Pentru protejarea bateriilor precum cele utilizate în sisteme de stocare a energiei sau în sistemele fotovoltaice, se folosesc mai multe tipuri de protecții care previn deteriorarea, asigura funcționarea în siguranță a echipamentelor și prelungesc durata de viață a bateriilor. Protecțiile includ printre altele utilizarea de materiale ignifuge, precum și circuite electronice de protecție și siguranțe termice.
1. Module de Management al bateriei (BMS)
Cu ajutorul unor circuite încorporate, ca de exemplu, regulatoare de tensiune pentru a se asigura că tensiunea aplicată bateriei rămâne în limite de siguranță, precum și a unor circuite de limitare a curentului și a unor siguranțe, BMS poate preveni tensiunea de încărcare excesivă, scurtcircuitele-datorate unor defecte de fabricație, supra-temperatura, curentul de descărcare excesiv și descărcarea la un nivel periculos de scăzut.
Figura 1. Diagrama internă a unui BMS
BMS monitorizează tensiunea individuală a celulei pentru a se asigura că funcționează în intervale de siguranță, verifică temperatura acesteia pentru a preveni supraîncălzirea sau funcționarea la temperaturi prea scăzute și monitorizează curentul de încărcare și descărcare al sistemului.
Bateriile de stocare pentru sistemele fotovoltaice sunt formate din mai multe celule conectate în serie sau în paralel, iar în timp, aceste celule pot avea diferențe de tensiune. Din cauza acestor diferențe de tensiune care pot apărea, bateria poate exploda. Este așadar esențial ca BMS-ul să realizeze echilibrarea celulelor.
2. Separarea celulelor
Separarea celulelor în baterii este un aspect critic pentru menținerea siguranței și pentru prevenirea problemelor precum scurtcircuitele, supraîncălzirea, incendiile sau alte defecțiuni. Se pot folosi materiale izolatoare și separatoare interne, carcase individuale, materiale de umplere între celule sau distanțiere și structuri modulare. Scopul acestor măsuri este de a limita cât mai mult apariția unei probleme care poate duce la incendiu sau la explozie.
3. Protecția celulelor
Celulele litiu-ion sunt mult mai sensibile față de celulele alcaline sau nichel-metal-hidrid. Supraîncărcarea sau încărcarea celulelor cu o tensiune mult prea mare în unele cazuri poate duce la aprinderea electrolitului care este un material foarte sensibil la căldură.
Pentru protejarea împotriva supra-curentului sau a scurt-circuitului, se pot instala siguranțe pe fiecare celulă sau grup de celule. Aceste siguranțe vor arde în cazul unui curent excesiv, deconectând celula respectivă și protejând restul bateriei.
4. Protecție la acumularea gazelor
Eliberarea presiunii din baterii este esențială pentru a preveni acumularea de gaze în interiorul acestora, fapt care poate duce la umflarea, deteriorarea sau chiar explozia acestora.
Pentru a realiza eliberarea gazelor, se folosesc supape de eliberare a presiunii (ventilație) care se deschid automat atunci când presiunea internă depășește un anumit prag, permițând gazelor să iasă în mod controlat și prevenind acumularea excesivă de presiune.
De asemenea, se pot folosi și materiale și un design special anti-umflare care le permit să absoarbă și să elibereze gazele produse în timpul funcționării.
Figura 2. Protectie pentru acumularea gazelor
5. Protecție la fluctuațiile de tensiune ale panourilor fotovoltaice
In cazul bateriilor utilizate pentru stocarea energiei produsa cu ajutorul sistemelor fotovoltaice, este necesar sa se prevadă un sistem de reglare a tensiunii de încărcare deoarece prin natura funcționarii unui sistem fotovoltaic, sensibil la schimbarea nivelului de iradianta solara, pot apărea variații foarte mari ale tensiunii de încărcare a bateriei. Pentru a realiza aceasta protecție specifica, se pot folosi controlere de încărcare cu funcții de protecție pentru reglarea tensiunii de la panourile fotovoltaice către baterii, prevenind fluctuațiile care ar putea deteriora bateria, cât și regulatoare de tensiune care stabilizează tensiunea înainte ca energia să ajungă la baterie, prevenind astfel supra-încărcarea și deteriorarea.
6. Protecție la vibrații și șocuri mecanice
Protecția împotriva vibrațiilor și șocurilor este importantă pentru a preveni deteriorarea fizică a celulelor. Aceasta se poate realiza prin montarea celulelor pe suporturi amortizoare sau prin utilizarea unor materiale de absorbție a șocurilor. În interiorul carcasei, se pot folosi spume poliuretanice, bureți sau alte materiale moi care să absoarbă vibrațiile și șocurile mecanice. De asemenea, bateriile pot fi înfășurate cu materiale amortizoare și pot include senzori care monitorizează vibrațiile și pot declanșa măsuri de protecție dacă sunt detectate niveluri ridicate de șocuri.
7. Cutii de protecție ignifuge
Aceste cutii sunt utilizate pentru a izola bateriile și pentru a preveni răspândirea incendiului în cazul unui accident. Aceste cutii sunt proiectate să reziste la temperaturi ridicate și să protejeze bateriile împotriva incendiilor, extinzând în același timp durata de viață a acestora. Cutiile sunt realizate din materiale ignifuge care pot avea în interior structuri suplimentare de izolație termică.
8. Sisteme de stingere a incendiilor
Instalarea de sisteme de stingere a incendiilor este necesară pentru bateriile utilizate in sistemele fotovoltaice pentru a oferi siguranța și protecția împotriva riscului de incendiu, având în vedere că bateriile pot prezenta riscuri de explozie în cazul supraîncălzirii, scurtcircuitelor sau deteriorărilor.
În acest sens, se pot folosi sisteme de stingere cu gaz inert pentru că aceste gaze elimină oxigenul din zona incendiului, suprimând astfel arderea sau sisteme de stingere cu alți compuși chimici.
Conform normelor in vigoare, spațiile în care sunt instalate baterii solare trebuie să fie dotate cu sisteme de stingere a incendiilor adaptate la tipul bateriei folosit. Aceste sisteme sunt conectate la BMS pentru a asigura o intervenție rapidă. Sistemele existente ale bateriei nu sunt întotdeauna suficiente pentru că incendiile generate de bateriile cu o capacitate de stocare mai mare pot fi extrem de intense și dificil de controlat, de aceea se introduce obligativitatea existenței unor sisteme separate.
9. Ventilație și sisteme de răcire
În bateriile de dimensiuni mari, precum cele utilizate în sisteme de stocare a energiei, pot fi instalate sisteme de ventilație și răcire pentru a preveni supraîncălzirea, mai ales în cazul
bateriilor cu litiu. Cutia bateriei poate avea găuri de ventilație cu supape anti-incendiu, care permit disiparea căldurii, dar se închid automat în caz de incendiu pentru a preveni pătrunderea flăcărilor. De asemenea, se pot folosi și sisteme de răcire cu lichid pentru a disipa căldura generată de baterii, mai ales în cazul sistemelor de stocare cu capacitate mare.
Figura 3. Racire activă cu aer
10. Monitorizare la distanță și întreținere periodică
Pentru protejarea bateriilor și pentru prevenirea defectelor, se pot folosi și sisteme de monitorizare la distanță pentru a permite identificarea rapidă a problemelor. De asemenea se verifică periodic conexiunile și starea generală a bateriei pentru a evita riscurile care pot apărea în caz de defect.
Concluzionând, in cazul bateriilor in general si mai ales in cazul bateriilor utilizate in sistemele fotovoltaice pentru stocarea energiei, trebuie sa se realizeze o protecție adecvată pentru a preveni riscurile de incendii, defecțiuni, deteriorări fizice, asigurând astfel o funcționare sigură și eficientă a bateriilor pe termen lung.