Күн жүйелеріндегі литий батареясының қызмет ету мерзімі қанша?

Литий-иондық аккумуляторлардың қызмет ету мерзімін түсіну: Календарлық өмір, Циклдық өмір және нақты әлемдегі жұмыс істеуі

Календарлық өмір мен циклдық өмір: Әрбір метрика литий-иондық аккумулятордың ұзақтығы туралы не айтады

Литий батареялардың қанша уақыт жұмыс істейтінін қарастырғанда, біз әдетте екі негізгі факторға назар аударамыз: календарлық қызмет ету мерзімі мен циклдық өмір. Календарлық қызмет ету мерзімі – бұл сыйымдылығы бастапқы көрсеткішінің 80%-ынан төмен түскенге дейін батареяның сөресінде тұрып қана қанша жыл сақталуын білдіреді. Бұл негізінен оның ішіндегі химиялық заттар уақыт өте келе баяу ыдырауына байланысты болады. Ал циклдық қызмет ету мерзімі басқаша жұмыс істейді. Бұл батареяның сыйымдылығы осы 80% деңгейіне жеткенге дейін толығымен зарядталып және разрядталып қанша рет қайталанғанын санауға байланысты. Мысалы, 3000 циклды қамтамасыз ететін батареяны алайық. Егер адам оны күніне бір рет пайдаланса, ол шамамен он жылдай жұмыс істеуі мүмкін. Бірақ жағдайларға қарай бәрі өзгеруі мүмкін. Кейбір батареялар табиғи күресу процестеріне байланысты тезірек шығындалады, ал екіншілері аз қолданылса ұзағырақ сақталады. Қай жағдай болмасын, осы шектеулердің біреуіне жеткен кезде батарея ресми түрде пайдалану өмірінің соңына жетеді.

LFP және NMC литий батареяларының қызмет ету мерзімі: Неліктен химия 8–15 жылға дейінгі қызмет етуді анықтайды

Батарея химиясы ұзақ мерзімділік, қауіпсіздік және қолдану сипатын негізінен анықтайды:

• LFP (LiFePO⁴) : Жылулық тұрақты оливин кристалдық құрылымын пайдаланып, 2500-9000 циклдар аралығында 8–15 жылға дейін қызмет етеді. Жоғары температураға төзімділігі мен дербес зарядтау режимінде жұмыс істеуге төзімділігі оны энергия тығыздығына қойылатын талаптардан гөрі ұзақ мерзімді сенімділік маңызды болатын күн энергиясын сақтау үшін ерекше қолайлы етеді.
• NMC (Никель-Марганец-Кобальт) : Энергия тығыздығын және қуат шығысын арттыруды басымдайды, бірақ ұзақ мерзімділіктен айырылады — әдетте 7–12 жыл қызмет етеді және 1000–2000 циклдар береді. Ол тұрақты жылуда, кернеу кернеуінде немесе терең разрядта тез ыдырайды.

Тұрақты күн электр станциялары үшін LFP-ның ұзақ сақталу мерзімі мен жылулық тұрақтылығы көбінесе энергия тығыздығының төмен болуына қарамастан оның кеңінен қолданылуын оправдандырады.

Күн энергиясын қолдану кезінде литий-иондық батареялардың тозуын жылдамдататын негізгі факторлар

Разряд тереңдігі (DoD): Қаншалықты пайдалану диапазоны литий-иондық батарея цикліне әсер етеді

Разряд деңгейі (DoD) батареяны қайта зарядтауға дейін қанша энергияның пайдаланылатынын көрсетеді. Шынымен, бұл фактор батареялардың жалпы қызмет ету мерзіміне үлкен әсер етеді. Батареялар тұрақты түрде төменгі деңгейге, мысалы, шамамен 80% заряд деңгейіне дейін разрядталса, олар 50% шамасында немесе одан аз разрядталған кезге қарағанда ішкі компоненттеріне әлдеқайда көбірек жүктеме түсіреді. Зерттеулер көрсеткендей, егер батарея 50% DoD-ның орнына 80% DoD-да циклданса, оның жалпы зарядтау циклдерінің саны шамамен екі есе азаяды. Бұл батарея ұяшықтарындағы сыйымдылықтың тез жоғалуы мен тозуының артуын білдіреді. Әсіресе күн энергиясы жүйелерінде ауа райының болжамсыздығы мен энергияға деген сұраныстың өзгеруі әртүрлі разрядтау сценарийлерін туғызады, сондықтан қымбат бағалы батарея блоктарының мүмкіндігінше ұзақ қызмет етуі үшін зарядтау деңгейлерінің арасында ортақ нүктені сақтау (мысалы, батареяны 20% пен 80% арасында ұстау) маңызды.

Температураны басқару: Неліктен қоршаған орта мен ұяшық температурасы литий батареялардың ескіруінің негізгі себептері болып табылады

Литий батареялар жағдайында температура олардың қызмет ету мерзіміне әсер ететін негізгі экологиялық фактор болып табылады. Егер температура қоршаған ортадан немесе өзінің ішкі жасушаларынан шыққан кезде тым жоғары болса, кейбір қажетсіз химиялық реакциялар басталады. Бұл реакциялар қатты электролиттік шекара (SEI) қабатының пайда болуына әкеледі, бұл ішкі кедергіні арттырып және маңызды иондардың қозғалысын баяулату арқылы батареяның жұмысын қиындатады. Зерттеулер 35 градус Цельсийден жоғары температурада SEI қабаты кедергіні жылына 30 пайызға дейін арттыруы мүмкін екенін көрсетеді. Керісінше, батареяларды 0 градустан төмен зарядтау литий пластиналары деп аталатын басқа да проблемаларды туғызады, бұл тұрақты сыйымдылықтың жоғалуына және кейде тіпті қауіпті ішкі қысқа тұйықталуларға әкеледі. Көбінесе өндірушілер батареяларды 20-25 градус Цельсий аралығында ұстауды ұсынады. Осы оптимальды аралықтан тым алыс болу ыдырауды әлдеқайда жылдамдатады, экстремалды температураларда қалыптыдан 10-15 есе тез болуы мүмкін. Бұл күн энергиясын қолданатын жүйелер үшін ерекше маңызды, өйткені олар жиі климаттық бақылауы жоқ немесе тікелей күн сәулесінде орнатылады, онда температура күшті тербеледі. Сондықтан жақсы ауа ағынын қамтамасыз ету, жылу өзгерістерін жұтатын арнайы материалдар немесе нақты салқындату жүйелері сияқты дұрыс жылу басқару шешімдері енді тек қосымша ыңғайлылық болып табылмайды. Егер батареялардың уақыт өте жұмыс істеуі мен кепілдік қамсыздандырылуын қаласаңыз, олар міндетті түрде қажет.

Ақылды жүйе құрылымы мен BMS-тің оптималдау арқылы литий батареяның қызмет көрсету мерзімін ең жоғары деңгейге көтеру

Литий батареяның денсаулығын қорғау және пайдалану мерзімін ұзарту үшін Батареяны басқару жүйесінің (BMS) рөлі

Батареяны басқару жүйесі (BMS) нақты уақыттағы қорғаушы ретінде жұмыс істейді, яғни элементтердегі кернеуді, температураны, токты және заряд күйін үнемі бақылайды. Оның негізгі қорғау функцияларына мыналар жатады:

• Зарядтың шектен тыс көбеюі мен терең разрядты болдырмау үшін кернеу шектерін қатаң сақтау
• Пакеттің барлық элементтерінде заряд күйін біркелкі сақтау үшін пассивті немесе белсенді элементтерді теңестіру
• Қауіпсіз жұмыс істеу диапазонынан тыс (0–45°C ұсынылады) жылулық өшіруді немесе қуатты төмендетуді іске қосу

Қолданысқа лайықты, мықты BMS тек катастрофалық істен шығуды болдырмаумен ғана шектелмейді — ол сонымен қатар бұзылу жолдарын белсенді түрде жеңілдетеді. Тәуелсіз зерттеулер дәлдікті BMS басқарусыз аккумуляторлардың сыйымдылығының үш есе тезірек жоғалуына және термиялық басып тарату оқиғаларының орташа жұмыс шығындарының $740,000-дан асатынын растайды (Ponemon Institute, 2023).

Күн энергиясына арналған ең жақсы тәжірибе: Литий-ионды аккумуляторлардың қызмет ету мерзімі үшін қуаттың дұрыс мөлшерленуі, артық зарядталудан қашу және икемді зарядтау профилі

Күн энергиясына арналған конструкциялық шешімдер литий-ионды аккумулятордың номиналды қызмет ету мерзіміне жетуіне немесе оған жете алмауына тікелей әсер етеді. Негізгі дәлелденген практикаларға мыналар жатады:

• Сыйымдылықты дұрыс мөлшерлеу заряд күйінің 20–80% аралығында жұмыс істеу үшін, 0% және 100% шектік жоғары кернеулі күйлерінен аулақ болу
• Икемді зарядтау профилін қолдану , мұнда қоршаған ортаның температурасы көтерілген сайын зарядтау кернеуі динамикалық түрде төмендейді — өйткені 25°C-тан жоғары әрбір 10°C аккумулятордың бұзылу жылдамдығын екі есе арттырады
• Тұрақты/аздап зарядтауды болдыру , бұл төмен жүктеме кезінде қосымша кернеу қажуын туғызады
• Белсенді немесе пассивті жылу реттеуді интеграциялау , әсіресе шыңдық шағылдыру және жаз айлары кезінде

Осы принциптерге сәйкес жүйелер әдетте қызмет көрсетуінің 15 жылдан астам уақытын қамтиды және алғашқы сыйымдылықтың 80% астамын сақтап қалады — бұл ұзақ қызмет ету уақыты тек химияға ғана емес, сонымен қатар ақыл-ойлық жүйе интеграциясына байланысты екенін растайды.

Литий батареясының қызмет ету мерзімінің соңын бағалау: Кепілдік шарттары, Сыйымдылықты сақтау және Ауыстыру уақыты

Литий батареялардың қызметін аяқтауы толық бұзылу сияқты кенеттен болмайды. Оның орнына, өндірушілердің кепілдік шарттары мен нақты өнімділік критерийлері арқылы анықталатын баяу төмендеу процесі болып табылады. Әдетте, кепілдік шарттары батарея сыйымдылығы алғашқы көрсеткішінің 60% пен 80% арасына дейін төмендегенде қызметін аяқтаған деп есептейді, бұл он жыл шамасында болады. Бірақ қазір кейбір ірі батарея өндірушілері тағы бір көрсеткішті енгізуде — олар уақыт өте жүйеге берілген энергия мөлшерін есепке алады, мысалы, 30 миллион ватт-сағат берілген болуы. Қайсысы бірінші болып жетсе, соған қарай кепілдік әлі жарамды ма, жоқ па анықталады. Сондықтан батареяның қызмет ету мерзімін қарастырғанда назар аударарлық екі негізгі сан болады:

• Кепілдік бойынша кепілдендірілген минималды сыйымдылық кепілдік мерзімінің аяқталуында (мысалы, «10 жылдан кейін 70% сақталады»)
• Жалпы энергия өткізу шегі , мегаватт-сағатпен (МВт·сағ) өрнектеледі және шынайы жағдайдағы циклдік интенсивтілікті ескереді

Маңыздысы, кепілдік мерзімінің соңына жету дереу ауыстыруды талап етпейді: көптеген LFP аккумуляторлар қосымша бірнеше жыл бойы сенімді, әлдеқайда төмендетілген жұмыс уақытын ұсынуды жалғастырады. Стратегиялық ауыстыру уақыты толық иелік құнын оптимизациялау мақсатында күтпеген үзілістерден қашу үшін тек қана күнтізбелік жасқа емес, денсаулық күйін (SoH) рет-ретімен бақылауға негізделуі тиіс.

Литий батареялардың қызмет ету мерзіміне қатысты ЖИҚ

Литий батареяларда күнтізбелік қызмет ету мерзімі мен циклдық қызмет ету мерзімі арасындағы айырмашылық қандай?

Күнтізбелік қызмет ету мерзімі — батарея 80% төмен түскенге дейін пайдаланылмаса да қанша жыл функционалды болып қала беретінін білдіреді, ал циклдық қызмет ету мерзімі осы деңгейге жеткенге дейін қанша толық зарядтау және разрядтау циклдарын шыдай алатынын көрсетеді.

Температура литий батареясының қызмет ету мерзіміне қалай әсер етеді?

Температураның шекті мәндері литий батареяларда химиялық реакцияларды тудырып, деградацияны тездетеді. Есіртеу процесін азайту үшін батареяларды 20 мен 25 градус Цельсий арасында сақтау ұсынылады.

Қызмет ету мерзімінің соңына келу литий батареяны ауыстыруды талап етеді ме?

Жоқ, кепілдік мерзімінің аяқталуы дереу ауыстыруды талап етпейді. Көптеген батареялар белгіленген мерзімнен кейін де бірнеше жыл бойы төмендетілген, бірақ сенімді жұмыс уақытын қамтамасыз ете береді.