סולריות רחוב באקלים קר
-- מגבלות בטעילה
סולריות רחוב באקלים קר: מגבלות בטעילה
הפריקה איננה הבעיה העיקרית באקלים קר – הבעיה היא הטעילה. סוללות LiFePO4 (ליתיום-חדקרבונט-פוספט) עדיין מספקות זרם יעיל בטמפרטורה של -10°C, אם כי בקיבולת מופחתת. סוללות מסוג זה אינן אמורות להיטעלות כלל בטמפרטורות נמוכות מ-0°C; מתחת ל-0°C יכולתן לקבל טעילה פוחתת דרמטית, והכנסת זרם לתוך תאי הסוללה הקרים עלולה לגרום להצטבר של ליתיום מתכתי על פני האנוד. ההצטבר הזה הוא קבוע, הוא מפחית את קיבולת הסוללה, מעלה את המתח הפנימי שלה ועלול לגרום לקצר חשמלי. כל החלטותינו באקלים קר מתבססות על עובדה זו, ולכן כדאי להדגיש אותה ראשית.
השפעת הטמפרטורות הנמוכות על סוגי הסוללות השונים סוללות LiFePO4 הן הסטנדרט ביחידות המסחריות שלנו בגלל דחיסת האנרגיה הגבוהה שלהן, חיי השימוש הארוכים ויציבותן התרמית בהשוואה לסוללות ממשפחת הליתיום האחרות. הן גם מציגות ביצועים טובים יותר מסוללות ג’ל-סולפט בטווח רחב של טמפרטורות, במיוחד בתהליך הפריקה.
סוללות גל-חומצה-עופר (gel lead-acid) – סוללות בעלות עיצוב סגור, בו האלקטרוליט מוקף במצב גל – עדיין מהוות אפשרות זולה לשימוש. עם זאת, הן מתפגעות באופן שונה בקרח ובחורף: יעילות הפריקה פוחתת ככל שהטמפרטורה יורדת, והן אינן מסוגלות להתטען כראוי בטמפרטורות נמוכות מאוד. שתי הטכנולוגיות הללו אינן עומדות באתגרי החורף.
השפעת הטמפרטורה על תהליך הטעינה (במספרים):
- מעל 0°C: שתי הטכנולוגיות מתטענות כרגיל עם הגדרות וולטגיה נכונות.
- מתחת ל-0°C: יכולת הסוללות לקבל טעינה פוחתת באופן משמעותי. הסוללות מקבלות קצת זרם, אך עם כל סיבוב טעינה בטמפרטורה כזו, חלק מהקיבולת הארוכת הטווח שלהן נהרס.
- ב-10°C או נמוך יותר: יש להימנע מטעינה כלל. בטמפרטורות כאלה מתרחשת תהליך של ציפוי הליתיום על פני הקרום של הסוללה (lithium plating).
המנגנון הבסיסי הזה מסביר מדוע הנזק לסוללות אינו מתגלה מיידית: הליתיום שנצפה על פני הקרום אינו גורם לכשלים פיזיים (כמו השתפקות ברכב או קודי שגיאה), אלא מתגלה רק לאחר מספר חודשים – כאשר הסוללה מגיעה למתח מלא מוקדם אך נכשלת בעת השימוש. הכשל נראה כמו תקלה בסוללה עצמה, אך בפועל הגורם לו הוא תהליך הטעינה בטמפרטורות נמוכות.
אבקיות הליתיום-פוספט (LiFePO4) המודרניות מגיעות מכוללות מערכת ניהול בטריות (Battery Management System – BMS), הממנעת את הטענה הבטריות בטמפרטורות נמוכות מסוימות. באקלים קר, כדאי להשתמש באבקיות מסוג זה או להוסיף מערכות רגולציה תרמית. מערכת ה-BMS היא הרכיב החשוב ביותר בהתקנות המתבצעות בחורף.
דוגמה ממינסוטה
נשקל מערכת הממוקמת במינסוטה, שבה הטמפרטורות בחורף יורדות לעתים קרובות מתחת ל-10°C. זו סיטואציה אפשרית, לא תוצאה מפרויקט מסוים – אנו משתמשים בה כדי להשוות בין שתי טכנולוגיות בטריות שונות:
- בטריות ג’ל-סולפוריד-רוד (Gel Lead-Acid): מתפקדות טוב בקיץ ובאוקטובר. בחורף, יעילות הפריקה של הבטריות פוחתת. הפאנלים עדיין יכולים להפיק אנרגיה בימי שמש, אך הבטריות אינן מסוגלות לקבל את הטענה בצורה נכונה; לכן נדרשת הגנה תרמית או פיצול הבטריות מהמעגל המטען עד שהטמפרטורות יעלו מחדש.
- בטריות ליתיום-פוספט (LiFePO4): מפריקות אנרגיה בצורה טובה יותר בחורף, אם כי קיים פחתון מסוים בקיבולת האנרגיה שלהן. בטמפרטורות מתחת ל-10°C, מערכת ה-BMS ממנעת את הטענה הבטריות עד שהן יתחממו, ולאחר מכן המערכת ממשיכה לעבוד באופן רגיל. אין צורך לצאת לחוץ כדי לפתוח את הפאנלים או לפרוק את הבטריות.
ההבדלה התפעולית אינה בכך שבטריה זו או אחרת “טובה יותר בקרח ושלג”. ההבדלה האמיתית היא בכך שאיזו בטריה תפגר בצורה בטוחה (לא תגרום לנזק או לקטסטרופה) כאשר השליט (הקונטרולר) ותנאי המזג האוויר אינם תואמים.
המאפיינים שאנו מחייבים לאתרים הממוקמים באזורים קרים במהלך החורף
ארבעה תנאים, בסדר הפעולה שלהם:
- מערכת ניהול בטריות (BMS – Battery Management System) עם גבולת טמפרטורה להטענה נמוכה , שאומתה במסמכי המפרטים (הדאטשीט) ולא נלקחה כמובנת מאליה. זו פריט שאינו ניתן להסכים עליו.
- קיבולת מבודדת שמאטה את שינויי הטמפרטורה של הפקידה (הבאטריה). באזורים בעלי טמפרטורות נמוכות במיוחד, שמיכה חמה או מערכת רגולציה תרמית אקטיבית מבטיחות שהפקידה תישאר חמה מספיק כדי להיטען בימים החשובים.
- ניהול נכון של מתח ההטענה. מערכות על בסיס סולפת-רוד משתמשות בשיטת הטענה מתוקננת בהתאם לטמפרטורה; במערכות ליתיום, התפקיד הזה מבוצע על ידי לוגיקת הגבולות של מערכת הניהול הבטריות (BMS). יש לבחור את השיטה שמתאימה לסוג הבטריה, ולא לערבב בין השתיים.
- בחירת סוג הבטריה בהתבוננות קפדנית. בטריות ליתיום מסוג LiFePO4 מתאימות יותר לאקלימים קרים מאשר בטריות סולפת-רוד במצבי שחרור אנרגיה, אך שתי הסוגים דורשות ניהול כדי למנוע הטענה בתנאי קרח. אם הפרויקט אינו מסוגל לספק אפילו את מערכת הניהול הבטריות (BMS) או קיבולת מבודדת, התשובה האמיתית היא שהאתר זקוק לתכנון חשמלי אחר, ולא לבטריה אחרת.
מה לא מכוסה בדף זה:
הדף עוסק בהשפעות הטמפרטורה על בטריות שכבר מותקות במערכת. הוא אינו משווה באופן מעמיק בין סוגי בטריות שונים (ג’ל, AGM, ליתיום) – השוואה כזו מצויה בדף נפרד מצויה בדף נפרד – ואינו מספק מידע לגבי הגודל הנדרש של פאנלים, בטריות או מתגלים לאתר מסוים; למטרה זו קיים המחשבון שלנו לבחירת הגודל הנכון של מתגלים הנכון של מתגלים.