سیستم های فتوولتائیک خورشیدی به نور خورشید متکی هستند. سیستم های ذخیره انرژی باتری برای جذب و آزادسازی انرژی در زمان مناسب ساخته شده اند. به عنوان نمونه ای از یک روز گرم تابستان، به نظر می رسد که کاملاً مناسب است، زیرا دارای آفتاب زیاد، انرژی زیادی تولید شده و تقاضای زیادی برای خنک کننده است، اما واقعیت بسیار پیچیده تر است. در نتیجه افزایش امواج گرما، دماهای شدید به عنوان آزمایشی عمل کردند که عیوب را آشکار می کند، روند تخریب را سرعت می بخشد، و میزان ایمن بودن PV و سیستم های ذخیره سازی را زیر سوال می برد.
پارادوکس خورشیدی: خورشید بیشتر، انرژی کمتر؟
به نظر غیرقابل تصور می رسد: پانل های PV نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کنند، پس چرا هوای گرمتر خروجی آنها را کاهش می دهد؟ پاسخ در نهفته استضریب دماسلول های فتوولتائیک
شرایط آزمون استاندارد ماژول های PV را در دمای سلول 25 درجه با تابش 1000 وات بر متر مربع درجه بندی می کند. با این حال، در میدان، دمای ماژول به طور معمول در روزهای گرم و آفتابی بسیار بالاتر از دمای هوای محیط است. سلولهای خورشیدی سیلیکونی کریستالی{4}}تکنولوژی غالب امروزی{5}} یک ضریب دمایی توان منفی را نشان میدهند که معمولاً بین -0.38٪ و -0.44٪ در درجه سانتیگراد است. این بدان معناست که به ازای هر یک درجه افزایش دمای سلول، خروجی الکتریکی ماژول تقریباً 0.38٪ به 0.44٪ کاهش می یابد.
یک مثال عملی را در نظر بگیرید: اگر دمای سلول از 25 درجه به 65 درجه افزایش یابد -یک سناریوی معمول در یک بعد از ظهر تابستانی-تلفات برق به حدود 16٪ می رسد (با فرض -0.4٪ / درجه). در شرایط شدید موج گرما، دمای سلول میتواند از 70 درجه تجاوز کند و کاهش کل را به بیش از 17 درصد برساند. مطالعات میدانی نشان داده است که در طول موج گرمای طولانی مدت، مزارع PV می توانند تا 90 درصد از پتانسیل تولید ساعتی خود را از دست بدهند، نه به دلیل پوشش ابر، بلکه صرفاً به دلیل اثرات حرارتی.
با این حال، باید توجه داشت که دما به ندرت تنها عامل دخیل است. گرما نقش تشدید کننده ای را ایفا می کند که مشکلات دیگری از قبل وجود داشته باشد. ماژول های کثیف، سایه جزئی، رشد گیاهان و هر قسمت آسیب دیده ماژول ها در شرایط تابش و دمای بالا اهمیت ویژه ای پیدا می کنند. مثال معمولی می تواند پدیده "نقطه داغ" باشد، زمانی که ماژول سایه دار یا آسیب دیده انرژی را به جای تولید انرژی مصرف می کند و در نتیجه دما در مکان معین بالاتر می رود. علاوه بر این، اینورترهای PV دستگاه های الکترونیکی با محدوده عملکرد محدود هستند. بنابراین، هنگامی که دمای محیط بالا می رود، درجه راندمان خنک کننده اینورتر کاهش می یابد، که منجر به گرم شدن بیش از حد در داخل اینورتر می شود و ممکن است باعث کاهش{5}} سیستم شود و در نتیجه پیری ماژول را تشدید کرده و به طور کلی بازده نیروگاه خورشیدی را کاهش می دهد.
باتری های زیر آتش: ضربه دوگانه گرما
برای باتریهای لیتیوم یون، گرما حتی مشکلسازتر است. این سیستمهای الکتروشیمیایی از طریق دو مکانیسم اصلی تخریب میشوند: پیری تقویمی (وابسته به زمان، صرفنظر از استفاده) و پیری چرخهای (بار-تخلیه ناشی از آن). هر دو به شدت تحت تأثیر دما، وضعیت بار (SoC)، عمق دشارژ و نرخ شارژ/دشارژ قرار دارند.
تحقیقات به طور مداوم نشان می دهد که دمای بالا، همراه با SoC بالا و دوچرخه سواری عمیق، محو شدن ظرفیت را به طور چشمگیری تسریع می کند. در کاربردهای جفت شده با PV، باتری ها اغلب در طول اوج خورشیدی در ظهر به سرعت شارژ می شوند، سپس برای چندین ساعت در SoC بالا نگهداری می شوند در حالی که دمای محیط بالا باقی می ماند. این الگوی عملیاتی-شارژ سریع و به دنبال آن خیساندن طولانی مدت با SoC بالا در گرما-به ویژه مضر است. با توجه به رفتار نوع آرنیوس که در بسیاری از شیمیهای لیتیوم یون مشاهده میشود، به ازای هر ۱۰ درجه افزایش متوسط دمای عملیاتی، سرعت پیری تقویم تقریباً دو برابر میشود.
علاوه بر مسائل عملکرد داخلی، یکی دیگر از عوامل مهم ایمنی است. باتریهای لیتیوم{1} یون میتوانند با طیف وسیعی از مشکلات، مانند شارژ بیش از حد یا آسیب دیدن به دلیل نیروی مکانیکی یا اتصالات کوتاه داخل اجزای خود مواجه شوند. در نتیجه دمای منبع به 130 درجه و بالاتر می رود. این ضربه{4}}سری واکنشها را در داخل باتری شروع میکند، از جمله شکست SEI و تبخیر الکترولیت. اگر دما همچنان در حال افزایش باشد، سلول ممکن است دمای سطح خود را تا 1200 درجه افزایش دهد و گاز قابل اشتعال را در دمای بالای 600 درجه آزاد کند. برای باتری های بزرگ که امروزه به طور گسترده در محلول های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند، دما در حین فرار می تواند به سطوحی بیش از 800 درجه برسد.
سیستمهای مدیریت حرارتی-خنککننده هوا، خنککننده مایع، مواد تغییر فاز-باید در شرایط گرم، مصرف انرژی انگلی و کاهش راندمان کلی سیستم، سختتر کار کنند. هنگامی که دمای یک سلول، قفسه یا سایر محفظهها نزدیک به محدودیتهای خاصی باشد، سیستم مدیریت باتری (BMS) به طور خودکار خروجی را کاهش میدهد و عملکرد را محدود میکند. در حالی که سیستمهای ذخیره انرژی باتری فعلی (BESS) حاوی حسگرهای پشتیبان، سیستمهای اطفاء حریق و سیستمهای خنککننده هستند، هنوز خطرات فرار حرارتی وجود دارد زیرا ممکن است نقص در تولید سلولهای منفرد تا زمانی که در معرض دمای شدید قرار نگیرند، شناسایی نشده باقی بمانند. بنابراین، طراحی این سیستمها به گونهای ضروری است که از تشدید خرابیها جلوگیری کند، مسائلی را که ممکن است منجر به گازگرفتگی{5}}منجر شود، و از تبدیل شدن حوادث محلی به فاجعه جلوگیری کند.
چالشهای سطح سیستم: تانگو ذخیرهسازی PV
در نیروگاههای هیبریدی ذخیرهسازی خورشیدی به علاوه، اثرات حرارتی همگرا و برهم کنش میشوند. آرایه PV حداکثر انرژی را در زمان اوج تابش تولید می کند، اما بخشی از آن را در اثر گرما از دست می دهد. سیستم ذخیره سازی که وظیفه جذب انرژی مازاد در ظهر را بر عهده دارد، به طور همزمان در گرم ترین ساعات بیشترین فشار شارژ را متحمل می شود. این یک پارادوکس عملیاتی ایجاد میکند: از منظر بهینهسازی شبکه، منطقی است که باتری را در ظهر به طور کامل شارژ کنید و آن را در SoC بالا نگه دارید تا اوج دشارژ در عصر انجام شود. با این حال، از منظر طول عمر و ایمنی، همان استراتژی تخریب را تسریع می کند و خطر حرارتی را افزایش می دهد.
بنابراین، می توان گفت که هیچ "بهترین" حالت عملیاتی جهانی وجود ندارد. لازم است بین درآمدهای احتمالی ناشی از تجارت انرژی، بهینه سازی مصرف{1}}خود، پاسخ فرکانسی با توجه به اتلاف بازده، انرژی خنک کننده، فرسودگی سریع باتری ها و خطر بیشتر برای خاموش شدن برنامه ریزی نشده تعادل برقرار کرد. سیستمهای مدیریت انرژی مدرن (EMS) به منظور مدیریت این پیچیدگی در حال توسعه هستند-سیستمهای EMS دمای ماژولها و سلولها، پیشبینی آبوهوا، قیمتهای بازار و سیگنالهای شبکه را نظارت میکنند و استراتژیهای عملیاتی مناسبی را ایجاد میکنند. به عنوان مثال، یخ زدن باتری در شب، کنترل سرعت شارژ در هنگام گرما، یا حتی محدود کردن عمدی تولید برق می تواند از نظر اقتصادی نیز توجیه شود.
نتیجه گیری: تاب آوری مهندسی برای آینده ای داغ تر
گرمای شدید در حال حاضر یک پدیده رایج است تا یک استثنا. این در حال تبدیل شدن به یک آزمایش معمولی برای فناوری انرژی های تجدیدپذیر است. گذراندن موفقیت آمیز آزمون مستلزم تفکر{1}}در کل رویکرد سیستم است و نه صرفاً انتخاب ماژول هایی با ضریب دمایی بهبود یافته یا نصب دستگاه های خنک کننده بزرگتر. درعوض، نیاز به طراحی حرارتی مؤثر، مدلسازی خاص سایت (با در نظر گرفتن ریزاقلیم و تهویه)، تعمیر و نگهداری مناسب (شامل بازرسیهای فروسرخ و استفاده از{4}}تحلیل دادههای زمان واقعی)، و تصمیمگیریهای عملیاتی هوشمند است که باید برای متعادل کردن منافع مالی کوتاهمدت و سلامت بلندمدت دارایی اتخاذ شوند.
با افزایش سرعت انتقال انرژی و توسعه ظرفیت ذخیره سازی و خورشیدی بیشتر در مناطق گرم، خشک و گرمسیری، توانایی درک و مقابله با استرس حرارتی برای همه توسعه دهندگان، اپراتورها و سرمایه گذاران ضروری خواهد بود. برای مقابله با گرما، باید از همان ابتدای پروژه نه به عنوان یک فکر بعدی بلکه به عنوان یک پارامتر طراحی اساسی در نظر بگیریم.
