Топлинно управление всистеми за съхранение на енергия от батериен-тип външен шкафпредставлява една от онези инженерни дисциплини, при които пропастта между теорията на учебниците и реалността е достатъчно голяма, за да погълне цели бюджети на проекти. Електрохимичното поведение на клетките с литиево-железен фосфат-сега доминиращата химия в приложенията за стационарно съхранение-се управлява от температурни зависимости, които повечето екипи за доставки третират като бележки под линия, а не като основни ограничения на дизайна. Работните обвивки от 15 градуса до 35 градуса звучат щедро на хартия, докато не пуснете в експлоатация шкаф с 215kWh във Финикс през юли, гледайки как BMS намалява вашия лъскав нов актив до 40% капацитет, защото някой е намалил HVAC с 2kW.
Проблемът с температурата, който никой не иска да обсъжда
Ето неудобната истина, която индустрията премълчава: LFP батериите не се интересуват от вашите прогнози за приходи. Те се грижат да останат между 20 градуса и 30 градуса. Излезте извън тази група и започвате да плащате сложна лихва при деградация.
Числата са брутални. За всеки 10 градуса над 25 градуса животът на цикъла намалява приблизително наполовина. Шкаф, работещ постоянно при 45 градуса -което се случва по-често, отколкото някой признава в пустинни инсталации-ще достигне праговете за намаляване на капацитета след три години вместо след осем. Това не е грешка при закръгляване. Това е безвъзвратен актив.
И става по-лошо в крайностите. Химията на LFP започва да проявява измеримо увеличено вътрешно съпротивление под 0 градуса, което означава, че вашите криви на изпускане през зимата сутрин не приличат на вашите летни следобедни криви. Зареждането под точката на замръзване крие риск от литиево покритие върху анода-постоянна, необратима повреда, която никакво възстановяване няма да поправи. BMS би трябвало да предотврати това, но съм виждал устройства, доставяни с ниски-температурни граници, зададени на -10 градуса, когато таблицата с данни на производителя на клетката ясно посочва 0 градуса. Никой не го хвана до третата зима.
Въздушно охлаждане: По подразбиране, което не трябва да бъде по подразбиране
Повечето системи за шкафове C&I се доставят с-принудително управление на топлината на въздуха, защото е евтино. Пакетиран климатик от 3kW до 5kW, закрепен с болтове към покрива на шкафа, малко въздуховоди, може би филтър, който никой никога няма да смени-готово. Обща BOM цена за HVAC системата: може би $2500.
Климатикът стои отгоре по практически причини. Топлината се повишава, така че се борите с термодинамиката, ако се опитате да охладите отдолу. По-важното е, че достъпът до филтъра и сервизните портове за хладилен агент трябва да са достъпни за техници, които предпочитат да не извършват конторсионни действия. Веднъж обиколих сайт, където климатичният шкаф беше монтиран на нивото на коленете на задния панел. Сервизният техник ми показа фактурите си - 30% по-високи такси за труд за всяко обаждане поради трудния достъп.
Въздушното охлаждане работи. Не това е проблемът. Проблемът е, че работи, докато не стане, а когато се провали, се проваля по начини, които каскадно преминават през вашата оперативна икономика.
Температурните градиенти са скрития убиец. В типичен шкаф с въздушно{1}}охлаждане ще видите делта от 8 градуса до 12 градуса между модулите на батерията от-страната на входа и модулите от страната на-изпускането. Клетките в близост до входа за променлив ток може да са на удобни 22 градуса, докато тези в далечния край на пътя на въздушния поток се пекат на 34 градуса. Същият кабинет, един и същи момент във времето, коренно различни темпове на стареене. След пет години имате някои модули с 85% SOH и други с 65% SOH. Успех да обясните това на вашия екип по експлоатация и поддръжка, когато влошените модули започнат да ограничават капацитета на цялата-система.
Данните на NREL за това са доста изобличителни. Литиево- йонните клетки, работещи при 30 градуса, губят около 20% от живота си в сравнение с клетките, поддържани при 20 градуса. При 40 градуса очаквате 40% намаление на живота. При 45 градуса, -което е абсолютно постижимо в лошо проектиран въздушно-охлаждащ се шкаф по време на пиковия летен следобед-цикъл на бръснене-скъсихте наполовина живота на батерията. Това не са теоретични числа. Те са получени от проучвания за ускорено стареене и са валидирани спрямо полеви данни.
Течно охлаждане: по-добра производителност, различни главоболия
Насочването на индустрията към шкафове с-течно охлаждане беше бързо и до голяма степен оправдано. Водо-гликолови смеси, преминаващи през студени плочи, прикрепени към модулите на батерията, могат да постигнат еднородност на температурата в рамките на ±2 градуса до ±3 градуса в целия пакет. Това е трансформиращо подобрение спрямо въздушното охлаждане от ±6 градуса до ±8 градуса (и често по-лошо).
Физиката е ясна: специфичният топлинен капацитет на водата е приблизително четири пъти по-голям от този на въздуха. Можете да преместите същото количество топлинна енергия с драматично по-малък масов поток. Студените плочи взаимодействат директно с повърхностите на модула, елиминирайки загубите на конвективния граничен слой, които ограничават конструкциите с въздушно{2}}охлаждане. Всичко за течното охлаждане е термодинамично превъзходно.
Така че защо не всеки шкаф{0}}се охлажда с течност?
Разходи, очевидно. Система за управление на температурата на течност-охладител, помпи, студени плочи, водопровод, пълнеж с гликол, разширителен съд, откриване на течове-добавя $8000 до $15 000 към цената на шкафа в зависимост от капацитета. За система от 100kWh с обща инсталирана цена от може би $80 000, това е значително процентно увеличение.
Но истинското колебание идва от оперативно безпокойство. Електрониката с постоянен ток с близко до високо{1}}напрежение прави хората нервни и не без причина. Изтичането на гликол вътре в захранван шкаф показва режими на повреда, които въздушното охлаждане просто няма. Най-добрите конструкции с-течно охлаждане използват диелектрични течности или физически изолират охлаждащия контур от електрическите отделения, но прегледах системи, при които колекторите със студена плоча минават директно над BMS платките. Един подобаващ провал и очаквате сериозно разследване на инцидент.
Тежестта на поддръжката също се увеличава. Помпите отказват. Гликолът се разгражда и се нуждае от периодична подмяна. Чилърите имат компресори, които се износват. Въздушните филтри на кондензаторните намотки се задръстват с прах и никой не ги проверява, защото системата се намира в ограден двор, който се посещава от поддръжката може би два пъти годишно. Система за течно охлаждане, която не се поддържа активно, ще работи слабо в рамките на 18 месеца и ще се повреди в рамките на 36.
Топлообменници: Средният път, който не е
Топлообменниците-въздух-се появяват в спецификациите постоянно, обикновено позиционирани като „по-надеждна“ алтернатива на охлаждането-базирано на хладилен агент. Стъпката е нещо подобно: без компресор, без зареждане с хладилен агент, без сложни HVAC контроли-само топлинна тръба или термосифон, който пренася топлината от шкафа към околния въздух пасивно.
Има един малък проблем. Топлообменниците могат да отхвърлят топлината само когато температурата на околната среда е под целевата температура на шкафа. Ако искате да поддържате 25 градуса вътре в шкафа, а навън е 35 градуса, вашият топлообменник сега работи като скъп термичен мост в грешна посока.
Това изглежда очевидно, когато е казано ясно, но съм виждал проекти в американския югозапад със спецификации с топло-обменник-само охлаждане, защото инженерът по продажбите показа графика на „средните годишни температури“, която удобно изглади следобедните пикове от 45 градуса до много управляеми-изглеждащи средни 28 градуса. Системата работеше добре от октомври до април. От май до септември батериите прекарваха по-голямата част от дневните часове термично понижени.
Топлообменниците имат смисъл при специфичен климат-Скандинавия, Северна Германия, Тихоокеанския северозапад, навсякъде, където температурата на околната среда надеждно остава под вашата зададена точка. В комбинация с малък допълнителен AC модул за шепа горещи дни, те могат да намалят годишната консумация на енергия за охлаждане с 60% или повече. Но те не са универсално решение и доставчиците, които ги представят като такива, правят лоша услуга на клиентите си.
Паразитният товар, за който никой не бюджетира
Кабинетните ОВК системи консумират електричество. Това не е новина. Това, което е новина-за много разработчици на проекти, очевидно-е колко електроенергия консумират и колко значително това потребление влияе върху бизнес случая.
Полевите данни от инсталации в множество климатични зони показват паразитни топлинни натоварвания за управление, вариращи от 8% от общата производителност на батерията в мек климат до 34% в екстремни среди. Оставете това да потъне. В субарктична инсталация с високи изисквания за отопление през зимата, повече от една трета от енергията, съхранявана в батериите, отива за поддържане на същите тези батерии при приемлива температура.
Стандартното предположение в повечето финансови модели е 2% до 3% спомагателен товар. Това предположение е погрешно, често с порядък на големина при предизвикателни внедрявания.
Лятото всъщност е по-лесният сезон от гледна точка на паразитно натоварване на повечето места. Да, работите с климатика непрекъснато, но отхвърляте топлината във въздуха, която е само с 10 градуса до 20 градуса над зададената ви точка. Зимата в студен климат е мястото, където нещата стават скъпи. Вие работите със съпротивителни нагреватели и няма термодинамичен трик, който да направи нагряването с електрическо съпротивление по-ефективно. Всеки ват топлина, от който се нуждаете, ви струва точно един ват електричество-плюс неефективността на каквото и да е преобразуване на енергия между батерията и нагревателя.
PCS генерира отпадна топлина, а интелигентните дизайни на шкафовете я улавят за управление на топлината през зимата. Когато PCS живее вътре в топлинната обвивка, неговите 3% до 5% загуби от преобразуване стават „безплатно“ отопление през студените месеци. Когато е монтиран отвън-често се случва в дизайни на разделена-система, където шкафът за батерии и шкафът за силова електроника са отделни единици-вие сте изхвърлили полезна топлинна енергия и сега трябва да я замените с-захранвано от батерии съпротивително отопление.
Thermal Runaway: Страхът, който оформя всичко
LFP няма характеристиките на топлинно изпускане на химикалите NMC или NCA. Това е вярно. Катодната структура на железен фосфат не отделя кислород при нагряване, така че не получавате каскадно екзотермично разлагане, което прави химикалите на базата на кобалт- толкова опасни.
Но „по-безопасно“ не е „безопасно“ и нарастващото самодоволство на индустрията относно топлинното поведение на LFP започва да се проявява в докладите за инциденти.
LFP термично отклонение започва при приблизително 270 градуса -много по-високо от прага от 150 градуса до 200 градуса за NMC. Скоростта на покачване на температурата по време на бегъл случай е около 1,5 градуса в минута, в сравнение със стотици градуси в минута за кобалтови химикали. Това ви дава повече време за отговор и прави разпространението между клетките много по-малко вероятно.
Това, което често се пропуска от дискусията за безопасност, е, че LFP клетките все още отделят запалими и токсични газове по време на повреда. Водород, въглероден окис, въглеводороди и флуороводород се появяват в сместа на изходящите -гази. Количествата са по-ниски от NMC и освобождаването е по-бавно, но шкаф, пълен с вентилационни LFP клетки в затворено пространство, все още представлява сериозна опасност.
Скорошни изследвания от университета в Шефилд установиха, че LFP батериите всъщност показват по-голяма опасност от запалване в някои сценарии, тъй като изходната-газова смес-макар и по-малко обемна-има по-нисък праг на автоматично-запалване. Пълният документ е нюансиран и не заключава, че LFP е по-опасен като цяло, но пробива все по-разпространеното маркетингово твърдение, че LFP „не може да се запали“.
Всичко това ни връща към управлението на топлината. Най-добрият начин за предотвратяване на топлинни събития е да се предотвратят условията, които водят до тях. Клетки, които никога не надвишават 45 градуса, които никога не изпитват хронични температурни градиенти, които никога не се зареждат под 0 градуса -тези клетки ще остаряват нормално, ще се държат предвидимо и ще представляват минимален риск за безопасността. Системата за управление на топлината е вашата първа линия на защита, а не вашата система за гасене на пожар.
Въздушен поток в шкафа: Детайлът, който всеки греши
Дори при правилно оразмерена ОВК, топлинната равномерност зависи от разпределението на въздушния поток. Това е мястото, където съм виждал повече бедствия, свързани с инженеринг на стойност, отколкото мога да преброя.
Пътят на най-малкото съпротивление има значение. Студеният въздух влиза в шкафа и иска да отиде направо във връщащия канал. Ако батерийните модули са подредени така, че някои да са в основния път на потока, а други да са в мъртви зони, получавате температурна стратификация, независимо от това колко киловата охлаждане сте инсталирали.
Преградите помагат. Дизайнът на пленума помага. Това, което помага най-много, всъщност е пускането на CFD по време на фазата на проектиране-, което струва пари и време и следователно не се случва при повечето C&I проекти. Инженерното отношение обикновено е "това е малък шкаф, колко сложен може да бъде въздушният поток?" Отговорът е: достатъчно сложен, за да създаде градиенти от 10 градуса между съседни модули.
Контейнерните системи BESS до голяма степен са решили този проблем чрез стандартизация. Основните интегратори изпълниха CFD, изградиха прототипите, валидираха дизайните и заключиха топлинната архитектура. Системите за шкафове, особено от по-малки доставчици, често не са преминали през този процес. Вие купувате първо или второ поколение на дизайн, който може да не е термично валидиран отвъд "Климатик може да намали вътрешната температура при 35 градуса ден."
Какво всъщност има значение за обществените поръчки
Ако избирате външен шкаф BESS, ето какво трябва да изисквате:
Спецификация за равномерност на температурата. Не „шкафът има климатик“, а действително число: максимална температурна делта във всички модули на батерията по време на номинално зареждане/разреждане при максимална температура на околната среда. Ако продавачът не може да отговори на този въпрос, той не е направил топлотехниката.
Оценка на паразитното натоварване при-специфични за сайта условия. Не общата цифра от 2% от пакета за продажби-действително изчисление, използващо данни за времето TMY за местоположението ви на инсталиране. Ако паразитното натоварване надвишава 10% от номиналната пропускателна способност годишно, това трябва да се покаже във вашия финансов модел.
Ниска{0}}температурна защита при зареждане. Потвърдете, че граничната температура съответства на препоръката на производителя на клетката, а не на някаква компромисна стойност, която може да позволи зареждане при температури, които причиняват литиево покритие. Проверете това в конфигурацията на BMS, а не само в спецификационния лист.
Изборът на система за термично управление-въздух срещу течност-има по-малко значение от това колко добре е внедрена и поддържана тази система. Добре-проектираният шкаф с въздушно-охлаждане с подходящ инженеринг на въздушния поток ще превъзхожда система с течно-охлаждане с повредена помпа или запушен кондензатор. Най-добрата система за термично управление е тази, която получава необходимото внимание през целия живот на актива.
Заключителни наблюдения
Топлинното управление не създава вълнуващи съобщения за пресата. Никой няма да обяви пробив в объркването на въздушния поток в шкафа на следващата RE+ конференция. Но това е разликата между 15-годишен актив и 8-годишен актив, между система, която осигурява номинален капацитет в горещите летни следобеди и такава, която намалява до 60% точно когато имате най-голяма нужда от него.
Най-скъпата грешка при термичното управление е да приемем, че някой друг е решил проблема. Вторият най-скъп е, ако приемем, че това, което работи в Мюнхен, ще работи и в Дубай.
Първо вземете правилния топлинен дизайн. Всичко останало следва от там.