ठंडे जलवायु क्षेत्रों के लिए सौर स्ट्रीट लाइटों हेतु स्व-गर्म होने वाली लिथियम बैटरियाँ

LiFePO4 बैटरियों के लिए ठंड क्यों एक बड़ी समस्या है?

लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO4) बैटरियाँ गर्मी एवं आंशिक चार्ज को अच्छी तरह से सहन करती हैं, लेकिन ठंड उनकी कमजोरी है। शून्य से नीचे के तापमान पर उनकी डिस्चार्ज क्षमता तेजी से कम हो जाती है, एवं अत्यधिक नकारात्मक तापमान पर तो वे बिल्कुल भी कार्य नहीं कर पातीं। स्ट्रीट लाइटों के लिए, जो शाम से सुबह तक संग्रहीत ऊर्जा पर ही चलती हैं, ऐसी स्थिति में लाइटें बंद हो जाती हैं। स्व-गर्म होने वाली प्रणाली का उद्देश्य बैटरी की सेलों को उस तापमान सीमा में रखना है जहाँ वे अपना काम जारी रख सकें।

हार्डवेयर कैसे बनाया जाता है?

स्व-गर्म होने वाले पैकों में बैटरी की सेलों पर फिल्म हीटर लगाया जाता है, ताकि ऊर्जा का उपयोग तापमान बढ़ाने हेतु हो सके। इसके अलावा, एक इंसुलेशन परत बैटरी को ठंडे तापमान से बचाती है। तापमान सेंसर BMS को बैटरी के तापमान की जानकारी देते हैं, ताकि वह आवश्यक उपाय कर सके। BMS, बैटरी की सुरक्षा एवं ऊर्जा कुशलता को बनाए रखने हेतु महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

हीटर असेंबली, पूरी तरह से तैयार पैक (जिसमें सेल पहले से ही सीरीज़ एवं पैरेलल रूप में जोड़ दिए गए होते हैं) को तीन परतों एवं दो प्रोबों से ढकती है:

1. हीटिंग फिल्म (Heating Film): यह ऊष्मा का स्रोत है, जो पैक के बाहरी हिस्से को मजबूती से लपेटती है। आमतौर पर यह पॉलीइमाइड या सिलिकॉन रबर से बनी होती है; यह समान रूप से ऊष्मा प्रदान करती है, जंग-प्रतिरोधी है, एवं पैक के आकार के अनुसार ढल जाती है। फिल्म में बहने वाली विद्युत ऊर्जा को ऊष्मा में परिवर्तित करके पैक के तापमान को समान रूप से बढ़ाती है।
2. इंसुलेशन फिल्म (Insulation Film): यह बाहरी परत है; यह पैक से ऊष्मा के नुकसान को रोकती है एवं उत्पन्न ऊष्मा को पैक के अंदर ही रोके रखती है। इसी कारण हीटर, बैटरी की ऊर्जा से भी पर्याप्त रूप से काम कर पाता है।
3. डुअल टेम्परेचर प्रोब (Dual Temperature Probes): पहला प्रोब इंसुलेशन के बाहर स्थित होता है एवं परिवेश का तापमान मापता है; जब परिवेशीय तापमान पूर्वनिर्धारित सीमा को पार करता है, तो यह बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS – Battery Management System) को गर्म करने का संकेत देता है। दूसरा प्रोब पैक के अंदर स्थित सेलों का तापमान मापता है एवं वास्तविक समय में उस डेटा को नियंत्रण चिप (Control Chip) तक पहुँचाता है।

नियंत्रण प्रक्रिया (Control Process, Step by Step):

पूरी यह प्रक्रिया एक नियंत्रण चिप पर चलती है, जो आमतौर पर बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) का ही हिस्सा होती है।

1. जागना. बाहरी सेंसर लगातार पर्यावरण की निगरानी करता रहता है। पूर्वनिर्धारित सक्रियण तापमान पर, चिप यह निर्णय लेती है कि पैक खतरे में है एवं गर्मी देने का प्रक्रम शुरू कर देती है।
2. गर्मी देना. फिल्म ऊर्जा प्राप्त करके उसे थर्मली रूप से चालक चिपकाऊ पदार्थ या सीधे संपर्क के माध्यम से सेलों तक पहुँचाती है; यह ऊर्जा स्वयं पैक से ही प्राप्त होती है।
3. निगरानी. आंतरिक सेंसर प्रति सेकंड सेलों के तापमान का नमूना लेता है एवं उसकी जानकारी बीएमएस (BMS) को भेजता है; बीएमएस तापमान के आधार पर गर्मी देने की प्रक्रिया को समायोजित करता है।
4. बंद करना. जब सेलों का तापमान पूर्वनिर्धारित सुरक्षा सीमा तक पहुँच जाता है, तो चिप फिल्म को बंद कर देती है। इससे ओवरहीटिंग से होने वाला नुकसान रोका जाता है एवं ऊर्जा की बर्बादी भी रोकी जाती है।
5. चक्रीय रखरखाव. यदि पर्यावरण ठंडा बना रहता है, तो पैक का तापमान फिर से गिर जाता है; जैसे ही तापमान पुनः शुरू होने की सीमा को पार करता है, गर्मी देने की प्रक्रिया पुनः शुरू हो जाती है। पैक उसकी कार्यक्षम तापमान सीमा में ही रहता है, जब तक कि ठंडा माहौल बना रहता है।

ऐसे डिज़ाइन संबंधी समझौते… जिनका कोई भी विवरण ब्रोशर में नहीं दिया जाता!

हिस्टेरेसिस (Hysteresis): बंद होने एवं पुनः चालू होने के दौरान तापमान में अंतर के कारण हीटर लगातार चालता रहता है; अन्यथा रिले (relay) लगातार चक्र लगाता रहेगा एवं नियंत्रण प्रणाली (control logic) पैक (pack) को स्थिर होने नहीं देगी। ऊर्जा बजट (Energy Budget): हीटिंग (heating) के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है। डिज़ाइन में हीटिंग की गति एवं ऊर्जा की उपलब्धता के बीच संतुलन बनाना आवश्यक है; ताकि लगातार बादलले या बारिश वाले दिनों में भी शेष ऊर्जा से मूलभूत प्रकाश (basic lighting) की आवश्यकताएँ पूरी हो सकें। हमारे कारखाने में, हीटेड पैक (heated pack) की स्वायत्तता (autonomy) की गणना हीटिंग लोड (heating load) के आधार पर की जाती है, न कि लैंप लोड (lamp load) के आधार पर। सुरक्षा उपाय (Safety Measures): हमारे उत्पादों में दो प्रकार की सुरक्षा व्यवस्थाएँ अनिवार्य हैं:

1. ओवर-टेम्परेचर सुरक्षा (Over-Temperature Protection): यदि चिप (chip) खराब हो जाए एवं तापमान अनियंत्रित हो जाए, तो यह सुरक्षा व्यवस्था हीटर को तुरंत बंद कर देती है।
2. लो-वोल्टेज सुरक्षा (Low-Voltage Protection): जब पैक में ऊर्जा बहुत कम रह जाती है, तो यह व्यवस्था हीटिंग को बंद कर देती है; ताकि शेष ऊर्जा प्रकाश पर ही खर्च हो सके एवं पैक का गहरा डिस्चार्ज (deep discharge) टल सके।

यह प्राथमिकता-क्रम (priority order) जानबूझकर ही तय किया गया है – पहले प्रकाश, फिर हीटिंग।

संरचनात्मक विवरण: ऊष्मा-चालक सिलिकॉन पैड, फिल्म एवं सेलों के बीच रखे जाते हैं; ताकि ऊष्मा समान रूप से वितरित हो सके एवं किसी एक क्षेत्र में अत्यधिक गर्मी न हो। इन्सुलेशन (अवरोधक) परत को ऊष्मा-धारण क्षमता एवं जलरोधकता के बीच संतुलन बनाए रखना होता है, क्योंकि इस परत को पार करके आया नमी शॉर्ट-सर्किट (असामान्य विद्युत परिपथ) का कारण बन सकता है।

इसका व्यावहारिक महत्व:

• निदान: ठंडे मौसम में यदि हीटर काम न करे, तो सबसे पहले दो प्रमुख हीटर घटकों की जांच करें – टेम्परेचर प्रोब (temperature probe) या हीटिंग फिल्म (heating film) में कोई खराबी। हमारे रिजर्व प्रोग्राम (spare program) में भी यही दो हीटर घटक उपलब्ध हैं।
• क्षमता-विन्यास: ठंडे क्षेत्रों के लिए हीटरों का आकार वहाँ के न्यूनतम तापमान एवं लगातार बादलों वाले दिनों के पैटर्न के आधार पर तय किया जाता है; ताकि हीटर की क्षमता वास्तविक ऊष्मा-आवश्यकताओं के अनुरूप हो। सामान्य डेटाशीटों में दी गई वाट-मान (wattage) वास्तविक शीतकालीन परिस्थितियों में पर्याप्त नहीं होती।
• जीवनकाल: सेलों को लंबे समय तक अत्यधिक तापमान के संपर्क में न आने देना ही इस प्रणाली का मुख्य उद्देश्य है। इष्टतम तापमान परिस्थितियों में, LiFePO4 बैटरियाँ 3,000 से अधिक चक्र (cycling cycles) तक कार्य कर सकती हैं, एवं ऊष्मा-प्रबंधन (thermal management) ही इस जीवनकाल को सुनिश्चित करता है।

जब हम “स्व-ऊष्मीकरण” (self-heating) का विकल्प चुनते हैं, और जब नहीं…

“स्व-ऊष्मीकरण” एक डिफ़ॉल्ट अपग्रेड (default upgrade) नहीं है। हम इसका विकल्प तभी चुनते हैं, जब दो शर्तें पूरी होती हैं:

1. लंबे समय तक तापमान शून्य डिग्री से नीचे रहता है,
2. बादलों की स्थिति इतनी लंबे समय तक बनी रहती है कि सौर पैनल (solar panel) ऊष्मीकरण उपकरण (heater) द्वारा खपत हुई ऊर्जा की पूर्ति नहीं कर पाता।

ठंडे मौसम वाले क्षेत्र एवं उच्च अक्षांश वाले क्षेत्र इन दोनों शर्तों को पूरा करते हैं; जबकि हल्के शीतकालीन क्षेत्र इन शर्तों को पूरा नहीं करते। ऐसे क्षेत्रों में ऊष्मीकरण उपकरण का उपयोग लागत एवं जटिलता के कारण ही किया जाता है, एवं इसका कोई वास्तविक लाभ नहीं होता। हम इस बात को बिल (quote) में स्पष्ट रूप से उल्लेख करते हैं, बिना किसी अतिरिक्त जानकारी के। बैटरी चयन संबंधी जानकारी के लिए “सौर प्रकाश व्यवस्थाओं हेतु बैटरियाँ” (Batteries for Solar Lighting Systems) देखें। आकार निर्धारण हेतु हमारा कंट्रोलर आकार निर्धारण कैलकुलेटर Controller Size Calculator ऊष्मीकरण लोड (heating load) को भी ध्यान में रखकर गणना करता है।

यह पृष्ठ क्या नहीं कवर करता…

यह पृष्ठ केवल स्वतंत्र सौर सड़क लाइटों (standalone solar street lights) हेतु “स्व-ऊष्मीकरण पैक” (self-heating packs) के बारे में जानकारी देता है। यह सेल-स्तर पर किए जाने वाले निम्न-तापमान परीक्षण मानकों (cell-level low-temperature test standards), AC-जुड़े या ग्रिड-से जुड़े भंडारण प्रणालियों (AC-coupled or grid-tied storage systems) हेतु ऊष्मीकरण उपकरणों के डिज़ाइन, या LiFePO4 के अलावा अन्य लिथियम रसायनों (lithium chemistries) के बारे में जानकारी नहीं देता। पूर्ण रूप से ठंडे मौसम के लिए उपयुक्त सौर प्रकाश उपकरण (complete cold-climate fixtures), जिनमें ऊष्मीकरण पैक एवं कंट्रोलर कारखाने में ही मिलाकर तैयार किए जाते हैं, हमारी “ऑल-इन-वन सौर सड़क लाइटें” (All-in-One Solar Street Lights) श्रृंखला में उपलब्ध हैं।