نظام الطاقة الاحتياطية

نظام الطاقة الاحتياطية هو مصدر مستقل للطاقة الكهربائية يدعم الأنظمة الكهربائية الحيوية عند انقطاع التيار الكهربائي الرئيسي. قد يشمل هذا النظام مولدًا احتياطيًا وبطاريات وأجهزة أخرى. تُركّب أنظمة الطاقة الاحتياطية لحماية الأرواح والممتلكات من عواقب انقطاع التيار الكهربائي الرئيسي، وهي نوع من أنظمة الطاقة المستمرة .

تُستخدم هذه الأنظمة في مجموعة واسعة من البيئات، بدءًا من المنازل والمستشفيات ، مرورًا بالمختبرات العلمية ومراكز البيانات ، ^{[ 1 ]} ومعدات الاتصالات، ^{[ 2 ]} والسفن. ويمكن لأنظمة الطاقة الاحتياطية أن تعتمد على المولدات ، وبطاريات الدورة العميقة ، وتخزين الطاقة باستخدام دولاب الموازنة ^{، [ 3 ]} أو خلايا الوقود . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

استُخدمت أنظمة الطاقة الاحتياطية منذ الحرب العالمية الثانية على متن السفن الحربية. ففي المعارك، قد تتعطل غلايات السفينة التي تُشغّل التوربينات البخارية لمولدها الكهربائي . في هذه الحالة، يُستخدم محرك ديزل واحد أو أكثر لتشغيل مولدات احتياطية. اعتمدت مفاتيح التحويل المبكرة على التشغيل اليدوي؛ حيث يُوضع مفتاحان أفقيًا على خط واحد، ويكون وضع التشغيل متقابلًا، ويُوضع قضيب بينهما. ولتشغيل المفتاح، يجب إيقاف أحد المصدرين، ثم تحريك القضيب إلى الجانب الآخر لتشغيل المصدر الآخر.

قد ينقطع التيار الكهربائي الرئيسي نتيجةً لسقوط الأسلاك، أو أعطال في محطة فرعية، أو سوء الأحوال الجوية، أو انقطاعات التيار المخطط لها ، أو في حالات استثنائية، انقطاع التيار الكهربائي على مستوى الشبكة بأكملها. في المباني الحديثة، كانت ولا تزال معظم أنظمة الطاقة الاحتياطية تعتمد على المولدات . عادةً ما تعمل هذه المولدات بمحركات الديزل، مع أن المباني الصغيرة قد تستخدم مولدات تعمل بمحركات البنزين .

تحتوي بعض المباني الكبيرة على توربينات غازية ، لكنها قد تستغرق من 5 إلى 30 دقيقة لإنتاج الطاقة. ^{[ 6 ]}

في الآونة الأخيرة، ازداد استخدام بطاريات الدورة العميقة وتقنيات أخرى مثل تخزين الطاقة باستخدام دولاب الموازنة أو خلايا الوقود . لا تُنتج هذه الأنظمة الأخيرة غازات ملوثة، مما يسمح بوضعها داخل المبنى. كما أنها، كميزة ثانية، لا تتطلب بناء مخزن منفصل لتخزين الوقود. ^{[ 7 ]}

في المولدات الكهربائية العادية، يُستخدم مفتاح تحويل تلقائي لتوصيل الطاقة الاحتياطية. يُوصل أحد طرفي المفتاح بمصدر الطاقة الرئيسي ومصدر الطاقة الاحتياطية، بينما يُوصل الطرف الآخر بالحمل المُخصص للطاقة الاحتياطية. في حال انقطاع التيار الكهربائي عن مصدر الطاقة الرئيسي، يستخدم مفتاح التحويل ملفًا لولبيًا لتشغيل مفتاح ثلاثي الأقطاب ثنائي الاتجاه، مما يحول مصدر الطاقة من الطاقة الرئيسية إلى الطاقة الاحتياطية. كما يؤدي انقطاع الطاقة الرئيسية إلى تشغيل نظام بدء تشغيل يعمل بالبطارية لتشغيل المولد، تمامًا كما هو الحال عند تشغيل محرك السيارة ببطارية. بمجرد تشغيل مفتاح التحويل وبدء تشغيل المولد، تعود الطاقة الاحتياطية للمبنى (بعد انقطاعها عند انقطاع الطاقة الرئيسية).

على عكس أضواء الطوارئ ، فإن إضاءة الطوارئ ليست نوعًا من أنواع وحدات الإضاءة؛ بل هي نمط من الإضاءة العادية للمبنى يوفر مسارًا ضوئيًا يسمح بالخروج الآمن، أو يُضيء مناطق الخدمة مثل غرف الميكانيكا وغرف الكهرباء. وتكون لافتات الخروج وأنظمة إنذار الحريق (التي لا تعمل ببطاريات احتياطية) ومضخات المحركات الكهربائية لرشاشات إطفاء الحريق تعمل دائمًا تقريبًا على طاقة الطوارئ. وتشمل المعدات الأخرى التي تعمل على طاقة الطوارئ مخمدات عزل الدخان، ومراوح إخلاء الدخان، والمصاعد، وأبواب ومنافذ الطاقة المخصصة لذوي الاحتياجات الخاصة في مناطق الخدمة. وتستخدم المستشفيات منافذ طاقة الطوارئ لتشغيل أنظمة دعم الحياة وأجهزة المراقبة. بل إن بعض المباني قد تستخدم طاقة الطوارئ كجزء من العمليات الاعتيادية، مثل المسرح الذي يستخدمها لتشغيل معدات العرض وفقًا لمبدأ " استمرار العرض ".

يمكن استخدام أنظمة الطاقة الاحتياطية في مجال الطيران إما في الطائرة أو على الأرض.

في الطائرات التجارية والعسكرية، من الضروري الحفاظ على الطاقة للأنظمة الأساسية أثناء حالات الطوارئ. ويمكن تحقيق ذلك عبر توربينات الهواء المضغوط أو بطاريات الطاقة الاحتياطية، مما يُمكّن الطيارين من الحفاظ على الاتصال اللاسلكي ومواصلة الملاحة باستخدام شاشة العرض متعددة الوظائف، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وجهاز استقبال VOR، أو الجيروسكوب الاتجاهي.

تُعدّ أجهزة تحديد الموقع ، ومسار الانزلاق ، وغيرها من أجهزة المساعدة على الهبوط الآلي (مثل أجهزة إرسال الموجات الدقيقة) من الأجهزة عالية الاستهلاك للطاقة، وهي بالغة الأهمية لنجاح المهمة، ولا يمكن تشغيلها بشكل موثوق باستخدام البطاريات، حتى لفترات قصيرة. لذا، عندما تكون الموثوقية المطلقة مطلوبة (كما هو الحال عند تطبيق إجراءات الفئة 3 في المطار)، يُعتاد تشغيل النظام باستخدام مولد ديزل مع تحويل تلقائي إلى التيار الكهربائي الرئيسي في حال تعطل المولد. وهذا يمنع أي انقطاع في الإرسال أثناء إعادة تشغيل المولد.

وهذا يتعارض مع النظرة النموذجية لأنظمة الطاقة الاحتياطية، حيث يُنظر إلى مولدات الطاقة الاحتياطية على أنها ثانوية بالنسبة لإمدادات الكهرباء الرئيسية.

لا تحتاج أجهزة الكمبيوتر وشبكات الاتصالات وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الحديثة إلى الطاقة فحسب، بل إلى تدفق مستمر لها لضمان استمرار عملها. فإذا انخفض جهد المصدر بشكل ملحوظ أو انقطع تمامًا، ستتعطل هذه الأجهزة، حتى لو كان انقطاع التيار الكهربائي لجزء من الثانية فقط. ولهذا السبب، لا يوفر مولد الطاقة الاحتياطي الحماية الكافية نظرًا لوقت بدء التشغيل اللازم.

لتحقيق حماية أشمل من انقطاع التيار الكهربائي، تُستخدم معدات إضافية مثل واقيات التيار الزائد ، ومحولات التيار ، أو في بعض الأحيان نظام تزويد طاقة غير منقطع (UPS) كامل. يمكن أن تكون أنظمة UPS محلية (لجهاز واحد أو منفذ طاقة واحد) أو قد تمتد لتشمل المبنى بأكمله. نظام UPS المحلي عبارة عن صندوق صغير يُوضع أسفل المكتب أو في خزانة الاتصالات، ويُغذي عددًا محدودًا من الأجهزة. أما نظام UPS الذي يغطي المبنى بأكمله، فقد يتخذ أشكالًا مختلفة حسب التطبيق. فهو يُغذي مباشرةً نظام منافذ مُخصصة لتغذية UPS، ويمكنه تزويد عدد كبير من الأجهزة بالطاقة.

بما أن مقاسم الهاتف تستخدم التيار المستمر، فإن غرفة البطاريات في المبنى تُوصل عادةً مباشرةً بالأجهزة المستهلكة، وتعتمد باستمرار على خرج المقومات التي تُزود عادةً بالتيار المستمر المُقوّم من شبكة الكهرباء. عند انقطاع التيار الكهربائي، تُغطي البطارية الحمل دون الحاجة إلى تحويل التيار. بفضل هذا النظام البسيط، وإن كان مكلفًا بعض الشيء، لم تنقطع الكهرباء عن بعض المقاسم ولو للحظة واحدة منذ عشرينيات القرن الماضي.

في السنوات الأخيرة، تُصمَّم الوحدات الكبيرة لمحطات توليد الطاقة عادةً على أساس نظام الوحدات، حيث تُوصَّل الأجهزة المطلوبة، بما في ذلك المرجل ووحدة التوربين والمولد ومحول الطاقة (الرافع) ومحول الوحدة (المساعد)، كوحدة واحدة متكاملة. وهناك تصميم أقل شيوعًا يتكون من وحدتين مُجمَّعتين مع محول مساعد مشترك للمحطة. وبما أن لكل وحدة توربين ومولد محولها المساعد الخاص، فإنها تُوصَّل بالدائرة تلقائيًا. ولبدء تشغيل الوحدة، تُزوَّد الوحدات المساعدة بالطاقة من محول مساعد آخر أو من محول مساعد للمحطة. صُمِّمت فترة التحويل من محول الوحدة الأول إلى الوحدة التالية بحيث تتم تلقائيًا وفوريًا عند الحاجة إلى تفعيل نظام الطاقة الاحتياطية. ومن الضروري عدم انقطاع الطاقة عن الوحدات المساعدة أثناء إيقاف تشغيل المحطة (وهو ما يُعرف بانقطاع التيار الكهربائي عندما تتعطل جميع الوحدات العادية مؤقتًا). بل يُتوقع أن تظل الشبكة الكهربائية عاملة أثناء عمليات الإيقاف . عند حدوث مشاكل، يكون السبب عادةً هو خلل في مرحلات الطاقة العكسية ومرحلات التردد على خطوط الشبكة نتيجةً لاضطرابات شديدة في الشبكة. في هذه الظروف، يجب تفعيل مصدر الطاقة الاحتياطي لتجنب تلف أي معدات ومنع حدوث حالات خطرة مثل تسرب غاز الهيدروجين من المولدات إلى البيئة المحلية.

في نظام إمداد الطوارئ بجهد 208 فولت تيار متردد، يُستخدم نظام بطاريات مركزي مزود بوحدات تحكم آلية، موجود داخل مبنى محطة توليد الطاقة، لتجنب استخدام أسلاك كهربائية طويلة. يتكون هذا النظام المركزي من وحدات خلايا بطاريات الرصاص الحمضية لتشكيل نظام 12 أو 24 فولت تيار مستمر، بالإضافة إلى خلايا احتياطية، لكل منها وحدة شحن خاصة بها. كما يلزم وجود وحدة استشعار جهد قادرة على استقبال 208 فولت تيار متردد، ونظام آلي قادر على إرسال إشارة إلى دائرة إمداد الطوارئ وتفعيلها في حالة انقطاع التيار الكهربائي عن المحطة بجهد 208 فولت تيار متردد.

• كيف تعمل أنظمة الطاقة الاحتياطية
• الفرق بين بطارية السيارة وبطاريات الدورة العميقة