A napelemes fotovoltaikus rendszerek a napfényre támaszkodnak. Az akkumulátoros energiatároló rendszerek az energia megfelelő időben történő elnyelésére és leadására készültek. Példaként egy forró nyári napra, úgy tűnik, tökéletesen passzol, hiszen sok a napsütés, sok energia keletkezik és nagy a hűtési igény, de a valóság ennél sokkal bonyolultabb. Az erősödő hőhullámok hatására az extrém hőmérsékletek próbaként kezdtek működni, amelyek feltárják a hibákat, felgyorsítják a leromlás folyamatát, és megkérdőjelezik, mennyire biztonságosak a PV és a tárolórendszerek valójában.
A szoláris paradoxon: több nap, kevesebb energia?
Ellentmondóan hangzik: a PV panelek a napfényt elektromos árammá alakítják, tehát miért csökkenti a melegebb időjárás a teljesítményüket? A válasz abban rejlikhőmérsékleti együtthatófotovoltaikus cellák.
A szabványos vizsgálati körülmények a PV-modulokat 25 fokos cellahőmérsékleten 1000 W/m² besugárzással értékelik. A terepen azonban a modulok hőmérséklete a meleg, napsütéses napokon rendszeresen jóval a környezeti levegő hőmérséklete fölé emelkedik. A kristályos szilícium napelemek -a mai domináns technológia-negatív teljesítményhőmérsékleti együtthatót mutatnak, jellemzően –0,38% és –0,44% között van Celsius-fokon. Ez azt jelenti, hogy a cella hőmérsékletének minden 1 fokos emelkedésével a modul elektromos teljesítménye nagyjából 0,38%-kal 0,44%-ra csökken.
Vegyünk egy gyakorlati példát: ha a cella hőmérséklete 25 fokról 65 fokra emelkedik -gyakori forgatókönyv egy nyári délutánon-, az energiaveszteség eléri a körülbelül 16%-ot (–0,4%/fok feltételezésével). Extrém hőhullámos körülmények között a cellák hőmérséklete meghaladhatja a 70 fokot, ami a teljes leértékelést 17% fölé tolja. Területi tanulmányok kimutatták, hogy hosszan tartó hőhullámok alatt a fotovillamos farmok óránkénti termelési potenciáljuk akár 90%-át is elveszíthetik, nem a felhőzet, hanem pusztán a hőhatások miatt.
Meg kell azonban jegyezni, hogy ritkán a hőmérséklet az egyetlen tényező. A hő súlyosbító szerepet játszik, ha más problémák már fennállnak. A szennyezett modulok, a részleges árnyékolás, a növények növekedése és a modulok sérült részei különösen fontossá válnak magas besugárzás és hőmérséklet esetén. Tipikus példa erre a "hot spot" jelenség, amikor az árnyékolt vagy sérült modul energiát fogyaszt ahelyett, hogy azt előállítaná, és így az adott helyen a hőmérséklet magasabbra megy. Ezenkívül a PV inverterek korlátozott működési tartományú elektronikus eszközök. Így a környezeti hőmérséklet emelkedésével az inverter hűtésének hatékonysága csökken, ami az inverter belsejében túlmelegedéshez vezet, ami a rendszer leértékelését vagy akár leállását is kiválthatja, súlyosbítva a modulok elöregedését és általában véve csökkentve a napelemes erőmű hatékonyságát.
Battery Under Fire: The Double Hammy of Heat
A lítium-ion akkumulátorok esetében a hő még problémásabb. Ezek az elektrokémiai rendszerek két elsődleges mechanizmuson keresztül bomlanak le: naptári öregedés (idő-függő, használattól függetlenül) és ciklusos öregedés (töltés-kisülés okozta). Mindkettőt erősen befolyásolja a hőmérséklet, a töltöttségi állapot (SoC), a kisütés mélysége és a töltési/kisütési sebesség.
A kutatások folyamatosan azt mutatják, hogy a magas hőmérséklet, a magas SoC-val és a mély ciklussal kombinálva drámaian felgyorsítja a kapacitás csökkenését. A PV-csatlakozású alkalmazásokban az akkumulátorokat gyakran gyorsan feltöltik a déli napenergia-csúcsok idején, majd több órán keresztül magas SoC-on tartják, miközben a környezeti hőmérséklet magas marad. Ez a működési minta -gyors töltés, amelyet hosszan tartó, magas SoC hőmérsékletű melegedés követ-, különösen káros. Az átlagos üzemi hőmérséklet minden 10 fokos növekedése esetén a naptáröregedés sebessége nagyjából megduplázódhat, sok lítium-ion kémiában megfigyelt Arrhenius-típusú viselkedés szerint.
A belső teljesítményproblémák mellett egy másik kritikus tényező a biztonság. A lítium-ionos akkumulátorok számos problémával szembesülhetnek, például túltöltéssel vagy mechanikai erőhatás vagy az alkatrészeikben lévő rövidzárlat miatti károsodással. Ennek eredményeként a forrás hőmérséklete 130 fokra és a fölé emelkedik; ez a rúgás-indítja be az akkumulátoron belüli reakciósorozatot, beleértve a SEI lebomlását és az elektrolit elpárolgását. Ha a hőmérséklet folyamatosan emelkedik, a cella felületi hőmérsékletét 1200 fokra vagy fölé emelheti, és 600 fok felett gyúlékony gázt bocsáthat ki. Az ipari megoldásokban manapság széles körben használt nagyméretű akkumulátorok esetében a hőmérséklet a kifutás során elérheti a 800 fokot is.
A hőkezelési rendszereknek -levegő-, folyadékhűtő-, fázisváltó anyagoknak- erősebben kell működniük meleg körülmények között, parazita áramot fogyasztva, és csökkentve a rendszer általános hatékonyságát. Amikor egy cella, rack vagy más tartály hőmérséklete bizonyos határértékek közelébe ér, az akkumulátorkezelő rendszer (BMS) automatikusan csökkenti a teljesítményt és korlátozza a funkcionalitást. Míg a jelenlegi Battery Energy Storage Systems (BESS) tartalék érzékelőket, tűzoltó rendszereket és hűtőrendszereket tartalmaz, továbbra is fennáll a hőkitörés veszélye, mivel az egyes cellák gyártási hibái mindaddig észrevétlenek maradhatnak, amíg szélsőséges hőmérsékletnek nem teszik ki őket. Ezért alapvető fontosságú, hogy ezeket a rendszereket úgy tervezzék meg, hogy megakadályozzák a hibák eszkalációját, azonosítsák azokat a problémákat, amelyek elgázosodáshoz vezethetnek, és megakadályozzák, hogy a helyi események katasztrófává váljanak.
Rendszerszintű kihívások: A PV-Storage Tango
A hibrid szoláris plusz tároló berendezésekben a hőhatások összefolynak és kölcsönhatásba lépnek. A PV-tömb maximális energiát állít elő a besugárzási csúcs alatt, de a hő hatására egy részét elveszíti. A többlet déli energia elnyelésével megbízott tárolórendszer egyidejűleg a legmelegebb órákban szenvedi el a legnagyobb töltési terhelést. Ez működési paradoxont hoz létre: a hálózatoptimalizálás szempontjából érdemes délben teljesen feltölteni az akkumulátort, és magas SoC-on tartani az esti csúcskisülés érdekében; azonban a hosszú élettartam és a biztonság szempontjából ugyanez a stratégia felgyorsítja a degradációt és növeli a termikus kockázatot.
Így elmondható, hogy nincs univerzális "legjobb" működési mód. Egyensúlyba kell hozni az energiakereskedelemből származó lehetséges bevételeket, az önfogyasztás optimalizálását, a frekvenciaválaszt a hatékonyságcsökkenés tekintetében, a hűtési energiát, az akkumulátorok gyorsuló kopását és a nem tervezett leállások nagyobb kockázatát. A modern energiagazdálkodási rendszerek (EMS) fejlesztés alatt állnak ennek a komplexitásnak a kezelésére.-Az EMS-rendszerek figyelik a modulok és cellák hőmérsékletét, az időjárás-előrejelzéseket, a piaci árakat és a hálózati jeleket, és megfelelő működési stratégiákat állítanak elő. Gazdaságilag is indokolható például az akkumulátor éjszakai lefagyasztása, a hőségben a töltési sebesség szabályozása, vagy akár az áramtermelés szándékos korlátozása.
Következtetés: Mérnöki rugalmasság a forróbb jövőért
Az erős hőség ma már inkább általános jelenség, mint kivétel; a megújuló energiatechnológia rendszeres tesztjévé válik. A teszt sikeres teljesítéséhez az egész rendszeren át kell gondolni-, nem csupán a javított hőmérsékleti együtthatóval rendelkező modulok kiválasztását vagy nagyobb hűtőberendezések beszerelését. Ehelyett hatékony hőtervezésre, helyspecifikus modellezésre (a mikroklímát és a szellőzést figyelembe véve), megfelelő karbantartásra (beleértve az infravörös ellenőrzéseket és a valós idejű adatelemzést, és intelligens működési döntésekre van szükség), amelyeket a rövid távú pénzügyi előnyök és az eszköz hosszú távú állapotának
Az energiaátállás felgyorsulásával, valamint a meleg, száraz és trópusi területeken egyre több napenergia- és tárolókapacitás fejlesztésével minden fejlesztő, üzemeltető és befektető számára elengedhetetlen lesz a hőterhelés megértésének és kezelésének képessége. Ahhoz, hogy megbirkózzunk a hővel, nem utólagos gondolatként, hanem alapvető tervezési paraméterként kell kezelnünk a projekt legelején.
