Какими функциями безопасности должна обладать аккумуляторная батарея для хранения солнечной энергии?

Предотвращение теплового разгона и конструкция, обеспечивающая пожарную безопасность

Как происходит тепловой разгон в литий-ионных аккумуляторных батареях для хранения солнечной энергии

Когда в литий-ионных аккумуляторах для солнечных энергосистем происходит тепловой разгон, он обычно начинается с внутренних неисправностей самих элементов, повреждений, вызванных внешними факторами, или обычного износа в процессе эксплуатации. Как только температура превышает примерно 80 °C (около 176 °F), электролит разлагается и выделяет воспламеняющиеся газы вместе с дополнительным теплом, запуская цепную реакцию, которая продолжается самостоятельно. В местах, где большое количество таких аккумуляторов размещено плотно друг возле друга, тепло быстро распространяется на соседние элементы, иногда повышая температуру до более чем 400 °C (примерно 752 °F) за считанные секунды. Чаще всего причиной таких инцидентов являются внутренние короткие замыкания. Такие замыкания обычно возникают из-за роста дендритов внутри аккумулятора или дефектов, возникших на этапе производства. Согласно статистике, подобные причины ответственны примерно за семь из десяти случаев теплового разгона. Чтобы предотвратить этот опасный процесс, производителям необходимо внедрять определённые меры безопасности: негорючие сепараторы, специальные огнестойкие добавки в электролит и барьеры из эпоксидной смолы, препятствующие распространению тепла между отдельными элементами.

Испытания по стандарту UL 9540A и меры по предотвращению распространения пожара в системах хранения энергии солнечных электростанций

Получение сертификата UL 9540A означает прохождение обширных испытаний на огнестойкость, направленных на изучение распространения теплового разгона в коммерческих системах аккумуляторного хранения энергии для солнечных электростанций. В ходе испытаний моделируются сценарии, соответствующие наиболее тяжёлым возможным отказам — например, прокол аккумуляторов острым предметом или их перезарядка. Такие испытания оценивают такие параметры, как скорость нарастания температуры, состав выделяемых газов и возможность перехода пламени с одного модуля на другой. Аккумуляторные системы, соответствующие данному стандарту, оснащаются встроенными средствами защиты, включая специальные огнестойкие корпуса вокруг каждого модуля, клапаны для безопасного сброса давления и теплозащитные барьеры, препятствующие передаче тепла между модулями. Независимые испытания показывают, что в подавляющем большинстве случаев (примерно в 99 случаях из 100) сертифицированные системы локализуют опасные тепловые события в пределах одного модуля. При монтаже таких аккумуляторов в помещениях или в стеснённых условиях, где расстояние между блоками ограничено, использование оборудования, сертифицированного по стандарту UL 9540A, целесообразно как с точки зрения соблюдения нормативных требований, так и с практической точки зрения — поскольку это действительно снижает риски. Многие управляющие объектами сообщили о снижении количества инцидентов после перехода на эти более безопасные системы.

Интеллектуальная электрическая защита через систему управления аккумулятором (BMS)

Ключевые функции BMS: защита от перезаряда, разряда ниже допустимого уровня, короткого замыкания и контроль изоляции

Система управления аккумуляторными батареями (BMS) выполняет функции «мозга» для литий-ионных аккумуляторов солнечных энергосистем, обеспечивая четыре ключевые функции безопасности, необходимые для бесперебойной работы. Когда аккумулятор перезаряжается, BMS прекращает процесс зарядки при напряжении около 3,65 В на элемент, поскольку превышение этого значения может вызвать опасное образование литиевого покрытия, способное привести к перегреву. С другой стороны, если напряжение разряда аккумулятора падает ниже примерно 2,5 В на элемент, система вновь активируется и останавливает дальнейший разряд, поскольку это может повредить внутренние компоненты и необратимо сократить срок службы аккумулятора. При коротком замыкании реакция происходит практически мгновенно: как только ток превышает нормальный уровень в три раза, специальные переключатели отключают подачу электроэнергии безопасным образом. Кроме того, система постоянно контролирует сопротивление изоляции между токоведущими частями и металлическим корпусом, выявляя любое снижение ниже 100 Ом на вольт — такой показатель сигнализирует о первых признаках износа. Отчёты с объектов эксплуатации как крупномасштабных, так и бытовых установок в США показывают, что эти многоуровневые защитные меры позволили сократить количество электрических аварий примерно на две трети за последние годы.

Отслеживание уровня заряда (SOC) и состояния здоровья (SOH) в реальном времени и прогнозирующий отклик на неисправности для аккумуляторов солнечных энергосистем

Современные лучшие системы управления аккумуляторами комбинируют методы учёта кулонов с использованием фильтров Калмана, обеспечивая точность определения состояния заряда (SOC) в пределах ±3 %. Одновременно они отслеживают состояние здоровья аккумулятора (SOH), анализируя, насколько снижается ёмкость со временем. Такая комбинация предоставляет операторам два уровня информации, позволяющие прогнозировать возникновение проблем до их появления. Когда отдельные элементы начинают демонстрировать разницу напряжений свыше 50 мВ или когда разница температур между модулями превышает 4 °C, система снижает скорость зарядки и выдаёт предупреждения о необходимости технического обслуживания. Эти детальные диагностические проверки предотвращают накопление мелких неисправностей со временем, что фактически увеличивает срок службы аккумуляторов примерно на 40 % по сравнению со старыми системами, не осуществляющими активный мониторинг. Более новые версии становятся ещё умнее: они используют данные о прошлой эксплуатации для оценки срока окончания срока службы аккумуляторов за три месяца до его наступления. Такое прогнозирование помогает установщикам солнечных электростанций более эффективно планировать замену оборудования, а не ждать полного выхода его из строя.

Обязательные регуляторные сертификаты для аккумуляторов систем хранения солнечной энергии

Соответствие международным сертификатам безопасности является обязательным условием для установки аккумуляторов систем хранения солнечной энергии в жилых и коммерческих объектах. Эти стандарты снижают риски возникновения пожаров, обеспечивают надёжность эксплуатации и являются предварительными требованиями для подключения к электросети, получения разрешений и страхового покрытия.

Стандарты безопасности на уровне элементов и блоков: UL 1642, IEC 62619 и UN 38.3

Сертификация на уровне компонентов подтверждает базовую безопасность до интеграции в систему:

• UL 1642 подвергает литиевые элементы экстремальным условиям воздействия, включая принудительное короткое замыкание, перезарядку и испытания на сдавливание, чтобы проверить их конструктивную и тепловую целостность.
• МЭК 62619 устанавливает требования к безопасности промышленных литиевых аккумуляторов, предусматривая устойчивость к механическим нагрузкам, тепловому воздействию и аномальному заряду.
• ООН 38.3 подтверждает безопасность транспортировки путём проведения испытаний на моделирование высоты, вибрацию, удар и термоциклирование, предотвращающих утечки или тепловые события при перевозке.
  Производители должны продемонстрировать соответствие всем трём требованиям до перехода к оценке на уровне системы.

Соответствие на уровне системы: UL 9540, NFPA 855 и требования к безопасности подключения к электросети (IEEE 1547, NFPA 585)

Интеграция полной системы требует соблюдения взаимозависимых рамок обеспечения безопасности:

• UL 9540 оценивает интегрированное распространение пожара, электробезопасность и тепловой контроль в условиях имитации теплового разгона.
• NFPA 855 регулирует требования к физической установке, включая минимальные расстояния, вентиляцию, системы пожаротушения и пути эвакуации, с целью ограничения распространения пожара и обеспечения эффективного реагирования в чрезвычайных ситуациях.
• Стандарты подключения к электросети, такие как IEEE 1547 (для устойчивости к отклонениям напряжения и частоты и защиты от островного режима) и NFPA 585 (для быстрого отключения и обнаружения дугового разряда) обеспечивает безопасное отключение при возникновении неисправностей.
  По состоянию на 2024 год 37 штатов США включили стандарт NFPA 855 в свои электротехнические нормы, что делает его фактическим требованием для получения разрешений.

Улучшения, связанные с выбором материалов и проактивным мониторингом

Почему литий-железо-фосфат (LFP) является предпочтительной химией для более безопасных аккумуляторов солнечных энергосистем

LFP, сокращение от литий-железо-фосфата, сегодня является предпочтительным выбором для большинства решений в области накопления солнечной энергии благодаря высокой термической стабильности. Особенность этого материала — уникальная оливиновая кристаллическая структура, которая фактически препятствует выделению кислорода даже при очень высоких температурах. Это означает, что аккумуляторы на основе LFP значительно безопаснее по сравнению с батареями, содержащими никель или кобальт, которые склонны к возгоранию. Согласно реальным отчётам с объектов эксплуатации, количество инцидентов, связанных с возгоранием, при использовании технологии LFP снижается примерно на 60 процентов. У этих аккумуляторов есть и множество других преимуществ: они выдерживают значительно большее число циклов зарядки-разрядки до выхода из строя, хорошо сохраняют напряжение в течение длительного времени и надёжно функционируют даже при довольно высоких температурах — до примерно 55 °C. Такая термостойкость имеет большое значение для солнечных установок на крышах зданий или в открытых условиях, где перегрев может стать серьёзной проблемой.

Дистанционное тепловизионное наблюдение, обнаружение аномалий на основе искусственного интеллекта и автоматическая система оповещения

Профилактический мониторинг добавляет критически важный уровень защиты, выходящий за рамки аппаратных средств и систем управления батареями (BMS):

• Инфракрасное тепловизионное изображение обеспечивает непрерывное бесконтактное картирование температуры поверхности, позволяя выявлять «горячие точки» до того, как они перейдут в аварийный режим.
• Аналитика на основе ИИ сопоставляет дрейф напряжения, сдвиги импеданса и тепловые тенденции по модулям для выявления аномалий, недоступных для обнаружения пороговыми системами оповещения.
• Автоматическое оповещение направляет техникам уведомления с контекстной диагностикой, что позволяет проводить вмешательство до того, как незначительные отклонения перерастут в отказы.
  Такой подход снижает объём незапланированных простоев на 34 % в парках аккумуляторных систем хранения энергии для солнечных электростанций и существенно уменьшает зависимость от реактивного технического обслуживания, повышая долгосрочную безопасность и надёжность.

Часто задаваемые вопросы

• Что вызывает термический разгон в литий-ионных аккумуляторах для систем хранения солнечной энергии?

  Термический разгон может возникать из-за внутренних неисправностей в элементах аккумуляторов, внешних повреждений или естественного износа. Он представляет собой цепную реакцию нагрева, усугубляющую проблему, зачастую инициируемую внутренними короткими замыканиями.

• Что такое сертификация UL 9540A и почему она важна?

  Сертификация UL 9540A включает обширные огневые испытания для оценки распространения теплового разгона в системах солнечных аккумуляторов. Системы, имеющие данную сертификацию, оснащены огнестойкими корпусами и другими средствами безопасности, предотвращающими передачу тепла между модулями.

• Как система управления аккумуляторами (BMS) повышает безопасность аккумуляторов?

  BMS контролирует перезаряд, глубокий разряд, короткое замыкание и изоляцию, обеспечивая оптимальную работу аккумуляторов и предотвращая опасные ситуации.

• Какие преимущества использования литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторов в системах солнечного хранения энергии?

  LFP-аккумуляторы обеспечивают термическую стабильность благодаря своей уникальной структуре, что снижает риск возгорания и обеспечивает более длительный срок службы по сравнению с другими химическими составами, такими как никель или кобальт.