Jakie funkcje bezpieczeństwa powinien mieć akumulator do magazynowania energii słonecznej?

Zapobieganie rozbieżności termicznej oraz projekt odporny na pożary

W jaki sposób występuje rozbieżność termiczna w akumulatorach litowo-jonowych do magazynowania energii słonecznej

Gdy w akumulatorach litowo-jonowych do przechowywania energii słonecznej występuje niestabilność termiczna, zazwyczaj zaczyna się ona od problemów występujących wewnątrz samych ogniw, uszkodzeń pochodzących ze źródeł zewnętrznych lub zwykłego zużycia wynikającego z eksploatacji. Gdy temperatura przekroczy około 80 °C (czyli ok. 176 °F), elektrolit ulega rozkładowi i uwalnia palne gazy wraz z dodatkową ilością ciepła, co prowadzi do tzw. reakcji łańcuchowej, która utrzymuje się samoczynnie. W miejscach, gdzie wiele takich akumulatorów jest zagęszczone w niewielkiej przestrzeni, ciepło szybko przenosi się na sąsiednie ogniwa, czasem powodując wzrost temperatury powyżej 400 °C (czyli ok. 752 °F) w ciągu zaledwie kilku sekund. Najczęściej przyczyną takich zdarzeń są zwarcia wewnętrzne. Zazwyczaj powstają one wskutek wzrostu dendrytów wewnątrz akumulatora lub wad powstałych podczas procesu produkcji. Według danych statystycznych takie przypadki odpowiadają za około siedem na dziesięć incydentów niestabilności termicznej. Aby zapobiec temu niebezpiecznemu zjawisku, producenci muszą wprowadzić określone środki bezpieczeństwa, takie jak separatory odporno na zapłon, specjalne składniki dodawane do elektrolitu zapewniające odporność na płomienie oraz bariery wykonane z żywicy epoksydowej, które hamują rozprzestrzenianie się ciepła pomiędzy poszczególnymi ogniwami.

Badania zgodnie ze standardem UL 9540A oraz zapobieganie rozprzestrzenianiu się ognia w instalacjach akumulatorów do magazynowania energii słonecznej

Uzyskanie certyfikatu UL 9540A oznacza poddanie się obszernym testom ogniowym, które analizują sposób rozprzestrzeniania się zjawiska termicznego rozbiegu w komercyjnych systemach magazynowania energii słonecznej opartych na bateriach. Proces testowy obejmuje scenariusze symulujące najbardziej niekorzystne awarie, np. przebicie akumulatorów ostrym przedmiotem lub ich przeladowanie. Testy te oceniają m.in. szybkość nagrzewania się, rodzaje i ilości gazów wydzielanych podczas awarii oraz możliwość przenoszenia się ognia z jednego modułu na inny. Systemy akumulatorów spełniające ten standard są wyposażone w wbudowane funkcje bezpieczeństwa, w tym specjalne obudowy ognioodporne otaczające każdy moduł, zawory odpowietrzające umożliwiające bezpieczne uwalnianie nadciśnienia oraz przegrody zapobiegające przenoszeniu się ciepła między poszczególnymi modułami. Niezależne badania wykazały, że większość certyfikowanych systemów ogranicza niebezpieczne zdarzenia termiczne do jednego modułu w około 99 przypadkach na 100. W przypadku instalacji takich akumulatorów w pomieszczeniach zamkniętych lub w ciasnych przestrzeniach, gdzie odległości między jednostkami są niewielkie, wybór sprzętu certyfikowanego zgodnie z normą UL 9540A jest uzasadniony zarówno z powodu obowiązujących przepisów prawnych, jak i rzeczywistej redukcji ryzyka w praktyce. Wiele kierowników obiektów zgłaszało zmniejszenie liczby incydentów po przejściu na te bezpieczniejsze systemy.

Inteligentna ochrona elektryczna za pośrednictwem systemu zarządzania baterią (BMS)

Kluczowe funkcje BMS: nadmierny ładowanie, nadmierny rozładowanie, zwarcie oraz monitorowanie izolacji

System zarządzania baterią (BMS) działa jak mózg akumulatorów litowo-jonowych do magazynowania energii słonecznej, kontrolując cztery kluczowe funkcje bezpieczeństwa zapewniające bezawaryjną pracę. Gdy bateria jest nadmiernie ładowana, BMS zatrzymuje proces ładowania przy wartości około 3,65 V na ogniwo, ponieważ przekroczenie tego poziomu może spowodować niebezpieczne osadzanie litu, co z kolei może prowadzić do problemów z przegrzewaniem. Z drugiej strony, jeśli napięcie baterii spadnie poniżej około 2,5 V na ogniwo, system ponownie włącza się, aby zapobiec dalszemu rozładowaniu, ponieważ może to uszkodzić elementy wewnętrzne i trwale skrócić żywotność baterii. W przypadku zwarć reakcja następuje niemal natychmiastowo, gdy prąd przekroczy trzykrotnie wartość nominalną, a specjalne przełączniki bezpiecznie odcinają przepływ mocy. System stale również sprawdza opór izolacji między częściami czynnymi a metalową obudową, poszukując spadków poniżej 100 omów na wolt, które wskazują na wczesne oznaki zużycia. Raporty z terenu pochodzące zarówno z dużych instalacji przemysłowych, jak i z domowych systemów w Stanach Zjednoczonych pokazują, że te wielowarstwowe mechanizmy ochrony zmniejszyły liczbę wypadków elektrycznych o około dwie trzecie w ostatnich latach.

Śledzenie w czasie rzeczywistym poziomu naładowania (SOC) i stanu zdrowia (SOH) baterii do magazynowania energii słonecznej oraz przewidywanie i reagowanie na usterki

Najlepsze obecnie systemy zarządzania baterią łączą techniki liczenia kulombów z filtrami Kalmana, aby utrzymać dokładność stanu naładowania (SOC) na poziomie około ±3%. Jednocześnie śledzą stan zdrowia baterii (SOH), analizując stopień utraty pojemności w czasie. To połączenie zapewnia operatorom dwie warstwy informacji, które pomagają przewidywać problemy jeszcze przed ich wystąpieniem. Gdy poszczególne ogniwka zaczynają wykazywać różnice napięcia przekraczające 50 mV lub gdy różnica temperatur między modułami przekracza 4 °C, system zmniejsza prędkość ładowania i wysyła ostrzeżenia dotyczące konieczności konserwacji. Te szczegółowe diagnozy zapobiegawcze uniemożliwiają kumulację drobnych usterek w czasie, co może faktycznie wydłużyć żywotność baterii o około 40% w porównaniu do starszych systemów, które nie wykonują aktywnego monitoringu. Nowsze wersje stają się jeszcze inteligentniejsze, wykorzystując dane dotyczące poprzednich wyników pracy do szacowania momentu, w którym baterie mogą osiągnąć swój koniec życia – z wyprzedzeniem wynoszącym około trzech miesięcy. Tego rodzaju prognozowanie pomaga instalatorom systemów fotowoltaicznych lepiej planować wymianę baterii, zamiast czekać aż do całkowitego awarii urządzenia.

Obowiązkowe certyfikaty regulacyjne dla akumulatorów do magazynowania energii słonecznej

Zgodność z międzynarodowymi certyfikatami bezpieczeństwa jest warunkiem bezwzględnie koniecznym przy instalacji akumulatorów do magazynowania energii słonecznej w budynkach mieszkalnych i komercyjnych. Te standardy ograniczają ryzyko pożarów, zapewniają niezawodność działania oraz stanowią warunek wstępnym dla podłączenia do sieci energetycznej, uzyskania pozwolenia na budowę oraz ubezpieczenia.

Standardy bezpieczeństwa na poziomie ogniw i zestawów: UL 1642, IEC 62619 oraz UN 38.3

Certyfikaty na poziomie komponentów potwierdzają podstawowe bezpieczeństwo przed integracją układu:

• UL 1642 poddaje ogniwa litowe skrajnym warunkom nadmiernego obciążenia, w tym próbom wymuszonego zwarcia, przeladowania oraz ucisku, aby zweryfikować integralność konstrukcyjną i termiczną.
• IEC 62619 ustala wymagania bezpieczeństwa dla przemysłowych akumulatorów litowych, nakładając obowiązek odporności na naprężenia mechaniczne, nadmierne obciążenie termiczne oraz nieprawidłowe ładowanie.
• UN 38.3 potwierdza bezpieczeństwo transportu poprzez wymaganie przeprowadzenia testów symulacji wysokości, wibracji, uderzeń oraz cykli termicznych w celu zapobieżenia wyciekowi lub zdarzeniom termicznym podczas przewozu.
  Producent musi wykazać zgodność ze wszystkimi trzema wymaganiami przed przejściem do oceny na poziomie systemowym.

Zgodność na poziomie systemowym: UL 9540, NFPA 855 oraz wymagania dotyczące bezpieczeństwa połączenia z siecią elektroenergetyczną (IEEE 1547, NFPA 585)

Całkowita integracja systemu wymaga przestrzegania wzajemnie powiązanych ram bezpieczeństwa:

• UL 9540 ocenia zintegrowane rozprzestrzenianie się ognia, bezpieczeństwo elektryczne oraz zarządzanie temperaturą w warunkach symulowanego niekontrolowanego rozgrzewania się (thermal runaway).
• NFPA 855 reguluje wymagania dotyczące fizycznej instalacji, w tym minimalnych odstępów, wentylacji, systemów gaszenia pożarów oraz środków zapewniających możliwość ewakuacji, mających na celu ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia i ułatwienie interwencji służb ratowniczych.
• Standardy dotyczące połączenia z siecią elektroenergetyczną, takie jak IEEE 1547 (dotyczące utrzymywania pracy przy odchyleniach napięcia i częstotliwości oraz zapobiegania tworzeniu się „wysp” energetycznych) oraz NFPA 585 (do szybkiego wyłączenia i wykrywania łuku zwarciowego) zapewnia bezpieczne odłączenie w przypadku uszkodzeń.
  Stan na 2024 rok: 37 stanów USA włączyło normę NFPA 855 do swoich przepisów elektrycznych, czyniąc ją faktycznym wymogiem uzyskania pozwolenia.

Ulepszenia w zakresie doboru materiałów i aktywnego monitorowania

Dlaczego litowo-żelazowo-fosforan (LFP) jest preferowaną chemią baterii do bezpiecznego magazynowania energii słonecznej

LFP, czyli fosforan litowo-żelazowy, jest obecnie najpopularniejszym wyborem dla większości rozwiązań magazynowania energii słonecznej ze względu na wyjątkową stabilność termiczną. To, co czyni ten materiał wyjątkowym, to jego unikalna struktura krystaliczna typu oliwin, która skutecznie zapobiega ucieczce tlenu nawet w warunkach ekstremalnego nagrzania. Oznacza to, że akumulatory LFP są znacznie bezpieczniejsze niż te wykorzystujące nikiel lub kobalt, które łatwiej ulegają zapłonowi. Zgodnie z rzeczywistymi raportami polowymi, instalacje wykorzystujące technologię LFP odnotowują około 60 procent mniej zdarzeń związanych z pożarami. Istnieje także wiele innych zalet. Takie akumulatory wytrzymują znacznie większą liczbę cykli ładowania przed zużyciem, utrzymują napięcie na stabilnym poziomie przez dłuższy czas oraz działają niezawodnie nawet w dość wysokich temperaturach – do około 55 stopni Celsjusza. Taka odporność na temperaturę ma szczególne znaczenie w przypadku instalacji fotowoltaicznych na dachach lub w miejscach otwartych, gdzie nagrzewanie może stanowić problem.

Zdalne termowizyjne monitorowanie, wykrywanie anomalii oparte na sztucznej inteligencji oraz automatyczne powiadamianie

Proaktywne monitorowanie dodaje kluczową warstwę ochrony poza kontrolami sprzętowymi i systemem BMS:

• Termowizja podczerwieni zapewnia ciągłe, bezkontaktowe mapowanie temperatury powierzchni, umożliwiając wykrycie obszarów przegrzania jeszcze przed ich eskalacją.
• Analityka oparta na AI koreluje dryf napięcia, przesunięcia impedancji oraz trendy termiczne w poszczególnych modułach, aby wykryć anomalie niewidoczne dla alarmów opartych na progach.
• Automatyczne powiadamianie dostarcza technikom powiadomień zawierających kontekstowe diagnozy, umożliwiając interwencję jeszcze zanim drobne odchylenia przekształcą się w awarie.
  Takie podejście zmniejsza nieplanowane przestoje o 34% w parkach akumulatorów do magazynowania energii słonecznej oraz znacznie ogranicza zależność od reaktywnych harmonogramów konserwacji, wzmacniając bezpieczeństwo i niezawodność w długim okresie.

Często zadawane pytania

• Co powoduje termiczny rozbieg w litowo-jonowych akumulatorach do magazynowania energii słonecznej?

  Termiczny rozbieg może wystąpić z powodu wewnętrznych uszkodzeń komórek akumulatora, zewnętrznego uszkodzenia lub normalnego zużycia. Obejmuje on łańcuchową reakcję cieplną, która nasila problem, często rozpoczynając się od wewnętrznych zwarczeń.

• Czym jest certyfikat UL 9540A i dlaczego jest on ważny?

  Certyfikat UL 9540A obejmuje szczegółowe badania ogniowe mające na celu ocenę rozprzestrzeniania się termicznego przebicia w systemach akumulatorów słonecznych. Systemy posiadające ten certyfikat są wyposażone w osłony odporno na ogień oraz inne funkcje bezpieczeństwa zapobiegające przenoszeniu ciepła między modułami.

• W jaki sposób System Zarządzania Baterią (BMS) zwiększa bezpieczeństwo baterii?

  BMS kontroluje nadmierną ładowanie, nadmierną rozładowanie, zwarcia oraz izolację, aby utrzymać optymalną wydajność baterii i zapobiegać sytuacjom zagrożenia życia i zdrowia.

• Jakie korzyści wynikają z wykorzystania akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych (LFP) w magazynowaniu energii słonecznej?

  Akumulatory LFP charakteryzują się stabilnością termiczną dzięki swojej unikalnej strukturze, co zmniejsza ryzyko pożarów oraz zapewnia dłuższą liczbę cykli życia w porównaniu do innych chemii, takich jak niklowa lub kobaltowa.