نظام فوتوفولتايكي ثنائي البطارية: التكوين الأساسي وتحليل العيوب لأضواء الشوارع الشمسية الخارجية
تتبنى أضواء الشوارع الشمسية الخارجية في الغالب نظامًا فوتوفولتايكيًا ثنائي البطارية يعمل في صيغات سلسلة أو متوازية لضمان استقرار إمداد الطاقة وتوسيع عمر البطارية. ومع ذلك، تعني العمل المشترك للبطاريتين أن أي خلل في إحدى البطاريين قد يؤثر على النظام بأكمله. يوضح ما يلي المشكلات الشائعة لأنظمة ثنائية البطارية من نواحي الظواهر والمبادئ والأسباب والحلول.
أ. ظواهر العيوب: الأعراض النموذجية لأنظمة ثنائية البطارية غير الطبيعية
1. خطأ في المختصة (اتصال مباشر بين القطبين الموجب والسالب لأي بطارية)
- تنطفئ مصباح الشارع فجأة ولا يمكنه استئناف العمل حتى بعد تعرضه لأشعة الشمس;
- يظهر منطقة حجرة البطارية أو خطوط التوصيل درجة حرارة عالية غير طبيعية، وقد ترافقها رائحة حرق من طبقة العزل;
- تت发胀 البطارية الخاطئة، أو تتسرب (للطاريات الرصاصية)، أو يتشقق غلافها (للطاريات الليثيومية); في أنظمة السلسلة، قد تسخن البطارية الأخرى في نفس الوقت;
- مصباح المؤشر في وحدة التحكم ماطل أو يعرض رمز حماية من الحمل الزائد، ولا يبدأ تعملاً بشكل طبيعي.
2. خطأ في المفتوحة (فقدان توصيل أي دائرة بطارية)
- مصباح الشارع معطل تمامًا، ولا يوجد استجابة من إمداد الطاقة حتى تحت أشعة الشمس الكافية;
- ليس للبطارية أضرار خارجية واضحة، ولا تسخن أو تتسرب;
- في أنظمة السلسلة، يكون الجهد الكلي الذي يقاسه أداة الكشف عن الجهد البسيطة هو 0؛ في أنظمة المتوازية، تنخفض الجهد الكلي إلى مستوى بطارية واحدة ولا تستطيع تشغيل الحمل;
- قد تعرض وحدة التحكم رسائل مثل "توقف توصيل البطارية" أو "توفير الجهد المنخفض".
ب. مبادئ التوصيل وتأثيرات العيوب على بطاريتي النظام
تحدد أوضاع السلسلة والمتوازية لنظام ثنائي البطارية مسار ومدى انتشار العطل:
1. التوصيل السلسلي (رتبة الجهد، على سبيل المثال: بطاريتان 12 فولت تشكلان نظامًا 24 فولت)
- إذا كَسَرت إحدى البطاريات: تنقطع الدائرة بأكملها، ليس للنظام خرج جهد، ويتعطل مصباح الشارع، لكن البطارية الأخرى تظل سليمة;
- إذا قصرت إحدى البطاريات: تنخفض المقاومة الداخلية للبطارية المختصة بذروة، مما يجبر البطارية الأخرى على إخراج تيار كبير إلى حلقة المختصة، مما يتسبب في التفريغ الزائد أو الارتفاع الحراري أو حتى التلف. تنخفض جهد النظام الكلي بفعل سقوط مألوف إلى مستوى بطارية واحدة، ولا تستطيع تشغيل الحمل;
- التأثير الطويل الأجل: إذا تدهورت أداء إحدى البطاريات (انخفضت السعة بأكثر من 30%)، فإنه يتسبب في شحن وتفريغ الزائد للتلك الأخرى بشكل متكرر، مما يختصر عمرها المستخدمي بأكثر من 50%.
2. التوصيل المتوازي (رتبة السعة، على سبيل المثال: بطاريتان 100 أمبير ساعة تشكلان نظامًا 200 أمبير ساعة)
- إذا كَسَرت إحدى البطاريات: تنصف سعة النظام الكلي، يمكن لمصباح الشارع العمل لكن عمر البطارية يختصر بنسبة 50%، وتعمل البطارية الأخرى وحدها بدون تلف;
- إذا قصرت إحدى البطاريات: تجذب حلقة المختصة جهد النظام إلى ما يقرب من 0 فولت، مما يتسبب في تفريغ الزائد الفجائي للبطارية الأخرى، مع حرق ألواحها أو تجاهل خلاياها، وتعطل النظام تمامًا;
- التأثير الطويل الأجل: ستقسم البطارية ذات الأداء المتدهور التيار، مما يتسبب في تشغيل البطارية الأخرى تحت حمل عالٍ طويل الأجل، مما يسرع توهين السعة.
ج. أسباب شائعة لعيوب أنظمة ثنائية البطارية
البيئة الخارجية المعقدة هي السبب الرئيسي لعيوب ثنائي البطارية:
1. أسباب المختصمات
- يستغل المطر حجرة البطارية، مما يتسبب في جسر الماء بين المصاعد (خاصة عند نقاط التوصيل المشتركة لأنظمة المتوازية، التي تعرضة للتراكم المائي);
- تتآكل طبقة العزل للخط بواسطة المكونات المعدنية داخل عمود الضوء، مما يؤدي إلى تلامس مباشر بين السلكين الموجب والسالب;
- يتسبب تقدم عمر البطارية في تلف الغشاء الداخلي (للطاريات الليثيومية) أو تساقط الألواح وتراكمها (للطاريات الرصاصية);
- تكسر الجهد العالي الفجائي الناتج عن الصواعق طبقة العزل، مما يتسبب في مختصة عند نقطة توصيل ثنائي البطارية.
2. أسباب المفتوحات
- تأكسد وتآكل مصاعد التوصيل (في البيئات المطيرة أو الرطبة العالية)، مما يؤدي إلى اتساق ضعيف أو حتى كسر;
- تسمح نقاط لحام خرائط البطارية (في حالات الاهتزاز طويلة الأمد، مثل مصابيح الشوارع في مناطق العواصف);
- تتسبب درجات الحرارة المنخفضة في التجمد للإلكتروليت في البطاريات (بطاريات الرصاص)، مما يؤدي إلى حدوث مفتوحات داخلية;
- أضرار خارجية (مثل اصطدامات البناء) تؤدي إلى كسر الخطوط أو تلف غلاف البطارية.
د. حماية وحلول لأنظمة ثنائية البطارية
بناءً على خصائص التعاون لبطاريتي النظام، ينبغي اتخاذ التدابير من ثلاثة جوانب: الاختيار، والحماية، والصيانة:
1. تحسين اختيار النظام
- اعتماد وحدة تحكم مزودة بـ"حماية توازن ثنائي البطارية" للكشف التلقائي عن حالة كل بطارية ومنع الشحن الزائد والتفريغ الزائد;
- يجب أن تتطابق بطاريتي النظام في العلامة التجارية، والملف الشخصي، والسعة (الخطأ ≤5%); يمنع خلط البطاريات القديمة والجديدة;
- تفضل أنظمة السلسلة خلايا تتحمل معدل عالي، وأنظمة المتوازية تضيف ذيول لكل بطارية.
2. تعزيز الحماية الخارجية
- تتبنى حجرة البطارية تصميمًا مطاوعًا للماء مع تصنيف IP67؛ تستخدم المصاعد مواد نقراءة نحاسية مقاومة للتأكسد؛ تُركب دروع عزل عند نقاط التوصيل المشتركة للموازاة;
- تتوزع الخطوط عبر أنابيب لتجنب التلامس المباشر مع المكونات المعدنية، مع تحفظ أطوال تخفيف عند المنحنيات;
- يتم تثبيت أجهزة حماية من الزيادات المتفجرة (SPD) في مناطق معرضة للعواصف الرعدية، ومقاومة ارتداء وحدة التحكم ≤4Ω.
3. نقاط الصيانة المنتظمة
- فحص شهري لمصاعد توصيل ثنائي البطارية بحثًا عن الوشوب والتآكل؛ تنظيف وإعادة إ紧固 فور العثور على مشكلات;
- كشف رباعي الشهر عن سعة كل بطارية (اختبار التفريغ)؛ استبدال البطاريات المتزاوجة في الوقت المناسب عندما يتجاوز الاختلاف 10%;
- استبدال مجموعة البطاريات بأكملها بعد الوصول إلى عمر خدمة 3 سنوات (بطاريات الرصاص) أو 5 سنوات (بطاريات الليثيوم) لتجنب العيوب المتسلسلة الناتجة عن الاختلافات بين الجديد والقديم.
الملخص
النظام الفوتوفولتاوي ثنائي البطارية هو التكوين الأساسي لأضواء الشوارع الشمسية الخارجية، وتحدد خصائصه المتسلسلة والمتوازية التأثير المتسلسلي للعواقب. من خلال تحديد الظواهر النموذجية للقصر المباشر وانقطاع الدائرة، وفهم دور مبادئ التوصيل في انتشار العيوب، وتعزيز الحماية والصيانة المستهدفة، يمكن انخفاض معدل فشل النظام بشكل كبير، مما يضمن التشغيل المستقر على المدى الطويل لأضواء الشوارع.