شحن موثوق لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات لمناطق خدمة الطرق السريعة النائية

إجابة سريعة

تُعدّ مناطق الخدمة النائية على الطرق السريعة أصعب بيئة لشحن المركبات الكهربائية: ضعف أو انعدام وصلات الشبكة الكهربائية، ودرجات حرارة قصوى، وأوقات سفر طويلة للصيانة، وعملاء لا يتسامحون مع تعطل الشاحن. يحلّ الشحن المدعوم بنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) هذه المشكلة بفصل طاقة الشحن عن سعة الشبكة - حيث توفر خزانة أو حاوية شحن BESS طاقة شحن تتراوح بين 120 و480 كيلوواط من الطاقة المخزنة عبر وصلة يمكن لشركة الكهرباء توفيرها فعليًا، مع نظام إدارة حرارية مبرد بالسوائل للحفاظ على الطاقة المقدرة في درجات حرارة تتجاوز 45 درجة مئوية صيفًا و-20 درجة مئوية شتاءً. يتم تصميم الموثوقية في هذه البيئة هندسيًا، لا الاعتماد عليها فقط: وحدات طاقة قابلة للاستبدال أثناء التشغيل، ووحدات تحكم EMS احتياطية، ومراقبة عن بُعد، وحاويات مقاومة للماء والغبار، تحوّل طلب خدمة يستغرق 3 أيام إلى استبدال وحدة في 15 دقيقة. النتيجة التشغيلية للمواقع النائية المصممة جيدًا هي توفر الشاحن بنسبة 97-99%، وهو ما يحوّل محطة توقف على الطريق السريع إلى نقطة إيرادات موثوقة.

أهم النقاط

• تتيح أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) للمناطق الخدمية البعيدة توفير شحن عالي الطاقة على وصلات الشبكة الضعيفة أو غير الموجودة، مما يزيل العائق الرئيسي أمام النشر.
• يتم تحقيق الموثوقية من خلال التكرار: وحدات قابلة للاستبدال السريع، وحافلات تيار مستمر منفصلة، ​​ووحدات تحكم EMS زائدة، والتشخيص عن بعد.
• يُعد التبريد السائل والعلب ذات تصنيف IP65+ أمراً لا غنى عنه في المواقع النائية حيث تحدد الظروف البيئية القاسية والغبار/الجليد العمليات اليومية.
• تحوّل بنية نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المعيارية عملية الصيانة من رحلة ميدانية تستغرق 3 أيام إلى عملية استبدال قطع غيار تستغرق 15 دقيقة فقط بواسطة أي فني محلي.
• إن وقت التشغيل، وليس قوة العنوان، هو مقياس الإيرادات: فنسبة التوافر 97-99% تتفوق على التثبيت الأكبر حجماً ولكنه أقل استقراراً.

مشكلة الطرق السريعة النائية: لماذا تُعدّ الطاقة الكهربائية من الشبكة نقطة انطلاق خاطئة؟

تقع مناطق خدمة الطرق السريعة في المواقع التي تكون فيها طاقة الشبكة الكهربائية في أضعف حالاتها: على بُعد كيلومترات من المحطات الفرعية، وعلى خطوط تغذية مصممة لتلبية احتياجات إضاءة محطات الوقود، وغالبًا ما تُخدَم بخطوط هوائية قديمة. إن المسار التقليدي للنشر - تقديم طلب لتحديث المحولات، والانتظار من 12 إلى 24 شهرًا، ودفع ما بين 100,000 و300,000 دولار أمريكي للإنشاء - يُعدّ غير مجدٍ اقتصاديًا لموقع قد يزداد فيه حجم حركة المرور بشكل غير متوقع. والأسوأ من ذلك، أنه في العديد من امتدادات الطرق السريعة الريفية، لا تستطيع شركة الكهرباء ببساطة توفير السعة المطلوبة بأي سعر وفي غضون فترة زمنية معقولة.

يُزيل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) الشبكة الكهربائية من مسار الطاقة الحرج. يسحب الموقع الطاقة المتاحة - والتي تتراوح عادةً بين 100 و200 كيلو فولت أمبير - بشكل مستمر، ويخزنها ليلاً وخلال ساعات انخفاض الطلب، ثم يُوفر طاقة شحن تتراوح بين 120 و480 كيلو واط على دفعات من البطارية. تصبح الشبكة الكهربائية بمثابة شاحن بطيء للبطارية، بينما تُصبح البطارية هي البنية التحتية للشحن. هذا هو بالضبط تصميم محطات شحن BESS من MIDA ووحدات BESS المتنقلة/الإنقاذية التي أثبتت فعاليتها في حالات الطوارئ، حيث ينطبق منطق "التخزين ثم التوزيع على دفعات" نفسه على المواقع التي لا تتوفر فيها شبكة كهربائية على الإطلاق.

لماذا يُعد نظام تخزين الطاقة بالبطاريات عاملًا مُساعدًا؟ وماذا تعني الموثوقية هنا؟

في المواقع النائية، للموثوقية تعريف محدد: الشاحن يُوفر الطاقة المقدرة عند توصيل العميل به، في أي فصل من فصول السنة، مع متوسط ​​وقت إصلاح يُقاس بالساعات، لا بالأيام. ثلاث طبقات تصميمية تُحقق هذه النتيجة:

1. توافر الطاقة

يتعطل الشاحن البعيد المتصل بالشبكة فقط في كل مرة ينقطع فيها خط التغذية المحلي - وتتكرر انقطاعات خطوط التغذية البعيدة. أما موقع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) فلا يتعطل إلا عندما تكون البطارية فارغة، وهو ما يمنعه نظام إدارة الطاقة (EMS) عن طريق تحديد حد أقصى للتفريغ عند مستوى شحن معين، وإعادة شحن البطارية من الشبكة أو الطاقة الشمسية كلما أمكن ذلك. وتُوسّع شواحن أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات المتنقلة (https://www.midapower.com/mobile-bess-charger/) والأنظمة المُعبأة في حاويات هذا المنطق: إذ يُمكن نقلها بالشاحنات لتوفير سعة مؤقتة خلال فترات ذروة الطلب أو أثناء صيانة الشبكة.

2. المقاومة الحرارية

تُعدّ المناطق النائية مواقعَ ذات درجات حرارة قصوى وتهوية سيئة. يجب أن تحافظ البطاريات والإلكترونيات الكهربائية على معدل نقل البيانات المُصنّف عند درجة حرارة محيطة تبلغ 45 درجة مئوية دون انخفاض في الأداء، وأن تتحمل ليالي تصل فيها درجة الحرارة إلى -20 درجة مئوية دون انهيار في السعة. تعمل أنظمة التبريد السائل - كوحدات البطاريات ووحدات الطاقة وكابلات 500 أمبير فأكثر - على طرد الحرارة بفعالية وتسخينها مسبقًا من نفس الدائرة في المناخات الباردة. أما بدائل التبريد الهوائي فتفقد ما بين 10% و25% من معدل نقل البيانات تحديدًا في أوقات ذروة استخدام الموقع.

3. إمكانية الخدمة عن بعد

تُكلّف زيارة فني لموقع ناءٍ يومًا كاملاً من السفر قبل أن يبدأ الفني العمل. يكمن الحل التصميمي في المرونة: وحدات طاقة قابلة للاستبدال أثناء التشغيل، ورفوف بطاريات قابلة للتوصيل، ووحدات تبريد قابلة للاستبدال أثناء التشغيل، مما يعني أن بإمكان مقاول محلي مُدرّب تدريبًا أساسيًا إجراء إصلاحات كانت تتطلب في السابق مهندسًا من المصنع. تعتمد أنظمة MIDA [خزانة شحن BESS](https://www.midapower.com/bess-charger-cabinet/) وأنظمة البنية المنفصلة على هذا المبدأ - فالوحدة القابلة للاستبدال هي وحدة نمطية، وليست المحطة بأكملها.

التصميم من أجل الموثوقية في الظروف القاسية

يوضح الجدول أدناه أنماط الأعطال التي تهيمن على عمليات الطرق السريعة النائية وعلاقتها بمعالجاتها الهندسية:

هناك نمطان جديران بالتسليط عليهما الضوء. أولاً، التكرار متعدد الطبقات: يجب توزيع موقع بقدرة 480 كيلوواط على عدة خزائن أو حاويات بحيث يؤدي عطل واحد إلى انخفاض القدرة دون أن يؤدي إلى توقفها تمامًا. ثانيًا، تُعد القياسات عن بُعد ميزة أساسية للموثوقية، وليست مجرد رفاهية في لوحة التحكم - فالمراقبة عن بُعد تُحوّل عبارة "تم الإبلاغ عن تعطل الشاحن، أرسل فنيًا" إلى "الوحدة B-2 في الخزانة 3 تُظهر عطلًا في المروحة، أرسل وحدة بديلة"، وهذا هو الفرق بين يوم واحد وأسبوع من التوقف عن العمل.

استراتيجية الصيانة ووقت التشغيل: نموذج التشغيل بنسبة 97-99%

تُدار المواقع البعيدة الموثوقة وفق نموذج تشغيلي، وليس وفق ضمان. والممارسات التي تميز نسبة التوافر 90% عن نسبة 98% هي:

1. المراقبة عن بعد أولاً.تقوم كل خزانة ببث بيانات حالة الشحن، ودرجات حرارة الخلايا، وضغط دائرة التبريد، وعدد دورات الشحن، ورموز الأعطال إلى نظام إدارة الطاقة السحابي. يتم إطلاق التنبيهات قبل حدوث العطل - حيث يمكن اتخاذ إجراء بشأن ارتفاع درجة حرارة سائل التبريد قبل أسابيع من حدوث العطل. 2.قطع غيار مُجهزة مسبقاً.تحتفظ كل منطقة بمخزون صغير من الأجزاء الثلاثة الأكثر عرضة للتلف: وحدات الطاقة، ووحدات التبريد، ولوحات التحكم. وتُعدّ أسعار قطع الغيار المتوفرة في الموقع أفضل بكثير من تكاليف الشحن الطارئ. 3.شبكة خدمات الشركاء المحليين.تُمكّن الأجهزة المعيارية من تدريب مقاول إقليمي في يوم واحد. ويصبح مستوى الخدمة المتفق عليه "استبدال الوحدة خلال 24 ساعة" بدلاً من "وصول مهندس المصنع خلال 5 أيام". 4.فترات الصيانة الموسمية.تُجرى زيارتان مُجدولتان سنويًا (قبل الصيف وقبل الشتاء) للتحقق من دوائر التبريد والعزل والوصلات. وتُكلّف الزيارات غير المُجدولة في المواقع النائية عادةً ما بين 3 إلى 10 أضعاف تكلفة الزيارة المُجدولة. 5.التوزيع مع مراعاة السعة.يحتفظ نظام إدارة الطاقة بحد أدنى لحالة الشحن (على سبيل المثال، 15-20٪) مخصص لحالات الطوارئ وانقطاعات الشبكة، بحيث يمكن للموقع دائمًا توفير شحن جزئي على الأقل حتى بعد انقطاع التيار الكهربائي.

المنطق المالي واضح: جلسة شحن على الطريق السريع تفشل بسبب تعطل الشاحن، مما يكلف المشغل خسارة إيرادات الجلسة، ورضا العملاء، وفي عقود الامتياز، غرامة على مؤشرات الأداء الرئيسية للتوافر. إن التوافر بنسبة 97-99%، والمستمر على مدار الفصول، هو ما يحول موقع تخزين الطاقة بالبطاريات البعيد إلى أصل قابل للتمويل.

نمط النشر: منطقة خدمة عن بُعد في الممارسة العملية

لنفترض منطقة خدمة تبعد 120 كيلومترًا عن أقرب مدينة، على طريق سريع يشهد تزايدًا في حركة مرور السيارات الكهربائية. تبلغ سعة الشبكة الكهربائية في الموقع 150 كيلو فولت أمبير، وهي كافية للإضاءة ومتجر وشاحن واحد بقدرة 60 كيلو واط. هدف المشغل: أربعة شواحن بقدرة 120 كيلو واط (480 كيلو واط كحد أقصى) مع توافر يزيد عن 97%.

البنية المستخدمة:

• جانب الشبكة:وصلة بقدرة 150 كيلو فولت أمبير، دون تغيير عن الخدمة الحالية - لا يوجد تحديث للمحول، ولا مشروع للمرافق.
• جانب التخزين:حاوية BESS بسعة 1 ميغاواط ساعة تشحن باستمرار من سعة الشبكة الاحتياطية الليلية، بالإضافة إلى خزانة شحن BESS أصغر لكل زوج من أجهزة الشحن للتوزيع الدقيق.
• جانب الشحن:أربع شواحن سريعة تعمل بالتيار المستمر مثبتة على الأرض بقدرة 120 كيلوواط، يتم تغذيتها من ناقل التيار المستمر؛ يتم سحب دفعات الذروة من البطارية.
• جانب التحكم:زوج احتياطي من أنظمة إدارة الطوارئ يعمل بنظام إرسال قائم على التنبؤ، ومنطق العزل، والقياس عن بعد الكامل.
• الجانب الحراري:رفوف بطاريات مبردة بالسوائل ووحدات طاقة مصممة لتحمل درجات حرارة تصل إلى 45 درجة مئوية في ذروة فصل الصيف.

تتوافق النتائج التشغيلية مع النموذج المتبع: يشحن الموقع أكثر من 150 مركبة يوميًا عبر وصلة بقدرة 150 كيلو فولت أمبير، ويتجاوز انقطاعي التيار الكهربائي المحليين السنويين، ويصلح أي عطل في وحدة واحدة خلال 24 ساعة من خلال شريك إقليمي مُدرَّب. وقد تم استثمار رأس المال الذي كان سيُخصص لتحديث محول واحد في تمويل نظام الشحن بأكمله.

قائمة التحقق من المشتريات للمواقع النائية

قبل الموافقة على أي عملية نشر عن بُعد، تحقق من هذه العناصر في المواصفات:

• الامتثال لقواعد الشبكة الكهربائية وأنظمة العزل المعتمدة(CE أو UL أو المعايير المحلية) - بدونها، لا يمكن للموقع أن يفصل ويعيد الاتصال بشكل قانوني.
• التبريد السائل هو معيار قياسي، ليس خياراً متاحاً، سواء بالنسبة للبطارية أو وحدات الطاقة.
• وحدات قابلة للاستبدال السريعبفضل إجراءات التبديل الموثقة، يمكن لأي مقاول مدرب تنفيذها.
• تصنيفات الحماية IP65+على جميع الخزائن والموصلات الخارجية.
• البروتوكولات المفتوحة— OCPP 2.0.1 لأجهزة الشحن وواجهة برمجة تطبيقات EMS موثقة — لذلك لا يكون الموقع مقيدًا بمجموعة أدوات مراقبة بائع واحد.
• نطاق درجة حرارة التشغيل المحددتغطي هذه البيانات الظروف المناخية القاسية للموقع، مع منحنيات تخفيض القدرة المنشورة في ورقة البيانات.

التعليمات

1. هل يمكن لشحن أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات أن يعمل في الأماكن التي لا توجد بها شبكة كهرباء على الإطلاق؟نعم. تُشحن وحدات تخزين الطاقة المحمولة والمُعبأة في حاويات بواسطة الطاقة الشمسية أو المولدات أو من خلال الوصول المتقطع إلى الشبكة الكهربائية، وتوفر شحناً عالي الطاقة على دفعات. ويكمن المقابل في كمية الطاقة المُستهلكة يومياً، والتي يجب أن تتناسب مع حجم النظام المُستخدم.

2. ما مقدار سعة الشبكة التي يحتاجها موقع تخزين الطاقة بالبطاريات البعيد؟محطة شحن بقدرة 480 كيلوواط مزودة بنظام تخزين طاقة بالبطاريات بسعة 1 ميغاواط ساعة تعمل عادةً على شبكة كهربائية بقدرة 100-200 كيلو فولت أمبير، وهي متوفرة بالفعل في معظم مناطق الخدمة الحالية. تقوم البطارية بتخزين الطاقة ليلاً وتوفير دفعات شحن خلال النهار.

3. ما الذي يجعل الشاحن عن بعد موثوقاً به في درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة للغاية؟تحافظ رفوف البطاريات ووحدات الطاقة المبردة بالسوائل على معدل نقل البيانات المُصنّف عبر نطاق درجات الحرارة، بينما تحمي الحاويات المصنفة IP65+ الإلكترونيات من الغبار والجليد والملح. ويُعزى الفرق بين 100% و80% من الطاقة المُصنّفة في فصل الصيف إلى نظام إدارة حرارية فعّال.

4. ما مدى سرعة إصلاح موقع بعيد عند تعطل وحدة نمطية؟بفضل الوحدات القابلة للاستبدال أثناء التشغيل والشريك الإقليمي المدرب، يتم استبدال وحدة الطاقة المعطلة عادةً خلال 24 ساعة. قارن هذا بالمنشآت التي تعتمد على الشبكة الكهربائية فقط، والتي غالباً ما تنتظر أياماً حتى يصل مهندس المصنع.

5. ما هو مدى توفر الشواحن الواقعي لموقع تخزين الطاقة بالبطاريات البعيد المصمم بشكل جيد؟يمكن تحقيق نسبة توافر تتراوح بين 97% و99% باستخدام وحدات تحكم احتياطية، ومراقبة عن بُعد، وقطع غيار مُخزّنة مسبقًا، وصيانة موسمية. أما وقت التوقف المتبقي فيُعزى في الغالب إلى عوامل لوجستية، والتي يُقلّل منها التصميم المعياري.

6. كيف يستمر الموقع في الشحن أثناء انقطاع التيار الكهربائي؟يقوم نظام إدارة الطاقة بتحويل الموقع إلى وضع التشغيل المستقل: حيث تنفصل العواكس عن الشبكة الكهربائية، ويعمل الموقع بالكامل من البطارية (والطاقة الشمسية، إن وجدت). ويتم الاحتفاظ بمستوى شحن أدنى لضمان قدرة الموقع على توفير شحنات جزئية حتى بعد انقطاعات طويلة للتيار الكهربائي.

7. هل تحتاج المواقع النائية إلى فنيين متواجدين في الموقع؟لا. يعتمد نموذج التشغيل على المراقبة عن بُعد بالإضافة إلى شريك خدمة إقليمي مُدرَّب على استبدال الوحدات. تمنع الزيارات الموسمية المُجدولة (قبل الصيف وقبل الشتاء) معظم الأعطال؛ بينما يكشف نظام القياس عن بُعد عن الأعطال المتبقية مبكرًا.