Ce caracteristici de siguranță trebuie să aibă bateria de stocare a energiei solare?

Prevenirea dezintegrării termice și designul rezistent la foc

Cum apare dezintegrarea termică în bateriile de stocare a energiei solare cu tehnologie lithium-ion?

Când are loc o dezvoltare necontrolată a temperaturii în bateriile de stocare solară cu ioni de litiu, acest fenomen începe, de obicei, fie din probleme interne ale celulelor în sine, fie din deteriorări cauzate de surse exterioare, fie pur și simplu din uzură normală în timpul funcționării. Odată ce temperatura depășește aproximativ 80 de grade Celsius (adică circa 176 grade Fahrenheit), electrolitul se degradează și eliberează gaze inflamabile, împreună cu o cantitate suplimentară de căldură, generând ceea ce este, de fapt, o reacție în lanț care continuă să se autoalimenteze. În locurile în care un număr mare de astfel de baterii sunt grupate împreună, căldura se răspândește rapid către celulele învecinate, ajungând uneori să depășească 400 de grade Celsius (adică aproximativ 752 grade Fahrenheit) în doar câteva secunde. În majoritatea cazurilor, scurtcircuitul intern este cauza acestor incidente. Aceste scurtcircuite provin, de obicei, fie din formarea dendritelor în interiorul bateriei, fie din defecțiuni apărute în timpul fabricației. Conform înregistrărilor, astfel de probleme reprezintă aproximativ șapte din zece cazuri de dezvoltare necontrolată a temperaturii. Pentru a preveni acest proces periculos, producătorii trebuie să integreze anumite măsuri de siguranță, cum ar fi separatoare care nu ard, aditivi speciali în electrolit care rezistă la flăcări și bariere din rășină epoxidică, care contribuie la limitarea răspândirii căldurii între celulele individuale.

Testare UL 9540A și atenuare a propagării incendiilor pentru instalațiile de stocare a energiei solare

Obținerea certificării UL 9540A presupune efectuarea unor teste extinse de incendiu care evaluează modul în care propagarea degradării termice (thermal runaway) are loc în sistemele comerciale de stocare a energiei solare cu baterii. Procesul de testare creează scenarii care reprezintă cele mai grave defecțiuni posibile, cum ar fi perforarea bateriilor de către un obiect ascuțit sau suprancărcarea acestora. Aceste teste evaluează aspecte precum viteza de creștere a temperaturii, tipurile de gaze eliberate și posibilitatea propagării focului de la un modul la altul. Sistemele de baterii care îndeplinesc această normă sunt dotate cu caracteristici integrate de siguranță, inclusiv carcase ignifuge speciale în jurul fiecărui modul, orificii de evacuare a presiunii în mod sigur și bariere care împiedică transferul căldurii între module. Testele independente arată că majoritatea sistemelor certificate reușesc să limiteze evenimentele termice periculoase în interiorul unui singur modul în aproximativ 99 din 100 de cazuri. Atunci când se instalează aceste baterii în interiorul clădirilor sau în spații restrânse, unde distanța dintre unități este redusă, utilizarea echipamentelor certificate UL 9540A este justificată atât din punct de vedere al conformității cu reglementările aplicabile, cât și din considerente practice, deoarece reduce efectiv riscurile. Mulți manageri de facilități au raportat o scădere a numărului de incidente după trecerea la aceste sisteme mai sigure.

Protecție electrică inteligentă prin sistemul de management al bateriei (BMS)

Funcții critice ale BMS: suprîncărcare, descărcare excesivă, scurtcircuit și monitorizare a izolației

Un sistem de management al bateriei (BMS) acționează ca un creier pentru bateriile de stocare solară cu tehnologie lithium-ion, gestionând patru funcții esențiale de siguranță care asigură o funcționare fără probleme. Când o baterie este încărcată în exces, BMS oprește procesul la aproximativ 3,65 volți pe celulă, deoarece depășirea acestei valori poate provoca formarea periculoasă a stratului de litiu (lithium plating), ceea ce ar putea duce la probleme de suprâncălzire. Pe de altă parte, dacă bateria se descarcă sub aproximativ 2,5 volți pe celulă, sistemul intervine din nou pentru a opri descărcarea suplimentară, deoarece acest lucru poate deteriora componentele interne și poate reduce permanent durata de viață a bateriei. În cazul scurtcircuitelor, răspunsul are loc aproape instantaneu atunci când curentul crește brusc peste de trei ori valoarea normală, utilizând comutatoare speciale pentru a întrerupe în siguranță fluxul de energie. Sistemul verifică, de asemenea, în mod constant rezistența izolării dintre părțile active și carcasă metalică, căutând orice scădere sub 100 ohmi pe volt, care indică semne precoce de uzură. Rapoartele de teren provenite atât de la instalații la scară largă, cât și de la instalații casnice din Statele Unite arată că aceste straturi multiple de protecție au redus accidentele electrice cu aproximativ două treimi în ultimii ani.

Urmărire în timp real a stării de încărcare (SOC)/stării de sănătate (SOH) și răspuns predictiv la defecțiuni pentru bateriile de stocare a energiei solare

Cele mai bune sisteme moderne de gestionare a bateriilor combină în prezent tehnici de numărare coulombică cu filtre Kalman pentru a menține acuratețea stării de încărcare (SOC) în jurul valorii de ±3%. În același timp, acestea urmăresc starea de sănătate (SOH) analizând modul în care capacitatea scade în timp. Această combinație oferă operatorilor două niveluri de informații care ajută la previziunea problemelor înainte ca acestea să apară. Atunci când celulele individuale încep să prezinte diferențe de tensiune superioare lui 50 de milivolți sau când există o diferență de temperatură între module mai mare de 4 grade Celsius, sistemul reduce viteza de încărcare și emite avertismente privind necesitatea întreținerii. Aceste verificări diagnostice detaliate împiedică acumularea în timp a unor probleme mici, ceea ce poate extinde, de fapt, durata de viață a bateriei cu aproximativ 40% comparativ cu sistemele mai vechi, care nu efectuează monitorizarea activă. Versiunile mai noi devin și mai inteligente, folosind datele privind performanța anterioară pentru a estima cu aproximativ trei luni înainte momentul în care bateriile ar putea atinge sfârșitul duratei lor de viață. Acest tip de previziune ajută instalatorii de sisteme solare să planifice înlocuirile mai eficient, în loc să aștepte până când un element se defectează complet.

Certificări reglementare obligatorii pentru bateriile de stocare a energiei solare

Conformitatea cu certificările internaționale de siguranță este necondiționată pentru instalațiile rezidențiale și comerciale de baterii de stocare a energiei solare. Aceste standarde reduc riscurile de incendiu, asigură fiabilitatea în funcționare și reprezintă condiții prealabile pentru conectarea la rețeaua electrică, obținerea autorizațiilor și acoperirea asigurătorilor.

Standarde de siguranță la nivelul celulelor și al bateriilor: UL 1642, IEC 62619 și UN 38.3

Certificările la nivelul componentelor validează siguranța fundamentală înainte de integrarea în sistem:

• UL 1642 supune celulele de litiu unor condiții extreme de uzură, inclusiv scurtcircuit forțat, suprîncărcare și teste de compresiune, pentru a verifica integritatea structurală și termică.
• IEC 62619 stabilește cerințele de siguranță pentru bateriile industriale cu litiu, impunând rezistență la eforturi mecanice, abuz termic și încărcare anormală.
• UN 38.3 certifică siguranța transportului prin impunerea unor teste de simulare a altitudinii, vibrații, impact și cicluri termice, pentru a preveni scurgerile sau evenimentele termice în timpul transportului.
  Producătorii trebuie să demonstreze conformitatea cu toate cele trei cerințe înainte de a trece la evaluarea la nivel de sistem.

Conformitatea la nivel de sistem: UL 9540, NFPA 855 și siguranța interconectării cu rețeaua (IEEE 1547, NFPA 585)

Integrarea la nivel de sistem complet necesită respectarea cadrelor de siguranță interdependente:

• UL 9540 evaluează propagarea integrată a incendiilor, siguranța electrică și gestionarea termică în condiții simulate de runaway termic.
• NFPA 855 reglementează cerințele privind instalarea fizică, inclusiv distanțele minime, ventilarea, sistemele de stingere a incendiilor și prevederile pentru evacuare, în vederea limitării răspândirii incendiilor și facilitării intervenției în caz de urgență.
• Standardele privind interconectarea cu rețeaua, cum ar fi IEEE 1547 (pentru menținerea tensiunii/frecvenței în regim tranzitoriu și prevenirea funcționării izolate) și NFPA 585 (pentru oprirea rapidă și detectarea defectelor de arc) asigură deconectarea sigură în cazul defectelor.
  În 2024, 37 de state americane au adoptat NFPA 855 în codurile lor electrice, făcând-o o cerință de facto pentru obținerea autorizațiilor.

Îmbunătățiri privind selecția materialelor și monitorizarea proactivă

De ce fosfatul de litiu-fier (LFP) este chimia preferată pentru bateriile mai sigure de stocare a energiei solare

LFP, prescurtare pentru fosfatul de litiu-fier, este acum alegerea preferată pentru majoritatea soluțiilor de stocare a energiei solare, datorită stabilității sale termice remarcabile. Ceea ce face special acest material este structura sa cristalină unică de olivină, care, în esență, împiedică eliberarea oxigenului chiar și la temperaturi foarte ridicate. Acest lucru înseamnă că bateriile LFP sunt mult mai sigure decât cele fabricate cu nichel sau cobalt, care tind să se aprindă mai ușor. Conform rapoartelor reale din teren, instalațiile care folosesc tehnologia LFP au aproximativ 60% mai puține incidente legate de incendii. Există, de asemenea, numeroase alte avantaje. Aceste baterii suportă un număr mult mai mare de cicluri de încărcare înainte de a se uzura, mențin tensiunea relativ constantă în timp și funcționează fiabil chiar și în condiții destul de calde, până la aproximativ 55 de grade Celsius. Această toleranță la temperatură este extrem de importantă pentru sistemele solare montate pe acoperișuri sau în aer liber, unde căldura poate constitui o problemă.

Imagistică termică la distanță, detectare automată a anomaliilor bazată pe inteligență artificială și alertare automatizată

Monitorizarea proactivă adaugă un strat critic de apărare în plus față de controalele hardware și ale sistemului de management al bateriei (BMS):

• Imagistica termică infraroșu oferă o hartă continuă, fără contact, a temperaturii suprafeței, identificând punctele fierbinți înainte ca acestea să se agraveze.
• Analiticii bazate pe IA corelează derivările de tensiune, modificările de impedanță și tendințele termice din cadrul modulelor pentru a detecta anomalii invizibile alarmelor bazate pe praguri.
• Alertarea automată transmite notificări tehnicienilor împreună cu diagnozice contextuale, permițând intervenția înainte ca abaterile minore să se transforme în defecțiuni.
  Această abordare reduce timpul neprevăzut de nefuncționare cu 34 % în parcurile de stocare solară și scade semnificativ dependența de programele de întreținere reactivă, consolidând astfel siguranța și fiabilitatea pe termen lung.

Întrebări frecvente

• Ce cauzează explozia termică în bateriile de stocare a energiei solare cu tehnologie lithium-ion?

  Explozia termică poate apărea datorită unor probleme interne ale celulelor bateriei, deteriorării exterioare sau uzurii normale. Aceasta implică o reacție în lanț de căldură care agravează problema, fiind adesea inițiată de scurtcircuituri interne.

• Ce este certificarea UL 9540A și de ce este importantă?

  Certificarea UL 9540A implică teste extinse de incendiu pentru a evalua modul în care propagarea deteriorării termice (thermal runaway) are loc în sistemele de baterii solare. Sistemele care dețin această certificare includ carcase ignifuge și alte caracteristici de siguranță pentru a preveni transferul de căldură între module.

• Cum contribuie un sistem de management al bateriei (BMS) la siguranța bateriei?

  Un BMS gestionează supraîncărcarea, descărcarea excesivă, scurtcircuitul și monitorizarea izolației pentru a menține performanța optimă a bateriei și pentru a preveni situațiile periculoase.

• Care sunt avantajele utilizării bateriilor cu fosfat de fier și litiu (LFP) în stocarea energiei solare?

  Bateriile LFP oferă stabilitate termică datorită structurii lor unice, reducând riscul de incendiu și asigurând cicluri de viață mai lungi comparativ cu alte tehnologii de baterii, cum ar fi cele bazate pe nichel sau cobalt.