Matalan lämpötilan suorituskyky: Ulkona käytettävien valvontalaitteiden natriumioni vs. LFP. Tarina on tuttu hankintavastaaville: aurinkoenergialla toimivat LFP-järjestelmät toimivat moitteettomasti heinäkuussa, mutta pimenevät, kun talven ensimmäinen pakkanen iskee. Kyseessä ei ole laitevika, vaan tavallisen litiumin kova "kylmälatausraja", sillä litiumia ei voi fyysisesti ladata alle 0 °C:n lämpötilassa. Vuosien ajan ainoa keino ylläpitää kriittisten ulkoiluvälineiden 24/7-valmiusaikaa on ollut kääriä akut energiaa kuluttaviin lämmitystyynyihin - kallis ja epäluotettava ratkaisu. On olemassa parempi tapa. On aika puhua Natriumioniakut, kemia, joka ei vain kestä kylmää, vaan kukoistaa siinä.
Kamada Power 12V 100Ah natriumioniakku
"Jäätynyt akku" -ongelma: Miksi LFP ei toimi talvella?
Ymmärtääksemme, miksi natriumioniakku on yleistymässä EU:n ja Yhdysvaltojen teollisuusmarkkinoilla, meidän on ensin selvitettävä, miksi LFP (litiumrautafosfaatti) kärsii, kun elohopea laskee.
Latausraja (0°C/32°F)
Useimmissa LFP-akkujen tietolehdissä ilmoitetaan purkauslämpötila jopa -20 °C:een asti. Se näyttää paperilla hyvältä, mutta se on ansa. Todellinen pullonkaula ei ole purkaminen; se on lataus.
Tässä on tekninen todellisuus: Litiumkennon sisällä ionit liikkuvat katodin ja anodin välillä nestemäisen elektrolyytin läpi. Lämpötilan lähestyessä jäätymisastetta (0 °C/32 °F) elektrolyytti muuttuu hitaaksi. Viskositeetti kasvaa.
Jos akkuun yritetään syöttää latausvirtaa tässä tilassa, litiumionit eivät pääse interkaloitumaan (absorboitumaan) grafiittianodiin riittävän nopeasti. Sen sijaan ne kasaantuvat anodin pinnalle metallisessa muodossa. Tätä kutsutaan Litium pinnoitus.
Litiumpinnoitus on katastrofaalinen. Se heikentää kapasiteettia pysyvästi ja voi luoda dendriittejä - mikroskooppisen pieniä piikkejä, jotka lävistävät erottimen ja aiheuttavat oikosulkuja. Tämän vuoksi laadukkaassa akunhallintajärjestelmässä (BMS) on kovakoodattu sääntö: Katkaise kaikki latausvirta alle 0 °C:n lämpötilassa.
Vaikka olisi aurinkoinen talvipäivä, LFP-akku istuu paikallaan ja kieltäytyy ottamasta vastaan yhtään wattia virtaa.
Lämmitystyynyjen piilokustannukset
Insinöörit ovat yrittäneet paikata tätä ongelmaa lämmitystyynyillä. Logiikka vaikuttaa järkevältä: akun virran avulla kennot lämmitetään 5 °C:een ja aloitetaan sitten lataus.
Kokemuksemme mukaan teollisuusasiakkaiden kanssa työskennellessämme matematiikka toimii harvoin kentällä.
Tyypillinen lämmityskalvo kuluttaa 20-30W. Talvella auringon säteilyaika on lyhyt - ehkä 4-5 tuntia tehokasta valoa. Jos sinulla on tavallinen 50W tai 100W aurinkopaneeli, lämmittimestä tulee loinen. Se polttaa kaksi ensimmäistä tuntia auringonvaloa vain yrittäessään lämmittää akkua. Kun akku on tarpeeksi lämmin latausta varten, aurinko on jo laskemassa. Järjestelmä on lopulta tehovajeessa, ja se sammuu lopulta.
Jännitteen vaihtelu ja laitteen uudelleenkäynnistykset
Vaikka akussa olisikin vielä jonkin verran varausta jäljellä, kylmä sää aiheuttaa Sisäinen vastus (IR) LFP-solujen piikkiä.
Oletetaan, että valvontakamerasi käynnistää IR-yökameran LEDit. Tämä aiheuttaa äkillisen virranoton. Koska akun sisäinen vastus on kylmästä johtuen suuri, jännite laskee välittömästi. Jos se laskee alle kameran katkaisujännitteen (yleensä 10,8 V tai 11 V 12 V:n järjestelmissä), kamera käynnistyy uudelleen. Se siirtyy "käynnistyssilmukkaan", joka tyhjentää akkua entisestään tallentamatta koskaan tietoja.
Natrium-ioni: Sodium-natrium: Kylmän sään pelinvaihtaja
Natrium-ioniakku (Na-ion) ei ole vain edullisempi vaihtoehto litiumille, vaan se on rakenteellisesti ylivoimainen peto äärimmäisissä lämpötiloissa.
Lataus -20 °C:ssa ilman lämmittimiä
Tämä on ratkaiseva ominaisuus kaikille, jotka suunnittelevat verkkoverkkoa käyttämättömiä järjestelmiä. Natriumpohjaisten elektrolyyttien ja kovahiilisten anodien ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta natriumionit säilyttävät suuren liikkuvuuden myös pakkasessa.
Natriumioniakun voi ladata turvallisesti klo -20°C (-4°F) kohtuullisella nopeudella (yleensä 0,5C-1C) ilman, että on vaarana pinnoittuminen tai dendriittien muodostuminen.
Mieti, mitä se tarkoittaa aurinkosähköjärjestelmän mitoituksessa. Sinun ei tarvitse tuhlata energiaa lämmitysvastukseen. 100% aurinkopaneelisi keräämästä energiasta menee suoraan kemialliseen varastointiin. Pohjoismaisen tai Pohjois-Amerikan talven hämärissä olosuhteissa jokainen wattitunti on tärkeä.
Kapasiteetin säilyttäminen (90% vs. 50%)
Katsotaanpa tietoja. Jos otat tavallisen LFP-pakkauksen ja altistat sen -20 °C:n lämpötilalle, saat siitä - jos olet onnekas - 50%-60% sen nimelliskapasiteetista. Se putoaa jyrkänteeltä.
Sitä vastoin natrium-ionikennot säilyttävät noin 85%-90% kapasiteetistaan -20 °C:ssa. Olemme nähneet jopa testejä -30 °C:n lämpötilassa, joissa ne tuottavat edelleen yli 80%. Hankinnasta vastaavalle virkamiehelle tämä tarkoittaa, että sinun ei tarvitse ostaa valtavan ylimitoitettua akkua vain talvihäviöiden kompensoimiseksi. Talvella 100Ah:n natriumakku toimii kuin 100Ah:n akku, ei 50Ah:n akku.
Vakaa käyttöjännite
Muistatko "jännitteen alenema" -ongelman? Natriumionilla on luonnostaan suurempi ionijohtokyky. Tämä johtaa pienempään sisäiseen resistanssiin kylmässä. Kun modeemi käynnistyy tiedonsiirtoa varten, jännite pysyy jäykkänä. Laitteesi pysyy verkossa.
Tapaustutkimus: Kanadassa (-25°C)
Konsultoimme hiljattain hankkeessa, joka koski villieläinten seuranta-asemia Kanadan Pohjois-Albertassa. Ympäristö on raju, ja lämpötilat ovat viikkojen ajan -25 °C:n tuntumassa.
Epäonnistunut LFP-asetus (ylimitoitettu ja monimutkainen)
Alkuperäisessä kokoonpanossa käytettiin 12V 100Ah LiFePO4-akkua, jossa oli integroitu itselämpenevä BMS. Lämmittimen tukemiseksi oli asennettava 100 W:n aurinkopaneeli.
Tulos? Epäonnistuminen. Aurinkopaneeli ei pystynyt tuottamaan tarpeeksi virtaa lämmittimen käyttämiseen viikon ajan, kun sää oli pilvinen. ja lataa akku. Lämmitin tyhjensi varaenergian, ja järjestelmä meni pimeäksi kolmeksi viikoksi, kunnes teknikko pääsi ajamaan paikalle (huomattavin kustannuksin) vaihtamaan yksikön.
Natrium-ionin menestys (yksinkertainen ja kestävä)
Vaihdoimme yksikön natrium-ioni-akkuyksikköön ja itse asiassa - alennettu aurinkopaneelin teho 50W.
Tulos? Menestys. Jopa auringonnousun aikaan, kun ilman lämpötila oli -20 °C, natriumakku otti välittömästi latausvirran vastaan. Mitään lämmitysalustaa ei tarvinnut syöttää. Järjestelmä pysyi toiminnassa 24/7 koko talven ajan. Lämmönhallintajärjestelmän poistamisen yksinkertaisuus itse asiassa lisäsi yleistä luotettavuutta.
Haluan olla avoin tässä yhteydessä - natrium ei ole taikuutta, ja fysiikka on edelleen voimassa. On olemassa kompromissi, ja yleensä kyse on tiheydestä.
Miksi natriumioniakku on järeämpi?
Natriumatomit ovat fyysisesti suurempia ja raskaampia kuin litiumatomit. Tämän vuoksi nykyisten natriumionikennojen gravimetrinen energiatiheys on noin 1,5 litraa. 140-160 Wh/kgverrattuna LFP:hen, joka on 160-170 Wh/kg (ja NCM:ään, joka on paljon korkeampi).
Käytännössä natriumakku saattaa olla seuraava 20%-30% fyysisesti suuremmat kuin vastaava LFP-pakkaus.
Onko koolla väliä pylväsasennetuissa laatikoissa?
EV:n kohdalla koolla on merkitystä. Mutta kiinteässä NEMA-kotelossa sähkötolpassa? Yleensä ei.
Se, että asentajaa pyydetään käyttämään hieman syvempää vedenpitävää laatikkoa, on pieni haitta. Itse asiassa kotelon koon kasvattaminen kahdella tuumalla on huomattavasti halvempaa ja helpompaa kuin aurinkopaneelin, tuulikuorman kiinnikkeiden ja kaapeloinnin päivittäminen lämmitetyn Lithium-järjestelmän tueksi.
Järjestelmän kustannusanalyysi: Miksi natrium on kaiken kaikkiaan halvempi
Jos tarkastellaan vain kennojen kustannuksia tänään, natrium saattaa vaikuttaa hieman kalliimmalta tai samalta kuin LFP, mikä johtuu toimitusketjun uutuudesta. Hankinnasta vastaavien henkilöiden on kuitenkin tarkasteltava Omistamisen kokonaiskustannukset (TCO).
"De-rating"-matematiikka
Kylmissä ilmastoissa LFP:n kanssa insinöörien on "ylimitoitettava" järjestelmä. Saadakseen 50Ah käyttökelpoista virtaa talvella he ostavat 100Ah LFP-akun. Akun lataamiseksi ja lämmittimen käyttämiseksi he ostavat 200 W aurinkoenergiaa.
Natriumionien kanssa ei tarvitse vähentää tehoa läheskään yhtä voimakkaasti. Voit käyttää 60Ah:n natriumpakkausta ja 80W:n paneelia saman luotettavuuden saavuttamiseksi. Säästät rahaa paneelissa, kiinnitystarvikkeissa, kuljetuspainossa ja kaapeloinnissa. Akku saattaa maksaa muutaman dollarin enemmän, mutta järjestelmä maksaa vähemmän.
Vertailu: LFP (LiFePO4) vs. natrium-ioni (Na-ion) Low-Temp tekniset tiedot
Tässä on pikaopas suunnittelutiimillesi:
| Metrinen | LFP (LiFePO4) | Natriumioni (Na-ioni) |
|---|
| Min. Turvallinen latauslämpötila | 0°C (32°F) | -20°C - -40°C |
| Kapasiteetti -20 °C:ssa | ~50-60% | ~85-90% |
| Lämmitystyynyä tarvitaan? | Kyllä (pakollinen) | Ei |
| Jännitteen vakaus (kylmä) | Huono (High Sag) | Erinomainen |
| Energiatiheys | Korkea (kompakti) | Kohtalainen (järeämpi) |
| Paras | Kesä/lauhkeat vyöhykkeet | Talvi/Arktinen/Alpine |
Ostajan opas: Natriumjärjestelmän konfigurointi
Valmis testaamaan Natriumioniakku seuraavaa komennusta varten? Pidä nämä kaksi vinkkiä mielessäsi, jotta vältät integraatiopäänsäryt.
Oikean MPPT-säätimen valinta
Natriumionilla on erilainen jännitekäyrä kuin LFP:llä. Tavallisen 12 V:n natriumpaketin nimellisjännite on usein noin 1,5 mm. 12.4V (3,1 V per solu), kun taas LFP on 12.8V (3,2 V per kenno).
Jos käytät vakioasetusta "LiFePO4" aurinkolataussäätimessäsi, saatat ylikuormittaa natriumpakkauksen. Varmista, että MPPT-säätimessäsi on "Käyttäjän määrittelemä" tilassa, jossa voit manuaalisesti asettaa bulk- ja float-jännitteet, tai etsi uudempia ohjaimia, joissa on nimenomaisesti mainittu "Natrium/Na-ion" -tuki.
IP-luokitukset käyttäjälle Winter
Akun kemia toimii kylmässä, mutta toimiiko kotelosi? Talvi tuo mukanaan kondensaation ja lumen sulamisen. Vaikka akku olisikin kestävä, varmista, että pakkauksesi on suljettu. IP67-standardit. Olemme nähneet täysin hyvien natriumakkujen epäonnistuvan, koska vesi valui BMS-liittimiin halvan IP54-kotelon sisällä.
Päätelmä
Ulkona käytettävien valvonta- ja teollisuuslaitteiden kohdalla kyse ei ole maksimikapasiteetista vaan siitä, että jatkuva saatavuus. On merkityksetöntä, onko LFP-akussa enemmän energiaa heinäkuussa, jos se ei suostu latautumaan tammikuussa. Natriumionitekniikka on kehittynyt niin pitkälle, että se on loogisin valinta korkeilla leveysasteilla ja alppialueilla käytettäviin sovelluksiin. Se poistaa lämmitysjärjestelmien monimutkaisuuden, säilyttää jännitteen vakaana virtapiikkien aikana ja varmistaa, että kun aurinko nousee pakkasaamuna, järjestelmä todella latautuu. Älä anna kylmyyden vaarantaa tietojen eheyttä.
Lakkaa taistelemasta talvea vastaan lämmittimillä ja ylimitoitetuilla paneeleilla. Ota yhteyttä päivittää valvontalaitteesi meidän Kamada Power Natrium-ioniakku tänään ja varmista 24/7-käytettävyys säästä riippumatta.
FAQ
Voinko ladata natriumakkuja tavallisella lyijyakkulaturilla?
Yleensä kyllä, mutta varoen. Natriumioniakkujen latausprofiilit ovat yllättävän samanlaisia kuin lyijyakkujen (CC/CV-käyrät). Sinun on kuitenkin tarkistettava jännitteen raja-arvot. Jos lyijy-happolaturissa on "desulfatointi" tai "tasaus" -tila, joka nostaa jännitteen korkeaksi (yli 15 V 12 V:n järjestelmässä), se voi vahingoittaa natrium BMS:ää. Käytä aina laturia, jossa voit poistaa tasauksen käytöstä.
Pitääkö natriumioniakku eristää?
Vaikka et Tarvitsen lämmitystyyny, peruseristys (kuten vaahtomuovivuori laatikossa) on silti hyvä idea. Se auttaa säilyttämään akun oman toiminnan tuottaman lämmön ja pitää sisäisen vastuksen mahdollisimman alhaisena. Mutta toisin kuin LFP, aktiivista lämmitystä ei tarvita turvallisuuden tai latauksen kannalta.
Mikä on natriumioniakkujen alin lämpötila?
Useimmat kaupalliset natriumionikennot on mitoitettu purkautumaan tasoon -40°C (-40°F). Lataus on yleensä turvallista aina -20°C (-4°F) tai -30°C kennon valmistajasta riippuen. Tarkista aina pakkauksesi erityinen tietolehti, mutta odota, että suorituskyky on huomattavasti parempi kuin litiumilla.
Entä jos sekoitan vahingossa natrium- ja LFP-akkuja pankissa?
Älä tee tätä. Niillä on erilaiset purkautumiskäyrät ja nimellisjännitteet. Niiden kytkeminen rinnakkain aiheuttaa virran siirtymisen korkeamman jännitteen akusta matalamman jännitteen akkuun, mikä voi aiheuttaa BMS:n poiskytkentöjä tai turvallisuusriskin. Pidä akkukemiat aina erillään.