Các tính năng an toàn nào pin lưu trữ năng lượng mặt trời cần có?

Phòng ngừa hiện tượng chạy nhiệt ngoài kiểm soát và thiết kế an toàn chống cháy

Hiện tượng chạy nhiệt ngoài kiểm soát xảy ra như thế nào trong pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion

Khi hiện tượng mất kiểm soát nhiệt xảy ra trong các pin lưu trữ năng lượng mặt trời dạng lithium-ion, nguyên nhân thường bắt nguồn từ các vấn đề bên trong bản thân các tế bào pin, hư hại do tác động từ bên ngoài hoặc chỉ đơn giản là hao mòn thông thường trong quá trình vận hành. Khi nhiệt độ tăng cao hơn khoảng 80 độ C (tương đương khoảng 176 độ F), chất điện phân sẽ bị phân hủy và giải phóng các khí dễ cháy cùng với lượng nhiệt lớn hơn nữa, tạo thành một phản ứng dây chuyền tự duy trì. Tại những nơi có nhiều pin được xếp khít sát nhau, nhiệt lượng lan truyền nhanh chóng sang các tế bào lân cận, đôi khi đẩy nhiệt độ vượt quá 400 độ C (khoảng 752 độ F) chỉ trong vài giây. Phần lớn các sự cố này đều bắt nguồn từ hiện tượng chập mạch bên trong. Các chập mạch này thường do sự hình thành các dendrite (nhánh tinh thể kim loại) bên trong pin hoặc do các khuyết tật phát sinh trong quá trình sản xuất. Theo số liệu ghi nhận, các nguyên nhân này chiếm khoảng bảy trên mười trường hợp mất kiểm soát nhiệt. Để ngăn chặn quá trình nguy hiểm này, các nhà sản xuất cần tích hợp một số biện pháp an toàn nhất định, chẳng hạn như lớp ngăn cách không bắt lửa, các chất phụ gia đặc biệt trong chất điện phân nhằm chống cháy và các vách ngăn làm bằng nhựa epoxy giúp hạn chế việc lan truyền nhiệt giữa các tế bào pin riêng lẻ.

Kiểm tra UL 9540A và giảm thiểu lan truyền cháy cho các hệ thống pin lưu trữ năng lượng mặt trời

Việc đạt được chứng nhận UL 9540A nghĩa là phải trải qua các thử nghiệm cháy nổ nghiêm ngặt nhằm đánh giá cách thức hiện tượng mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway) lan truyền trong các hệ thống lưu trữ pin năng lượng mặt trời thương mại. Quy trình thử nghiệm tạo ra các tình huống mô phỏng những sự cố nghiêm trọng nhất có thể xảy ra, chẳng hạn như khi một vật sắc nhọn đâm thủng pin hoặc pin bị sạc quá mức. Các thử nghiệm này kiểm tra nhiều yếu tố như tốc độ gia tăng nhiệt, loại khí được giải phóng và khả năng ngọn lửa lan từ module này sang module khác. Các hệ thống pin đạt chuẩn này được trang bị các tính năng an toàn tích hợp, bao gồm vỏ bọc chống cháy đặc biệt bao quanh từng module, van xả áp suất an toàn và các vách ngăn ngăn chặn sự lan truyền nhiệt giữa các module. Kết quả thử nghiệm độc lập cho thấy hầu hết các hệ thống đã được chứng nhận đều có khả năng giới hạn các sự kiện nhiệt nguy hiểm trong phạm vi chỉ một module — khoảng 99 trên 100 trường hợp. Khi lắp đặt những pin này trong nhà hoặc tại các không gian chật hẹp, nơi khoảng cách giữa các đơn vị rất nhỏ, việc lựa chọn thiết bị đạt chứng nhận UL 9540A là hoàn toàn hợp lý — vừa đáp ứng yêu cầu pháp lý, vừa thực tế giảm thiểu rủi ro. Nhiều quản lý cơ sở đã báo cáo số vụ sự cố giảm đáng kể sau khi chuyển sang sử dụng các hệ thống an toàn hơn này.

Bảo vệ điện thông minh thông qua Hệ thống quản lý pin (BMS)

Các chức năng quan trọng của BMS: Sạc quá mức, xả quá mức, ngắn mạch và giám sát cách điện

Một Hệ thống Quản lý Pin (BMS) hoạt động như bộ não của các pin lưu trữ năng lượng mặt trời dạng lithium-ion, điều khiển bốn chức năng an toàn chính nhằm đảm bảo hệ thống vận hành ổn định. Khi pin được sạc quá mức, BMS sẽ ngừng quá trình sạc ở mức khoảng 3,65 vôn trên mỗi tế bào vì việc vượt quá ngưỡng này có thể gây ra hiện tượng mạ lithium nguy hiểm, dẫn đến các vấn đề quá nhiệt. Ngược lại, nếu pin xả xuống dưới khoảng 2,5 vôn trên mỗi tế bào, hệ thống sẽ tự động kích hoạt trở lại để ngăn chặn việc xả sâu hơn, bởi vì điều này có thể làm hỏng các thành phần bên trong và giảm tuổi thọ pin một cách vĩnh viễn. Đối với hiện tượng đoản mạch, phản ứng xảy ra gần như tức thời khi dòng điện tăng vọt lên gấp ba lần mức bình thường, sử dụng các công tắc đặc biệt để ngắt an toàn dòng điện. Hệ thống cũng liên tục kiểm tra điện trở cách điện giữa các bộ phận mang điện và vỏ kim loại, nhằm phát hiện bất kỳ sự suy giảm nào xuống dưới mức 100 ôm trên mỗi vôn — đây là dấu hiệu sớm cho thấy tình trạng hao mòn và lão hóa. Các báo cáo thực địa từ cả các dự án quy mô lớn lẫn hệ thống lắp đặt tại hộ gia đình tại Hoa Kỳ cho thấy các lớp bảo vệ đa tầng này đã giúp giảm khoảng hai phần ba số vụ tai nạn điện trong những năm gần đây.

Theo dõi SOC/SOH theo thời gian thực và phản ứng dự đoán sự cố cho pin lưu trữ năng lượng mặt trời

Các hệ thống quản lý pin tốt nhất hiện nay kết hợp kỹ thuật đếm coulomb với bộ lọc Kalman để duy trì độ chính xác của trạng thái sạc (SOC) ở mức khoảng ±3%. Đồng thời, chúng theo dõi trạng thái sức khỏe pin (SOH) bằng cách quan sát mức độ suy giảm dung lượng theo thời gian. Sự kết hợp này cung cấp cho người vận hành hai lớp thông tin giúp dự đoán sự cố trước khi chúng xảy ra. Khi các tế bào pin riêng lẻ bắt đầu xuất hiện chênh lệch điện áp trên 50 milivôn hoặc có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các mô-đun lớn hơn 4 độ Celsius, hệ thống sẽ làm chậm tốc độ sạc và phát cảnh báo về nhu cầu bảo trì. Các kiểm tra chẩn đoán chi tiết này ngăn chặn những vấn đề nhỏ tích tụ theo thời gian, từ đó thực tế có thể kéo dài tuổi thọ pin khoảng 40% so với các hệ thống cũ không thực hiện giám sát chủ động. Các phiên bản mới hơn còn trở nên thông minh hơn nữa, sử dụng dữ liệu hiệu suất trong quá khứ để ước tính thời điểm pin có thể đạt đến cuối vòng đời—khoảng ba tháng trước khi điều đó xảy ra. Loại dự báo này giúp các nhà lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời lập kế hoạch thay thế hiệu quả hơn, thay vì phải chờ cho đến khi thiết bị hoàn toàn hỏng.

Chứng nhận quy định bắt buộc đối với pin lưu trữ năng lượng mặt trời

Việc tuân thủ các chứng nhận an toàn quốc tế là điều bắt buộc đối với các hệ thống pin lưu trữ năng lượng mặt trời dân dụng và thương mại. Các tiêu chuẩn này giúp giảm thiểu rủi ro cháy nổ, đảm bảo độ tin cậy trong vận hành, đồng thời là điều kiện tiên quyết để kết nối với lưới điện, cấp phép và mua bảo hiểm.

Các tiêu chuẩn an toàn ở cấp độ tế bào và cụm pin: UL 1642, IEC 62619 và UN 38.3

Các chứng nhận ở cấp độ thành phần xác nhận mức độ an toàn cơ bản trước khi tích hợp vào hệ thống:

• UL 1642 đặt các tế bào lithium dưới các điều kiện sử dụng quá mức nghiêm trọng, bao gồm thử nghiệm đoản mạch cưỡng bức, sạc quá tải và thử nghiệm nén, nhằm kiểm chứng tính toàn vẹn về cấu trúc và nhiệt.
• Tiêu chuẩn IEC 62619 thiết lập các yêu cầu an toàn đối với pin lithium công nghiệp, bắt buộc khả năng chịu đựng ứng suất cơ học, tác động nhiệt bất thường và sạc không bình thường.
• UN 38.3 chứng nhận tính an toàn trong vận chuyển bằng cách yêu cầu thực hiện các thử nghiệm mô phỏng độ cao, rung, va đập và chu kỳ nhiệt nhằm ngăn ngừa rò rỉ hoặc sự cố nhiệt trong quá trình vận chuyển.
  Các nhà sản xuất phải chứng minh sự tuân thủ cả ba tiêu chuẩn trước khi tiến tới đánh giá ở cấp độ hệ thống.

Sự tuân thủ ở cấp độ hệ thống: UL 9540, NFPA 855 và an toàn kết nối với lưới điện (IEEE 1547, NFPA 585)

Việc tích hợp toàn hệ thống đòi hỏi việc tuân thủ các khuôn khổ an toàn phụ thuộc lẫn nhau:

• UL 9540 đánh giá khả năng lan truyền cháy tích hợp, an toàn điện và quản lý nhiệt dưới các điều kiện mô phỏng hiện tượng mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway).
• NFPA 855 quy định các yêu cầu về lắp đặt vật lý, bao gồm khoảng cách tối thiểu, thông gió, hệ thống dập lửa và lối thoát hiểm nhằm hạn chế sự lan rộng của đám cháy và hỗ trợ công tác ứng phó khẩn cấp.
• Các tiêu chuẩn kết nối với lưới điện như IEEE 1547 (về khả năng duy trì hoạt động khi điện áp/tần số dao động và chống vận hành cô lập – anti-islanding) và NFPA 585 (để tắt nhanh và phát hiện sự cố hồ quang) đảm bảo ngắt kết nối an toàn trong trường hợp sự cố.
  Tính đến năm 2024, 37 tiểu bang Hoa Kỳ đã đưa tiêu chuẩn NFPA 855 vào quy định điện của mình, khiến tiêu chuẩn này trở thành yêu cầu thực tế đối với việc cấp phép.

Cải tiến trong lựa chọn vật liệu và giám sát chủ động

Tại sao lithium sắt phốt phát (LFP) là hóa học được ưu tiên cho pin lưu trữ năng lượng mặt trời an toàn hơn

LFP, viết tắt của Lithium Iron Phosphate (lithi sắt phốt phát), hiện là lựa chọn hàng đầu cho phần lớn giải pháp lưu trữ năng lượng mặt trời nhờ độ ổn định nhiệt vượt trội của nó. Điều làm nên sự đặc biệt của vật liệu này là cấu trúc tinh thể olivin độc đáo, về cơ bản ngăn chặn việc oxy thoát ra ngay cả khi nhiệt độ tăng lên rất cao. Điều này đồng nghĩa với việc pin LFP an toàn hơn nhiều so với các loại pin sử dụng niken hoặc coban, vốn có xu hướng dễ bắt lửa hơn. Theo các báo cáo thực tế từ hiện trường, các hệ thống lắp đặt sử dụng công nghệ LFP ghi nhận số vụ cháy giảm khoảng 60%. Ngoài ra, còn rất nhiều lợi ích khác: những pin này chịu được nhiều chu kỳ sạc/xả hơn trước khi suy giảm hiệu suất, duy trì điện áp khá ổn định theo thời gian và hoạt động đáng tin cậy ngay cả trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao, lên đến khoảng 55 độ C. Khả năng chịu nhiệt như vậy đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống năng lượng mặt trời lắp đặt trên mái nhà hoặc ngoài trời, nơi nhiệt độ cao có thể gây ảnh hưởng.

Chụp ảnh nhiệt từ xa, phát hiện bất thường dựa trên trí tuệ nhân tạo và cảnh báo tự động

Giám sát chủ động bổ sung một lớp phòng thủ quan trọng vượt ra ngoài các điều khiển phần cứng và hệ thống quản lý pin (BMS):

• Hình ảnh nhiệt hồng ngoại cung cấp bản đồ nhiệt độ bề mặt liên tục, không tiếp xúc để xác định các điểm nóng trước khi chúng leo thang.
• Phân tích được hỗ trợ bởi AI tương quan sự trôi lệch điện áp, dịch chuyển trở kháng và xu hướng nhiệt độ trên toàn bộ các mô-đun nhằm phát hiện các bất thường mà các cảnh báo dựa trên ngưỡng không thể nhận diện.
• Cảnh báo tự động gửi thông báo đến kỹ thuật viên kèm chẩn đoán có bối cảnh, cho phép can thiệp trước khi những sai lệch nhỏ phát triển thành sự cố.
  Tiếp cận này giúp giảm 34% thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch trong các đội lưu trữ năng lượng mặt trời và giảm đáng kể sự phụ thuộc vào lịch bảo trì phản ứng, từ đó nâng cao tính an toàn và độ tin cậy lâu dài.

Câu hỏi thường gặp

• Nguyên nhân nào gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt trong pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion?

  Hiện tượng mất kiểm soát nhiệt có thể xảy ra do các vấn đề bên trong tế bào pin, hư hại từ bên ngoài hoặc hao mòn do sử dụng thường xuyên. Hiện tượng này bao gồm một chuỗi phản ứng nhiệt làm trầm trọng thêm vấn đề, thường bắt đầu từ các ngắn mạch nội bộ.

• Chứng nhận UL 9540A là gì và tại sao nó lại quan trọng?

  Chứng nhận UL 9540A bao gồm các thử nghiệm cháy nghiêm ngặt nhằm đánh giá mức độ lan truyền hiện tượng mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway) trong các hệ thống pin năng lượng mặt trời. Các hệ thống đạt chứng nhận này được trang bị buồng chống cháy và các tính năng an toàn khác nhằm ngăn chặn việc truyền nhiệt giữa các mô-đun.

• Hệ thống quản lý pin (BMS) nâng cao độ an toàn của pin như thế nào?

  Một BMS giám sát và kiểm soát tình trạng sạc quá mức, xả quá mức, ngắn mạch và cách điện nhằm duy trì hiệu suất pin ở mức tối ưu và ngăn ngừa các tình huống nguy hiểm.

• Lợi ích của việc sử dụng pin Lithium Iron Phosphate (LFP) trong lưu trữ năng lượng mặt trời là gì?

  Pin LFP mang lại độ ổn định nhiệt cao nhờ cấu trúc đặc biệt của chúng, từ đó giảm thiểu nguy cơ cháy nổ và có tuổi thọ chu kỳ dài hơn so với các loại pin khác như pin dựa trên niken hoặc coban.