ระบบจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าต่ำมีความปลอดภัยแค่ไหนเมื่อใช้ในบ้าน

เข้าใจความเป็นจริงด้านความปลอดภัยของแรงดันต่ำสำหรับระบบกักเก็บพลังงานในบ้าน

เหตุใด 'แรงดันต่ำ' จึงไม่ได้หมายถึง 'ไม่มีความเสี่ยง': สรีรวิทยาของมนุษย์และพฤติกรรมของกระแสลัดวงจร

ระบบแรงดันต่ำอาจทำงานที่ระดับต่ำกว่า 50 โวลต์ AC หรือ 120 โวลต์ DC ตามแนวทางของ NEC แต่อย่าให้ตัวเลขเหล่านี้ทำให้เข้าใจผิดเกี่ยวกับความปลอดภัย ร่างกายของเรามีปฏิกิริยาต่อกระแสไฟฟ้าอย่างน่าประหลาดใจแม้ในระดับต่ำเพียงเล็กน้อย กระแสเพียง 5 มิลลิแอมป์ที่ไหลผ่านผิวหนังสามารถทำให้กล้ามเนื้อเกร็งจนบุคคลนั้นไม่สามารถปล่อยสายไฟที่มีไฟฟ้าได้ และเมื่อกระแสอยู่ที่ประมาณ 50 มิลลิแอมป์? นั่นเพียงพอที่จะทำให้จังหวะการเต้นของหัวใจผิดปกติอย่างรุนแรง ปัญหาเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นเมื่อมีบางสิ่งผิดพลาดกับระบบ เช่น เมื่อฉนวนไฟฟ้าเสื่อมสภาพหรือเกิดข้อผิดพลาดของการต่อพื้นดินบนพื้นผิวเช่นพื้นคอนกรีตเปียกชื้นหรือโต๊ะทำงานโลหะ ทันใดนั้น ระบบ DC 48 โวลต์ก็อาจกลายเป็นอันตรายได้ เนื่องจากความต้านทานการสัมผัสลดลงถึงระดับอันตรายที่ประมาณ 480 โอห์ม ทำให้กระแส 100 มิลลิแอมป์ไหลผ่านได้อย่างอิสระ นอกจากนี้ยังมีปัจจัยความร้อนที่ไม่มีใครคาดคิด อาร์กแฟลชในระบบที่มีแรงดันต่ำกว่านี้สามารถทำให้อุณหภูมิพุ่งสูงเกิน 3,500 องศาเซลเซียสได้ทันที ทำให้วัตถุใกล้เคียงเกิดเพลิงไหม้ ดังนั้น อย่าไปสนใจสิ่งที่คนทั่วไปคิดเกี่ยวกับหมวดหมู่แรงดัน สิ่งที่ควรปฏิบัติ เช่น การใช้ฉนวนอย่างเหมาะสม การต่อพื้นดินให้ถูกต้อง และการตอบสนองต่อข้อผิดพลาดอย่างรวดเร็ว ไม่ใช่เพียงคำแนะนำสำหรับช่างไฟฟ้าที่ทำงานกับระบบนี้เท่านั้น แต่เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง โดยไม่สำคัญว่าแหล่งจ่ายไฟจะเข้าข่ายคำจำกัดความแบบดั้งเดิมของแรงดันสูงหรือไม่

เกณฑ์แรงดันไฟฟ้าในบริบทที่อยู่อาศัย: 48V DC เป็นมาตรฐานเชิงปฏิบัติสำหรับระบบกักเก็บพลังงานแบบแรงดันต่ำ

ระบบกักเก็บพลังงานสำหรับที่อยู่อาศัยเริ่มใช้แรงดัน 48V DC กันอย่างแพร่หลายเป็นเกณฑ์ด้านความปลอดภัย โดยช่วยถ่วงดุลระหว่างความหนาแน่นของพลังงานกับความเสี่ยงที่ต่ำกว่าตามธรรมชาติ แรงดันนี้อยู่ต่ำกว่าเกณฑ์ 60V DC ซึ่งมาตรฐานสากลอย่าง IEC 61140 กำหนดให้ต้องมีมาตรการป้องกันเพิ่มเติม เมื่อเทียบกับทางเลือกที่ใช้แรงดันสูงกว่า ระบบ 48V มีข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยที่วัดผลได้:

การจัดประเภทวงจร NEC Class 2 ยังสนับสนุนแนวทางนี้โดยจำกัดกำลังขาออกที่ 100W ซึ่งจำกัดพลังงานข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น และช่วยให้ติดตั้งได้ง่ายและปลอดภัยยิ่งขึ้นสำหรับผู้ใช้ทั่วไป โดยยังคงตอบสนองความต้องการพื้นฐานสำหรับการสำรองไฟฟ้าในบ้านได้

ความปลอดภัยจากภาวะความร้อนล้นและการเกิดเพลิงไหม้ในแบตเตอรี่แรงดันต่ำสำหรับที่อยู่อาศัย

เคมีมีบทบาทสำคัญ: ความเสถียรทางความร้อนของ LiFePO₄ เทียบกับ NMC ภายใต้สภาวะการใช้งานผิด (UL 9540A)

เคมีที่อยู่เบื้องหลังแบตเตอรี่มีบทบาทสำคัญต่อระดับความปลอดภัยเมื่อติดตั้งในบ้านพร้อมระบบกักเก็บพลังงานแรงดันต่ำ ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต หรือ LiFePO4 ตามที่เรียกกันทั่วไป ไม่เข้าสู่ภาวะการเพิ่มอุณหภูมิอย่างควบคุมไม่ได้ เนื่องจากโครงสร้างผลึกโอลิวีนที่มีความเสถียร แบตเตอรี่ชนิดนี้สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงเกิน 260 องศาเซลเซียส ซึ่งเทียบได้ประมาณ 500 องศาฟาเรนไฮต์ ได้อย่างดี ในทางกลับกัน เซลล์นิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ มักจะเสื่อมสภาพอย่างรุนแรงเมื่ออุณหภูมิถึงประมาณ 200 องศาเซลเซียส เมื่อเกิดความผิดพลาด เซลล์ NMC เหล่านี้อาจพุ่งสูงถึงอุณหภูมิมากกว่า 900 องศาเซลเซียส และบางครั้งอาจแตะระดับ 1,652 องศาฟาเรนไฮต์ในสถานการณ์เลวร้ายที่สุด การทดสอบตามมาตรฐาน UL 9540A ยืนยันข้อมูลนี้ โดยแสดงให้เห็นว่าเซลล์ LiFePO4 มักจะเสียหายเฉพาะจุดโดยไม่แพร่ปัญหาไปยังส่วนอื่นๆ แต่โมดูล NMC มีแนวโน้มที่จะทำให้ปัญหาลุกลามไปทั่วระบบในประมาณ 8 จาก 10 กรณีระหว่างการทดสอบ เนื่องจากการติดตั้งในบ้านส่วนใหญ่ใช้วิธีระบายความร้อนแบบพาสซีฟและมีพื้นที่จำกัด ความเสถียรตามธรรมชาติของ LiFePO4 จึงทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับการประยุกต์ใช้งาน ESS แรงดันต่ำ ซึ่งหมายความว่าเจ้าของบ้านไม่จำเป็นต้องใช้ระบบจัดการอุณหภูมิเชิงกระตือรือร้นที่ซับซ้อนเพื่อรักษาระดับความปลอดภัยในการทำงาน

การออกแบบตู้หุ้มและควบคุมการแพร่กระจายในระบบแรงดันต่ำแบบกะทัดรัด

การออกแบบกล่องหุ้มที่ดีมีความสำคัญอย่างมากในการป้องกันการล้มเหลวของระบบจัดเก็บพลังงานสำหรับบ้านขนาดเล็ก เทคโนโลยีการออกแบบแบบหลายชั้นในปัจจุบันมักประกอบด้วยอุปสรรคกันความร้อนเซรามิกพร้อมช่องระบายแรงดันที่ทำงานอัตโนมัติ เพื่อจัดการผลพลอยได้จากการเผาไหม้อย่างเหมาะสม หากภายในร้อนเกินไปหรือแรงดันเพิ่มสูงเกินระดับปลอดภัย ช่องระบายไฟพิเศษจะเบนทิศทางแก๊สร้อนให้ไหลออกไปจากส่วนอื่นๆ ของระบบ ในขณะเดียวกัน ซีลแบบพองตัว (intumescent seals) จะเริ่มขยายตัวเพื่อสร้างกำแพงกั้นรอบโมดูลที่เสียหาย การทดสอบจริงแสดงให้เห็นว่า เมื่อมีคุณสมบัติเหล่านี้ ไฟจะลุกลามไปยังเซลล์ใกล้เคียงได้น้อยกว่า 5% ระหว่างเหตุการณ์ความร้อนสูงเกิน รวมกับการตรวจสอบอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องในกลุ่มเซลล์ต่างๆ ทำให้ได้โซลูชันทางวิศวกรรมที่สามารถจำกัดปัญหาไว้ภายในขีดจำกัดความปลอดภัยตามมาตรฐาน UL แม้แต่ในพื้นที่แคบที่ระบบเหล่านี้มักติดตั้ง เช่น ห้องเครื่องหรือมุมโรงรถ

คุณสมบัติความปลอดภัยที่สําคัญ: BMS, การติดตาม และการตรวจพบความผิดพลาดในระยะแรก

นอก โวลเตชั่น: การตรวจพบการบวม, การคอรซิโอ, และความผิดพลาดในการเชื่อมต่อใน ESS โวลเตชั่นต่ํา

การพิจารณาเพียงระดับแรงดันอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอต่อความปลอดภัยในระบบกักเก็บพลังงานไฟฟ้าแรงต่ำ สิ่งที่สำคัญจริงๆ เกิดขึ้นทางด้านกายภาพก่อนเสมอ นานก่อนที่ปัญหาทางไฟฟ้าจะปรากฏบนมิเตอร์ เช่น การบวมของเซลล์ เมื่อเซลล์เริ่มขยายตัว หมายความว่ามีแก๊สสะสมอยู่ภายในและเกิดความเครียดเชิงกล ซึ่งอาจนำไปสู่การแตกได้หากไม่ได้รับการตรวจสอบ ระบบสมัยใหม่ตอนนี้ใช้เซ็นเซอร์ตรวจจับแรงร่วมกับการตรวจสอบแรงดันอย่างระมัดระวัง เพื่อตรวจพบปัญหาเหล่านี้แต่เนิ่นๆ อีกหนึ่งปัญหาใหญ่คือ การกัดกร่อนที่จุดต่อซึ่งทำให้ความต้านทานระหว่างชิ้นส่วนเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดจุดร้อนที่อาจไม่กระตุ้นสัญญาณเตือนแรงดันปกติ แต่ยังคงเป็นอันตรายต่อการเกิดเพลิงไหม้ต่อวัสดุใกล้เคียง และอย่าลืมจุดต่อหลวมด้วย เพราะจะก่อให้เกิดอาร์กไฟขนาดเล็กที่สร้างความร้อนพุ่งสูงขึ้นอย่างฉับพลัน ก่อนที่สถานการณ์จะเสียควบคุม ระบบจัดการแบตเตอรี่รุ่นล่าสุดสามารถตรวจจับปัญหาทั้งหมดนี้ได้ผ่านเทคนิคขั้นสูง เช่น การทำแผนที่ความร้อนหลายจุด และเทคนิคที่เรียกว่า อิมพีแดนซ์สเปกโตรสโกปี (impedance spectroscopy) ระบบทั้งนี้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานแม้เพียงเล็กน้อยประมาณ 15% ทำไมสิ่งนี้ถึงสำคัญมาก? ตามรายงานปี 2023 จากสมาคมป้องกันอัคคีภัยแห่งชาติ (National Fire Protection Association) เกือบหนึ่งในสี่ของการล้มเหลวของระบบกักเก็บพลังงานในครัวเรือน ถูกสืบย้อนไปถึงปัญหาการเสื่อมสภาพทางกายภาพ แทนที่จะเป็นเพียงปัญหาโอเวอร์โวลเทจหรือโอเวอร์เคอร์เรนท์โดยตรง

คุณสมบัติพื้นฐานของระบบ BMS สำหรับระบบที่ใช้ไฟฟ้าแรงต่ำในบ้านเรือน

ระบบ BMS สำหรับบ้านเรือนที่มีประสิทธิภาพนั้นต้องทำได้มากกว่าการควบคุมแรงดันพื้นฐาน มันจะต้องสามารถให้:

• การติดตามแบบหลายพารามิเตอร์แบบเรียลไทม์ รวมถึงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเซลล์ ความต้านทานฉนวน การรั่วของกระแสไฟฟ้า และตัวชี้วัดสถานะสุขภาพของแบตเตอรี่
• อัลกอริธึมการทำนายความล้มเหลว ซึ่งได้รับการฝึกฝนจากลักษณะการเสื่อมสภาพในอดีต เพื่อคาดการณ์จุดหมดอายุการใช้งานหรือการเกิดความร้อนสะสม
• ตัวตัดการทำงานซ้ำระดับฮาร์ดแวร์ ที่สามารถแยกจุดผิดปกติได้ภายในไม่กี่มิลลิวินาทีเมื่อตรวจพบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิหรือการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้า
• การวินิจฉัยที่เชื่อมต่อกับคลาวด์ ที่ส่งการแจ้งเตือนจากระยะไกลและข้อมูลเชิงลึกที่สามารถดำเนินการได้ผ่านโปรโตคอล IoT ที่ปลอดภัย

เครื่องตรวจสอบแรงดันแบบเก่าไม่สามารถตอบสนองได้อีกต่อไปเมื่อเทียบกับระบบสมัยใหม่ที่คอยติดตามสิ่งที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่อยู่ตลอดเวลา ระบบที่ใหม่นี้จะเฝ้าสังเกตสิ่งต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของความต้านทานภายใน และการถ่ายเทความร้อนระหว่างส่วนต่างๆ ของชุดแบตเตอรี่ คุณค่าที่แท้จริงเกิดขึ้นเมื่อสามารถแก้ไขปัญหาแต่เนิ่นๆ ตัวอย่างเช่น หากระบบตรวจพบว่าเซลล์เริ่มพองตัว มันอาจลดกำลังไฟฟ้าที่ส่งผ่านบริเวณนั้นโดยอัตโนมัติก่อนที่จะเกิดเหตุการณ์ร้ายแรง นอกจากนี้ ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างฉับพลัน ข้อมูลจากอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่าประมาณ 78% เกิดขึ้นอย่างช้าๆ ในช่วงเวลาหลายสัปดาห์ไปจนถึงหลายเดือน การตรวจสอบอย่างละเอียดนี้จึงเปลี่ยนแนวทางการบำรุงรักษาแบตเตอรี่โดยสิ้นเชิง จากการซ่อมแซมหลังจากที่อุปกรณ์เสียหาย กลายมาเป็นการคาดการณ์ปัญหาก่อนที่จะกลายเป็นเรื่องร้ายแรง

การรับรอง มาตรฐานการติดตั้ง และมาตรการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม

การได้รับการรับรองที่ถูกต้องและการปฏิบัติตามกฎเกณฑ์ในการติดตั้งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการนำระบบกักเก็บพลังงานแรงดันต่ำมาใช้งานอย่างปลอดภัย การรับรองอิสระ เช่น UL 9540 สำหรับความปลอดภัยของระบบ, UL 1973 สำหรับสมรรถนะของเซลล์ และ NFPA 855 เกี่ยวกับการป้องกันอัคคีภัย ทำให้ผู้ออกแบบมีหลักฐานจากหน่วยงานภายนอกว่าระบบที่พวกเขาพัฒนาสามารถจัดการกับข้อผิดพลาดโดยไม่เกิดความล้มเหลวได้ ขณะติดตั้งระบบนี้ ช่างไฟฟ้าจำเป็นต้องปฏิบัติตามกฎระเบียบในท้องถิ่นด้วย ในอเมริกาเหนือ จะต้องปฏิบัติตาม NEC Article 706 ในขณะที่ภูมิภาคอื่นทั่วโลกจะใช้ IEC 62477 มาตรฐานเหล่านี้กำหนดให้ต้องใช้ชิ้นส่วนที่ได้รับการอนุมัติ ช่างผู้มีการฝึกอบรม และการทดสอบต่าง ๆ หลังการติดตั้ง รวมถึงการตรวจสอบความต้านทานของฉนวน การตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีพื้นที่เพียงพอสำหรับการระบายอากาศ และการยืนยันว่าตู้หรือเปลือกหุ้มยังคงสมบูรณ์ มองในภาพรวมระยะยาว ผู้ผลิตควรมีความห่วงใยต่อผลิตภัณฑ์ของตนตลอดอายุการใช้งาน บริษัทที่ดำเนินงานตามมาตรฐาน ISO 14001 จะผลิตสินค้าที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น และมีโปรแกรมสำหรับการรีไซเคิลอุปกรณ์เก่าอย่างเหมาะสม ตามสถิติอุตสาหกรรมล่าสุดเมื่อปีที่แล้ว พบว่าปัญหาด้านความปลอดภัยหลังการบริการประมาณสามในสี่เกิดจากการกำจัดระบบนี้อย่างไม่ถูกวิธี ด้วยเหตุนี้ การจัดการวงจรชีวิตของระบบตั้งแต่เริ่มเข้าสู่ตลาด การดำเนินงาน และในที่สุดเมื่อหมดอายุการใช้งาน ควรเป็นส่วนหนึ่งของแผนความปลอดภัยตั้งแต่เริ่มต้น

คำถามที่พบบ่อย

อะไรถือว่าเป็นแรงดันต่ำในระบบกักเก็บพลังงานสำหรับบ้าน

แรงดันต่ำในระบบกักเก็บพลังงานสำหรับบ้านมักหมายถึงระบบที่ทำงานที่ต่ำกว่า 50 โวลต์ AC หรือ 120 โวลต์ DC ตามแนวทางของ NEC

ทำไมจึงนิยมเลือกใช้ไฟฟ้ากระแสตรง 48V สำหรับระบบกักเก็บพลังงานในบ้าน

มักเลือกใช้ไฟฟ้ากระแสตรง 48V เพราะให้ความสมดุลระหว่างความหนาแน่นของพลังงานและความปลอดภัย โดยช่วยลดความเสี่ยงในการถูกช็อตและพลังงานอาร์คแฟลชได้อย่างมากเมื่อเทียบกับระบบแรงดันสูง

เคมีภัณฑ์ของแบตเตอรี่มีผลต่อการเกิดภาวะร้อนเกินควบคุมและการเกิดอัคคีภัยอย่างไร

แบตเตอรี่เช่น LiFePO4 มีแนวโน้มเกิดภาวะร้อนเกินควบคุมน้อยกว่าเนื่องจากโครงสร้างที่มีความมั่นคง เมื่อเทียบกับเซลล์ NMC ซึ่งอาจร้อนจัดจนเป็นอันตรายภายใต้ความเครียดจากความร้อน

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) มีบทบาทอย่างไรต่อความปลอดภัย

BMS มีความสำคัญต่อการตรวจสอบพารามิเตอร์หลายประการ การตรวจจับความผิดปกติแต่เนิ่นๆ และการรับประกันการดำเนินงานอย่างปลอดภัยโดยการแยกจุดขัดข้องอย่างรวดเร็ว