Jaké bezpečnostní funkce by měla mít baterie pro ukládání sluneční energie?

Prevence tepelného rozbehnutí a požárně bezpečný design

Jak vzniká tepelné rozbehnutí v lithiových solárních bateriích pro ukládání energie

Když dojde k tepelnému rozběhu u lithiových solárních akumulátorů, obvykle začíná uvnitř samotných článků, poškozením způsobeným vnějšími vlivy nebo prostě běžným opotřebením během provozu. Jakmile teplota stoupne nad přibližně 80 °C (což odpovídá asi 176 °F), elektrolyt se rozkládá a uvolňuje hořlavé plyny spolu s dalším teplem, čímž vzniká takzvaná řetězová reakce, která se dále samovolně šíří. V místech, kde je velké množství těchto akumulátorů umístěno těsně vedle sebe, se teplo rychle přenáší na sousední články, někdy dokonce za několik sekund zvedne teplotu nad 400 °C (přibližně 752 °F). Nejčastěji jsou za těmito případy skryty vnitřní zkraty. Tyto zkraty obvykle vznikají růstem dendritů uvnitř baterie nebo vadami vzniklými během výroby. Podle záznamů tvoří takové příčiny přibližně sedm z deseti případů tepelného rozběhu. Aby tento nebezpečný proces zabránili, musí výrobci začlenit určitá bezpečnostní opatření, například separátory odolné vůči hoření, speciální přísady do elektrolytu zvyšující odolnost proti plamenům a bariéry z epoxidové pryskyřice, které pomáhají bránit šíření tepla mezi jednotlivými články.

Testování podle normy UL 9540A a snižování šíření požáru u instalací baterií pro skladování energie ze slunečních elektráren

Získání certifikace UL 9540A znamená absolvování rozsáhlých požárních zkoušek, které zkoumají šíření tepelného rozběhu v komerčních solárních systémech akumulace energie v bateriích. Zkoušecí proces vytváří scénáře představující nejhorší možné poruchy, například průraz baterií ostrým předmětem nebo jejich přebíjení. Tyto zkoušky vyhodnocují například rychlost nárůstu tepla, druhy uvolněných plynů a možnost přenosu požáru z jednoho modulu na jiný. Bateriové systémy, které splňují tento standard, jsou vybaveny vestavěnými bezpečnostními prvky, včetně speciálních ohnivzdorných obalů kolem každého modulu, ventilů umožňujících bezpečné uvolnění tlaku a bariér bránících přenosu tepla mezi jednotlivými moduly. Nezávislé zkoušky ukazují, že většina certifikovaných systémů dokáže nebezpečné tepelné události omezit pouze na jeden modul přibližně v 99 případech ze 100. Při instalaci těchto baterií v uzavřených prostorách nebo v těsných prostorách, kde je mezi jednotlivými zařízeními málo místa, je vhodné zvolit vybavení s certifikací UL 9540A jak z důvodu předpisů, které to vyžadují, tak proto, že se tím skutečně snižují rizika v praxi. Mnoho správců zařízení uvádí, že po přechodu na tyto bezpečnější systémy došlo ke snížení počtu incidentů.

Inteligentní elektrická ochrana prostřednictvím systému řízení baterie (BMS)

Kritické funkce BMS: přebíjení, vybíjení pod mezní hodnotu, zkrat a monitorování izolace

Systém pro správu baterií (BMS) funguje jako mozek lithiových solárních akumulátorů a řídí čtyři klíčové bezpečnostní funkce, které zajišťují hladký provoz. Pokud se baterie příliš nabije, BMS proces nabíjení zastaví přibližně na 3,65 V na článek, neboť překročení této hodnoty může způsobit nebezpečné vytváření lithiových vrstev (tzv. lithiové platinování), jež může vést k problémům s přehříváním. Naopak, pokud se baterie vybije pod úroveň přibližně 2,5 V na článek, systém znovu zasáhne a zabrání dalšímu vybíjení, protože to může poškodit vnitřní komponenty a trvale snížit životnost baterie. U zkratů reaguje systém téměř okamžitě, jakmile proud přesáhne trojnásobek normální hodnoty, a k bezpečnému přerušení proudu používá speciální spínače. Systém také neustále kontroluje odpor izolace mezi aktivními částmi a kovovým pouzdrem a sleduje jakékoli poklesy pod hodnotu 100 ohmů na volt, které signalizují počáteční známky opotřebení. Polní zprávy z velkých i domácích instalací ve Spojených státech ukazují, že tyto vícevrstvé ochranné mechanismy za poslední roky snížily počet elektrických nehod přibližně o dvě třetiny.

Sledování stavu nabití (SOC) a stavu zdraví (SOH) v reálném čase a předvídavá reakce na poruchy pro baterii pro ukládání sluneční energie

Nejlepší systémy pro správu baterií dnes kombinují metody počítání coulombů s Kalmanovými filtry, čímž udržují přesnost stavu nabití (SOC) na úrovni přibližně plus nebo minus 3 %. Současně sledují stav zdraví baterie (SOH) na základě postupného úbytku kapacity v průběhu času. Tato kombinace poskytuje provozovatelům dvě vrstvy informací, které pomáhají předvídat problémy ještě před tím, než vzniknou. Pokud jednotlivé články začnou vykazovat rozdíly napětí vyšší než 50 milivoltů nebo pokud je mezi moduly zaznamenán rozdíl teploty vyšší než 4 °C, systém sníží rychlost nabíjení a vyšle upozornění na nutnost údržby. Tyto podrobné diagnostické kontroly zabrání tomu, aby se malé problémy v průběhu času hromadily, čímž lze životnost baterie prodloužit přibližně o 40 % ve srovnání se staršími systémy, které nezajišťují aktivní monitorování. Novější verze se stávají ještě chytřejšími – využívají údajů o minulém výkonu k odhadu doby, kdy baterie dosáhnou konce své životnosti, a to přibližně o tři měsíce dopředu. Tento druh prognózy pomáhá instalatérům solárních systémů lépe plánovat výměnu baterií místo toho, aby čekali, až dojde k úplnému porušení funkce.

Povinné regulační certifikáty pro baterie pro ukládání energie ze slunečních elektráren

Dodržení mezinárodních bezpečnostních certifikátů je nepodmíněnou požadavkem pro instalace baterií pro ukládání energie ze slunečních elektráren v domácnostech i komerčních zařízeních. Tyto normy snižují riziko požáru, zajišťují provozní spolehlivost a jsou předpokladem pro připojení k veřejné síti, vyžádání stavebního povolení a pojištění.

Bezpečnostní normy na úrovni článků a bateriových balení: UL 1642, IEC 62619 a UN 38.3

Certifikáty na úrovni jednotlivých komponentů potvrzují základní bezpečnost ještě před integrací do celého systému:

• UL 1642 podrobuje lithiové články extrémním podmínkám zneužití, včetně nuceného zkratu, přebíjení a testů stlačení, aby se ověřila jejich konstrukční i tepelná integrita.
• IEC 62619 stanovuje bezpečnostní požadavky pro průmyslové lithiové baterie a vyžaduje odolnost vůči mechanickému namáhání, tepelnému zneužití a neobvyklému nabíjení.
• UN 38.3 potvrzuje bezpečnost přepravy tím, že vyžaduje testy simulace nadmořské výšky, vibrací, nárazů a tepelného cyklování, aby se zabránilo úniku látek nebo tepelným událostem během dopravy.
  Výrobci musí prokázat soulad se všemi třemi požadavky, než mohou přejít k vyhodnocení na úrovni systému.

Soulad na úrovni systému: UL 9540, NFPA 855 a bezpečnostní požadavky na připojení k elektrické síti (IEEE 1547, NFPA 585)

Komplexní integrace celého systému vyžaduje dodržování vzájemně propojených bezpečnostních rámců:

• UL 9540 hodnotí integrované šíření požáru, elektrickou bezpečnost a tepelné řízení za simulovaných podmínek tepelného rozbehnutí.
• NFPA 855 upravuje požadavky na fyzickou instalaci, včetně minimálních vzdáleností, větrání, protipožárního zásahu a požadavků na evakuační cesty, aby se omezilo šíření požáru a usnadnila nouzová intervence.
• Normy pro připojení k elektrické síti, jako je IEEE 1547 (pro zachování napětí a kmitočtu při poruchách a proti izolovanému provozu) a NFPA 585 (pro rychlé odpojení a detekci obloukového zkratu) zajistí bezpečné odpojení v případě poruch.
  K roku 2024 přijalo normu NFPA 855 do svých elektrotechnických předpisů 37 amerických států, čímž se stala de facto povinnou podmínkou pro vydání povolení.

Vylepšení výběru materiálů a preventivního monitoringu

Proč je lithno-železo-fosfát (LFP) upřednostňovanou chemií pro bezpečnější baterie pro ukládání solární energie

LFP, zkratka pro lithno-železo-fosfát, je nyní preferovanou volbou pro většinu řešení pro ukládání energie ze slunečních elektráren díky své výjimečné tepelné stabilitě. Zvláštnost tohoto materiálu spočívá v jeho jedinečné olivinové krystalové struktuře, která efektivně brání úniku kyslíku i při extrémně vysokých teplotách. To znamená, že baterie na bázi LFP jsou výrazně bezpečnější než baterie obsahující nikl nebo kobalt, které mají vyšší sklon k vzniku požárů. Podle skutečných provozních zpráv mají instalace využívající technologii LFP přibližně o 60 % méně případů požárů. Nabízejí také řadu dalších výhod: tyto baterie vydrží mnohem více nabíjecích cyklů, než se opotřebí, dobře udržují napětí v průběhu času a spolehlivě fungují i za poměrně vysokých teplot až do přibližně 55 °C. Tato odolnost vůči teplotě je zásadní pro solární systémy umístěné na střechách nebo venku, kde může být horko problematickým faktorem.

Dálkové termovizní snímkování, detekce anomálií řízená umělou inteligencí a automatické upozorňování

Proaktivní monitorování přidává kritickou vrstvu ochrany nad rámec hardwarových a BMS řídicích systémů:

• Infrčervená termální imagistika zajišťuje nepřetržité, bezkontaktní mapování povrchové teploty, které identifikuje horká místa ještě před tím, než dojde k jejich zhoršení.
• Analytika řízená umělou inteligencí koreluje změny napětí, posuny impedance a tepelné trendy mezi jednotlivými moduly, čímž odhaluje anomálie, které jsou pro poplachy založené na prahových hodnotách neviditelné.
• Automatické upozorňování zajišťuje oznámení technikům s kontextovou diagnostikou, což umožňuje zásah ještě před tím, než se drobné odchylky vyvinou v poruchy.
  Tento přístup snižuje neplánované výpadky o 34 % u flotil solárních úložišť energie a výrazně snižuje závislost na reaktivních údržbách, čímž posiluje dlouhodobou bezpečnost a spolehlivost.

Často kladené otázky

• Co způsobuje tepelný rozbeh u lithiových baterií pro solární úložiště energie?

  Tepelný rozbeh může vzniknout kvůli vnitřním poruchám v bateriových článcích, vnějšímu poškození nebo běžnému opotřebení. Jedná se o řetězovou reakci tepla, která problém zhoršuje, často iniciovanou vnitřními zkraty.

• Co je certifikace UL 9540A a proč je důležitá?

  Certifikace UL 9540A zahrnuje rozsáhlé požární zkoušky za účelem posouzení toho, jak se tepelný rozbeh šíří v solárních bateriových systémech. Systémy s touto certifikací jsou vybaveny ohnivzdornými obaly a dalšími bezpečnostními prvky, které brání přenosu tepla mezi moduly.

• Jak systém řízení baterií (BMS) zvyšuje bezpečnost baterií?

  BMS řídí přebíjení, podbíjení, zkrat a sledování izolace, čímž udržuje optimální výkon baterie a předchází nebezpečným situacím.

• Jaké jsou výhody použití lithno-železo-fosfátových (LFP) baterií ve slunečních úložných systémech?

  LFP baterie nabízejí tepelnou stabilitu díky své jedinečné struktuře, čímž snižují riziko požárů a poskytují delší životnost ve srovnání s jinými chemickými složením, jako jsou nikl nebo kobalt.