمر التي تتطلب معايير دولية مثل IEC 61140 تدابير حماية معززة. بالمقارنة مع الأنظمة ذات الجهد الأعلى، توفر أنظمة 48 فولت مزايا سلامة قابلة للقياس:

كما يدعم تصنيف دائرة NEC Class 2 هذا النهج من خلال تحديد الإخراج بحد أقصى 100 واط، مما يحد من طاقة العطل المتاحة ويتيح تركيبات أكثر أمانًا وسهولة يمكن تنفيذها ذاتيًا، مع تلبية الاحتياجات الأساسية لدعم الطاقة المنزلية

الانطلاق الحراري وسلامة الحريق في بطاريات المنازل منخفضة الجهد

أهمية التركيب الكيميائي: مقارنة استقرار الليثيوم الحديدي الفوسفات (LiFePO₄) مع النيكل المنغنيز الكوبالت (NMC) من حيث الاستقرار الحراري في ظل ظروف إساءة الاستخدام (UL 9540A)

تلعب الكيمياء وراء البطاريات دورًا كبيرًا في تحديد مدى سلامتها عند تركيبها في المنازل بأنظمة تخزين طاقة منخفضة الجهد. لا تدخل بطاريات فوسفات الليثيوم الحديدي، أو ما يُعرف اختصارًا بـ LiFePO4، في حالات الانطلاق الحراري بسبب هيكلها البلوري المستقر على شكل الزيتونيت. يمكن لهذه البطاريات أن تتحمل درجات حرارة تتجاوز 260 درجة مئوية، أي حوالي 500 درجة فهرنهايت. على الجانب الآخر، تميل خلايا النيكل المنغنيز الكوبالت إلى التحلل بشكل عنيف بمجرد وصولها إلى حوالي 200 درجة مئوية. وعند حدوث الأعطال، يمكن أن تصل درجات حرارة هذه الخلايا NMC إلى أكثر من 900 درجة مئوية، أحيانًا تصل إلى 1,652 درجة فهرنهايت في أسوأ السيناريوهات. تؤكد الاختبارات المُجراة وفق معايير UL 9540A أن خلايا LiFePO4 عادةً ما تفشل فقط في مكانها دون انتشار المشكلة إلى أماكن أخرى. لكن وحدات NMC تواجه مشكلات تتزايد عبر النظام في حوالي 8 من كل 10 حالات خلال الاختبارات. وبما أن معظم التركيبات المنزلية تعتمد على أساليب التبريد السلبية ولها مساحة محدودة، فإن الاستقرار الداخلي لخلايا LiFePO4 يجعلها الخيار الأفضل لتطبيقات أنظمة التخزين منخفضة الجهد. وهذا يعني أن أصحاب المنازل لا يحتاجون إلى أنظمة معقدة لإدارة الحرارة نشطة للحفاظ على التشغيل الآمن.

تصميم الغلاف والتحكم في الانتشار في الأنظمة المدمجة منخفضة الجهد

يُعد التصميم الجيد للغلاف مهمًا جدًا عندما يتعلق الأمر بالتحكم في الأعطال ضمن أنظمة التخزين المنزلية الصغيرة للطاقة. وعادةً ما تشمل التصاميم الحديثة متعددة الطبقات حواجز حرارية من السيراميك إلى جانب قنوات تهوية تعمل عند ارتفاع الضغط، والتي تساعد على التعامل بشكل مناسب مع نواتج الاحتراق. إذا ارتفعت درجة الحرارة داخليًا أو زاد الضغط عن المستويات الآمنة، فإن صمامات إخماد اللهب الخاصة تقوم بتحويل تلك الغازات الساخنة بعيدًا عن باقي أجزاء النظام. وفي الوقت نفسه، تبدأ الختميات المنتفخة بالتمدد لتكوين حواجز حول أي وحدات تالفة. وقد أظهرت الاختبارات فعليًا أنه مع توفر هذه الميزات، تميل الحرائق إلى الانتشار إلى أقل من 5٪ من الخلايا المجاورة أثناء الحوادث الحرارية. وعند دمج ذلك مع عمليات فحص مستمرة لدرجة الحرارة عبر مجموعات الخلايا المختلفة، فإننا نكون أمام حل هندسي يحافظ على عزل المشكلات ضمن حدود السلامة المعتمدة من UL. ويعمل هذا حتى في المساحات الضيقة حيث يتم تركيب هذه الأنظمة غالبًا، مثل غرف الخدمات أو زوايا المرآب.

مزايا السلامة الحرجة: نظام إدارة البطارية، والرصد، واكتشاف الأعطال المبكر

ما وراء الجهد: اكتشاف التورم، والتآكل، وأعطال التوصيلات في أنظمة تخزين الطاقة منخفضة الجهد

إن النظر إلى مستويات الجهد وحدها لا يكفي أبدًا عندما يتعلق الأمر بالسلامة في أنظمة تخزين الطاقة ذات الجهد المنخفض. ما يهم حقًا يحدث فعليًا أولًا، قبل وقت طويل من ظهور أي مشكلة كهربائية على العداد. خذ على سبيل المثال انتفاخ الخلايا. عندما تبدأ الخلايا في التمدد، فهذا يعني أن هناك تراكمًا للغاز داخليًا بالإضافة إلى تطور إجهادات ميكانيكية، مما قد يؤدي إلى انفجارات إذا لم يتم التحكم فيها. تعتمد الأنظمة الحديثة الآن على دمج مستشعرات حساسة للقوة مع مراقبة دقيقة لمستويات الجهد لاكتشاف هذه المشكلات في وقت مبكر. وماذا عن مشكلة كبيرة أخرى؟ إنها التآكل عند نقاط الاتصال. حيث يؤدي هذا التآكل إلى زيادة المقاومة بين المكونات، مما يسبب بقع حرارة قد لا تُفعّل إنذارات الجهد العادية، لكنها لا تزال تمثل مخاطر جسيمة من نشوب حرائق في المواد القريبة. ولا تنسَ أيضًا التوصيلات الفضفاضة. فهي تُحدث قوسًا صغيرًا يولد قفزات حرارية مفاجئة مباشرة قبل حدوث العطل الكامل. في الواقع، تقوم أنظمة إدارة البطاريات الحديثة باكتشاف كل هذه المشكلات باستخدام تقنيات متقدمة مثل رسم الخرائط الحرارية عبر نقاط متعددة وتقنية تُعرف باسم مطيافية المعاوقة. ويمكن لهذه الأنظمة اكتشاف حتى التغيرات البسيطة في المقاومة بنسبة حوالي 15%. لماذا يُعد هذا مهمًا جدًا؟ وفقًا لتقرير الجمعية الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) لعام 2023، يُرجع ما يقرب من ربع حالات فشل أنظمة تخزين الطاقة السكنية إلى مشكلات التدهور المادي بدلًا من مشكلات الجهد الزائد أو التيار الزائد البسيطة.

القدرات الأساسية لنظام إدارة البطارية للأنظمة السكنية منخفضة الجهد

يتجاوز نظام إدارة البطارية السكني الفعّال التنظيم الأساسي للجهد. ويجب أن يوفّر:

• تتبعًا لعدة معايير في الوقت الفعلي ، بما في ذلك تدرجات درجة حرارة الخلايا البينية، ومقاومة العزل، والتسرب الكهربائي، ومقاييس حالة البطارية (State-of-Health)
• خوارزميات التنبؤ بالفشل ، التي تم تدريبها على أنماط التدهور التاريخية للتنبؤ بنهاية العمر الافتراضي أو بدء الإجهاد الحراري
• قواطع احتياطية على مستوى الجهاز المادي ، قادرة على عزل الأعطاب خلال جزء من الثانية بعد اكتشاف ارتفاع حراري غير طبيعي أو تغير في المعاوقة
• تشخيصات متكاملة مع السحابة ، توفر تنبيهات عن بُعد ورؤى قابلة للتنفيذ عبر بروتوكولات إنترنت الأشياء الآمنة

إن أجهزة مراقبة الجهد التقليدية لم تعد كافية بعد الآن مقارنة بالأنظمة الحديثة التي تتابع باستمرار ما يحدث داخل البطاريات في جميع الأوقات. تراقب هذه الأنظمة الجديدة أمورًا مثل التغيرات الطفيفة في مقاومة الأجزاء الداخلية وطريقة انتقال الحرارة بين مختلف مكونات حزمة البطارية. تكمن القيمة الحقيقية عندما يمكن معالجة المشكلات مبكرًا. على سبيل المثال، إذا اكتشف النظام تورمًا في إحدى الخلايا، فقد يقوم تلقائيًا بتقليل الطاقة المرسلة عبر تلك المنطقة قبل حدوث عطل خطير. كما أن معظم أعطال البطاريات لا تظهر فجأة. تُظهر بيانات الصناعة أن حوالي 78٪ منها تتطور ببطء على مدى فترات تتراوح من أسابيع إلى أشهر. هذا النوع من المراقبة الدقيقة يغيّر تمامًا طريقة تعاملنا مع صيانة البطاريات، حيث ينتقل التركيز من إصلاح الأعطال بعد حدوثها إلى التنبؤ بالمشكلات قبل أن تصبح خطيرة.

الشهادات، ومعايير التركيب، والضمانات البيئية

الحصول على الشهادات المناسبة واتباع قواعد التثبيت مهم جدا عند نشر أنظمة تخزين الطاقة منخفضة الجهد بأمان. الشهادات المستقلة مثل UL 9540 لسلامة النظام، UL 1973 لأداء الخلية، و NFPA 855 فيما يتعلق بحماية الحريق تعطي المصممين دليلًا من طرف ثالث على أن أنظمتهم يمكن أن تتعامل مع الأخطاء دون فشل. عند تركيب هذه الأنظمة، يحتاج الكهربائيون إلى الالتزام باللوائح المحلية أيضاً. في أمريكا الشمالية، فإنها تتبع المادة 706 NEC في حين أن في أماكن أخرى في جميع أنحاء العالم IEC 62477 ينطبق. هذه المعايير تتطلب استخدام قطع أجزاء معتمدة، وعمال مدربين، واختبارات مختلفة بعد التثبيت بما في ذلك فحص مقاومة العزل، والتأكد من وجود مساحة كافية للتهوية، والتحقق من أن الحجرات سليمة. بالنظر إلى الصورة الكبيرة، يجب على المصنعين الاهتمام بما يحدث لمنتجاتهم على المدى الطويل. الشركات المتوافقة مع معايير ISO 14001 تصنع منتجات أكثر خضراء ولديها برامج لإعادة تدوير الوحدات القديمة بشكل صحيح. وفقاً لإحصاءات الصناعة الأخيرة من العام الماضي، حوالي ثلاثة أرباع جميع مشاكل السلامة بعد الخدمة تحدث لأن الناس يتخلصون من هذه الأنظمة بشكل غير صحيح. لهذا السبب يجب أن تكون إدارة كيفية دخول هذه الأنظمة، وتشغيلها، وخروجها في نهاية المطاف من السوق جزءاً من أي خطة سلامة منذ اليوم الأول.

الأسئلة الشائعة

ما الذي يُعتبر جهدًا منخفضًا في أنظمة تخزين الطاقة المنزلية؟

يشير الجهد المنخفض في أنظمة تخزين الطاقة المنزلية عادةً إلى الأنظمة التي تعمل بجهد أقل من 50 فولت تيار متردد أو 120 فولت تيار مستمر، وفقًا لإرشادات NEC.

لماذا يُفضّل استخدام 48 فولت تيار مستمر بشكل شائع في أنظمة تخزين الطاقة السكنية؟

يُفضّل استخدام 48 فولت تيار مستمر لأنه يوفر توازنًا بين كثافة القدرة والسلامة. كما أنه يقلل من خطر الصدمة الكهربائية وطاقة القوس الكهربائي مقارنةً بالأنظمة ذات الفولطية الأعلى.

كيف تؤثر كيمياء البطارية على الانطلاق الحراري وسلامة الحريق؟

البطاريات مثل LiFePO4 أقل عرضة للانطلاق الحراري بسبب تركيبها المستقر مقارنةً بخلايا NMC، التي يمكن أن تسخن بشكل خطير تحت الإجهاد الحراري.

ما الدور الذي تلعبه نظام إدارة البطارية (BMS) في السلامة؟

يُعد نظام إدارة البطارية (BMS) أمرًا بالغ الأهمية لمراقبة العديد من المعايير، وكشف الأعطال المبكرة، وضمان التشغيل الآمن من خلال عزل الأعطاب بسرعة.