كيف تؤثر درجة الحرارة على اختيار بطاريات الليثيوم أيون الشمسية؟

بطاريات الليثيوم أيون الشمسية تُستخدم في المقام الأول في القطاع السكني ولتخزين الطاقة التجارية والصناعية، مما يساعد أصحاب المنازل أو الشركات على توسيع نطاق استخدامهم للطاقة الكهروضوئية، أو توفير المال على فواتير الكهرباء، أو توفير الطاقة الاحتياطية في حالة انقطاع الشبكة. مع انخفاض أسعار المواد وزيادة شعبية بطاريات الليثيوم، تحل بطاريات الليثيوم أيون محل حمض الرصاص في سوق تخزين الطاقة الشمسية.

نوعان من أيونات الليثيوم المستخدمة في بطاريات الليثيوم الشمسية

بالنسبة لمصنعي بطاريات الليثيوم أيون الشمسية، عادة ما يتم استخدام نوعين شائعين من بطاريات الليثيوم أيون: بطاريات ليثيوم أيون ثلاثية الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) وبطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LFP)، والتي تعد من اللاعبين الرئيسيين في قطاع الطاقة الشمسية. سوق. على الرغم من أن كلا النوعين من البطاريات يعتمدان على مبدأ تشغيل تبادل أيونات الليثيوم، إلا أنهما يتمتعان ببعض الأداء والخصائص المختلفة بشكل كبير.

تعد كثافة الطاقة مؤشرًا مهمًا لتقييم أداء البطارية. بشكل عام، كلما زادت كثافة الطاقة، زادت الطاقة التي يمكن للبطارية الاحتفاظ بها لكل وحدة وزن أو حجم، وكلما زاد المدى. تبلغ كثافة طاقة LFP حوالي 140 واط ساعة / كجم. تبلغ كثافة طاقة NMC أساسًا 240 كيلووات ساعة / كجم. وهذا يعني أنه تحت نفس الوزن، تكون كثافة الطاقة في NMC أعلى بمقدار 1.7 مرة من كثافة الطاقة في LFP. وهذا يعني أن بطارية NMC الشمسية المثبتة في نفس المساحة ستعمل لفترة أطول من بطارية LFP الشمسية.

هناك ثلاثة عوامل رئيسية تؤثر على العمر التشغيلي لبطاريات الليثيوم أيون الشمسية، وهي عدد دورات الشحن/التفريغ، ومدة الاستخدام، ومتوسط ​​درجة حرارة البطارية. العامل الأكبر الذي يؤثر على عمر بطارية Li-ion هو متوسط ​​درجة حرارة البطارية، يليه عمق التفريغ. نقوم عادةً بقياس فعالية البطارية من خلال مقارنة سعتها الفعلية بسعتها الأصلية. قبل أن تصل إلى 80% من سعتها الأصلية، يمكن للبطاريات الشمسية LFP أداء ما لا يقل عن 2000 إلى 3000 دورة شحن/تفريغ كاملة، في حين أن بطاريات NMC يمكنها فقط أداء 500 إلى 1000 دورة شحن/تفريغ كاملة، مما يعني أن البطاريات الشمسية LFP لها دورة حياة أطول بكثير، عادة أكثر من 10 سنوات.

سلامة بطاريات الليثيوم أيون

على عكس بطاريات NMC، لا تتحلل بطاريات LFP عند درجات حرارة عالية بسبب مادة الكاثود الأكثر أمانًا. بالمقارنة مع بطاريات NMC، توفر بطاريات LFP أكبر قدر من الاستقرار الحراري والكيميائي، فضلاً عن أقل كمية من الطاقة المنبعثة أثناء الهروب الحراري. سوف ينطلقون فقط عند درجة حرارة 195 درجة مئوية وسيطلقون أقل قدر من الطاقة. على العكس من ذلك، يمكن أن تصل بطاريات NMC إلى درجات حرارة حرارية تصل إلى 170 درجة مئوية، مما يؤدي إلى إطلاق المزيد من الطاقة وربما تشتعل فيها النيران إذا لم يتم السيطرة عليها. على الرغم من أن جميع بطاريات الليثيوم أيون آمنة، إلا أن البطاريات الشمسية LFP هي من بين أكثر أجهزة تخزين الطاقة المتوفرة أمانًا.

درجة الحرارة والتفريغ

اعتمادا على تطبيق تخزين الطاقة السكنية، هناك نوعان من الاستخدامات الشائعة لبطاريات الليثيوم أيون الشمسية. الأول هو كمصدر طاقة احتياطي، حيث تتطلب متطلبات الحفاظ على تشغيل الأحمال الحرجة أثناء انقطاع الشبكة التحول الفوري إلى طاقة البطارية الشمسية، وفي هذه الحالة تحتاج بطارية التخزين إلى تحمل ارتفاع التيار وارتفاع الطاقة العالية من الحمل. السيناريو الثاني هو تخزين الطاقة من الألواح الكهروضوئية أو الشبكة خلال النهار ومن ثم تفريغها إلى الحمل أثناء الليل، وهو ما يتطلب عادة أن تكون البطارية قادرة على توفير الطاقة لمدة 6-8 ساعات على الأقل.

تتمتع بطاريات Li-FePO4 بمقاومة داخلية منخفضة جدًا ويمكنها تحمل معدلات تفريغ عالية دون توليد الكثير من الحرارة، لكن بطاريات NMC تتمتع بمقاومة داخلية أعلى بحوالي 10 مرات من بطاريات LFP، لذلك يتم توليد المزيد من الحرارة داخل NMC البطاريات عند تفريغها بنفس المعدل. على سبيل المثال، يمكن لبطارية NMC بقدرة 48 فولت و50 أمبير (2.4 كيلووات في الساعة) أن توفر تيار تفريغ يتراوح بين 50 و100 أمبير، بينما يمكن أن توفر بطارية LFP تيار تفريغ يتراوح بين 500 و1000 أمبير.

التبريد السلبي أو النشط

العامل الثالث الذي يؤثر على عمر بطارية الليثيوم أيون هو درجة الحرارة المحيطة. في تطبيقات السوق لبطاريات Li-Ion، يتم تبريد البطاريات بعدة طرق، بدءًا من التبريد السلبي (بدون مروحة) إلى التبريد النشط (مروحة تعمل باستمرار) إلى التبريد النشط الديناميكي (محرك مروحة متغير السرعة) لإدارة درجة حرارة البطارية. في حين أن تخزين الطاقة السكنية يستخدم عادة التبريد السلبي، فإن بطاريات الليثيوم أيون يمكن أن تعمل بأمان من -20 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية، ولكن نطاق درجة الحرارة الأمثل لتعظيم عمر البطارية هو 10 درجة مئوية إلى 30 درجة مئوية. تولد عمليات التفريغ عالية التيار حرارة داخل البطارية، ولكن بيئة درجة الحرارة المستقرة يمكن أن تزيد من عمر البطارية.

من المهم ملاحظة أنه بناءً على الكيمياء والمقاومة العالية لبطاريات NMC، فإنها تولد المزيد من الحرارة عند تفريغها مقارنة ببطاريات LFP. نظرًا لأن السلامة هي القضية الأساسية لبطاريات Li-ion فيها تخزين الطاقة التطبيقات، كان الاستقرار الحراري الجيد للبطاريات الشمسية LFP آمنًا وصديقًا للبيئة لمنحها ميزة في تطبيقات تخزين الطاقة.

لذا، من أجل ضمان توصيل طاقة كافية للحمل، قد يحتاج التطبيق الفعلي إلى موازاة المزيد من وحدات بطاريات NMC لتلبية التيار المطلوب، ولكن يمكن لعدد صغير من بطاريات LFP تحقيق هذا الهدف. بالنظر إلى سيناريوهات المساحة والتطبيق، تعد بطاريات NMC أكثر ملاءمة للتطبيقات التي يمكنها تحمل نقل تيار أقل خلال فترة تفريغ أطول (أي 1h50A)، بينما يمكن لبطاريات LFP أيضًا توفير نقل تيار أعلى خلال فترة زمنية أقصر (أي 300A في 10 دقائق). ).

مزايا التبريد النشط

بشكل عام، إضافة مروحة إلى البطارية من أجل التنظيم الحراري قد يؤدي إلى تعقيد المنتج، ولكن هذا يمكن أن يعود بفوائد كثيرة جدًا على البطارية. في بعض التطبيقات ذات البيئات الجوية القاسية، يمكن أن تتراوح درجة حرارة البطاريات من البرودة الشديدة والجافة إلى الدفء الشديد والرطوبة. في حالة الانفلات الحراري، ترتفع درجة الحرارة داخل البطارية مع التبريد السلبي بشكل أسرع من الخارج، مما يؤدي إلى إنشاء نقاط ساخنة والحد من كمية تيار التفريغ المتاح، والذي يمكن أن يتسبب أيضًا في التقادم السريع لبطاريات Li-ion الشمسية. يمكن أن يؤدي التبريد النشط إلى تقليل توليد الحرارة بشكل أفضل أثناء شحن البطارية وتفريغها. مع تحييد جميع العوامل، يمكن للتبريد النشط أن يدعم تيارات شحن وتفريغ أفضل للبطاريات الشمسية.

يحتوي الهيكل الداخلي للبطارية على المزيد من المعادن، والتي يمكن أن تسبب أيضًا دوائر قصيرة بسبب التكثيف. بسبب الاختلافات في درجات الحرارة، يمكن للهواء الرطب تكثيف الماء على الأجهزة الإلكترونية الحساسة داخل البطارية. لذا فإن التبريد النشط يمنع أيضًا التكثيف داخل البطارية من تغيير وظيفة البطارية أو إتلاف مكونات البطارية. في سوق تخزين الطاقة التجارية والصناعية، حيث يكون الاستثمار الأولي أعلى، عادةً ما يستخدم المصنعون الهواء أو التبريد السائل للتبريد النشط لمنع الخسارة الاقتصادية والتلوث البيئي الناجم عن الهروب الحراري.

باختصار، هناك العديد من بطاريات الليثيوم أيون الشمسية في السوق. قبل اختيار الحق الشركة المصنعة للبطارية الشمسية أو الطراز، يجب أن تعرف قوة هذه البطاريات لتقييم الطاقة المطلوبة للحفاظ على التشغيل في مخزن الطاقة السكني أو تخزين الطاقة التجاري والصناعي، ووقت التشغيل المطلوب، لتحديد البيئة التي سيتم تشغيلها فيها، وكذلك تحديد دور الحرارة. باستخدام هذه البيانات، من الممكن تقييم كيمياء بطارية الليثيوم أيون الشمسية، وخصائص التبريد السلبية والإيجابية، والميزات الرئيسية التي توفرها الحلول المتاحة.