Управљање топлотом усистеми за складиштење енергије са батеријама типа -батерије на отвореномпредставља једну од оних инжењерских дисциплина где је јаз између теорије уџбеника и реалности на терену довољно широк да прогута читав буџет пројекта. Електрохемијско понашање ћелија литијум гвожђе фосфата-сада доминантна хемија у стационарним апликацијама за складиштење-управљају температурне зависности које већина тимова за набавку третира као фусноте, а не као примарна ограничења дизајна. Радни омотачи од 15 степени до 35 степени звуче издашно на папиру све док не пустите у рад орман од 215 кВх у Фениксу током јула, гледајући како БМС гаси ваше сјајно ново средство до 40% капацитета јер је неко смањио ХВАЦ за 2 кВ.
Проблем температуре нико не жели да разговара
Ево непријатне истине коју индустрија прекрива: ЛФП батерије не маре за ваше пројекције прихода. Њима је стало да остану између 20 и 30 степени. Залутајте ван тог опсега и почињете да плаћате сложену камату на деградацију.
Бројке су бруталне. За сваких 10 степени изнад 25 степени, животни век циклуса опада за отприлике половину. Кабинет који стално ради на 45 степени -што се дешава чешће него што ико признаје у пустињским инсталацијама-доћи ће до прага смањења капацитета за три године уместо за осам. То није грешка заокруживања. То је насукана имовина.
И постаје горе у крајностима. ЛФП хемија почиње да показује мерљиво повећан унутрашњи отпор испод 0 степени, што значи да ваше зимске јутарње криве пражњења не изгледају ништа као ваше летње поподневне криве. Пуњење испод тачке смрзавања ризикује да литијумска облога на аноди- постане трајна, неповратна оштећења која ниједна обнова неће поправити. БМС би ово требало да спречи, али видео сам јединице које се испоручују са ниским{5}}ограничењем температуре постављеним на -10 степени када је у таблици са подацима произвођача ћелије јасно наведено 0 степени. До треће зиме нико га није ухватио.
Ваздушно хлађење: подразумевана вредност која не би требало да буде подразумевана
Већина Ц&И система кабинета се испоручује са{0}}управљањем топлотним системом присилног ваздуха јер је јефтино. Упаковани клима уређај од 3кВ до 5кВ причвршћен за кров кабинета, неки канали, можда филтер који нико никада неће променити-урађен. Укупни трошкови БОМ-а за ХВАЦ систем: можда 2.500 долара.
Клима уређај се налази на врху из практичних разлога. Топлота расте, тако да се борите против термодинамике ако покушате да се охладите одоздо. Што је још важније, приступ филтерима и прикључке за сервис расхладног средства морају да буду доступни техничарима који радије не би радили да врше конторционе радње. Једном сам обишао место где је АЦ кабинет постављен у нивоу колена на задњој плочи. Сервисни техничар ми је показао његове фактуре - 30% веће трошкове рада за сваки позив због потешкоћа у приступу.
Ваздушно хлађење ради. То није ствар. Проблем је у томе што функционише све док не успе, а када не успе, не успе на начине који каскадирају кроз вашу оперативну економију.
Температурни градијенти су скривени убица. У типичном -окружењу са ваздушним хлађењем, видећете делте од 8 степени до 12 степени између модула батерије на улазној{4}}страни и модула на издувној{5}}страни. Ћелије у близини улаза за наизменичну струју можда се налазе на удобних 22 степена, док се оне на другом крају пута за проток ваздуха пеку на 34 степена. Исти кабинет, исти тренутак у времену, радикално различите стопе старења. После пет година, имате неке модуле са 85% СОХ, а друге са 65% СОХ. Срећно објашњавајући то свом О&М тиму када деградирани модули почну да ограничавају цео{14}капацитет система.
Подаци НРЕЛ-а о овоме су прилично потресни. Литијум{1}}онске ћелије које раде на 30 степени губе око 20% свог животног века у поређењу са ћелијама које се држе на 20 степени. На 40 степени, гледате на смањење животног века за 40%. На 45 степени -што је апсолутно оствариво у лоше дизајнираном кабинету{11}}хлађеном ваздухом током летњег поподневног шпица-циклуса бријања-, преполовили сте век трајања батерије. Ово нису теоретски бројеви. Они су изведени из студија убрзаног старења и потврђени на основу података са терена.
Течно хлађење: боље перформансе, различите главобоље
Окрет индустрије ка течним{0}}системима хлађених ормана је брз и у великој мери оправдан. Мешавине воде{2}}гликола које пролазе кроз хладне плоче причвршћене за модуле батерија могу да постигну уједначеност температуре у распону од ±2 степена до ±3 степена у целом паковању. То је трансформативно побољшање у односу на ваздушно хлађење од ±6 степени до ±8 степени (и често горе).
Физика је јасна: специфични топлотни капацитет воде је отприлике четири пута већи од ваздуха. Можете померити исту количину топлотне енергије са драматично мањим протоком масе. Хладне плоче се директно повезују са површинама модула, елиминишући конвективне губитке у граничном слоју који ограничавају дизајн{2}}хлађени ваздухом. Све у вези са течним хлађењем је термодинамички супериорно.
Па зашто свака течност у ормару није{0}}охлађена?
Цена, очигледно. Систем за управљање течном топлотом-јединица за хлађење, пумпе, хладне плоче, водовод, пуњење гликолом, експанзиони резервоар, детекција цурења-додаје 8.000 до 15.000 долара на цену ормара у зависности од капацитета. За систем од 100 кВх са укупним инсталираним трошковима од можда 80.000 долара, то је значајно повећање у процентима.
Али право оклевање долази од оперативне анксиозности. Течност близу високог{1}}напона једносмерне електронике чини људе нервозним, и то не без разлога. Цурење гликола унутар ормарића под напоном представља начине квара које ваздушно хлађење једноставно нема. Најбољи дизајни са{4}}хлађењем течношћу користе диелектричне течности или физички изолују расхладну петљу од електричних одељака, али сам прегледао системе где се колектори хладне плоче крећу директно изнад БМС плоча. Један одговарајући неуспех и гледате на велику истрагу инцидента.
Повећава се и оптерећење одржавања. Пумпе отказују. Гликол се разграђује и потребна му је периодична замена. Чилери имају компресоре који се троше. Ваздушни филтери на калемовима кондензатора запушени су прашином, а нико их не проверава јер је систем у ограђеном дворишту које сервисер посећује можда два пута годишње. Систем течног хлађења који се не одржава активно ће имати слаб учинак у року од 18 месеци и отказати у року од 36.
Размењивачи топлоте: средњи пут који није
Размењивачи топлоте{0}}на{1}}ваздух се стално појављују у спецификацијама, обично позиционирани као „поузданија“ алтернатива хлађењу-базираном на расхладном флуиду. Нагласак иде отприлике овако: без компресора, без пуњења расхладног средства, без сложених ХВАЦ контрола-само топлотна цев или термосифон који пасивно помера топлоту из кабинета у амбијентални ваздух.
Постоји један мали проблем. Измењивачи топлоте могу да одбију топлоту само када је температура околине испод циљне температуре у кабинету. Ако желите да одржите 25 степени унутар ормарића, а 35 степени споља, ваш измењивач топлоте сада ради као скуп топлотни мост у погрешном смеру.
Ово изгледа очигледно када се јасно каже, али видео сам пројекте на америчком југозападу са спецификацијама са -измењивачем-само хлађењем јер је инжењер продаје показао графикон „годишњих просечних температура“ који је погодно изгладио поподневне врхове од 45 степени у просек који је веома управљив{2} степени. Систем је добро функционисао од октобра до априла. Од маја до септембра, батерије су већину дневног светла трошиле термички смањене.
Размењивачи топлоте имају смисла у специфичним климатским условима-Скандинавији, северној Немачкој, северозападу Пацифика, свуда где температура околине поуздано остаје испод ваше подешене вредности. У комбинацији са малом додатном јединицом наизменичне струје за неколико врућих дана, они могу смањити годишњу потрошњу енергије за хлађење за 60% или више. Али они нису универзално решење, а продавци који их представљају као такве својим купцима чине медвеђу услугу.
Паразитско оптерећење за које нико не планира
Кабинет ХВАЦ системи троше електричну енергију. Ово није вест. Оно што је новост-за многе програмере пројеката, очигледно-је колико електричне енергије троше и колико значајно та потрошња утиче на пословни случај.
Подаци са терена из инсталација у више климатских зона показују паразитска оптерећења управљања топлотом у распону од 8% укупне пропусности батерије у благим климатским условима до 34% у екстремним окружењима. Пустите то да уђе. У субарктичкој инсталацији са високим захтевима за грејање током зиме, више од трећине енергије ускладиштене у батеријама одлази на одржавање тих истих батерија на прихватљивој температури.
Стандардна претпоставка у већини финансијских модела је 2% до 3% помоћног оптерећења. Та претпоставка је погрешна, често по реду величине у изазовним распоређивањима.
Лето је заправо лакша сезона из перспективе паразитског оптерећења на већини локација. Да, непрекидно користите АЦ, али одбацујете топлоту у ваздух који је само 10 до 20 степени изнад ваше задате вредности. Зима у хладној клими је место где ствари постају скупе. Покрећете отпорне грејаче и не постоји термодинамички трик који би електрично отпорно грејање учинио ефикаснијим. Сваки ват топлоте која вам је потребна кошта вас тачно један ват електричне енергије-плус неефикасност било које конверзије енергије која се налази између батерије и грејача.
ПЦС генерише отпадну топлоту, а паметни дизајн ормара је хвата за зимско управљање топлотом. Када ПЦС живи унутар топлотног омотача, његови губици конверзије од 3% до 5% постају "бесплатно" грејање током хладних месеци. Када се монтира споља-често је случај у дизајну подељених-система где су ормарић за батерије и ормар за електронику за напајање одвојене јединице-одбацили сте корисну топлотну енергију и сада морате да је замените отпорним грејањем на батерије{7}}.
Термални бекство: страх који све обликује
ЛФП нема карактеристике термичког бекства као НМЦ или НЦА хемије. Ово је истина. Структура катоде од гвожђе фосфата не ослобађа кисеоник када се загрева, тако да не добијате каскадно егзотермно разлагање које хемије на бази кобалта- чини тако опасним.
Али „безбедније“ није „безбедно“, а све веће самозадовољство индустрије у погледу термичког понашања ЛФП-а почиње да се манифестује у извештајима о инцидентима.
ЛФП термални бег почиње на приближно 270 степени -што је много више од прага од 150 до 200 степени за НМЦ. Стопа пораста температуре током бега је око 1,5 степени у минути, у поређењу са стотинама степени у минути за хемије кобалта. Ово вам даје више времена да одговорите и чини ширење између ћелија далеко мање вероватним.
Оно што се често изоставља из дискусије о безбедности је да ЛФП ћелије и даље ослобађају запаљиве и токсичне гасове током квара. Водоник, угљен-моноксид, угљоводоници и флуороводоник се појављују у мешавини отпадних гасова. Количине су ниже од НМЦ, а ослобађање је спорије, али ормар пун вентилационих ЛФП ћелија у затвореном простору и даље представља озбиљну опасност.
Недавно истраживање Универзитета у Шефилду открило је да ЛФП батерије заправо показују већу опасност од запаљивости у неким сценаријима јер мешавина отпадних гасова{{0}иако је мање обимна-има нижи праг за аутоматско{3}}паљење. Цео рад је нијансиран и не закључује да је ЛФП генерално опаснији, али пробија све чешћу маркетиншку тврдњу да ЛФП „не може да се запали“.
Све нас то враћа на управљање топлотом. Најбољи начин за спречавање термичких догађаја је спречавање услова који до њих доводе. Ћелије које никада не прелазе 45 степени, које никада не доживљавају хроничне температурне градијенте, које се никада не пуне испод 0 степени -те ћелије ће нормално старети, понашати се предвидљиво и представљати минималан безбедносни ризик. Систем управљања топлотом је ваша прва линија одбране, а не ваш систем за сузбијање пожара.
Проток ваздуха у кабинету: детаљ који сви погреше
Чак и са правилно димензионисаним ХВАЦ, топлотна униформност зависи од дистрибуције протока ваздуха. Овде сам видео више вредних инжењерских катастрофа него што могу да избројим.
Важан је пут најмањег отпора. Хладан ваздух улази у кабинет и жели да иде право у повратни канал. Ако су модули батерија распоређени тако да су неки на главном путу протока, а други у мртвим зонама, добијате температурну стратификацију без обзира на то колико киловата хлађења сте инсталирали.
Преграде помажу. Дизајн пленума помаже. Оно што највише помаже је заправо покретање ЦФД-а током фазе дизајна-што кошта новац и време, па се стога не дешава на већини Ц&И пројеката. Инжењерски став је обично "то је мали кабинет, колико компликован проток ваздуха може бити?" Одговор је: довољно компликовано да створи градијенте од 10 степени између суседних модула.
Контејнерски БЕСС системи су у великој мери решили овај проблем кроз стандардизацију. Главни интегратори су покренули ЦФД, направили прототипове, потврдили дизајн и закључали термалну архитектуру. Системи ормара, посебно мањих произвођача, често нису прошли кроз овај процес. Купујете прву или другу генерацију дизајна који можда није термички валидиран осим што „АЦ може снизити унутрашњу температуру на дан од 35 степени“.
Шта је заправо битно за набавку
Ако наводите спољни ормар БЕСС, ево шта би требало да захтевате:
Спецификација уједначености температуре. Не „ормар има клима-уређај“, већ стварни број: максимална делта температуре у свим модулима батерије током називног пуњења/пражњења при максималној температури околине. Ако продавац не може да одговори на ово питање, он није урадио термички инжењеринг.
Процена паразитског оптерећења у{0}}специфичним условима за локацију. Није генеричка цифра од 2% из продајне палубе-стварна калкулација користећи ТМИ временске податке за локацију ваше инсталације. Ако паразитско оптерећење прелази 10% номиналне пропусности годишње, то треба да се појави у вашем финансијском моделу.
Заштита од ниских{0}температура пуњења. Потврдите да се гранична температура поклапа са препоруком произвођача ћелије, а не са неком компромисном вредношћу која би могла да омогући пуњење на температурама које изазивају литијумску превлаку. Проверите ово у БМС конфигурацији, а не само у спецификацији.
Избор система за управљање топлотом-ваздух у односу на течност-мањи је важан од тога колико је добро тај систем имплементиран и одржаван. Добро-дизајниран ваздушно{4}}аранжман са одговарајућим инжењерингом протока ваздуха ће надмашити систем са течним хлађењем- са неисправном пумпом или зачепљеним кондензатором. Најбољи систем управљања топлотом је онај који добија потребну пажњу током животног века средства.
Завршна запажања
Термални менаџмент не даје узбудљива саопштења за јавност. Нико неће најавити пробој у збуњујућем протоку ваздуха у кабинету на следећој РЕ+ конференцији. Али то је разлика између 15-годишњег и 8-годишњег средства, између система који испоручује номинални капацитет током врелог летњег поподнева и оног који гаси до 60% тачно када вам је најпотребнији.
Најскупља грешка у управљању топлотом је претпоставка да је неко други решио проблем. Други најскупљи је под претпоставком да ће оно што ради у Минхену радити у Дубаију.
Прво направите термални дизајн. Одатле следи све остало.