Učinkovitost pri nizkih temperaturah: za zunanjo nadzorno opremo. Zgodba, ki jo poznajo uradniki za javna naročila: vaši sistemi LFP, ki jih napaja sončna energija, julija delujejo brezhibno, ko pa nastopi prva zimska zmrzal, se jim zatakne. Ne soočate se z okvaro opreme, ampak se borite s težko "mejo hladnega polnjenja" standardnega litija, ki fizično ne more sprejeti polnjenja pod 0 °C. Dolga leta je bila edina rešitev za ohranjanje 24-urne brezhibnosti kritične opreme na prostem zavijanje baterij v energijsko požrešne grelne blazinice - draga in nezanesljiva rešitev. Obstaja boljši način. Čas je, da se pogovorimo o Natrijevo-ionske baterije, kemijo, ki ne le preživi mraz, ampak v njem tudi uspeva.
Kamada Power 12V 100Ah natrijeva ionska baterija
Problem "zamrznjene baterije": zakaj LFP pozimi odpove
Da bi razumeli, zakaj natrijevo-ionske baterije pridobivajo na veljavi na industrijskih trgih EU in ZDA, si moramo najprej ogledati, zakaj se litij-železo-fosfat (LFP) spopada s težavami, ko pade živo srebro.
Meja polnjenja (0°C/32°F)
Večina podatkovnih listov za baterije LFP navaja temperaturo praznjenja do -20 °C. Na papirju je to videti dobro, vendar je to past. Resnično ozko grlo ni praznjenje; to je polnjenje.
Tukaj je tehnična realnost: V litijevi celici se ioni gibljejo med katodo in anodo prek tekočega elektrolita. Ko se temperature približajo ničli (0 °C/32 °F), postane elektrolit počasen. Poveča se viskoznost.
Če v tem stanju poskušate v baterijo vnesti polnilni tok, se litijevi ioni ne morejo dovolj hitro interkalirati (absorbirati) v grafitno anodo. Namesto tega se kopičijo na površini anode v kovinski obliki. To se imenuje Litijska prevleka.
Litijeva prevleka je katastrofalna. Trajno zmanjša zmogljivost in lahko ustvari dendrite - mikroskopske pike, ki prebodejo separator in povzročijo kratek stik. Zaradi tega ima visokokakovostni sistem za upravljanje baterij (BMS) trdno zakodirano pravilo: Pri temperaturi pod 0 °C izklopite ves polnilni tok.
Torej tudi če je sončen zimski dan, vaša baterija LFP stoji in noče sprejeti niti enega samega vata energije.
Skriti stroški grelnih blazinic
Inženirji so to težavo poskušali odpraviti z grelnimi blazinicami. Logika se zdi smiselna: uporabite nekaj energije iz baterije, da se celice segrejejo na 5 °C, nato pa začnite polniti.
Toda po naših izkušnjah pri delu z industrijskimi strankami se matematika na terenu le redko izkaže.
Tipična grelna folija porabi 20-30 W. Pozimi so ure zbiranja sončne energije kratke - morda 4 do 5 ur učinkovite svetlobe. Če imate standardno 50- ali 100-vatno sončno ploščo, postane grelna folija parazit. Prvi dve uri sončne svetlobe porabi samo za ogrevanje baterije. Ko je baterija dovolj segreta, da se lahko napolni, sonce že zaide. Na koncu pride do primanjkljaja energije in sistem se sčasoma izklopi.
Napetostni sag in ponovni zagon naprave
Tudi če je akumulator še vedno napolnjen, hladno vreme povzroči, da se akumulator Notranja upornost (IR) celic LFP, ki se sprožijo.
Recimo, da vaša varnostna kamera sproži LED diode IR za nočni vid. To povzroči nenadno porabo električnega toka. Ker je notranja upornost baterije zaradi mraza visoka, napetost takoj upade. Če pade pod izklopno napetost kamere (običajno 10,8 V ali 11 V pri 12-voltnih sistemih), se kamera ponovno zažene. Vstopi v "zagonsko zanko", ki še naprej izčrpava baterijo, ne da bi kdaj posnela podatke.
Natrijev ion: Ionit-iont: spremenljivka za hladno vreme
Natrijevo-ionska baterija (Na-ion) ni le cenejša alternativa litijevim, temveč je strukturno boljša za delovanje pri ekstremnih temperaturah.
Polnjenje pri -20 °C brez grelnikov
To je ključna funkcija za vse, ki načrtujejo sisteme brez omrežja. Zaradi edinstvenih lastnosti elektrolitov na osnovi natrija in trdih ogljikovih anod natrijevi ioni ohranjajo visoko mobilnost tudi v mrzlih razmerah.
Natrijevo-ionsko baterijo lahko varno polnite pri -20°C (-4°F) z razumno hitrostjo (običajno 0,5C do 1C), ne da bi pri tem tvegali pokovko ali nastanek dendritov.
Razmislite, kaj to pomeni za določanje velikosti sončne energije. Ni vam treba izgubljati energije za ogrevalni upor. 100% energije, ki jo pridobi vaša sončna plošča, gre neposredno v kemično skladiščenje. V razmerah slabe svetlobe nordijske ali severnoameriške zime šteje vsaka vatna ura.
Ohranjanje zmogljivosti (90% proti 50%)
Oglejmo si podatke. Če vzamete standardni paket LFP in ga izpostavite temperaturi -20 °C, lahko - če imate srečo - iz njega dobite od 50% do 60% njegove nazivne zmogljivosti. Pade s pečine.
Nasprotno pa natrijevo-ionske celice ohranijo približno 85% do 90% svoje zmogljivosti pri -20 °C. Videli smo celo teste pri -30 °C, kjer so še vedno zagotavljale več kot 80%. Za uradnika, ki skrbi za nabavo, to pomeni, da vam ni treba kupiti močno predimenzionirane baterije samo zato, da bi nadomestili zimske izgube. 100Ah natrijeva baterija pozimi deluje kot 100Ah baterija in ne kot 50Ah baterija.
Stabilna delovna napetost
Se še spomnite vprašanja "napetostnega upada"? Natrijev ion ima naravno večjo ionsko prevodnost. Zaradi tega je notranja upornost v mrazu manjša. Ko se modem vklopi za prenos podatkov, napetost ostane toga. Vaša oprema ostane vklopljena.
Študija primera: Sončna kamera za divje živali v Kanadi (-25 °C)
Pred kratkim smo se posvetovali pri projektu, ki je vključeval postaje za spremljanje divjih živali v severni Alberti v Kanadi. Tamkajšnje okolje je kruto, saj se temperature več tednov gibljejo okoli -25 °C.
Neuspešna nastavitev LFP (prevelika in zapletena)
Prvotna namestitev je uporabljala 12V 100Ah baterijo LiFePO4 z vgrajenim sistemom BMS za samoogrevanje. Za podporo grelniku so morali namestiti 100W solarno ploščo.
Rezultat? Neuspeh. Med tednom oblačnega vremena sončna plošča ni mogla proizvesti dovolj toka za delovanje grelnika. in . napolnite baterijo. Grelnik je izpraznil rezervno energijo in sistem je bil tri tedne v okvari, dokler ni prišel tehnik (z velikimi stroški), ki je zamenjal enoto.
Uspeh natrijevih ionov (preprosti in zanesljivi)
Enoto smo zamenjali z natrijevim ionskim akumulatorjem in dejansko znižana ocena sončno ploščo na 50 W.
Rezultat? Uspeh. Tudi ob sončnem vzhodu in temperaturi zraka -20 °C je natrijeva baterija takoj sprejela polnilni tok. Ni bilo treba hraniti grelne blazinice. Sistem je bil vklopljen 24 ur na dan, 7 dni v tednu in 7 dni v tednu skozi vso zimo. Enostavnost odstranitve sistema za upravljanje toplote je dejansko povečala splošno zanesljivost.
Želim biti pregleden - natrij ni čaroben in še vedno velja fizika. Obstaja kompromis in običajno gre za gostoto.
Zakaj je natrijevo-ionska baterija prostornejša
Natrijevi atomi so fizikalno večji in težji od litijevih atomov. Zato je gravimetrična gostota energije sedanjih natrijevih ionskih celic približno 140-160 Wh/kgv primerjavi z LFP, ki dosega 160-170 Wh/kg (in NCM, ki je precej boljša).
Praktično gledano je natrijev akumulator lahko 20% do 30% fizično večji kot enakovreden paket LFP.
Ali je velikost pomembna za škatle, nameščene na drog?
Pri električnem vozilu je velikost pomembna. Toda za stacionarno ohišje NEMA na komunalnem drogu? Običajno ne.
Če mora monter uporabiti nekoliko globljo vodotesno škatlo, je to manjša nevšečnost. Dejansko je povečanje velikosti ohišja za 2 palca bistveno cenejše in lažje kot nadgradnja sončne plošče, nosilcev za vetrno obremenitev in kablov za podporo ogrevanemu litijevemu sistemu.
Analiza stroškov sistema: Zakaj je natrij na splošno cenejši
Če pogledate samo današnje stroške celic, se lahko zdi, da je natrij zaradi novosti v dobavni verigi nekoliko dražji ali enakopraven z LFP. Vendar pa morajo uradniki, zadolženi za nabavo, upoštevati Skupni stroški lastništva (TCO).
Matematika "znižanja vrednosti"
Pri sistemu LFP v hladnem podnebju morajo inženirji sistem "predimenzionirati". Da bi pozimi dobili 50 Ah uporabne energije, kupijo baterijo LFP s 100 Ah. Za polnjenje te baterije in delovanje grelnika kupijo 200 W sončne energije.
Pri natrijevih ionih vam ni treba zmanjšati porabe niti približno tako agresivno. Za doseganje enake zanesljivosti lahko uporabite 60Ah natrijev paket in 80W panel. Prihranite denar za panel, montažno opremo, težo pri prevozu in kable. Baterija bo morda stala nekaj dolarjev več, vendar sistem stane manj.
Primerjava: LFP (LiFePO4) proti natrijevim ionom (Na-ion) pri nizkih temperaturah
Tukaj je kratek referenčni vodnik za vašo ekipo inženirjev:
| Metrični | LFP (LiFePO4) | Natrijevi ioni (Na-ion) |
|---|
| Min. Varna temperatura polnjenja | 0°C (32°F) | od -20 °C do -40 °C |
| Zmogljivost pri -20 °C | ~50-60% | ~85-90% |
| Potrebujete grelno blazinico? | Da (obvezno) | Ne |
| Stabilnost napetosti (hladno) | Slabo (visok Sag) | Odlično |
| Energijska gostota | Visoka (kompaktna) | Zmerno (bolj masivno) |
| Najboljši za | Poletna/temperatna območja | Zima/Arktika/Alpine |
Vodnik za kupce: Konfiguracija vašega natrijevega sistema
Pripravljen za testiranje Natrijeva ionska baterija za naslednjo napotitev? Upoštevajte ta dva nasveta, da se izognete glavobolom pri integraciji.
Izbira pravega krmilnika MPPT
Natrijevi ioni imajo drugačno napetostno krivuljo kot LFP. Standardni 12-voltni natrijev paket ima pogosto nazivno napetost približno 12.4V (3,1 V na celico), medtem ko je LFP 12.8V (3,2 V na celico).
Če na krmilniku solarnega polnjenja uporabite standardno nastavitev "LiFePO4", lahko natrijev paket preveč napolnite. Prepričajte se, da ima vaš krmilnik MPPT "Določeno s strani uporabnika" način, v katerem lahko ročno nastavite napetost za množične in plavajoče napetosti, ali poiščite novejše krmilnike, ki izrecno navajajo podporo za natrijeve/naionske napajalnike.
Ocene IP za zimo
Kemijska sestava baterije deluje tudi v mrazu, toda ali deluje tudi vaše ohišje? Zima prinaša kondenzacijo in taljenje snega. Tudi če je baterija robustna, poskrbite, da je vaš paket zatesnjen, da Standardi IP67. Videli smo, da so popolnoma dobre natrijeve baterije odpovedale, ker je voda kapljala na sponke BMS v poceni ohišju IP54.
Zaključek
Pri zunanji nadzorni in industrijski opremi ne gre za bitko za največjo zmogljivost, temveč za neprekinjena razpoložljivost. Ni pomembno, ali ima baterija LFP julija več energije, če se januarja noče napolniti. Natrijevo-ionska tehnologija je dozorela do te mere, da je najbolj logična izbira za uporabo na visokih nadmorskih višinah in v visokogorju. Odpravlja zapletenost ogrevalnih sistemov, ohranja stabilno napetost med konicami napajanja in zagotavlja, da se vaš sistem dejansko napolni, ko v mrzlem jutru vzide sonce. Ne dovolite, da bi mraz ogrozil celovitost vaših podatkov.
Prenehajte se boriti proti zimi z grelniki in prevelikimi ploščami. Pišite nam za nadgradnjo opreme za spremljanje z našimi Kamada Power Natrijevo-ionska baterija še danes in si zagotovite neprekinjeno delovanje 24 ur na dan, 7 dni v tednu, ne glede na vremenske razmere.
POGOSTA VPRAŠANJA
Ali lahko natrijeve baterije polnim s standardnim polnilnikom za svinčene baterije?
Na splošno da, vendar previdno. Profili polnjenja natrijevih baterij so presenetljivo podobni profilom polnjenja svinčevih baterij (krivulje CC/CV). Vendar pa morate preveriti napetostne meje. Če ima svinčevo-kislinski polnilnik način "razžveplanja" ali "izravnave", ki povzroči visoke skoke napetosti (nad 15 V pri 12V sistemu), lahko poškoduje natrijev BMS. Vedno uporabljajte polnilnik, pri katerem lahko izenačevanje izklopite.
Ali je treba izolirati natrijevo-ionsko baterijo?
Medtem ko ne potrebujete grelna blazina, osnovna izolacija (kot je penasta obloga v škatli) je še vedno dobra ideja. Pomaga zadržati toploto, ki nastaja pri delovanju baterije, in ohranja čim manjšo notranjo upornost. Za razliko od LFP pa aktivno segrevanje ni potrebno za varnost ali polnjenje.
Katera je najnižja temperatura za natrijeve ionske baterije?
Večina komercialnih natrijevih ionskih celic je namenjena praznjenju do -40 °C (-40 °F). Polnjenje je običajno varno do -20°C (-4°F) ali -30°C odvisno od posameznega proizvajalca celic. Vedno preverite poseben podatkovni list za svoj paket, vendar pričakujte zmogljivost, ki je bistveno boljša od litijeve.
Kaj če v banki pomotoma zmešam natrijeve in LFP baterije?
Tega ne počnite. Imajo različne krivulje praznjenja in nazivne napetosti. Če ju povežete vzporedno, bo tok prehajal iz baterije z višjo napetostjo v baterijo z nižjo, kar lahko povzroči izklop sistema BMS ali ogrozi varnost. Vedno imejte ločene kemijske sestave baterij.