Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά συστήματα βασίζονται στο ηλιακό φως. Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας από μπαταρίες είναι κατασκευασμένα για την απορρόφηση και την απελευθέρωση ενέργειας την κατάλληλη στιγμή. Ως παράδειγμα μιας ζεστής καλοκαιρινής μέρας, φαίνεται να ταιριάζει απόλυτα, αφού έχει πολύ ήλιο, πολλή ενέργεια που παράγεται και μεγάλη ζήτηση για ψύξη, αλλά η πραγματικότητα είναι πολύ πιο περίπλοκη. Ως αποτέλεσμα των αυξανόμενων κυμάτων καύσωνα, οι ακραίες θερμοκρασίες άρχισαν να λειτουργούν ως δοκιμή που αποκαλύπτει τα ελαττώματα, επιταχύνει τη διαδικασία υποβάθμισης και θέτει υπό αμφισβήτηση πόσο ασφαλή είναι στην πραγματικότητα τα Φ/Β και τα συστήματα αποθήκευσης.
Το ηλιακό παράδοξο: Περισσότερος ήλιος, λιγότερη ενέργεια;
Ακούγεται αντίθετο: τα φωτοβολταϊκά πάνελ μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια, οπότε γιατί ο θερμότερος καιρός μειώνει την απόδοσή τους; Η απάντηση βρίσκεται στοσυντελεστής θερμοκρασίαςτων φωτοβολταϊκών στοιχείων.
Τυπικές συνθήκες δοκιμής Ρυθμός Φ/Β μονάδων σε θερμοκρασία κυψέλης 25 μοιρών με ακτινοβολία 1000 W/m². Στο πεδίο, ωστόσο, οι θερμοκρασίες της μονάδας συνήθως εκτινάσσονται πολύ πάνω από τις θερμοκρασίες του αέρα περιβάλλοντος τις ζεστές, ηλιόλουστες μέρες. Τα ηλιακά κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου-η κυρίαρχη τεχνολογία σήμερα-εμφανίζουν αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας ισχύος, συνήθως μεταξύ -0,38% και -0,44% ανά βαθμό Κελσίου. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε 1 βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας του στοιχείου, η ηλεκτρική ισχύς της μονάδας μειώνεται κατά περίπου 0,38% σε 0,44%.
Εξετάστε ένα πρακτικό παράδειγμα: εάν η θερμοκρασία του κυττάρου ανεβαίνει από 25 βαθμούς σε 65 βαθμούς -ένα σύνηθες σενάριο ένα καλοκαιρινό απόγευμα-η απώλεια ισχύος φτάνει περίπου το 16% (υποθέτοντας –0,4%/ βαθμό ). Σε ακραίες συνθήκες καύσωνα, οι θερμοκρασίες των κυττάρων μπορεί να ξεπεράσουν τους 70 βαθμούς, ωθώντας τη συνολική μείωση πέρα από το 17%. Μελέτες πεδίου έχουν δείξει ότι κατά τη διάρκεια παρατεταμένων κυμάτων καύσωνα, οι φωτοβολταϊκές εκμεταλλεύσεις μπορούν να χάσουν έως και το 90% του ωριαίου δυναμικού παραγωγής τους, όχι λόγω νεφοκάλυψης, αλλά καθαρά λόγω θερμικών επιδράσεων.
Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι η θερμοκρασία σπάνια είναι ο μόνος παράγοντας που εμπλέκεται. Η ζέστη παίζει επιβαρυντικό ρόλο όταν υπάρχουν ήδη άλλα προβλήματα. Οι βρώμικες μονάδες, η μερική σκίαση, η ανάπτυξη φυτών και τυχόν κατεστραμμένα μέρη των μονάδων γίνονται ιδιαίτερα σημαντικά υπό συνθήκες υψηλής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Το χαρακτηριστικό παράδειγμα μπορεί να είναι το φαινόμενο «hot spot», όταν η σκιασμένη ή κατεστραμμένη μονάδα καταναλώνει ενέργεια αντί να την παράγει, και έτσι η θερμοκρασία στο δεδομένο μέρος αυξάνεται. Επιπλέον, οι φωτοβολταϊκοί μετατροπείς είναι ηλεκτρονικές συσκευές με περιορισμένο εύρος λειτουργίας. Έτσι, όταν ανεβαίνει η θερμοκρασία περιβάλλοντος, ο βαθμός απόδοσης της ψύξης του μετατροπέα μειώνεται, γεγονός που οδηγεί σε υπερθέρμανση στο εσωτερικό του μετατροπέα και μπορεί να προκαλέσει υποβάθμιση ή ακόμα και διακοπή λειτουργίας του συστήματος, επιδεινώνοντας έτσι τη γήρανση της μονάδας και μειώνοντας την απόδοση της ηλιακής μονάδας γενικά.
Batteries Under Fire: The Double Whammy of Heat
Για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, η θερμότητα είναι ακόμη πιο προβληματική. Αυτά τα ηλεκτροχημικά συστήματα υποβαθμίζονται μέσω δύο πρωταρχικών μηχανισμών: της ημερολογιακής γήρανσης (εξαρτώμενη από το χρόνο-ανεξαρτήτως χρήσης) και της κυκλικής γήρανσης (φόρτισης-προκαλούμενης απόρριψης). Και τα δύο επηρεάζονται έντονα από τη θερμοκρασία, την κατάσταση φόρτισης (SoC), το βάθος εκφόρτισης και τους ρυθμούς φόρτισης/εκφόρτισης.
Η έρευνα δείχνει σταθερά ότι η υψηλή θερμοκρασία, σε συνδυασμό με το υψηλό SoC και τη βαθιά ανακύκλωση, επιταχύνει δραματικά την εξασθένιση της χωρητικότητας. Σε εφαρμογές συζευγμένες με φωτοβολταϊκά, οι μπαταρίες συχνά φορτίζονται γρήγορα κατά τις μεσημεριανές ηλιακές αιχμές και στη συνέχεια διατηρούνται σε υψηλό SoC για αρκετές ώρες, ενώ οι θερμοκρασίες περιβάλλοντος παραμένουν υψηλές. Αυτό το μοτίβο λειτουργίας-η γρήγορη φόρτιση που ακολουθείται από παρατεταμένο εμποτισμό υψηλής SoC στη θερμότητα-είναι ιδιαίτερα επιβλαβής. Για κάθε αύξηση κατά 10 βαθμούς στη μέση θερμοκρασία λειτουργίας, ο ρυθμός ημερολογιακής γήρανσης μπορεί να διπλασιαστεί περίπου, σύμφωνα με τη συμπεριφορά τύπου Arrhenius που παρατηρείται σε πολλές χημικές χημικές ουσίες ιόντων λιθίου.
Εκτός από τα προβλήματα εσωτερικής απόδοσης, ένας άλλος κρίσιμος παράγοντας είναι η ασφάλεια. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-μπορούν να αντιμετωπίσουν μια σειρά προβλημάτων, όπως υπερφόρτιση ή ζημιά λόγω μηχανικής δύναμης ή βραχυκυκλώματος στο εσωτερικό των εξαρτημάτων τους. Ως αποτέλεσμα, η θερμοκρασία της πηγής αυξάνεται στους 130 βαθμούς και πάνω από αυτό. αυτό το λάκτισμα-ξεκινά τη σειρά αντιδράσεων μέσα στην μπαταρία, συμπεριλαμβανομένης της διάσπασης του SEI και της εξάτμισης του ηλεκτρολύτη. Εάν η θερμοκρασία συνεχίσει να αυξάνεται, το στοιχείο μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία της επιφάνειάς του στους 1200 βαθμούς και να απελευθερώσει εύφλεκτο αέριο σε θερμοκρασίες πάνω από 600 βαθμούς. Για μεγάλες μπαταρίες που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα σε βιομηχανικές λύσεις, η θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της φυγής μπορεί να φτάσει σε επίπεδα που ξεπερνούν τους 800 βαθμούς.
Τα συστήματα θερμικής διαχείρισης-αερόψυξης, υγρής ψύξης, υλικών αλλαγής φάσης-πρέπει να λειτουργούν σκληρότερα σε θερμές συνθήκες, καταναλώνοντας παρασιτική ενέργεια και μειώνοντας τη συνολική απόδοση του συστήματος. Όταν η θερμοκρασία μιας κυψέλης, rack ή άλλου δοχείου πλησιάζει σε συγκεκριμένα όρια, το σύστημα διαχείρισης μπαταρίας (BMS) θα μειώσει αυτόματα την έξοδο και θα περιορίσει τη λειτουργικότητα. Ενώ τα τρέχοντα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών (BESS) περιέχουν εφεδρικούς αισθητήρες, συστήματα πυρόσβεσης και συστήματα ψύξης, εξακολουθούν να υπάρχουν κίνδυνοι θερμικής διαφυγής, καθώς τα ελαττώματα στην παραγωγή μεμονωμένων κυψελών ενδέχεται να παραμείνουν απαρατήρητα μέχρι να εκτεθούν σε ακραίες θερμοκρασίες. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να σχεδιάσουμε αυτά τα συστήματα με τρόπους που θα αποτρέπουν την κλιμάκωση των αστοχιών, για τον εντοπισμό ζητημάτων που μπορεί να οδηγήσουν σε απενεργοποίηση-αερίου και για την αποτροπή τοπικών συμβάντων από καταστροφές.
Προκλήσεις σε επίπεδο συστήματος: Το PV-Storage Tango
Σε υβριδικές μονάδες αποθήκευσης ηλιακής ενέργειας και συν, τα θερμικά φαινόμενα συγκλίνουν και αλληλεπιδρούν. Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια παράγει μέγιστη ενέργεια κατά τη διάρκεια της μέγιστης ακτινοβολίας, αλλά χάνει ένα μέρος λόγω θερμότητας. Το σύστημα αποθήκευσης, που έχει ως αποστολή την απορρόφηση της πλεονάζουσας μεσημεριανής ενέργειας, υφίσταται ταυτόχρονα τη μεγαλύτερη καταπόνηση φόρτισης στις πιο ζεστές ώρες. Αυτό δημιουργεί ένα λειτουργικό παράδοξο: από την άποψη της βελτιστοποίησης του δικτύου, είναι λογικό να φορτίζεται πλήρως η μπαταρία το μεσημέρι και να διατηρείται σε υψηλό SoC για αποφόρτιση αιχμής το βράδυ. Ωστόσο, από την άποψη της μακροζωίας και της ασφάλειας, η ίδια στρατηγική επιταχύνει την υποβάθμιση και αυξάνει τον θερμικό κίνδυνο.
Έτσι, μπορεί να ειπωθεί ότι δεν υπάρχει καθολικός "καλύτερος" τρόπος λειτουργίας. Είναι απαραίτητο να εξισορροπηθούν τα πιθανά εισοδήματα από την εμπορία ενέργειας, τη βελτιστοποίηση της αυτοκατανάλωσης, την απόκριση συχνότητας σε σχέση με την απώλεια απόδοσης, την ενέργεια ψύξης, την επιταχυνόμενη φθορά των μπαταριών και τον υψηλότερο κίνδυνο για απρογραμμάτιστες διακοπές λειτουργίας. Τα σύγχρονα συστήματα διαχείρισης ενέργειας (EMS) αναπτύσσονται για τη διαχείριση αυτής της πολυπλοκότητας-Τα συστήματα EMS παρακολουθούν τις θερμοκρασίες των μονάδων και των κυψελών, τις μετεωρολογικές προβλέψεις, τις τιμές αγοράς και τα σήματα δικτύου και δημιουργούν κατάλληλες επιχειρησιακές στρατηγικές. Για παράδειγμα, το πάγωμα της μπαταρίας τη νύχτα, ο έλεγχος της ταχύτητας φόρτισης κατά τη διάρκεια της ζέστης ή ακόμη και ο σκόπιμος περιορισμός της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να δικαιολογηθεί και οικονομικά.
Συμπέρασμα: Μηχανική ανθεκτικότητα για ένα πιο ζεστό μέλλον
Η έντονη ζέστη είναι πλέον συχνό φαινόμενο παρά εξαίρεση. γίνεται μια τακτική δοκιμή για την τεχνολογία ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η επιτυχής επιτυχία της δοκιμής απαιτεί να σκεφτείτε-την προσέγγιση ολόκληρου του συστήματος και όχι απλώς να επιλέξετε μονάδες με βελτιωμένο συντελεστή θερμοκρασίας ή να εγκαταστήσετε μεγαλύτερες συσκευές ψύξης. Αντίθετα, χρειάζεται αποτελεσματική θερμική σχεδίαση, μοντελοποίηση-συγκεκριμένης τοποθεσίας (λαμβάνοντας υπόψη το μικροκλίμα και τον αερισμό), σωστή συντήρηση (συμπεριλαμβανομένων των επιθεωρήσεων υπέρυθρης ακτινοβολίας και αξιοποίησης της ανάλυσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο) και έξυπνες επιχειρησιακές αποφάσεις που θα πρέπει να ληφθούν εξισορροπώντας τα βραχυπρόθεσμα{{5}οικονομικά οφέλη και τη μακροπρόθεσμη{{6} υγεία του συνόλου.
Με την επιτάχυνση της ενεργειακής μετάβασης και την ανάπτυξη μεγαλύτερης ηλιακής και αποθηκευτικής ικανότητας σε θερμές, ξηρές και τροπικές περιοχές, η ικανότητα κατανόησης και αντιμετώπισης του θερμικού στρες θα είναι απαραίτητη για όλους τους προγραμματιστές, τους χειριστές και τους επενδυτές. Για να ανταπεξέλθουμε στη ζέστη, πρέπει να την αντιμετωπίσουμε όχι ως εκ των υστέρων αλλά ως βασική σχεδιαστική παράμετρο από την αρχή του έργου.
