الأداء في درجات الحرارة المنخفضة: أيونات الصوديوم أيون مقابل LFP لمعدات المراقبة الخارجية. إنها قصة مألوفة بالنسبة لمسؤولي المشتريات: تعمل أنظمة LFP التي تعمل بالطاقة الشمسية بشكل لا تشوبه شائبة في شهر يوليو، فقط لتتعطل عند أول تجمد في الشتاء. أنت لا تواجه عطلًا في المعدات؛ أنت تكافح "حد الشحن البارد" الصعب لليثيوم القياسي، الذي لا يمكن أن يقبل فعليًا شحنًا أقل من 0 درجة مئوية. لسنوات، كان الحل الوحيد للحفاظ على وقت تشغيل المعدات الخارجية المهمة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع هو تغليف البطاريات في وسادات التدفئة المتعطشة للطاقة، وهو حل مكلف وغير موثوق به. هناك طريقة أفضل. حان الوقت للتحدث عن حزم بطاريات أيونات الصوديومالكيمياء التي لا تنجو من البرد فحسب، بل تزدهر فيه.
بطارية كامادا باور 12 فولت 100 أمبير أيون الصوديوم
مشكلة "البطارية المتجمدة": لماذا تفشل LFP في الشتاء
ولفهم سبب اكتساب بطارية أيونات الصوديوم زخمًا في الأسواق الصناعية في الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة الأمريكية، علينا أولاً أن ننظر إلى سبب معاناة بطارية فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) عندما ينخفض الزئبق.
حد الشحن (0 درجة مئوية/32 درجة فهرنهايت)
ستعرض معظم أوراق بيانات بطاريات LFP درجة حرارة تفريغ تصل إلى -20 درجة مئوية. يبدو ذلك جيداً على الورق، لكنه فخ. عنق الزجاجة الحقيقي ليس التفريغ؛ إنه الشحن.
إليك الواقع التقني: داخل خلية الليثيوم، تتحرك الأيونات بين المهبط والمصعد من خلال إلكتروليت سائل. وعندما تقترب درجات الحرارة من درجة التجمد (0 درجة مئوية/32 درجة فهرنهايت)، يصبح هذا الإلكتروليت بطيئاً. وتزداد اللزوجة.
إذا حاولت فرض تيار شحن في البطارية في هذه الحالة، فلن تتمكن أيونات الليثيوم من الإقحام (الامتصاص) في أنود الجرافيت بالسرعة الكافية. وبدلاً من ذلك، تتراكم على سطح الأنود في شكل معدني. وهذا ما يسمى طلاء الليثيوم.
طلاء الليثيوم كارثي. فهو يحط من السعة بشكل دائم ويمكن أن يخلق تشعبات - وهي عبارة عن مسامير مجهرية تخترق الفاصل وتسبب قصورًا في الدائرة الكهربائية. ولهذا السبب، فإن نظام إدارة البطارية عالي الجودة (BMS) لديه قاعدة مشفرة ثابتة: اقطع كل تيار الشحن تحت الصفر درجة مئوية.
لذا، حتى لو كان يوم شتاء مشمس، فإن بطارية LFP الخاصة بك تجلس هناك رافضة قبول واط واحد من الطاقة.
التكلفة الخفية لوسادات التدفئة
حاول المهندسون تصحيح هذه المشكلة باستخدام وسادات التدفئة. يبدو المنطق سليماً: استخدم بعض طاقة البطارية لتدفئة الخلايا حتى 5 درجات مئوية، ثم ابدأ الشحن.
ولكن من خلال خبرتنا في العمل مع العملاء الصناعيين، نادراً ما تنجح الحسابات في الميدان.
يستهلك فيلم التسخين النموذجي 20-30 واط. في الشتاء، تكون ساعات حصاد الطاقة الشمسية قصيرة - ربما 4 إلى 5 ساعات من الضوء الفعال. إذا كان لديك لوح شمسي قياسي بقدرة 50 واط أو 100 واط، يصبح السخان طفيلياً. فهو يحرق خلال أول ساعتين من ضوء الشمس لمجرد محاولة تدفئة البطارية. وبحلول الوقت الذي تصبح فيه البطارية دافئة بما يكفي لقبول الشحن، تكون الشمس قد غابت بالفعل. وينتهي بك الأمر إلى عجز في الطاقة، ويتوقف النظام في النهاية.
ترهل الجهد وإعادة تشغيل الجهاز
حتى لو كان هناك بعض الشحن المتبقي في البطارية، فإن الطقس البارد يتسبب في المقاومة الداخلية (IR) من خلايا LFP للارتفاع.
لنفترض أن كاميرا الأمان لديك تقوم بتشغيل مصابيح LED للرؤية الليلية بالأشعة تحت الحمراء. يؤدي ذلك إلى سحب تيار مفاجئ. نظرًا لأن المقاومة الداخلية للبطارية عالية بسبب البرودة، ينخفض الجهد الكهربائي على الفور. إذا انخفض إلى أقل من الجهد الكهربائي المقطوع للكاميرا (عادةً 10.8 فولت أو 11 فولت لأنظمة 12 فولت)، يتم إعادة تشغيل الكاميرا. وتدخل الكاميرا في "حلقة تمهيد"، مما يؤدي إلى استنزاف البطارية أكثر دون تسجيل البيانات.
أيونات الصوديوم: مغير قواعد اللعبة في الطقس البارد
بطارية أيون الصوديوم (Na-ion) ليس مجرد بديل أرخص من الليثيوم؛ فهو من الناحية الهيكلية وحش متفوق في الأداء في درجات الحرارة القصوى.
الشحن عند درجة حرارة -20 درجة مئوية تحت الصفر بدون سخانات
هذه هي الميزة القاتلة لأي شخص يصمم أنظمة خارج الشبكة. ونظراً للخصائص الفريدة للإلكتروليتات القائمة على الصوديوم وأنودات الكربون الصلبة، تحافظ أيونات الصوديوم على قابلية عالية للحركة حتى في ظروف التجمد.
يمكنك شحن حزمة بطارية أيون الصوديوم بأمان عند -20 درجة مئوية تحت الصفر (-4 درجة فهرنهايت) بمعدلات معقولة (عادةً من 0.5 درجة مئوية إلى 1 درجة مئوية) دون المخاطرة بتكوين تشعبات أو تشعبات.
فكر فيما يعنيه ذلك بالنسبة لتحجيم الطاقة الشمسية. لا تحتاج إلى إهدار الطاقة على مقاوم التسخين. 100% من الطاقة التي تحصدها الألواح الشمسية تذهب مباشرة إلى التخزين الكيميائي. في ظروف الإضاءة المنخفضة لشتاء بلدان الشمال الأوروبي أو أمريكا الشمالية، فإن كل واط/ساعة مهمة.
الاحتفاظ بالسعة (90% مقابل 50%)
لنلقِ نظرة على البيانات. إذا أخذت حزمة LFP قياسية وعرّضتها إلى درجة حرارة -20 درجة مئوية تحت الصفر، فقد تحصل - إذا كنت محظوظاً - على 501 تيرابايت إلى 601 تيرابايت إلى 601 تيرابايت من سعتها المقدرة. إنها تنخفض إلى حد كبير.
في المقابل، تحتفظ خلايا أيونات الصوديوم بحوالي 85% إلى 90% من قدرتها عند درجة حرارة -20 درجة مئوية تحت الصفر. حتى أننا شاهدنا اختبارات عند درجة حرارة -30 درجة مئوية حيث لا تزال توفر أكثر من 801 تيرابايت 3 تيرابايت. بالنسبة لمسؤول المشتريات، هذا يعني أنك لست بحاجة إلى شراء بطارية كبيرة الحجم لمجرد التعويض عن خسائر الشتاء. تعمل بطارية صوديوم 100 أمبير في الشتاء كبطارية 100 أمبير في الساعة، وليس كبطارية 50 أمبير في الساعة.
جهد تشغيل مستقر
هل تتذكر مشكلة "ترهل الجهد"؟ يتمتع أيون الصوديوم بتوصيلية أيونية أعلى بشكل طبيعي. وينتج عن ذلك مقاومة داخلية أقل في البرد. عندما يشتغل المودم الخاص بك لنقل البيانات، يبقى الجهد الكهربائي متصلباً. تبقى أجهزتك متصلة بالإنترنت.
دراسة حالة: كاميرا الحياة البرية الشمسية في كندا (-25 درجة مئوية تحت الصفر)
قمنا مؤخراً بتقديم استشارات في مشروع يتضمن محطات مراقبة الحياة البرية في شمال ألبرتا بكندا. كانت البيئة قاسية، حيث تحوم درجات الحرارة لأسابيع حول -25 درجة مئوية تحت الصفر.
إعداد LFP الفاشل (كبير الحجم ومعقد)
استخدم الإعداد الأصلي بطارية LiFeFePO4 بقوة 12 فولت 100 أمبير في الساعة مع نظام إدارة الأداء الذاتي المدمج. ولدعم السخان، كان عليهم تركيب لوحة شمسية بقوة 100 واط.
والنتيجة؟ فشل. خلال أسبوع من الطقس الملبد بالغيوم، لم تتمكن الألواح الشمسية من توليد تيار كافٍ لتشغيل السخان و شحن البطارية. استنزف السخان الطاقة الاحتياطية، وظل النظام معطلاً لمدة ثلاثة أسابيع إلى أن تمكن فني من القيادة (بتكلفة كبيرة) لتبديل الوحدة.
نجاح أيونات الصوديوم (بسيط وقوي)
لقد استبدلنا الوحدة بحزمة بطارية صوديوم-أيون وفي الواقع تم تخفيض التصنيف اللوحة الشمسية إلى 50 وات.
والنتيجة؟ نجحت. حتى عند شروق الشمس، مع درجة حرارة الهواء عند -20 درجة مئوية، قبلت بطارية الصوديوم تيار الشحن على الفور. لم يكن هناك وسادة تدفئة للتغذية. وظل النظام متصلاً بالإنترنت 24/7 طوال فصل الشتاء. وقد أدت بساطة إزالة نظام الإدارة الحرارية في الواقع إلى زيادة الموثوقية الإجمالية.
أريد أن أكون شفافًا هنا - فالصوديوم ليس سحرًا، ولا تزال الفيزياء سارية. هناك مفاضلة، وعادةً ما يتعلق الأمر بالكثافة.
لماذا تعتبر بطارية أيونات الصوديوم أكبر حجماً
ذرات الصوديوم أكبر وأثقل فيزيائيًا من ذرات الليثيوم. وبالتالي، تبلغ كثافة الطاقة الجاذبية لخلايا أيونات الصوديوم الحالية حوالي 140-160 واط/كغ 140-160 واط/كغبالمقارنة مع LFP الذي يتراوح بين 160 و170 واط/كجم (و NCM الذي هو أعلى من ذلك بكثير).
من الناحية العملية، قد تكون حزمة بطارية الصوديوم من 20% إلى 30% أكبر فعلياً من حزمة LFP المكافئة.
هل الحجم مهم للصناديق المثبتة على عمود؟
بالنسبة للمركبة الكهربائية، الحجم مهم. لكن بالنسبة لضميمة NEMA ثابتة على عمود كهرباء؟ عادة، لا.
يعد الطلب من عامل التركيب استخدام صندوق مقاوم للماء أعمق قليلاً إزعاجًا بسيطًا. في الواقع، فإن زيادة حجم العلبة بمقدار بوصتين أرخص وأسهل بكثير من ترقية اللوحة الشمسية وأقواس حمل الرياح والكابلات لدعم نظام الليثيوم الساخن.
تحليل تكلفة النظام: لماذا الصوديوم أرخص بشكل عام
إذا نظرت فقط إلى تكلفة الخلية اليوم، فقد يبدو الصوديوم أغلى قليلاً أو متساوياً مع البولي بروبيلين المنخفض التكلفة بسبب حداثة سلسلة التوريد. ومع ذلك، يحتاج مسؤولو المشتريات إلى النظر إلى التكلفة الإجمالية للملكية (TCO).
رياضيات "إلغاء التصنيف"
مع بطارية LFP في المناخات الباردة، يتعين على المهندسين "زيادة حجم" النظام. وللحصول على 50 أمبير من الطاقة القابلة للاستخدام في الشتاء، يشترون بطارية LFP بسعة 100 أمبير في الساعة. ولشحن تلك البطارية وتشغيل السخان، يشترون 200 واط من الطاقة الشمسية.
مع أيونات الصوديوم، لن تحتاج إلى الاستهلاك بنفس القوة تقريبًا. يمكنك استخدام حزمة صوديوم 60 أمبير ولوح 80 وات لتحقيق نفس الموثوقية. يمكنك توفير المال على اللوحة وأجهزة التركيب ووزن الشحن والكابلات. قد تكلف البطارية بضعة دولارات أكثر، ولكن النظام تكلفتها أقل.
مقارنة: مواصفات LFP (LiFeFePO4) مقابل مواصفات أيون الصوديوم (Na-ion) منخفضة الحرارة
إليك دليل مرجعي سريع لفريقك الهندسي:
| متري | LFP (LiFePO4) | أيون الصوديوم - أيون الصوديوم (Na-ion) |
|---|
| الحد الأدنى. درجة حرارة الشحن الآمنة | 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) | -20 درجة مئوية إلى -40 درجة مئوية |
| السعة عند درجة حرارة -20 درجة مئوية تحت الصفر | ~50-60% | ~85-90% |
| هل تحتاج إلى وسادة تدفئة؟ | نعم (إلزامي) | لا يوجد |
| استقرار الجهد (بارد) | ضعيف (ترهل عالي) | ممتاز |
| كثافة الطاقة | عالية (مدمجة) | معتدل (أكبر حجماً) |
| الأفضل لـ | الصيف/المناطق المعتدلة/المناطق المعتدلة | شتاء/قطب قطبي/جبلي |
دليل المشتري: تكوين نظام الصوديوم الخاص بك
جاهز للاختبار بطارية أيونات الصوديوم لعملية النشر التالية؟ ضع في اعتبارك هاتين النصيحتين لتجنب مشاكل التكامل.
اختيار وحدة التحكم MPPT المناسبة
يحتوي أيون الصوديوم على منحنى جهد مختلف عن LFP. غالبًا ما يكون لحزمة الصوديوم القياسية بجهد اسمي يبلغ 12 فولت تقريبًا 12.4V (3.1 فولت لكل خلية)، في حين أن LFP هو 12.8V (3.2 فولت لكل خلية).
إذا كنت تستخدم إعداد "LiFePO4" القياسي على وحدة التحكم في الشحن الشمسي لديك، فقد تفرط في شحن حزمة الصوديوم. تأكد من أن وحدة تحكم MPPT الخاصة بك تحتوي على "تعريف المستخدم" حيث يمكنك ضبط الفولتية المجمعة والعائمة يدويًا، أو ابحث عن وحدات تحكم أحدث تدرج صراحةً دعم "الصوديوم/أيون الصوديوم".
تقييمات IP للشتاء
تعمل كيمياء البطارية في البرد، ولكن هل يعمل الغلاف الخاص بك؟ يجلب الشتاء التكثيف وذوبان الثلج. حتى إذا كانت البطارية قوية، تأكد من أن العبوة محكمة الإغلاق حتى معايير IP67. لقد رأينا بطاريات صوديوم جيدة تمامًا تتعطل بسبب تسرب الماء إلى أطراف نظام إدارة المباني داخل حاوية IP54 الرخيصة.
الخاتمة
بالنسبة للمراقبة الخارجية والمعدات الصناعية، لا تدور المعركة حول السعة القصوى؛ بل حول التوافر المستمر. لا يهم إذا كانت بطارية LFP تحمل طاقة أكبر في شهر يوليو إذا كانت ترفض الشحن في شهر يناير. لقد نضجت تكنولوجيا أيونات الصوديوم إلى درجة أنها الخيار الأكثر منطقية لتطبيقات خطوط العرض العالية وجبال الألب. فهي تتخلص من تعقيد أنظمة التدفئة، وتحافظ على ثبات الجهد الكهربائي أثناء ارتفاعات الطاقة، وتضمن أنه عندما تشرق الشمس في صباح يوم متجمد، يتم شحن نظامك بالفعل. لا تدع البرد يؤثر على سلامة بياناتك.
توقف عن محاربة الشتاء بالسخانات والألواح كبيرة الحجم. اتصل بنا لترقية معدات المراقبة الخاصة بك مع بطارية كامادا باور الصوديوم الأيونية اليوم وضمان وقت تشغيل 24/7، بغض النظر عن حالة الطقس.
الأسئلة الشائعة
هل يمكنني شحن بطاريات الصوديوم باستخدام شاحن حمض الرصاص القياسي؟
بشكل عام، نعم، ولكن بحذر. تتشابه منحنيات شحن بطاريات أيونات الصوديوم بشكل مدهش مع منحنيات حمض الرصاص (منحنيات CC/CV). ومع ذلك، يجب أن تتحقق من قطع الجهد. إذا كان شاحن حمض الرصاص يحتوي على وضع "إزالة الكبريت" أو "المعادلة" الذي يؤدي إلى ارتفاع الجهد العالي (أعلى من 15 فولت لنظام 12 فولت)، فقد يؤدي ذلك إلى تلف نظام إدارة بطاريات الصوديوم. استخدم دائمًا شاحنًا يمكنك فيه تعطيل المعادلة.
هل أحتاج إلى عزل بطارية أيون الصوديوم؟
بينما لا الحاجة وسادة تدفئة، لا يزال العزل الأساسي (مثل البطانة الرغوية في الصندوق) فكرة جيدة. فهو يساعد على الاحتفاظ بالحرارة الناتجة عن تشغيل البطارية نفسها، مما يحافظ على المقاومة الداخلية منخفضة قدر الإمكان. ولكن على عكس LFP، فإن التسخين النشط غير مطلوب للسلامة أو الشحن.
ما هي أقل درجة حرارة لبطاريات أيونات الصوديوم؟
يتم تصنيف معظم خلايا أيونات الصوديوم التجارية على أنها قادرة على التفريغ حتى -40 درجة مئوية (-40 درجة فهرنهايت). عادةً ما يكون الشحن آمنًا حتى -20 درجة مئوية تحت الصفر (-4 درجة فهرنهايت) أو -30°C اعتماداً على الشركة المصنعة للخلية المحددة. تحقق دائمًا من ورقة البيانات الخاصة بحزمتك المحددة، ولكن توقع أداءً أفضل بكثير من الليثيوم.
ماذا لو قمتُ بخلط بطاريات الصوديوم وبطاريات LFP عن طريق الخطأ في بنك؟
لا تفعل ذلك. لديهم منحنيات تفريغ وفولتية اسمية مختلفة. سيؤدي توصيلها بالتوازي إلى اندفاع التيار من البطارية ذات الجهد العالي إلى البطارية ذات الجهد المنخفض، مما قد يتسبب في إيقاف تشغيل نظام إدارة البطاريات أو مخاطر السلامة. حافظ دائمًا على كيمياء البطاريات منفصلة.