מערכות פוטו-וולטאיות סולאריות מסתמכות על אור השמש. מערכות אחסון אנרגיה של סוללה מיועדות לספיגה ושחרור של אנרגיה בזמן הנכון. כדוגמה ליום קיץ חם, נראה שהוא מתאים בצורה מושלמת, שכן יש בו הרבה שמש, הרבה אנרגיה שנוצרת ודרישה גבוהה לקירור, אבל המציאות הרבה יותר מסובכת. כתוצאה מגלי החום המתגברים, טמפרטורות קיצוניות החלו לפעול כניסוי החושף את הפגמים, מאיץ את תהליך השפלה ומטיל ספק עד כמה בטוחות PV ומערכות אחסון למעשה.
פרדוקס השמש: יותר שמש, פחות כוח?
זה נשמע מנוגד לאינטואיציה: לוחות PV ממירים את אור השמש לחשמל, אז למה מזג אוויר חם יותר מפחית את התפוקה שלהם? התשובה טמונה במקדם טמפרטורהשל תאים פוטו-וולטאיים.
תנאי הבדיקה הסטנדרטיים מדרגים מודולי PV בטמפרטורת תא של 25 מעלות עם קרינה של 1000 W/m². בשטח, לעומת זאת, טמפרטורות המודול מזנקות באופן שגרתי הרבה מעל טמפרטורות האוויר הסביבה בימי שמש חמים. תאים סולריים מסיליקון גבישי-הטכנולוגיה השלטת כיום-מציגים מקדם טמפרטורת הספק שלילי, בדרך כלל בין -0.38% ל-0.44% למעלה צלזיוס. המשמעות היא שלכל עלייה של מעלה אחת בטמפרטורת התא, התפוקה החשמלית של המודול יורדת בכ-0.38% עד 0.44%.
שקול דוגמה מעשית: אם טמפרטורת התא מטפסת מ-25 מעלות ל-65 מעלות -תרחיש נפוץ אחר הצהריים בקיץ-אובדן החשמל מגיע לכ-16% (בהנחה של -0.4%/מעלה). בתנאי גלי חום קיצוניים, טמפרטורות התא עשויות לעלות על 70 מעלות, מה שדוחף את הירידה הכוללת מעבר ל-17%. מחקרי שטח הראו כי במהלך גלי חום ממושכים, חוות PV עלולות לאבד עד 90% מפוטנציאל הייצור השעתי שלהן, לא בגלל כיסוי עננים, אלא רק בגלל השפעות תרמיות.
עם זאת, יש לציין כי הטמפרטורה היא לעתים נדירות הגורם היחיד המעורב. חום משחק תפקיד מחמיר כאשר כבר קיימות בעיות אחרות. מודולים מלוכלכים, הצללה חלקית, גידולי צמחים וכל חלק פגום של המודולים הופכים חשובים במיוחד בתנאים של קרינה וטמפרטורה גבוהים. הדוגמה האופיינית יכולה להיות תופעת ה"נקודה החמה", כאשר המודול המוצל או הפגום צורך אנרגיה במקום לייצר אותה, וכך הטמפרטורה במקום הנתון עולה. יתר על כן, ממירי PV הם מכשירים אלקטרוניים עם טווח פעולה מוגבל. לפיכך, כאשר טמפרטורת הסביבה עולה, מידת היעילות של קירור המהפך מצטמצמת, מה שמוביל להתחממות יתר בתוך המהפך ואשר עלול לעורר ירידה או אפילו כיבוי- של המערכת, ובכך להחמיר את הזדקנות המודול ולהפחית את היעילות של תחנת הכוח הסולארית באופן כללי.
סוללות תחת אש: ה-Whammy הכפול של החום
עבור סוללות ליתיום-יון, החום בעייתי עוד יותר. מערכות אלקטרוכימיות אלו מתכלות באמצעות שני מנגנונים עיקריים: הזדקנות לוח שנה (תלוי-זמן, ללא קשר לשימוש) והזדקנות מחזורית (הנגרמת פריקה-). שניהם מושפעים מאוד מהטמפרטורה, מצב המטען (SoC), עומק הפריקה וקצבי טעינה/פריקה.
מחקרים מראים באופן עקבי שטמפרטורה גבוהה, בשילוב עם SoC גבוה ורכיבה עמוקה על אופניים, מאיץ את דהיית הקיבולת באופן דרמטי. ביישומים מוצמדים ל-PV, סוללות נטענות לעתים קרובות במהירות במהלך שיאי השמש של צהריים, ואז מוחזקים ב-SoC גבוה למשך מספר שעות בעוד טמפרטורות הסביבה נשארות גבוהות. דפוס ההפעלה הזה-טעינה מהירה ואחריה טבילה ממושכת של High-SoC בחום-מזיקה במיוחד. עבור כל עלייה של 10 מעלות בטמפרטורת ההפעלה הממוצעת, קצב ההזדקנות בלוח השנה יכול להכפיל את עצמו בערך, על פי התנהגות מסוג Arrhenius שנצפתה בכימיה של ליתיום-יון רבות.
מלבד בעיות הביצועים הפנימיות, גורם קריטי נוסף הוא בטיחות. סוללות ליתיום- עלולות להיתקל במגוון בעיות, כגון טעינת יתר או נזק בגלל כוח מכני או קצרים בתוך הרכיבים שלה. כתוצאה מכך, טמפרטורת המקור עולה ל-130 מעלות ומעלה; בעיטה זו-מתחילה את סדרת התגובות בתוך הסוללה, כולל התמוטטות של SEI והתנדפות של האלקטרוליט. אם הטמפרטורה תמשיך לעלות, התא עשוי להעלות את טמפרטורת פני השטח שלו ל-1200 מעלות ומעלה ולשחרר גז דליק בטמפרטורות מעל 600 מעלות. עבור סוללות גדולות בשימוש נרחב כיום בפתרונות תעשייתיים, הטמפרטורה במהלך ההימלטות יכולה להגיע לרמות העולה על 800 מעלות.
מערכות ניהול תרמיות-קירור אוויר, קירור נוזלים, חומרים משנים פאזה-צריכות לעבוד קשה יותר בתנאים חמים, לצרוך כוח טפילי ולהפחית את יעילות המערכת הכוללת. כאשר הטמפרטורה של תא, מתלה או מיכל אחר מתקרבת לגבולות מסוימים, מערכת ניהול הסוללה (BMS) תפחית אוטומטית את התפוקה ותגביל את הפונקציונליות. בעוד שמערכות אחסון האנרגיה הנוכחיות של סוללות (BESS) מכילות חיישני גיבוי, מערכות כיבוי אש ומערכות קירור, עדיין קיימים סיכונים לבריחה תרמית שכן פגמים בייצור של תאים בודדים עשויים להישאר ללא גילוי עד שהם ייחשפו לטמפרטורות קיצוניות. לכן, חיוני לתכנן את המערכות הללו בדרכים שימנעו הסלמה של התקלות, לאתר בעיות שעלולות להוביל להפסקת-הגז ולמנוע מאירועים מקומיים להפוך לאסונות.
אתגרים ברמת המערכת: טנגו PV-Storage
במפעלי אחסון היברידיים סולאריים פלוס, השפעות תרמיות מתכנסות ומקיימות אינטראקציה. מערך ה-PV מייצר אנרגיה מקסימלית במהלך שיא הקרינה, אך מאבד חלק עקב חום. מערכת האחסון, המוטלת על ספיגת עודפי אנרגיית הצהריים, סובלת במקביל מלחץ הטעינה הגבוה ביותר בשעות החמות ביותר. זה יוצר פרדוקס תפעולי: מנקודת מבט של אופטימיזציית רשת, הגיוני לטעון את הסוללה במלואה במהלך הצהריים ולהחזיק אותה ב-SoC גבוה לפריקת שיא בערב; עם זאת, מנקודת מבט של אריכות ימים ובטיחות, אותה אסטרטגיה מאיצה השפלה ומעלה סיכון תרמי.
לפיכך, ניתן לומר שאין מצב תפעול אוניברסלי "הטוב ביותר". יש צורך לאזן את ההכנסות האפשריות ממסחר באנרגיה, אופטימיזציה של-צריכה עצמית, תגובת תדרים ביחס לאובדן יעילות, אנרגיית קירור, בלאי מואץ של סוללות והסיכון הגבוה יותר להשבתות לא מתוכננות. מערכות ניהול אנרגיה מודרניות (EMS) מתפתחות על מנת לנהל את המורכבות הזו-מערכות EMS עוקבות אחר הטמפרטורות של מודולים ותאים, תחזיות מזג אוויר, מחירי שוק ואותות רשת ומייצרות אסטרטגיות תפעול מתאימות. כך למשל, הקפאת הסוללה בלילה, שליטה במהירות הטעינה בזמן החום, או אפילו הגבלת ייצור חשמל מכוונת, יכולה להיות מוצדקת גם מבחינה כלכלית.
מסקנה: חוסן הנדסי לעתיד חם יותר
חום עז הוא כיום תופעה נפוצה ולא חריגה; זה הופך למבחן קבוע עבור טכנולוגיית אנרגיה מתחדשת. עמידה בהצלחה במבחן דורשת חשיבה-בגישה של כל המערכת ולא רק בחירת מודולים עם מקדם טמפרטורה משופר או התקנת התקני קירור גדולים יותר. במקום זאת, יש צורך בתכנון תרמי יעיל, מודלים ספציפיים לאתר-( תוך התחשבות במיקרו-אקלים ואוורור), תחזוקה נכונה (כולל בדיקות אינפרא אדום וניצול-ניתוח נתונים בזמן אמת) והחלטות תפעוליות חכמות שאותן צריך להיעשות תוך איזון בין יתרונות פיננסיים לטווח קצר-לטווח ארוך ובריאות הנכס.
עם האצת מעבר האנרגיה ופיתוח יותר קיבולת סולארית ואחסון באזורים חמים, יבשים וטרופיים, היכולת להבין ולהתמודד עם מתח תרמי תהיה חיונית לכל היזמים, המפעילים והמשקיעים. על מנת להתמודד עם חום, עלינו להתייחס אליו לא כאל מחשבה שלאחר מכן אלא כאל פרמטר עיצובי בסיסי כבר מתחילת הפרויקט.
