Solarni fotonaponski sustavi oslanjaju se na sunčevu svjetlost. Baterijski sustavi za pohranu energije napravljeni su za apsorpciju i otpuštanje energije u pravo vrijeme. Kao primjer vrućeg ljetnog dana, čini se da savršeno pristaje, jer ima puno sunca, puno proizvedene energije i velike potrebe za hlađenjem, ali stvarnost je puno kompliciranija. Kao rezultat sve većih toplinskih valova, ekstremne temperature počele su djelovati kao test koji otkriva nedostatke, ubrzava proces degradacije i dovodi u pitanje koliko su fotonaponski i skladišni sustavi zapravo sigurni.
Solarni paradoks: više sunca, manje energije?
Zvuči kontraintuitivno: PV paneli pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju, pa zašto toplije vrijeme smanjuje njihovu snagu? Odgovor leži utemperaturni koeficijentfotonaponskih ćelija.
Standardni uvjeti ispitivanja ocjenjuju PV module na temperaturi ćelije od 25 stupnjeva s zračenjem od 1000 W/m². Na terenu, međutim, temperature modula rutinski se penju znatno iznad temperature okolnog zraka tijekom vrućih, sunčanih dana. Kristalne silicijske solarne ćelije-danas dominantna tehnologija-pokazuju negativan temperaturni koeficijent snage, obično između –0,38% i –0,44% po stupnju Celzijusa. To znači da za svaki 1 stupanj porasta temperature ćelije, električna snaga modula pada za otprilike 0,38% do 0,44%.
Razmotrite praktičan primjer: ako se temperatura ćelije penje s 25 stupnjeva na 65 stupnjeva -uobičajeni scenarij ljetnog poslijepodneva-gubitak snage doseže oko 16% (pod pretpostavkom –0,4%/ stupanj). U uvjetima ekstremnog toplinskog vala, temperatura ćelije može premašiti 70 stupnjeva, gurajući ukupno smanjenje snage iznad 17%. Terenske studije su pokazale da tijekom dugotrajnih toplinskih valova fotonaponske farme mogu izgubiti do 90% svog potencijala proizvodnje po satu, ne zbog naoblake, već isključivo zbog toplinskih učinaka.
Međutim, mora se napomenuti da je temperatura rijetko jedini uključeni faktor. Vrućina igra otežavajuću ulogu kada drugi problemi već postoje. Prljavi moduli, djelomično zasjenjenje, rast biljaka i svi oštećeni dijelovi modula postaju posebno važni u uvjetima visokog zračenja i temperature. Tipičan primjer može biti fenomen "vruće točke", kada zasjenjeni ili oštećeni modul troši energiju umjesto da je stvara, pa se temperatura na danom mjestu povećava. Štoviše, PV pretvarači su elektronički uređaji s ograničenim rasponom rada. Dakle, kada temperatura okoline poraste, smanjuje se stupanj učinkovitosti hlađenja pretvarača, što dovodi do pregrijavanja unutar pretvarača i što može izazvati smanjenje snage ili čak gašenje-sustava, čime se pogoršava starenje modula i smanjuje učinkovitost solarne elektrane općenito.
Baterije pod vatrom: Dvostruki udar topline
Za litij-ionske baterije toplina je još problematičnija. Ovi elektrokemijski sustavi degradiraju kroz dva primarna mehanizma: kalendarsko starenje (ovisno-o vremenu, bez obzira na upotrebu) i ciklično starenje (inducirano-pražnjenjem). Na oboje snažno utječu temperatura, stanje napunjenosti (SoC), dubina pražnjenja i brzine punjenja/pražnjenja.
Istraživanja dosljedno pokazuju da visoka temperatura, u kombinaciji s visokim SoC-om i dubokim ciklusima, dramatično ubrzava pad kapaciteta. U fotonaponskim spojenim aplikacijama, baterije se često brzo pune tijekom podnevnih vršnih sunčevih zraka, zatim se drže na visokom SoC-u nekoliko sati dok temperatura okoline ostaje povišena. Ovaj radni obrazac-brzo punjenje praćeno produljenim visokim SoC namakanjem u toplini-je posebno štetan. Za svakih 10 stupnjeva povećanja prosječne radne temperature, stopa starenja kalendara može se otprilike udvostručiti, prema Arrheniusovom ponašanju uočenom u mnogim kemijskim spojevima litij-iona.
Osim problema s internim performansama, još jedan kritični čimbenik je sigurnost. Litij-ionske baterije mogu se susresti s nizom problema, poput prekomjernog punjenja ili oštećenja zbog mehaničke sile ili kratkih spojeva unutar komponenti. Kao rezultat, temperatura izvora raste do i iznad 130 stupnjeva; ovaj udarac-pokreće niz reakcija unutar baterije uključujući kvar SEI i isparavanje elektrolita. Ako temperatura nastavi rasti, ćelija bi mogla podići svoju površinsku temperaturu na i iznad 1200 stupnjeva i osloboditi zapaljivi plin na temperaturama iznad 600 stupnjeva. Za velike baterije koje se danas naširoko koriste u industrijskim rješenjima, temperatura tijekom bijeg može doseći razine koje prelaze 800 stupnjeva.
Sustavi toplinskog upravljanja-hlađenje zrakom, hlađenje tekućinom, materijali s promjenom faze-moraju jače raditi u vrućim uvjetima, trošeći parazitsku energiju i smanjujući ukupnu učinkovitost sustava. Kada se temperatura ćelije, stalka ili drugog spremnika približi određenim granicama, sustav upravljanja baterijom (BMS) automatski će smanjiti izlaz i ograničiti funkcionalnost. Dok trenutni sustavi za pohranu energije u baterijama (BESS) sadrže rezervne senzore, sustave za suzbijanje požara i sustave za hlađenje, još uvijek postoje rizici od toplinskog bijega jer nedostaci u proizvodnji pojedinačnih ćelija mogu ostati neotkriveni sve dok se ne izlože ekstremnim temperaturama. Stoga je ključno dizajnirati ove sustave na načine koji će spriječiti eskalaciju kvarova, odrediti probleme koji mogu dovesti do is-isplina i spriječiti lokalne incidente da postanu katastrofe.
Izazovi na razini sustava: tango PV-pohrane
U hibridnim solarno-plus-akumulacijskim postrojenjima, toplinski učinci konvergiraju i međusobno djeluju. PV polje proizvodi maksimalnu energiju tijekom vršnog zračenja, ali gubi dio zbog topline. Sustav za pohranu, zadužen za apsorbiranje viška podnevne energije, istovremeno trpi najveći stres punjenja u najtoplijim satima. To stvara operativni paradoks: iz perspektive optimizacije mreže, ima smisla u potpunosti napuniti bateriju tijekom podneva i držati je na visokom SoC-u za večernje vršno pražnjenje; međutim, iz perspektive dugovječnosti i sigurnosti, ta ista strategija ubrzava degradaciju i povećava toplinski rizik.
Stoga se može reći da ne postoji univerzalni "najbolji" način rada. Potrebno je uravnotežiti moguće prihode od trgovanja energijom, optimizaciju vlastite -potrošnje, frekvencijski odziv s obzirom na gubitak učinkovitosti, rashladnu energiju, ubrzano trošenje baterija i veći rizik za neplanirana gašenja. Moderni sustavi upravljanja energijom (EMS) razvijaju se kako bi upravljali ovom složenošću-EMS sustavi nadziru temperature modula i ćelija, vremenske prognoze, tržišne cijene i signale mreže te generiraju odgovarajuće operativne strategije. Na primjer, zamrzavanje baterije noću, kontroliranje brzine punjenja tijekom vrućine ili čak namjerno ograničavanje proizvodnje električne energije može biti opravdano i ekonomski.
Zaključak: Inženjerska otpornost za topliju budućnost
Jaka vrućina sada je uobičajena pojava, a ne iznimka; postaje redoviti test za tehnologiju obnovljivih izvora energije. Uspješno prolaženje testa zahtijeva promišljanje-cjelovitog sustava, a ne samo odabir modula s poboljšanim temperaturnim koeficijentom ili ugradnju većih rashladnih uređaja. Umjesto toga, potreban je učinkovit toplinski dizajn,-specifično modeliranje lokacije (uzimajući u obzir mikroklimu i ventilaciju), odgovarajuće održavanje (uključujući infracrvene preglede i korištenje analize podataka u stvarnom-vremenu) i pametne operativne odluke koje treba donijeti balansirajući kratkoročne-financijske koristi i dugo-zdravlje imovine.
S ubrzavanjem energetske tranzicije i razvojem više solarnih i skladišnih kapaciteta u toplim, suhim i tropskim područjima, sposobnost razumijevanja i suočavanja s toplinskim stresom bit će ključna za sve programere, operatere i investitore. Kako bismo se nosili s toplinom, moramo je tretirati ne kao naknadnu misao, već kao osnovni parametar dizajna od samog početka projekta.
