W jaki sposób temperatura wpływa na wybór baterii słonecznych litowo-jonowych?

Baterie słoneczne litowo-jonowe są wykorzystywane głównie w sektorze mieszkaniowym oraz do komercyjnego i przemysłowego magazynowania energii, pomagając właścicielom domów lub firmom w zwiększeniu wykorzystania fotowoltaiki (PV), zaoszczędzeniu pieniędzy na rachunkach za energię elektryczną lub zapewnieniu zasilania rezerwowego w przypadku awarii sieci. Wraz ze spadkiem cen materiałów i wzrostem popularności akumulatorów litowych, akumulatory litowo-jonowe zastępują kwasowo-ołowiowe na rynku magazynowania energii słonecznej.

Dwa rodzaje akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w litowych bateriach słonecznych

W przypadku producentów baterii słonecznych litowo-jonowych zwykle stosuje się dwa popularne typy akumulatorów litowo-jonowych: trójskładnikowe akumulatory litowo-jonowe litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC) i akumulatory litowo-żelazo-fosforanowe (LFP), które odgrywają główną rolę na rynku rynek. Chociaż oba typy akumulatorów opierają się na zasadzie działania wymiany litowo-jonowej, różnią się one znacznie wydajnością i charakterystyką.

Gęstość energii jest ważnym wskaźnikiem oceny wydajności baterii. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa gęstość energii, tym większą moc akumulator może pomieścić na jednostkę masy lub objętości i tym większy zasięg. LFP ma gęstość energii około 140 Wh/kg. NMC ma gęstość energii zasadniczo 240 kWh/kg. to znaczy przy tej samej wadze gęstość energii NMC jest 1,7 razy większa niż gęstość energii LFP. Oznacza to, że bateria słoneczna NMC zainstalowana w tym samym pomieszczeniu będzie działać dłużej niż bateria słoneczna LFP.

Trzy główne czynniki wpływają na żywotność akumulatorów litowo-jonowych: liczba cykli ładowania/rozładowania, czas użytkowania i średnia temperatura akumulatora. Największym czynnikiem wpływającym na żywotność akumulatora litowo-jonowego jest średnia temperatura akumulatora, a następnie głębokość jego rozładowania. Zwykle mierzymy efektywność akumulatora, porównując jego rzeczywistą pojemność z pierwotną pojemnością. Przed osiągnięciem 80% swojej pierwotnej pojemności akumulatory słoneczne LFP mogą wykonać co najmniej 2000 do 3000 pełnych cykli ładowania/rozładowania, podczas gdy akumulatory NMC mogą wykonać tylko 500 do 1000 pełnych cykli ładowania/rozładowania, co oznacza, że Baterie słoneczne LFP mają znacznie dłuższy cykl życia, zwykle ponad 10 lat.

Bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych

W przeciwieństwie do akumulatorów NMC, akumulatory LFP nie ulegają degradacji w wysokich temperaturach ze względu na bezpieczniejszy materiał katody. W porównaniu do akumulatorów NMC, akumulatory LFP oferują największą stabilność termiczną i chemiczną, a także najmniejszą ilość energii uwalnianej podczas niestabilności termicznej. Ulegną niekontrolowaniu termicznemu dopiero w temperaturze 195°C i uwolnią najmniejszą ilość energii. I odwrotnie, akumulatory NMC mogą osiągnąć niekontrolowaną temperaturę termiczną 170°C, uwalniając więcej energii i potencjalnie zapalając się, jeśli nie są kontrolowane. Pomimo tego, że wszystkie akumulatory litowo-jonowe są bezpieczne, baterie słoneczne LFP należą do najbezpieczniejszych dostępnych urządzeń do magazynowania energii.

Temperatura i rozładowanie

W zależności od zastosowania magazynowania energii w budynkach mieszkalnych, istnieją dwa typowe zastosowania litowo-jonowych baterii słonecznych. Pierwsze z nich to rezerwowe źródło zasilania, w przypadku którego wymóg podtrzymania obciążenia krytycznego podczas awarii sieci wymaga natychmiastowego przełączenia na zasilanie z baterii słonecznej. W takim przypadku akumulator musi wytrzymać wysoki prąd i wysokie skoki mocy z obciążenia. Drugi scenariusz polega na magazynowaniu energii z paneli fotowoltaicznych lub sieci w ciągu dnia, a następnie rozładowywaniu jej do odbiornika w nocy, co zwykle wymaga, aby akumulator był w stanie zapewnić energię przez co najmniej 6-8 godzin.

Akumulatory Li-FePO4 mają bardzo niską rezystancję wewnętrzną i mogą wytrzymać duże szybkości rozładowywania bez wytwarzania zbyt dużej ilości ciepła, ale akumulatory NMC mają rezystancję wewnętrzną około 10 razy większą niż akumulatory LFP, więc wewnątrz NMC wytwarza się więcej ciepła akumulatorów rozładowywanych w tym samym tempie. Na przykład akumulator NMC 48 V 50 Ah (2,4 kWh) może zapewnić prąd rozładowania o natężeniu 50–100 A, podczas gdy akumulator LFP może zapewnić prąd rozładowania o natężeniu 500–1000 A.

Chłodzenie pasywne lub aktywne

Trzecim czynnikiem wpływającym na żywotność akumulatora litowo-jonowego jest temperatura otoczenia. Na rynku zastosowań akumulatorów litowo-jonowych stosuje się różne sposoby chłodzenia akumulatorów, począwszy od chłodzenia pasywnego (bez wentylatora), przez chłodzenie aktywne (wentylator pracujący w sposób ciągły), po aktywne chłodzenie dynamiczne (napęd wentylatora o zmiennej prędkości) w celu zarządzania temperaturą akumulatora. Podczas gdy w domowych magazynach energii zazwyczaj wykorzystuje się chłodzenie pasywne, akumulatory litowo-jonowe mogą bezpiecznie pracować w temperaturze od -20°C do 60°C, ale optymalny zakres temperatur zapewniający maksymalizację żywotności baterii wynosi od 10°C do 30°C. Wyładowania wysokoprądowe generują ciepło wewnątrz akumulatora, ale stabilna temperatura otoczenia może wydłużyć żywotność akumulatora.

Należy zauważyć, że ze względu na skład chemiczny i wyższą impedancję akumulatorów NMC, generują one więcej ciepła po rozładowaniu w porównaniu do akumulatorów LFP. Ponieważ bezpieczeństwo jest kluczową kwestią w przypadku akumulatorów litowo-jonowych magazynowanie energii zastosowań, dobra stabilność termiczna baterii słonecznych LFP jest bezpieczna i przyjazna dla środowiska, co zapewnia im przewagę w zastosowaniach magazynowania energii.

Aby więc zapewnić wystarczającą moc dostarczaną do obciążenia, w rzeczywistym zastosowaniu może zaistnieć potrzeba równoległego połączenia większej liczby modułów akumulatorów NMC, aby zapewnić wymagany prąd, ale niewielka liczba akumulatorów LFP może osiągnąć ten cel. Biorąc pod uwagę przestrzeń i scenariusze zastosowań, akumulatory NMC są bardziej odpowiednie do zastosowań, które wytrzymują niższy przepływ prądu przez dłuższy okres rozładowywania (tj. 1h50A), podczas gdy akumulatory LFP mogą również zapewniać wyższy transfer prądu w krótszym okresie czasu (tj. 300A w 10min ).

Zalety aktywnego chłodzenia

Ogólnie rzecz biorąc, dodanie wentylatora do akumulatora w celu regulacji termicznej może skomplikować produkt, ale może przynieść akumulatorowi bardzo wiele korzyści. W niektórych zastosowaniach w trudnych warunkach pogodowych temperatura akumulatorów może wahać się od bardzo zimnych i suchych do bardzo ciepłych i wilgotnych. W przypadku niekontrolowanej temperatury temperatura wewnątrz akumulatora z pasywnym chłodzeniem rośnie szybciej niż na zewnątrz, tworząc gorące punkty i ograniczając ilość dostępnego prądu rozładowania, co może również powodować szybkie starzenie się akumulatorów litowo-jonowych. Aktywne chłodzenie może lepiej zminimalizować wytwarzanie ciepła podczas ładowania i rozładowywania akumulatora. Przy niezmienionych warunkach aktywne chłodzenie może zapewnić lepsze prądy ładowania i rozładowywania akumulatorów słonecznych.

Wewnętrzna struktura akumulatora zawiera więcej metali, co również może powodować zwarcia na skutek kondensacji. Z powodu różnic temperatur wilgotne powietrze może skroplić się na wrażliwych elementach elektronicznych wewnątrz akumulatora. Aktywne chłodzenie zapobiega również kondensacji wewnątrz akumulatora, zmieniając jego działanie lub uszkadzając jego elementy. Na rynku magazynowania energii w celach komercyjnych i przemysłowych, gdzie początkowe koszty inwestycyjne są wyższe, producenci zwykle stosują chłodzenie powietrzem lub cieczą do aktywnego chłodzenia, aby zapobiec stratom ekonomicznym i zanieczyszczeniu środowiska spowodowanym niekontrolowaną temperaturą.

Podsumowując, na rynku dostępnych jest wiele akumulatorów litowo-jonowych. Zanim wybierzesz właściwy producent baterii słonecznych lub modelu, należy znać moc tych akumulatorów, aby ocenić moc wymaganą do utrzymania działania domowego magazynu energii lub komercyjnego i przemysłowego magazynu energii, wymagany czas pracy, określić środowisko, w którym będzie on eksploatowany, a także aby określić rolę ciepła. Dzięki tym danym możliwa jest ocena składu chemicznego akumulatorów litowo-jonowych, charakterystyki chłodzenia pasywnego i aktywnego oraz kluczowych cech oferowanych przez dostępne rozwiązania.