แบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ควรมีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยอะไรบ้าง

การป้องกันภาวะร้อนล้น (Thermal Runaway) และการออกแบบที่ปลอดภัยจากไฟไหม้

ภาวะร้อนล้น (thermal runaway) เกิดขึ้นอย่างไรในแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดลิเธียมไอออน

เมื่อเกิดภาวะการลุกลามอย่างรุนแรงจากความร้อน (thermal runaway) ในแบตเตอรี่สำรองพลังงานแสงอาทิตย์แบบลิเธียมไอออน มักเริ่มต้นจากปัญหาภายในเซลล์เอง ความเสียหายที่เกิดจากแหล่งภายนอก หรือแม้แต่การสึกหรอตามปกติระหว่างการใช้งาน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นกว่าประมาณ 80 องศาเซลเซียส (ซึ่งเทียบเท่ากับประมาณ 176 องศาฟาเรนไฮต์) อิเล็กโทรไลต์จะสลายตัวและปลดปล่อยก๊าซที่ติดไฟได้พร้อมกับความร้อนเพิ่มเติม จนเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ดำเนินไปด้วยตนเองอย่างต่อเนื่อง ในสถานที่ที่มีการจัดเรียงแบตเตอรี่เหล่านี้จำนวนมากไว้ใกล้ชิดกัน ความร้อนจะแพร่กระจายอย่างรวดเร็วไปยังเซลล์ข้างเคียง บางครั้งทำให้อุณหภูมิสูงเกิน 400 องศาเซลเซียส (หรือประมาณ 752 องศาฟาเรนไฮต์) ภายในไม่กี่วินาที โดยทั่วไปแล้ว เหตุการณ์ดังกล่าวมักเกิดจากวงจรลัดภายใน (internal short circuits) ซึ่งมักเกิดจากการเจริญเติบโตของโครงสร้างทรงเข็ม (dendrites) ภายในแบตเตอรี่ หรือข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิต ตามสถิติ ปัญหาดังกล่าวคิดเป็นประมาณเจ็ดในสิบกรณีของภาวะการลุกลามอย่างรุนแรงจากความร้อน เพื่อหยุดยั้งกระบวนการอันตรายนี้ ผู้ผลิตจำเป็นต้องออกแบบมาตรการความปลอดภัยที่เหมาะสม เช่น แผ่นกั้น (separators) ที่ไม่ติดไฟ สารเติมแต่งพิเศษในอิเล็กโทรไลต์ที่ทนต่อการลุกไหม้ และกำแพงกั้นที่ทำจากเรซินอีพอกซี ซึ่งช่วยป้องกันการแพร่กระจายของความร้อนระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์

การทดสอบตามมาตรฐาน UL 9540A และการลดการลุกลามของไฟสำหรับระบบแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์

การได้รับการรับรองมาตรฐาน UL 9540A หมายถึงการผ่านการทดสอบด้านการเกิดเพลิงไหม้ที่เข้มงวดซึ่งประเมินวิธีการแพร่กระจายของภาวะความร้อนล้น (thermal runaway) ในระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่สำหรับโซลาร์เซลล์เชิงพาณิชย์ กระบวนการทดสอบนี้สร้างสถานการณ์จำลองที่สะท้อนความล้มเหลวที่รุนแรงที่สุด เช่น เมื่อวัตถุแข็งมีคมทิ่มทะลุแบตเตอรี่ หรือเมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จไฟเกินขีดจำกัด ในการทดสอบเหล่านี้จะประเมินปัจจัยต่าง ๆ เช่น อัตราการสะสมความร้อน ประเภทของก๊าซที่ปล่อยออกมา และความสามารถของเปลวเพลิงในการลุกลามจากโมดูลหนึ่งไปยังอีกโมดูลหนึ่ง ระบบแบตเตอรี่ที่ผ่านมาตรฐานนี้จะมาพร้อมคุณสมบัติด้านความปลอดภัยในตัว ได้แก่ โครงหุ้มกันเพลิงพิเศษรอบแต่ละโมดูล ช่องระบายแรงดันที่ออกแบบให้ปล่อยแรงดันออกอย่างปลอดภัย และอุปสรรคกั้นความร้อนที่ป้องกันไม่ให้ความร้อนแพร่กระจายระหว่างโมดูลต่าง ๆ การทดสอบโดยหน่วยงานอิสระแสดงให้เห็นว่า ระบบส่วนใหญ่ที่ได้รับการรับรองสามารถควบคุมเหตุการณ์ความร้อนอันตรายให้อยู่ภายในโมดูลเดียวได้ประมาณ 99 ครั้งจากทั้งหมด 100 ครั้ง เมื่อติดตั้งแบตเตอรี่เหล่านี้ภายในอาคารหรือในพื้นที่จำกัดที่มีระยะห่างระหว่างหน่วยงานน้อย การเลือกใช้อุปกรณ์ที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน UL 9540A จึงเป็นทางเลือกที่เหมาะสมทั้งในเชิงกฎระเบียบที่กำหนดไว้ และในทางปฏิบัติที่ช่วยลดความเสี่ยงจริงได้ ผู้จัดการสถานที่หลายคนรายงานว่าเกิดเหตุการณ์ไม่พึงประสงค์น้อยลงหลังเปลี่ยนมาใช้ระบบที่มีความปลอดภัยสูงขึ้นเหล่านี้

การป้องกันระบบไฟฟ้าอย่างชาญฉลาดผ่านระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

ฟังก์ชันสำคัญของ BMS: การชาร์จเกิน, การคายประจุเกิน, การลัดวงจร และการตรวจสอบฉนวน

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management System: BMS) ทำหน้าที่เสมือนสมองของแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์แบบลิเทียมไอออน โดยควบคุมฟังก์ชันความปลอดภัยหลักสี่ประการเพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างราบรื่น เมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จจนเต็มเกินไป BMS จะหยุดกระบวนการชาร์จที่ระดับประมาณ 3.65 โวลต์ต่อเซลล์ เนื่องจากการชาร์จเกินระดับนี้อาจก่อให้เกิดปรากฏการณ์การสะสมของลิเทียม (lithium plating) ซึ่งเป็นอันตรายและอาจนำไปสู่ปัญหาความร้อนสูงผิดปกติ กลับกัน หากแบตเตอรี่ถูกปล่อยประจุลงต่ำกว่าประมาณ 2.5 โวลต์ต่อเซลล์ ระบบจะเข้าแทรกแซงอีกครั้งเพื่อหยุดการปล่อยประจุเพิ่มเติม เนื่องจากภาวะดังกล่าวอาจทำลายส่วนประกอบภายในและลดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่อย่างถาวร สำหรับกรณีลัดวงจร ระบบจะตอบสนองเกือบในทันทีทันใดเมื่อกระแสไฟฟ้าพุ่งสูงขึ้นเกินสามเท่าของระดับปกติ โดยใช้สวิตช์พิเศษตัดการไหลของกระแสไฟฟ้าอย่างปลอดภัย นอกจากนี้ ระบบยังตรวจสอบค่าความต้านทานฉนวนระหว่างส่วนที่มีไฟฟ้าไหลกับเปลือกโลหะอย่างต่อเนื่อง เพื่อตรวจหาค่าที่ลดลงต่ำกว่า 100 โอห์มต่อโวลต์ ซึ่งเป็นสัญญาณแรกเริ่มของความเสื่อมสภาพจากการใช้งาน รายงานภาคสนามจากทั้งโครงการขนาดใหญ่และระบบติดตั้งภายในบ้านในสหรัฐอเมริกาแสดงให้เห็นว่า ระบบป้องกันแบบหลายชั้นนี้สามารถลดอุบัติเหตุด้านไฟฟ้าลงได้ประมาณสองในสามในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

การติดตามสถานะ SOC/SOH แบบเรียลไทม์ และการตอบสนองต่อข้อบกพร่องล่วงหน้าสำหรับแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์

ระบบจัดการแบตเตอรี่ที่ดีที่สุดในปัจจุบันใช้เทคนิคการนับคูลอมบ์ร่วมกับตัวกรองคาลมาน (Kalman filters) เพื่อรักษาความแม่นยำของสถานะการชาร์จ (SOC) อยู่ที่ประมาณ ±3% พร้อมกันนี้ ระบบยังติดตามสถานะสุขภาพของแบตเตอรี่ (SOH) โดยวิเคราะห์การลดลงของความจุเมื่อเวลาผ่านไป การผสมผสานกันนี้ให้ข้อมูลสองระดับแก่ผู้ปฏิบัติงาน ซึ่งช่วยทำนายปัญหาล่วงหน้าก่อนที่จะเกิดขึ้นจริง เมื่อเซลล์แต่ละตัวเริ่มแสดงความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าเกิน 50 มิลลิโวลต์ หรือมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างโมดูลมากกว่า 4 องศาเซลเซียส ระบบจะลดความเร็วในการชาร์จลงและส่งสัญญาณแจ้งเตือนเพื่อให้ดำเนินการบำรุงรักษาทันที การตรวจสอบวินิจฉัยเชิงลึกเหล่านี้ช่วยป้องกันไม่ให้ปัญหาเล็กๆ สะสมกันไปเรื่อยๆ ซึ่งสามารถยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้ประมาณ 40% เมื่อเทียบกับระบบรุ่นเก่าที่ไม่มีการตรวจสอบแบบต่อเนื่อง นอกจากนี้ รุ่นใหม่ยังฉลาดยิ่งขึ้นอีกด้วย โดยใช้ข้อมูลประสิทธิภาพในอดีตเพื่อประเมินระยะเวลาที่แบตเตอรี่อาจถึงจุดหมดอายุการใช้งานล่วงหน้าประมาณสามเดือน ความสามารถในการพยากรณ์เช่นนี้ช่วยให้ผู้ติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์วางแผนการเปลี่ยนแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น แทนที่จะรอจนกว่าแบตเตอรี่จะเสียหายอย่างสมบูรณ์

ใบรับรองข้อบังคับที่จำเป็นสำหรับแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์

การปฏิบัติตามใบรับรองความปลอดภัยระดับสากลเป็นสิ่งที่ไม่อาจต่อรองได้สำหรับการติดตั้งแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในภาคครัวเรือนและเชิงพาณิชย์ มาตรฐานเหล่านี้ช่วยลดความเสี่ยงจากอัคคีภัย รับประกันความน่าเชื่อถือในการดำเนินงาน และเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเชื่อมต่อกับระบบสาธารณูปโภค การขออนุญาต และการคุ้มครองจากประกันภัย

มาตรฐานความปลอดภัยระดับเซลล์และระดับแพ็ก: UL 1642, IEC 62619 และ UN 38.3

ใบรับรองระดับชิ้นส่วนยืนยันพื้นฐานด้านความปลอดภัยก่อนการผสานรวมเข้ากับระบบทั้งระบบ:

• UL 1642 ทดสอบเซลล์ลิเธียมภายใต้สภาวะการใช้งานที่รุนแรงอย่างบังคับ เช่น การลัดวงจรแบบบังคับ การชาร์จเกิน และการบีบอัด เพื่อยืนยันความสมบูรณ์ของโครงสร้างและด้านอุณหภูมิ
• มอก.62619 กำหนดข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมเชิงอุตสาหกรรม โดยกำหนดให้มีความต้านทานต่อแรงเครื่องจักร ความร้อนที่รุนแรง และการชาร์จผิดปกติ
• UN 38.3 รับรองความปลอดภัยในการขนส่ง โดยกำหนดให้ต้องผ่านการทดสอบจำลองระดับความสูง การสั่นสะเทือน การกระแทก และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบไซคลิก เพื่อป้องกันการรั่วซึมหรือเหตุการณ์ความร้อนระหว่างการจัดส่ง
  ผู้ผลิตต้องแสดงให้เห็นถึงความสอดคล้องตามข้อกำหนดทั้งสามข้อก่อนที่จะดำเนินการประเมินในระดับระบบ

ความสอดคล้องในระดับระบบ: UL 9540, NFPA 855 และมาตรฐานความปลอดภัยในการเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้า (IEEE 1547, NFPA 585)

การรวมระบบแบบครบวงจรต้องปฏิบัติตามกรอบความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องซึ่งกันและกัน:

• UL 9540 ประเมินการลุกลามของเพลิงแบบรวมระบบ ความปลอดภัยด้านไฟฟ้า และการจัดการความร้อนภายใต้สภาวะจำลองการล้มเหลวทางความร้อน (thermal runaway)
• NFPA 855 ควบคุมข้อกำหนดด้านการติดตั้งทางกายภาพ รวมถึงระยะห่างขั้นต่ำ การระบายอากาศ ระบบดับเพลิง และช่องทางหนีไฟ เพื่อจำกัดการลุกลามของเพลิงและอำนวยความสะดวกในการตอบสนองฉุกเฉิน
• มาตรฐานการเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้า เช่น IEEE 1547 (สำหรับความสามารถในการคงสภาพแรงดัน/ความถี่ขณะเกิดความผิดปกติ และป้องกันการเกาะตัวเป็นเกาะอิสระ) และ NFPA 585 (สำหรับการปิดระบบอย่างรวดเร็วและการตรวจจับอาร์ค-ฟอลต์) เพื่อให้มั่นใจว่าจะมีการตัดการเชื่อมต่ออย่างปลอดภัยในกรณีเกิดความผิดปกติ
  ณ ปี ค.ศ. 2024 มีรัฐของสหรัฐอเมริกา 37 รัฐที่ได้นำมาตรฐาน NFPA 855 ไปบังคับใช้ในข้อบังคับด้านไฟฟ้าของตน ทำให้มาตรฐานนี้กลายเป็นข้อกำหนดที่จำเป็นโดยพฤตินัยสำหรับการขออนุญาต

การปรับปรุงการเลือกวัสดุและการเฝ้าสังเกตการณ์เชิงรุก

เหตุใดลิเธียมไอรอนฟอสเฟต (LFP) จึงเป็นสารเคมีที่นิยมใช้มากที่สุดสำหรับแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีความปลอดภัยสูง

LFP ย่อมาจาก Lithium Iron Phosphate ปัจจุบันเป็นตัวเลือกอันดับหนึ่งสำหรับโซลูชันการจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ เนื่องจากมีความเสถียรทางความร้อนสูงมาก สิ่งที่ทำให้วัสดุชนิดนี้พิเศษคือโครงสร้างผลึกโอลิวีน (olivine) ที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งสามารถป้องกันการหลุดออกของออกซิเจนได้แม้ในสภาวะที่ร้อนจัดมาก หมายความว่าแบตเตอรี่ LFP มีความปลอดภัยสูงกว่าแบตเตอรี่ที่ผลิตจากนิกเกิลหรือโคบอลต์อย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากแบตเตอรี่ประเภทหลังมีแนวโน้มติดไฟได้ง่ายกว่า ตามรายงานจริงจากภาคสนาม ระบบที่ใช้เทคโนโลยี LFP มีเหตุการณ์เพลิงไหม้ลดลงประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ยังมีข้อดีอื่นๆ อีกมากมาย เช่น แบตเตอรี่เหล่านี้สามารถผ่านจำนวนรอบการชาร์จ-ปล่อยประจุได้มากกว่าก่อนจะสึกหรอ รักษาระดับแรงดันไฟฟ้าได้ดีในระยะยาว และทำงานได้อย่างเชื่อถือได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงถึงประมาณ 55 องศาเซลเซียส ความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิระดับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งบนหลังคาหรือกลางแจ้ง ซึ่งมักประสบปัญหาความร้อนสะสม

การถ่ายภาพความร้อนจากระยะไกล การตรวจจับความผิดปกติด้วยปัญญาประดิษฐ์ (AI) และการแจ้งเตือนอัตโนมัติ

การตรวจสอบเชิงรุกเพิ่มชั้นการป้องกันที่สำคัญเหนือการควบคุมด้วยฮาร์ดแวร์และระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS):

• การถ่ายภาพความร้อนด้วยอินฟราเรด ให้การแมปอุณหภูมิพื้นผิวแบบต่อเนื่องโดยไม่สัมผัส เพื่อระบุจุดร้อนก่อนที่ปัญหาจะลุกลาม
• การวิเคราะห์ขับเคลื่อนโดย AI เชื่อมโยงความผันแปรของแรงดันไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์ และแนวโน้มด้านอุณหภูมิทั่วทั้งโมดูล เพื่อตรวจจับความผิดปกติที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยระบบแจ้งเตือนแบบตั้งค่าเกณฑ์ขั้นต่ำ
• การแจ้งเตือนอัตโนมัติ ส่งการแจ้งเตือนไปยังช่างเทคนิคพร้อมข้อมูลวินิจฉัยเชิงบริบท ทำให้สามารถเข้าแทรกแซงก่อนที่ความเบี่ยงเบนเล็กน้อยจะพัฒนาเป็นความล้มเหลว
  แนวทางนี้ช่วยลดเวลาหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้ลง 34% สำหรับกองยานพลังงานแสงอาทิตย์แบบเก็บพลังงาน และลดการพึ่งพาตารางการบำรุงรักษาแบบตอบสนองเหตุการณ์อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งส่งผลให้ความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือในระยะยาวแข็งแกร่งยิ่งขึ้น

คำถามที่พบบ่อย

• อะไรคือสาเหตุของปรากฏการณ์ thermal runaway ในแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดลิเธียม-ไอออน?

  ปรากฏการณ์ thermal runaway อาจเกิดขึ้นได้จากปัญหาภายในเซลล์แบตเตอรี่ ความเสียหายจากภายนอก หรือการสึกหรอตามปกติ โดยเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาลูกโซ่ของความร้อนที่ทวีความรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ มักเริ่มต้นจากการลัดวงจรภายใน

• ใบรับรอง UL 9540A คืออะไร และทำไมจึงมีความสำคัญ?

  การรับรอง UL 9540A ประกอบด้วยการทดสอบการลุกลามของเปลวไฟอย่างเข้มงวด เพื่อประเมินว่าปรากฏการณ์ thermal runaway จะแพร่กระจายอย่างไรในระบบแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ ระบบที่ได้รับการรับรองนี้จะมีโครงสร้างห้องกันไฟและคุณสมบัติด้านความปลอดภัยอื่นๆ เพื่อป้องกันการถ่ายเทความร้อนระหว่างโมดูล

• ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ช่วยเพิ่มความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้อย่างไร?

  BMS ทำหน้าที่ควบคุมการชาร์จเกิน ปล่อยประจุเกิน วงจรลัด และการตรวจสอบฉนวน เพื่อรักษาประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม และป้องกันสถานการณ์อันตราย

• ข้อดีของการใช้แบตเตอรี่ Lithium Iron Phosphate (LFP) ในการจัดเก็บพลังงานจากแผงโซลาร์เซลล์คืออะไร?

  แบตเตอรี่ LFP มีเสถียรภาพทางความร้อนสูงเนื่องจากโครงสร้างเฉพาะตัว ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงในการเกิดเพลิงไหม้ และให้วงจรชีวิตที่ยาวนานกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่นๆ เช่น แบตเตอรี่ที่ใช้ไนเคิลหรือโคบอลต์