Aké bezpečnostné funkcie by mala mať batéria na ukladanie energie zo slnečných elektrární?

Prevencia tepelnej nestability a požiarny bezpečný dizajn

Ako vzniká tepelná nestabilita v batériách na ukladanie energie zo slnečných elektrární typu lithium-ion

Keď dôjde k tepelnej nestabilitě v batériách na ukladanie solárnej energie s lítiovými iónmi, zvyčajne sa to začína problémami vo vnútri samotných článkov, poškodením zo strany vonkajších zdrojov alebo len bežným opotrebovaním počas prevádzky. Ak sa teplota zvýši nad približne 80 °C (čo je približne 176 °F), elektrolyt sa rozkladá a uvoľňuje horľavé plyny spolu s ešte väčším množstvom tepla, čím vzniká takzvaná reťazová reakcia, ktorá sa udržuje samostatne. V miestach, kde je veľa týchto batérií umiestnených tesne vedľa seba, sa teplo rýchlo šíri na susedné články a niekedy dosahuje teploty vyššie než 400 °C (približne 752 °F) už za niekoľko sekúnd. Najčastejšou príčinou takýchto incidentov sú vnútorné skraty. Tieto skraty sa zvyčajne vyskytujú v dôsledku rastu dendrítov vo vnútri batérie alebo výrobných chýb. Podľa záznamov takéto príčiny predstavujú približne sedem z desiatich prípadov tepelnej nestability. Aby sa tomuto nebezpečnému procesu zabránilo, výrobcovia musia do konštrukcie zabudovať určité bezpečnostné opatrenia, napríklad separátory odolné voči vznieteniu, špeciálne prísady do elektrolytu s protipožiarnymi vlastnosťami a bariéry z epoxidovej pryskyrky, ktoré pomáhajú zamedziť šíreniu tepla medzi jednotlivými článkami.

Testovanie podľa normy UL 9540A a zmiernenie šírenia požiaru pri inštaláciách batérií na ukladanie energie zo slnečných elektrární

Získanie certifikácie UL 9540A znamená absolvovanie rozsiahlych skúšok požiarnej odolnosti, ktoré skúmajú, ako sa tepelný rozbeh šíri v komerčných systémoch akumulácie energie pre solárne batérie. Proces skúšania vytvára scenáre predstavujúce najhoršie možné poruchy, napríklad keď niečo ostré prepichne batérie alebo keď sú prebité. Tieto skúšky vyhodnocujú napríklad rýchlosť nárastu teploty, aké plyny sa uvoľňujú a či sa požiar môže preniesť z jedného modulu na iný. Batériové systémy, ktoré splnia tento štandard, sú vybavené zabudovanými bezpečnostnými funkciami, vrátane špeciálnych nehorľavých obalov okolo každého modulu, ventilov na bezpečné uvoľnenie tlaku a bariér, ktoré bránia prenosu tepla medzi modulmi. Nezávislé skúšky ukázali, že väčšina certifikovaných systémov dokáže nebezpečné tepelné udalosti obmedziť len na jeden modul približne v 99 prípadoch zo 100. Pri inštalácii týchto batérií v interiéroch alebo v tesných priestoroch, kde je medzi jednotkami málo miesta, je vhodné použiť vybavenie certifikované podľa normy UL 9540A – nielen preto, lebo to vyžadujú predpisy, ale aj preto, lebo v praxi skutočne zníži riziká. Mnohí manažéri prevádzok uviedli, že po prechode na tieto bezpečnejšie systémy došlo k poklesu počtu incidentov.

Inteligentná elektrická ochrana prostredníctvom systému riadenia batérií (BMS)

Kľúčové funkcie BMS: ochrana pred prebitím, vybitím, skratom a monitorovanie izolácie

Systém na správu batérií (BMS) funguje ako mozog pre batérie na ukladanie energie zo slnečných panelov s technológiou litium-iónov, pričom riadi štyri kľúčové funkcie bezpečnosti, ktoré zabezpečujú hladký chod. Keď sa batéria nadmierne nabíja, BMS proces zastaví pri približne 3,65 V na bunku, pretože prekročenie tejto hodnoty môže spôsobiť nebezpečné vytváranie litiových vrstiev (lithium plating), čo môže viesť k problémom s prehrievaním. Na druhej strane, ak sa batéria vybíja pod približne 2,5 V na bunku, systém sa znova aktivuje a zastaví ďalšie vybíjanie, pretože to môže poškodiť vnútorné komponenty a trvalo znížiť životnosť batérie. Pri skratoch nastáva reakcia takmer okamžite, keď prúd presiahne trojnásobok normálnej hodnoty, pričom sa používajú špeciálne prepínače na bezpečné prerušenie toku elektrickej energie. Systém tiež neustále kontroluje odpor izolácie medzi aktívnymi časťami a kovovým puzdrom a hľadá akékoľvek poklesy pod 100 ohmov na volt, ktoré signalizujú prvé príznaky opotrebovania. Polní správy z veľkých aj domácich inštalácií v USA ukazujú, že tieto viacvrstvové ochranné mechanizmy za posledné roky znížili počet elektrických nehôd približne o dve tretiny.

Sledovanie stavu nabitia (SOC) a stavu zdravia (SOH) v reálnom čase a prediktívna reakcia na poruchy pre batériu na ukladanie slnečnej energie

Najlepšie systémy na správu batérií dnes kombinujú techniky počítania coulombov s Kalmanovými filtrami, aby udržali presnosť stavu nabitia (SOC) približne v rozmedzí ±3 %. Súčasne sledujú stav zdravia batérie (SOH) sledovaním toho, ako sa kapacita postupne znižuje v čase. Táto kombinácia poskytuje prevádzkovateľom dva vrstvy informácií, ktoré pomáhajú predpovedať problémy ešte predtým, než vzniknú. Keď jednotlivé články začnú vykazovať rozdiely napätia vyššie ako 50 milivoltov alebo keď je medzi modulmi rozdiel teploty vyšší ako 4 °C, systém zníži rýchlosť nabíjania a vyšle upozornenia na potrebnú údržbu. Tieto podrobné diagnostické kontroly zabránia tomu, aby sa malé problémy postupne hromadili v čase, čo môže v skutočnosti predĺžiť životnosť batérie približne o 40 % v porovnaní so staršími systémami, ktoré neprebiehajú aktívne monitorovanie. Novšie verzie sa stávajú ešte inteligentnejšími – využívajú údaje o predchádzajúcom výkone na odhadnutie, kedy batérie dosiahnu svoj koniec životnosti približne tri mesiace vopred. Tento druh predikcie pomáha inštalatérom solárnych systémov lepšie plánovať výmenu batérií namiesto toho, aby čakali, kým sa niečo úplne pokazí.

Povinné regulačné certifikácie pre batérie na ukladanie energie zo slnečných elektrární

Dodržiavanie medzinárodných bezpečnostných certifikácií je nevyhnutné pre inštalácie batérií na ukladanie energie zo slnečných elektrární v domácnostiach a komerčných priestoroch. Tieto normy znižujú riziko požiaru, zaisťujú spoľahlivosť prevádzky a sú predpokladom pre pripojenie k elektrizačnej sieti, vydanie povolení a poisťovacie krytie.

Bezpečnostné normy na úrovni článkov a batériových balíkov: UL 1642, IEC 62619 a UN 38.3

Certifikácie na úrovni komponentov potvrdzujú základnú bezpečnosť ešte pred integráciou do systému:

• UL 1642 podrobuje lítiové články extrémnym podmienkam zneužitia vrátane núteného skratu, prebitia a testov stlačenia, aby sa overila ich štrukturálna a tepelná celistvosť.
• IEC 62619 stanovuje bezpečnostné požiadavky pre priemyselné lítiové batérie a vyžaduje odolnosť voči mechanickému zaťaženiu, tepelnému zneužitiu a neobvyklému nabíjaniu.
• UN 38.3 potvrdzuje bezpečnú prepravu tým, že vyžaduje testy simulácie nadmorskej výšky, vibrácií, nárazov a tepelného cyklovania, aby sa zabránilo úniku alebo tepelným udalostiam počas prepravy.
  Výrobcovia musia preukázať súlad so všetkými troma požiadavkami, než prejdú na hodnotenie na úrovni systému.

Súlad na úrovni systému: UL 9540, NFPA 855 a bezpečnosť pripojenia k sieti (IEEE 1547, NFPA 585)

Komplexná integrácia celého systému vyžaduje dodržiavanie navzájom prepojených bezpečnostných rámcov:

• UL 9540 hodnotí integrované šírenie požiaru, elektrickú bezpečnosť a tepelné riadenie za simulovaných podmienok tepelnej degradácie.
• NFPA 855 upravuje požiadavky na fyzickú inštaláciu, vrátane minimálnych vzdialeností, vetrania, protipožiarnej ochrany a možností evakuácie, aby sa obmedzilo šírenie požiaru a uľahčila núdzová intervencia.
• Normy pre pripojenie k sieti, ako napríklad IEEE 1547 (pre odolnosť voči výpadkom napätia a frekvencie a proti izolácii siete) a NFPA 585 (pre rýchle vypnutie a detekciu oblúkovej poruchy) zabezpečuje bezpečné odpojenie v prípade porúch.
  K roku 2024 prijalo normu NFPA 855 do svojich elektrotechnických predpisov 37 štátov USA, čím sa stala de facto požiadavkou pre vydanie povolenia.

Výber materiálov a vylepšenia preventívneho monitorovania

Prečo je litium-železo-fosfát (LFP) uprednostňovanou chemickou zložkou pre bezpečnejšie batérie na ukladanie energie zo slnečných elektrární

LFP, čo je skratka pre litium-železo-fosfát, sa dnes stalo najobľúbenejšou voľbou pre väčšinu riešení na ukladanie energie zo slnečných elektrární vzhľadom na svoju výnimočnú tepelnú stabilitu. Špeciálnu vlastnosť tohto materiálu predstavuje jeho jedinečná olivínová kryštálová štruktúra, ktorá efektívne bráni úniku kyslíka aj pri extrémne vysokých teplotách. To znamená, že batérie typu LFP sú výrazne bezpečnejšie v porovnaní s batériami obsahujúcimi nikl alebo kobalt, ktoré majú vyššiu tendenciu k vzniku požiarov. Podľa skutočných polních správ majú inštalácie využívajúce technológiu LFP približne o 60 percent menej prípadov požiarov. Existuje tiež mnoho ďalších výhod. Tieto batérie vydržia výrazne viac cyklov nabíjania pred tým, než sa opotrebujú, ich napätie sa v priebehu času veľmi dobre udržiava a spoľahlivo fungujú aj za relatívne vysokých teplôt až okolo 55 °C. Takáto odolnosť voči teplu je mimoriadne dôležitá pre slnečné elektrárne umiestnené na strechách alebo vonku, kde môže byť prebytok tepla závažným problémom.

Diaľkové termografické snímanie, detekcia anomálií riadená umeľnou inteligenciou a automatické upozorňovanie

Proaktívne monitorovanie pridáva kritickú vrstvu ochrany nad rámec hardvérových a BMS kontrol:

• Infradukový termálny obraz poskytuje nepretržité, bezkontaktné mapovanie povrchovej teploty na identifikáciu horúcich miest, kým sa nezhoršia.
• Analytika riadená umelou inteligenciou koreluje posuny napätia, zmeny impedancie a tepelné trendy v rámci modulov, aby odhalilo anomálie, ktoré sú pre alarmy založené na prahových hodnotách neviditeľné.
• Automatické upozorňovanie zabezpečuje oznámenia technikom s kontextovou diagnostikou, čo umožňuje zásah, kým sa malé odchýlky nezmenia na poruchy.
  Tento prístup zníži neplánované výpadky o 34 % v parkoch batérií na ukladanie slnečnej energie a výrazne zníži závislosť od reaktívnych údržbových plánov, čím sa posilní dlhodobá bezpečnosť a spoľahlivosť.

Často kladené otázky

• Čo spôsobuje tepelný rozbeh v batériách na ukladanie slnečnej energie s lítiovými iónmi?

  Tepelný rozbeh môže nastať v dôsledku vnútorných problémov v batériových článkoch, vonkajšieho poškodenia alebo bežného opotrebovania. Ide o reťazovú reakciu tepla, ktorá zhoršuje problém, často spustenú vnútornými skratmi.

• Čo je certifikácia UL 9540A a prečo je dôležitá?

  Certifikácia UL 9540A zahŕňa rozsiahle požiarne skúšky na posúdenie toho, ako sa tepelný rozbeh šíri v solárnych batériových systémoch. Systémy s týmto certifikátom obsahujú požiarnootporne obaly a ďalšie bezpečnostné prvky, ktoré bránia prenosu tepla medzi modulmi.

• Ako systém riadenia batérie (BMS) zvyšuje bezpečnosť batérie?

  BMS riadi prenapíjanie, podnapíjanie, skrat a monitorovanie izolácie, aby udržiaval optimálny výkon batérie a predchádzal nebezpečným situáciám.

• Aké sú výhody používania batérií s litium-železo-fosfátovou (LFP) chemiou v solárnom úložisku?

  LFP batérie ponúkajú tepelnú stabilitu vďaka svojej jedinečnej štruktúre, čím sa zníži riziko vzniku požiarov a zároveň poskytujú dlhšie životné cykly v porovnaní s inými chemickými zloženiami, napríklad s niklom alebo kobaltom.