Які функції безпеки повинна мати акумуляторна батарея для зберігання сонячної енергії?

Запобігання термічному розбіженню та проектування, стійке до пожежі

Як відбувається термічне розбіжність у літій-іонних акумуляторних батареях для зберігання сонячної енергії

Коли в літій-іонних акумуляторах для сонячних енергосистем виникає тепловий розбіж, це зазвичай починається з внутрішніх проблем у самих елементах, пошкоджень, спричинених зовнішніми факторами, або просто зі звичайного зносу під час експлуатації. Як тільки температура піднімається вище приблизно 80 °C (що відповідає близько 176 °F), електроліт розкладається й виділяє легкозаймисті гази разом із додатковою кількістю тепла, створюючи, по суті, ланцюгову реакцію, яка продовжує розвиватися самостійно. У місцях, де велика кількість таких акумуляторів розташована щільно одна поруч з одною, тепло швидко поширюється на сусідні елементи, іноді піднімаючи температуру понад 400 °C (або приблизно 752 °F) за кілька секунд. Найчастіше ці інциденти спричинені внутрішніми короткими замиканнями. Такі замикання, як правило, виникають через ріст дендритів усередині акумулятора або через дефекти, допущені під час виробництва. Згідно з наявними даними, такі проблеми становлять приблизно сім із десяти випадків теплового розбігу. Щоб запобігти цьому небезпечному процесу, виробники повинні передбачити певні заходи безпеки: сепаратори, які не горять, спеціальні добавки до електроліту, що стійкі до полум’я, та перегородки з епоксидної смоли, які сприяють обмеженню поширення тепла між окремими елементами.

Випробування за стандартом UL 9540A та запобігання поширенню пожежі для систем зберігання енергії сонячних батарей

Отримання сертифікації UL 9540A означає проходження розширених вогневих випробувань, що досліджують поширення термічного розбіжного процесу в комерційних системах акумуляторних батарей для сонячної енергетики. У процесі випробувань створюються сценарії, які імітують найгірші можливі відмови — наприклад, прокол акумуляторів гострим предметом або їх перезарядження. Ці випробування перевіряють такі параметри, як швидкість нагрівання, склад виділюваних газів та здатність полум’я поширюватися з одного модуля на інший. Акумуляторні системи, що відповідають цьому стандарту, оснащені вбудованими засобами безпеки, зокрема спеціальними вогнестійкими корпусами навколо кожного модуля, клапанами для безпечного скидання тиску та тепловими бар’єрами, що запобігають передачі тепла між модулями. Незалежні випробування показали, що більшість сертифікованих систем у 99 випадках із 100 обмежують небезпечні термічні події всередині одного модуля. При монтажі таких акумуляторів у приміщеннях або в обмежених просторах, де відстань між одиницями мінімальна, використання обладнання, сертифікованого за UL 9540A, є доцільним як з регуляторних, так і з практичних міркувань: це вимагається нормативними актами й фактично зменшує ризики. Багато керівників об’єктів повідомили про зниження кількості інцидентів після переходу на ці більш безпечні системи.

Інтелектуальний електричний захист за допомогою системи управління акумулятором (BMS)

Ключові функції BMS: захист від перезарядження, розрядження до критичного рівня, короткого замикання та моніторинг ізоляції

Система управління акумулятором (BMS) виступає як «мозок» для акумуляторів літій-іонних сонячних енергосховищ, забезпечуючи керування чотирма ключовими функціями безпеки, що забезпечують стабільну роботу. Коли акумулятор заряджається надто сильно, BMS припиняє процес заряджання приблизно на рівні 3,65 В на елемент, оскільки перевищення цього порогу може спричинити небезпечне утворення літієвих плакунів, що, у свою чергу, може призвести до перегріву. З іншого боку, якщо напруга на елементі падає нижче приблизно 2,5 В, система знову включається, щоб запобігти подальшому розряджанню, оскільки це може пошкодити внутрішні компоненти й постійно скоротити термін служби акумулятора. У разі короткого замикання реакція відбувається практично миттєво, коли струм перевищує нормальний рівень утричі, і спеціальні перемикачі відключають потік електроенергії безпечно. Система також постійно контролює опір ізоляції між активними частинами та металевим корпусом, виявляючи будь-яке зниження нижче 100 Ом на вольт — це може свідчити про ранні ознаки зносу. Польові звіти як від великомасштабних, так і від побутових установок у США свідчать, що ці багаторівневі заходи захисту зменшили кількість електричних аварій приблизно на дві третини за останні роки.

Відстеження SOC/SOH у реальному часі та прогнозування відповіді на несправності для акумуляторів сонячних енергосховищ

Найкращі сьогодні системи управління акумуляторами поєднують методи підрахунку кулонів з фільтрами Калмана, щоб забезпечити точність визначення стану заряду (SOC) у межах ±3 %. У той самий час вони відстежують стан здоров’я (SOH), аналізуючи, наскільки зменшується ємність з часом. Таке поєднання надає операторам два рівні інформації, які допомагають передбачити проблеми до того, як вони виникнуть. Коли окремі елементи починають демонструвати різницю напруги понад 50 мілівольт або коли різниця температур між модулями перевищує 4 °C, система знижує швидкість заряджання й надсилає попередження про необхідність технічного обслуговування. Ці детальні діагностичні перевірки запобігають накопиченню невеликих несправностей з часом, що фактично може продовжити термін служби акумуляторів приблизно на 40 % порівняно зі старшими системами, які не здійснюють активного моніторингу. Новіші версії стають ще розумнішими: вони використовують дані про попередню експлуатацію для прогнозування моменту досягнення акумуляторами кінця терміну служби приблизно за три місяці до цього. Таке прогнозування допомагає установникам сонячних електростанцій краще планувати заміну акумуляторів замість того, щоб чекати, поки вони повністю вийдуть з ладу.

Обов’язкові регуляторні сертифікати для акумуляторів сонячної енергії

Дотримання міжнародних сертифікатів безпеки є обов’язковим для установок акумуляторів сонячної енергії в житлових і комерційних приміщеннях. Ці стандарти зменшують ризики виникнення пожеж, забезпечують надійність роботи та є передумовою для підключення до електромережі, отримання дозволів і страхового покриття.

Стандарти безпеки на рівні елементів і батарей: UL 1642, IEC 62619 та UN 38.3

Сертифікації на рівні компонентів підтверджують базову безпеку до інтеграції в систему:

• UL 1642 піддає літієві елементи екстремальним умовам навантаження, включаючи примусове коротке замикання, перезарядження та випробування на стиск, щоб перевірити структурну й теплову цілісність.
• IEC 62619 встановлює вимоги до безпеки промислових літієвих акумуляторів і вимагає стійкості до механічних навантажень, теплового навантаження та нестандартного заряджання.
• UN 38.3 підтверджує безпечну транспортування шляхом вимоги проведення випробувань із імітацією висоти, вібрації, удару та термічного циклювання, щоб запобігти витоку або тепловим подіям під час перевезення.
  Виробники повинні продемонструвати відповідність усім трьом вимогам до переходу на оцінку на рівні системи.

Відповідність на рівні системи: UL 9540, NFPA 855 та стандарти безпеки підключення до електромережі (IEEE 1547, NFPA 585)

Інтеграція повної системи вимагає дотримання взаємопов’язаних рамок забезпечення безпеки:

• UL 9540 оцінює поширення пожежі в інтегрованій системі, електричну безпеку та теплове керування за умов імітації теплового розбігу.
• NFPA 855 визначає вимоги до фізичного монтажу, зокрема мінімальні відстані, вентиляцію, системи гасіння пожежі та вимоги щодо евакуації, щоб обмежити поширення пожежі та полегшити реагування аварійних служб.
• Стандарти підключення до електромережі, такі як IEEE 1547 (щодо стійкості до коливань напруги/частоти та запобігання островному режиму роботи) та NFPA 585 (для швидкого відключення та виявлення дугового розряду) забезпечує безпечне відключення під час несправностей.
  Станом на 2024 рік 37 штатів США включили стандарт NFPA 855 до своїх електротехнічних норм, що робить його де-факто обов’язковим для отримання дозволу.

Покращення у виборі матеріалів та проактивному моніторингу

Чому літій-залізо-фосфатні (LFP) акумулятори є переважним типом хімії для безпечного зберігання сонячної енергії

LFP, скорочення від литій-залізо-фосфату, зараз є найпоширенішим вибором для більшості рішень зі зберігання сонячної енергії завдяки високій термічній стабільності. Особливість цього матеріалу — його унікальна кристалічна структура олівіну, яка практично повністю запобігає виділенню кисню навіть за надзвичайно високих температур. Це означає, що акумулятори LFP значно безпечніші порівняно з тими, що виготовлені з нікелю або кобальту, які схильні до загоряння набагато легше. Згідно з реальними польовими звітами, установки з використанням технології LFP мають приблизно на 60 % менше інцидентів, пов’язаних із пожежами. Є й багато інших переваг. Такі акумулятори витримують набагато більше циклів заряджання-розряджання до втрати працездатності, тривалий час добре зберігають напругу та надійно працюють навіть за досить високих температур — до приблизно 55 °C. Така термостійкість має велике значення для сонячних установок на дахах або в зовнішніх умовах, де перегрівання може бути проблемою.

Дистанційне тепловізійне спостереження, виявлення аномалій за допомогою штучного інтелекту та автоматичне сповіщення

Профілактичний моніторинг додає критичний рівень захисту понад апаратні засоби та системи управління батареями (BMS):

• Інфрачервоне термальне зображення забезпечує безперервне, неконтактне картування температури поверхні, що дозволяє виявляти перегріті ділянки до того, як вони стануть критичними.
• Аналітика, що базується на ШІ корелює зміни напруги, зсуви імпедансу та теплові тренди у модулях, щоб виявити аномалії, які залишаються непомітними для порогових сигналів тривоги.
• Автоматичне сповіщення надає технікам повідомлення з контекстною діагностикою, що дозволяє втрутитися до того, як незначні відхилення переростуть у відмови.
  Цей підхід скорочує незаплановані простої на 34 % у парках сонячних акумуляторних систем і значно зменшує залежність від реагуючих графіків технічного обслуговування, посилюючи довгострокову безпеку та надійність.

ЧаП

• Що викликає тепловий розбіж у літій-іонних акумуляторах для сонячних енергосистем?

  Тепловий розбіж може виникнути через внутрішні несправності в елементах акумуляторів, зовнішні пошкодження або звичайне старіння. Він включає ланцюгову реакцію нагрівання, що загострює проблему, найчастіше спровоковану внутрішніми короткими замиканнями.

• Що таке сертифікація UL 9540A і чому вона важлива?

  Сертифікація UL 9540A передбачає ретельне пожежне випробування для оцінки поширення термічного розбіжження в системах сонячних акумуляторів. Системи, що мають цю сертифікацію, включають вогнестійкі корпуси та інші засоби безпеки для запобігання передачі тепла між модулями.

• Як система управління акумулятором (BMS) підвищує безпеку акумулятора?

  BMS забезпечує контроль за перезаряджанням, розряджанням до нульового рівня, коротким замиканням та ізоляцією, щоб підтримувати оптимальну роботу акумулятора й запобігати небезпечним ситуаціям.

• Які переваги використання літій-залізо-фосфатних (LFP) акумуляторів у сонячних системах зберігання енергії?

  LFP-акумулятори забезпечують термічну стабільність завдяки своїй унікальній структурі, що зменшує ризик виникнення пожеж та забезпечує більшу кількість циклів заряджання-розряджання порівняно з іншими хімічними складами, наприклад, на основі нікелю або кобальту.