Mitä turvallisuusominaisuuksia aurinkoenergian varastointiparistolla tulee olla?

Lämpötilan karkaamisen estäminen ja tulipaloturvallinen suunnittelu

Miten lämpötilan karkaaminen tapahtuu litiumioni-aurinkoenergian varastointiparistoissa?

Kun litiumioniakkujen aurinkoenergian varastointijärjestelmissä tapahtuu termistä karkaamista, se alkaa yleensä ongelmista akkukennon sisällä, ulkoisesta vauriosta tai vain normaalista käytöstä johtuvasta kulumisesta. Kun lämpötila nousee noin 80 asteeseen Celsius-asteikolla (noin 176 Fahrenheit-asteikolla), elektrolyytti hajoaa ja vapauttaa syttyviä kaasuja sekä lisää lämpöä, mikä aiheuttaa itsestään etenevän ketjureaktion. Paikoissa, joissa useita tällaisia akkuja on tiukasti tiivistetty yhteen, lämpö leviää nopeasti naapurikennoihin, jolloin lämpötila voi nousta jopa yli 400 asteeseen Celsius-asteikolla (noin 752 Fahrenheit-asteikolla) muutamassa sekunnissa. Useimmiten näihin tapauksiin johtavat sisäiset oikosulut. Nämä oikosulut johtuvat tyypillisesti akun sisällä kasvavista dendriiteistä tai valmistuksen aikana syntyneistä puutteista. Tilastojen mukaan tällaiset ongelmat ovat vastuussa noin seitsemästä kymmenestä termisen karkaamisen tapauksesta. Tämän vaarallisen prosessin estämiseksi valmistajien on toteutettava tietyt turvatoimet, kuten palamattomia erottimia, liekkivastaisia lisäaineita elektrolyyttiin sekä epoksiharmaan valmistettuja esteitä, jotka hidastavat lämmön leviämistä yksittäisten kennojen välillä.

UL 9540A -testaus ja aurinkoenergian varastointiparistojen tulen leviämisen estäminen

UL 9540A -sertifiointi tarkoittaa laajaa tulitestausta, jossa tutkitaan, miten lämpötilan karkaaminen leviää kaupallisissa aurinkopanokkien akkuvarastojärjestelmissä. Testausprosessissa luodaan tilanteita, jotka edustavat pahimpia mahdollisia vikoja, kuten kun terävä esine pieraisee akkuja tai kun ne ladataan liikaa. Nämä testit tutkivat muun muassa lämmön kertymisen nopeutta, vapautuvia kaasuja ja sitä, voivatko tulipalot leviä yhdestä moduulista toiseen. Tämän standardin mukaiset akkujärjestelmät sisältävät sisäänrakennettuja turvallisuusominaisuuksia, kuten erityisiä tulenvastaisia kotelointeja jokaisen moduulin ympärille, turvallisesti paineen poistamiseen tarkoitettuja ilmanpoistoreikiä ja esteitä, jotka estävät lämmön siirtymisen moduulien välillä. Riippumattomat testit osoittavat, että suurin osa sertifioituista järjestelmistä pitää vaarallisesti karkaavat lämpötilat sisällään yhdessä moduulissa noin 99 kertaa sadasta. Kun näitä akkuja asennetaan sisätiloihin tai kapeisiin tiloihin, joissa yksiköiden välillä on vähän tilaa, on järkevää valita UL 9540A -sertifioitu varuste sekä säädösten vaatimuksesta että käytännön riskien vähentämiseksi. Monet tilojen hoitajat ovat raportoineet vähenevistä tapauksista siirtyessään näihin turvallisempiin järjestelmiin.

Älykäs sähköinen suojaus akun hallintajärjestelmän (BMS) kautta

Tärkeimmät BMS-toiminnot: Ylikulutus, aliakkuutus, oikosulku ja eristysvalvonta

Akunhallintajärjestelmä (BMS) toimii kuin aivot litiumioni-aurinkoenergian varastointiakulle, hallitsemalla neljää keskeistä turvatoimintoa, jotka pitävät järjestelmän toiminnan sujuvana. Kun akku latautuu liikaa, BMS pysäyttää latausprosessin noin 3,65 volttia solua kohden, koska tätä rajaa ylittyessä voi syntyä vaarallista litiumsaostumaa, mikä saattaa johtaa ylikuumenemisongelmiin. Toisaalta, jos akku purkautuu alle noin 2,5 volttia solua kohden, järjestelmä puuttuu uudelleen ja estää lisäpurkautumisen, koska tämä voi vahingoittaa sisäisiä komponentteja ja vähentää akun käyttöikää pysyvästi. Oikosulkuja varten vastaus tapahtuu lähes välittömästi, kun virta nousee kolme kertaa normaalitasoa korkeammalle, ja erityiset kytkimet katkaisevat virran turvallisesti. Järjestelmä tarkistaa myös jatkuvasti eristysvastusta aktiivisten osien ja metallikuoren välillä ja etsii mitään laskua alle 100 ohmia volttia kohden, mikä viittaa varhaisiin kuluma- ja käyttövaurioihin. Kenttäraportit sekä Yhdysvalloissa toteutetuista suurista että kotikäyttöisistä asennuksista osoittavat, että nämä monitasoiset suojatoiminnot ovat vähentäneet sähköonnettomuuksia noin kaksi kolmasosaa viime vuosina.

Todellisaikainen SOC/SOH-seuranta ja ennakoiva vian vastatoimi aurinkoenergian varastointiparille

Parhaat paristojen hallintajärjestelmät nykyään yhdistävät coulombin laskentamenetelmiä Kalman-suodattimiin, jotta varauksen tilan (SOC) tarkkuus pysyy noin ±3 prosentissa. Samalla ne seuraavat pariston kunnon tilaa (SOH) tarkkailemalla, kuinka paljon kapasiteetti vähenee ajan myötä. Tämä yhdistelmä tarjoaa käyttäjille kaksi tietotasoa, jotka auttavat ennakoimaan ongelmia ennen niiden syntymistä. Kun yksittäisissä soluissa alkaa ilmetä jänniteeroja yli 50 millivolttia tai moduulien välillä esiintyy lämpötilaeroa yli 4 celsiusastetta, järjestelmä hidastaa latausnopeutta ja lähettää varoituksia tarvittavasta huollosta. Nämä tarkat diagnostiset tarkastukset estävät pienien ongelmien kertymisen ajan mittaan, mikä voi todellisuudessa pidentää pariston elinikää noin 40 % verran vanhempiin järjestelmiin verrattuna, jotka eivät seuraa aktiivisesti pariston tilaa. Uudemmat versiot ovat myös yhä älykkäämpiä: ne käyttävät aiempia suorituskykytietoja arvioidakseen, milloin paristot saattavat saavuttaa elinkaarensa lopun noin kolme kuukautta etukäteen. Tällainen ennustaminen auttaa aurinkosähköasennuksia suunnittelemaan vaihtoja paremmin sen sijaan, että odotettaisiin, kunnes jokin rikkoutuu kokonaan.

Pakolliset sääntelyviranomaisten myöntämät sertifikaatit aurinkoenergian varastointiparistoille

Kansainvälisten turvallisuussertifikaattien noudattaminen on ehdoton vaatimus asuin- ja kaupallisten aurinkoenergian varastointiparistojen asennuksissa. Nämä standardit vähentävät tulvariskiä, varmistavat toiminnallisen luotettavuuden ja ovat edellytyksenä sähköverkkoon liittämiselle, rakennuslupien myöntämiselle sekä vakuutuskattaukselle.

Solu- ja pakkaustasoiset turvallisuusstandardit: UL 1642, IEC 62619 ja UN 38.3

Komponenttitasoiset sertifikaatit vahvistavat perustavanlaatuisen turvallisuuden ennen järjestelmän integrointia:

• UL 1642 aiheuttaa litiumsoluja äärimmäisiin käyttökuormituksiin, kuten pakotettuun oikosulkuun, ylikorvaukseen ja puristustesteihin, jotta voidaan varmistaa rakenteellinen ja lämmöllinen eheys.
• IEC 62619 määrittelee turvallisuusvaatimukset teollisille litiumparistoille ja vaatii kestävyyttä mekaanisille rasituksille, lämmöllisille kuormituksille ja epätavallisille latausolosuhteille.
• UN 38.3 varmistaa turvallisen kuljetuksen vaatimalla korkeusmallinnusta, värähtelyä, iskua ja lämpökyklyystä testaamalla, jotta estetään vuodot tai lämmölliset tapahtumat kuljetuksen aikana.
  Valmistajien on osoitettava noudattavansa kaikkia kolmea vaatimusta ennen siirtymistä järjestelmätasoiselle arvioinnille.

Järjestelmätasoinen vaatimustenmukaisuus: UL 9540, NFPA 855 ja sähköverkkoon liittämisestä aiheutuvat turvallisuusvaatimukset (IEEE 1547, NFPA 585)

Kokonaisjärjestelmän integrointi edellyttää riippuvaisia turvallisuuskehyksiä noudattavaa toimintaa:

• UL 9540 arvioi integroitua tulen leviämistä, sähköturvallisuutta ja lämmönhallintaa simuloiduissa termisen läpimurron olosuhteissa.
• NFPA 855 säätelee fyysisten asennusvaatimusten noudattamista, mukaan lukien vähimmäisetäisyys, ilmanvaihto, palonsammutus ja poistumismahdollisuudet tulen leviämisen rajoittamiseksi ja hätätilanteiden hoitoa helpottavaksi.
• Sähköverkkoon liittämisestä annetut standardit, kuten IEEE 1547 (jännitteellä ja taajuudella tapahtuva pysyminen verkossa sekä saarella toimimisen estäminen) ja NFPA 585 (nopean katkaisun ja kaarivirheen tunnistuksen varalta) varmistaa vikatilanteissa turvallisen katkaisun.
  Vuoden 2024 tilanteessa 37 Yhdysvaltojen osavaltiota on ottanut NFPA 855 -standardin osaksi sähkökoodiaan, mikä tekee siitä käytännössä vaatimuksen rakennuslupien myöntämisessä.

Materiaalien valinta ja ennakoiva seuranta – parannukset

Miksi litium-rautafosfaatti (LFP) on suositeltavin kemiallinen koostumus turvallisempaa aurinkoenergian varastointipattereita varten

LFP, joka tarkoittaa litium-rautafosfaattia, on nykyään suurin osa aurinkoenergian varastointiratkaisuista suosittu valinta sen erinomaisen lämpötilavakauden vuoksi. Tämän materiaalin erityispiirteeksi tekee sen ainutlaatuinen oliviinikide-rakenne, joka estää happea pääsemästä ulos edes hyvin korkeissa lämpötiloissa. Tämä tarkoittaa, että LFP-akut ovat huomattavasti turvallisempia kuin nikkeli- tai kobolttipohjaiset akut, jotka syttyvät helpommin tuleen. Todellisten kenttäraporttien mukaan LFP-teknologiaa käyttävissä asennuksissa tulipalotilanteita esiintyy noin 60 prosenttia vähemmän. Myös muita etuja on runsaasti. Nämä akut kestävät paljon enemmän latauskiertoja ennen kuluminen, säilyttävät jännitteensä hyvin ajan myötä ja toimivat luotettavasti myös melko lämpimissä olosuhteissa, jopa noin 55 asteen celsiusasteikolla. Tällainen lämpötilasietoisuus on erityisen tärkeää aurinkoenergian käytössä katolla tai ulkona, missä lämpö voi olla ongelma.

Etälämpökuvantaminen, tekoälypohjainen poikkeamantunnistus ja automatisoitu hälytys

Ennakoiva valvonta lisää kriittisen tason suojausta laitteiston ja akkujen hallintajärjestelmän (BMS) ohjausten yläpuolelle:

• Infrapunasäteilykuvaus tarjoaa jatkuvan, koskemattoman pinnan lämpötilakartoituksen, jolla tunnistetaan kuumat kohdat ennen kuin ne pahenevat.
• Tekoälyohjattu analytiikka korrelaatioita jännitteen poikkeamista, impedanssin muutoksista ja lämpötilatrendeistä moduulien välillä, jotta havaitaan poikkeamat, joita ei voida havaita kynnystasopohjaisilla hälytyksillä.
• Automaattinen hälytys toimittaa teknikoille ilmoituksia kontekstuaalisilla diagnostiikkatiedoilla, mikä mahdollistaa puuttumisen ennen kuin pienet poikkeamat muodostuvat vioiksi.
  Tämä lähestymistapa vähentää ennattamatonta käyttökatkoa 34 % aurinkoenergian varastointijärjestelmissä ja vähentää merkittävästi reaktiivisten huoltosuunnitelmien käyttöä, mikä vahvistaa pitkän aikavälin turvallisuutta ja luotettavuutta.

UKK

• Mikä aiheuttaa termisen lähtöilmiön litiumioniakkujen aurinkoenergian varastointijärjestelmissä?

  Termiseen lähtöilmiöön voi johtaa sisäisiä ongelmia akkukennon sisällä, ulkoinen vaurio tai tavallinen kulumisilmiö. Se sisältää ketjureaktion, jossa lämpö lisääntyy itseään vahvistaen ongelmaa, ja se alkaa usein sisäisistä oikosulkuista.

• Mikä on UL 9540A -sertifiointi ja miksi se on tärkeä?

  UL 9540A -sertifiointi sisältää laajat palotestit, joilla arvioidaan, kuinka lämpötilan karkaaminen leviää aurinkopariston akkujärjestelmissä. Tällä sertifioiduissa järjestelmissä on tulenvastaiset koteloit ja muita turvallisuusominaisuuksia, jotka estävät lämmön siirtymistä moduulien välillä.

• Miten akkujen hallintajärjestelmä (BMS) parantaa akkujen turvallisuutta?

  BMS hallinnoi ylikorvausta, ali-akkuuntumista, oikosulkua ja eristystä seuraten, jotta akkujen suorituskyky pysyy optimaalisena ja vaarallisilta tilanteilta voidaan suojautua.

• Mitä hyötyjä litium-rautafosfaattiakkuja (LFP) voidaan saada aurinkoenergian varastoinnissa?

  LFP-akut tarjoavat lämpötilan vakautta niiden ainutlaatuisen rakenteen ansiosta, mikä vähentää tulvaaran riskiä ja tarjoaa pidempiä käyttöikäsyklejä verrattuna muihin kemiallisuuksiin, kuten nikkeliin tai kobolttiin.