تعتمد أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على ضوء الشمس. تم تصميم أنظمة تخزين طاقة البطارية لامتصاص الطاقة وإطلاقها في الوقت المناسب. وكمثال على يوم صيفي حار، يبدو أنه مناسب تمامًا، لأنه يحتوي على الكثير من الشمس، والكثير من الطاقة المتولدة وارتفاع الطلب على التبريد، ولكن الواقع أكثر تعقيدًا. ونتيجة لموجات الحرارة المتزايدة، بدأت درجات الحرارة القصوى بمثابة اختبار يكشف العيوب، ويسرع عملية التحلل، ويثير التساؤلات حول مدى أمان أنظمة الطاقة الكهروضوئية وأنظمة التخزين.
المفارقة الشمسية: مزيد من الشمس وطاقة أقل؟
قد يبدو الأمر غير بديهي: فالألواح الكهروضوئية تحول ضوء الشمس إلى كهرباء، فلماذا يؤدي الطقس الحار إلى تقليل إنتاجها؟ الجواب يكمن فيمعامل درجة الحرارةمن الخلايا الكهروضوئية.
تحدد ظروف الاختبار القياسية الوحدات الكهروضوئية عند درجة حرارة الخلية 25 درجة مع إشعاع 1000 وات/م2. ومع ذلك، في الميدان، ترتفع درجات الحرارة النموذجية بشكل روتيني أعلى بكثير من درجات حرارة الهواء المحيط في الأيام الحارة المشمسة. تعرض الخلايا الشمسية السيليكونية البلورية-التكنولوجيا السائدة اليوم-معامل درجة حرارة طاقة سالبة، عادةً ما يتراوح بين -0.38% و-0.44% لكل درجة مئوية. وهذا يعني أنه مقابل كل درجة واحدة ارتفاع في درجة حرارة الخلية، ينخفض الناتج الكهربائي للوحدة بحوالي 0.38% إلى 0.44%.
فكر في مثال عملي: إذا ارتفعت درجة حرارة الخلية من 25 درجة إلى 65 درجة -وهو سيناريو شائع بعد ظهر أحد أيام الصيف-يصل فقدان الطاقة إلى حوالي 16% (بافتراض -0.4%/ درجة ). في ظروف موجة الحر الشديدة، يمكن أن تتجاوز درجات حرارة الخلايا 70 درجة، مما يدفع إجمالي التخفيض إلى ما هو أبعد من 17%. وقد أظهرت الدراسات الميدانية أنه خلال موجات الحر الطويلة، يمكن أن تفقد مزارع الطاقة الكهروضوئية ما يصل إلى 90٪ من إمكانات توليدها في الساعة، ليس بسبب الغطاء السحابي، ولكن بسبب التأثيرات الحرارية فقط.
ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن درجة الحرارة نادراً ما تكون العامل الوحيد المعني. تلعب الحرارة دورًا مشددًا في حالة وجود مشاكل أخرى بالفعل. الوحدات القذرة، والتظليل الجزئي، ونمو النباتات، وأي أجزاء تالفة من الوحدات تصبح ذات أهمية خاصة في ظل ظروف الإشعاع العالي ودرجة الحرارة. والمثال النموذجي يمكن أن يكون ظاهرة "النقطة الساخنة"، عندما تستهلك الوحدة المظللة أو التالفة الطاقة بدلا من توليدها، وبالتالي ترتفع درجة الحرارة في المكان المحدد. علاوة على ذلك، فإن محولات الطاقة الكهروضوئية هي أجهزة إلكترونية ذات نطاق تشغيل محدود. وبالتالي، عندما ترتفع درجة الحرارة المحيطة، تنخفض درجة كفاءة تبريد العاكس، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة داخل العاكس مما قد يؤدي إلى تدهور النظام أو حتى إيقافه-، مما يؤدي إلى تفاقم تقادم الوحدة وتقليل كفاءة محطة الطاقة الشمسية بشكل عام.
البطاريات تحت النار: الضربة المزدوجة للحرارة
بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون، تعتبر الحرارة مشكلة أكبر. تتحلل هذه الأنظمة الكهروكيميائية من خلال آليتين أساسيتين: تقادم التقويم (يعتمد على الوقت-، بغض النظر عن الاستخدام) وتقادم الدورة (الشحن المستحث-التفريغ). ويتأثر كلاهما بشدة بدرجة الحرارة وحالة الشحن (SoC) وعمق التفريغ ومعدلات الشحن/التفريغ.
تظهر الأبحاث باستمرار أن درجات الحرارة المرتفعة، جنبًا إلى جنب مع ارتفاع درجة حرارة SoC والتدوير العميق، تعمل على تسريع تلاشي السعة بشكل كبير. في التطبيقات المرتبطة بالطاقة الكهروضوئية، غالبًا ما يتم شحن البطاريات بسرعة خلال ذروة الطاقة الشمسية في منتصف النهار، ثم يتم الاحتفاظ بها عند درجة حرارة عالية لعدة ساعات بينما تظل درجات الحرارة المحيطة مرتفعة. يعد نمط التشغيل هذا-الشحن السريع الذي يتبعه نقع طويل الأمد في درجة حرارة عالية من SoC-ضارًا بشكل خاص. لكل زيادة بمقدار 10 درجات في متوسط درجة حرارة التشغيل، يمكن أن يتضاعف معدل التقادم التقويمي تقريبًا، وفقًا لسلوك نوع أرينيوس الذي لوحظ في العديد من كيمياء أيونات الليثيوم.
إلى جانب مشكلات الأداء الداخلي، هناك عامل حاسم آخر وهو السلامة. يمكن أن تواجه بطاريات الليثيوم-أيون مجموعة من المشكلات، مثل الشحن الزائد أو التلف بسبب القوة الميكانيكية أو القصور داخل مكوناتها. ونتيجة لذلك، ترتفع درجة حرارة المصدر إلى 130 درجة وما فوق؛ تبدأ هذه الركلة-سلسلة من التفاعلات داخل البطارية بما في ذلك انهيار SEI وتبخر الإلكتروليت. إذا استمرت درجة الحرارة في الارتفاع، فقد ترفع الخلية درجة حرارة سطحها إلى ما يزيد عن 1200 درجة وتطلق غازًا قابلاً للاشتعال عند درجات حرارة أعلى من 600 درجة. بالنسبة للبطاريات الكبيرة المستخدمة اليوم على نطاق واسع في الحلول الصناعية، يمكن أن تصل درجة الحرارة أثناء الهروب إلى مستويات تتجاوز 800 درجة.
يجب أن تعمل أنظمة الإدارة الحرارية-تبريد الهواء، وتبريد السوائل، ومواد تغيير الطور-بجهد أكبر في الظروف الحارة، مما يستهلك طاقة طفيلية ويقلل من كفاءة النظام بشكل عام. عندما تقترب درجة حرارة خلية أو حامل أو حاوية أخرى من حدود معينة، سيقوم نظام إدارة البطارية (BMS) تلقائيًا بتقليل الإخراج وتقييد الوظائف. في حين أن أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS) الحالية تحتوي على أجهزة استشعار احتياطية، وأنظمة إخماد الحرائق، وأنظمة التبريد، لا تزال هناك مخاطر الانفلات الحراري لأن العيوب في إنتاج الخلايا الفردية قد تظل غير مكتشفة حتى تتعرض لدرجات حرارة شديدة. لذلك، من الضروري تصميم هذه الأنظمة بطرق تمنع تصاعد حالات الفشل، ولتحديد المشكلات التي قد تؤدي إلى إطلاق الغازات المنبعثة-، ولمنع الحوادث المحلية من أن تصبح كوارث.
التحديات على مستوى النظام: تانجو التخزين الكهروضوئي
وفي محطات الطاقة الشمسية الهجينة والتخزينية، تتقارب التأثيرات الحرارية وتتفاعل. تنتج المصفوفة الكهروضوئية الحد الأقصى من الطاقة أثناء ذروة الإشعاع، ولكنها تفقد جزءًا منها بسبب الحرارة. ويعاني نظام التخزين، المكلف بامتصاص الطاقة الزائدة في منتصف النهار، في الوقت نفسه من أعلى ضغط شحن في الساعات الأكثر حرارة. وهذا يخلق مفارقة تشغيلية: من منظور تحسين الشبكة، فمن المنطقي شحن البطارية بالكامل أثناء منتصف النهار والاحتفاظ بها عند درجة حرارة عالية من SoC من أجل التفريغ الأقصى في المساء؛ ومع ذلك، من منظور طول العمر والسلامة، فإن نفس الإستراتيجية تعمل على تسريع التدهور وزيادة المخاطر الحرارية.
وبالتالي، يمكن القول أنه لا يوجد وضع تشغيلي "أفضل" عالمي. ومن الضروري تحقيق التوازن بين الدخل المحتمل من تجارة الطاقة، وتحسين الاستهلاك الذاتي-، واستجابة التردد فيما يتعلق بفقدان الكفاءة، وطاقة التبريد، والتآكل المتسارع للبطاريات، والمخاطر الأعلى لعمليات إيقاف التشغيل غير المخطط لها. يتم تطوير أنظمة إدارة الطاقة الحديثة (EMS) من أجل إدارة هذا التعقيد-تقوم أنظمة EMS بمراقبة درجات حرارة الوحدات والخلايا، والتنبؤات الجوية، وأسعار السوق، وإشارات الشبكة وإنشاء إستراتيجيات تشغيلية مناسبة. على سبيل المثال، تجميد البطارية ليلاً، أو التحكم في سرعة الشحن أثناء الحرارة، أو حتى الحد من إنتاج الكهرباء بشكل متعمد يمكن تبريره اقتصاديًا أيضًا.
الخلاصة: المرونة الهندسية لمستقبل أكثر سخونة
أصبحت الحرارة الشديدة الآن ظاهرة شائعة وليست استثناءً؛ لقد أصبح اختبارًا منتظمًا لتكنولوجيا الطاقة المتجددة. يتطلب اجتياز الاختبار بنجاح التفكير-في منهج النظام بأكمله وليس مجرد اختيار الوحدات ذات معامل درجة الحرارة المحسن أو تركيب أجهزة تبريد أكبر. وبدلاً من ذلك، يحتاج المرء إلى تصميم حراري فعال، ونمذجة خاصة بالموقع-(مع أخذ المناخ المحلي والتهوية في الاعتبار)، والصيانة المناسبة (بما في ذلك عمليات الفحص بالأشعة تحت الحمراء واستخدام تحليل البيانات في الوقت الفعلي-)، والقرارات التشغيلية الذكية التي يجب اتخاذها لتحقيق التوازن بين الفوائد المالية على المدى القصير-وسلامة الأصل على المدى الطويل-.
ومع تسارع تحول الطاقة وتطوير المزيد من القدرات الشمسية والتخزينية في المناطق الحارة والجافة والاستوائية، فإن القدرة على فهم الإجهاد الحراري والتعامل معه ستكون ضرورية لجميع المطورين والمشغلين والمستثمرين. من أجل التعامل مع الحرارة، علينا أن نتعامل معها ليس كفكرة لاحقة ولكن كمعلمة تصميم أساسية منذ بداية المشروع.
