Els sistemes solars fotovoltaics depenen de la llum solar. Els sistemes d'emmagatzematge d'energia de la bateria estan fets per a l'absorció i l'alliberament d'energia en el moment adequat. Com a exemple d'un dia calorós d'estiu, sembla que encaixa perfectament, ja que té molt sol, molta energia generada i molta demanda de refrigeració, però la realitat és molt més complicada. Com a resultat de l'augment de les onades de calor, les temperatures extremes van començar a actuar com un assaig que revela els defectes, accelera el procés de degradació i posa en dubte la seguretat dels sistemes fotovoltaics i d'emmagatzematge.
La paradoxa solar: més sol, menys energia?
Sona contrari a la intuïtiu: els panells fotovoltaics converteixen la llum solar en electricitat, així que per què el clima més càlid redueix la seva producció? La resposta rau en elcoeficient de temperaturade cèl·lules fotovoltaiques.
Les condicions de prova estàndard valoren els mòduls fotovoltaics a una temperatura cel·lular de 25 graus amb una irradiància de 1000 W/m². Al camp, però, les temperatures dels mòduls solen elevar-se molt per sobre de les temperatures de l'aire ambient els dies calorosos i assolellats. Les cèl·lules solars de silici cristal·lí-la tecnologia dominant actualment-exhibeixen un coeficient de temperatura de potència negatiu, normalment entre -0,38% i -0,44% per grau centígrad. Això significa que per cada augment d'1 grau de temperatura de la cel·la, la sortida elèctrica del mòdul cau aproximadament entre un 0,38% i un 0,44%.
Penseu en un exemple pràctic: si la temperatura cel·lular puja de 25 graus a 65 graus -un escenari habitual una tarda d'estiu-la pèrdua d'energia arriba al voltant del 16% (suposant -0,4%/grau ). En condicions extremes d'onada de calor, les temperatures de les cel·les poden superar els 70 graus, la qual cosa fa que la reducció total superi el 17%. Els estudis de camp han demostrat que durant les onades de calor prolongades, les granges fotovoltaiques poden perdre fins a un 90% del seu potencial de generació horària, no a causa de la cobertura de núvols, sinó exclusivament a causa dels efectes tèrmics.
Tanmateix, cal tenir en compte que la temperatura rarament és l'únic factor implicat. La calor juga un paper agreujant quan ja existeixen altres problemes. Els mòduls bruts, l'ombra parcial, els creixements de plantes i qualsevol part danyada dels mòduls esdevenen especialment importants en condicions d'alta irradiació i temperatura. L'exemple típic pot ser el fenomen del "punt calent", quan el mòdul ombrejat o danyat consumeix energia en lloc de generar-la, i per tant la temperatura en el lloc donat augmenta. A més, els inversors fotovoltaics són dispositius electrònics amb un rang de funcionament limitat. Així, quan augmenta la temperatura ambient, es redueix el grau d'eficiència de la refrigeració de l'inversor, la qual cosa provoca un sobreescalfament a l'interior de l'inversor i que pot provocar una disminució o fins i tot l'aturada-del sistema, agreujant així l'envelliment del mòdul i reduint l'eficiència de la central solar en general.
Bateries sota el foc: el doble cop de calor
Per a les bateries d'ions de liti, la calor és encara més problemàtica. Aquests sistemes electroquímics es degraden a través de dos mecanismes principals: l'envelliment del calendari (depenent del temps-, independentment de l'ús) i l'envelliment cíclic (càrrega-descàrrega induïda). Tots dos estan fortament influenciats per la temperatura, l'estat de càrrega (SoC), la profunditat de descàrrega i les taxes de càrrega/descàrrega.
La investigació demostra constantment que la temperatura alta, combinada amb un alt SoC i un cicle profund, accelera l'esvaïment de la capacitat de manera espectacular. En aplicacions acoblades a FV, les bateries sovint es carreguen ràpidament durant els pics solars del migdia, després es mantenen a un SoC alt durant diverses hores mentre les temperatures ambientals es mantenen elevades. Aquest patró de funcionament-càrrega ràpida seguida d'un remull prolongat d'alt SoC en calor-és especialment perjudicial. Per cada augment de 10 graus de la temperatura mitjana de funcionament, la taxa d'envelliment del calendari es pot duplicar aproximadament, segons el comportament de tipus Arrhenius observat en moltes químiques d'ions de liti.
A més dels problemes de rendiment intern, un altre factor crític és la seguretat. Les bateries d'ions de liti-poden trobar una sèrie de problemes, com ara sobrecàrregues o danys a causa de la força mecànica o dels curts dins dels seus components. Com a resultat, la temperatura de la font augmenta fins i per sobre dels 130 graus; aquesta puntada-inicia la sèrie de reaccions dins de la bateria, inclosa la descomposició del SEI i l'evaporació de l'electròlit. Si la temperatura continua augmentant, la cèl·lula pot augmentar la seva temperatura superficial fins als 1200 graus i per sobre i alliberar gas inflamable a temperatures superiors als 600 graus. Per a les grans bateries àmpliament utilitzades avui en dia en solucions industrials, la temperatura durant la fuga pot arribar a nivells superiors als 800 graus.
Els sistemes de gestió tèrmica-refrigeració per aire, refrigeració líquida i materials de canvi de fase-han de treballar més en condicions de calor, consumint energia parasitària i reduint l'eficiència global del sistema. Quan la temperatura d'una cel·la, bastidor o un altre contenidor s'acosta a certs límits, el sistema de gestió de la bateria (BMS) reduirà automàticament la sortida i restringirà la funcionalitat. Tot i que els sistemes d'emmagatzematge d'energia de la bateria (BESS) actuals contenen sensors de seguretat, sistemes d'extinció d'incendis i sistemes de refrigeració, encara hi ha riscos de fuga tèrmica, ja que els defectes en la producció de cèl·lules individuals poden romandre sense detectar fins que estiguin exposats a temperatures extremes. Per tant, és crucial dissenyar aquests sistemes de manera que evitin l'escalada de fallades, identificar els problemes que poden provocar gasos-desactivats i evitar que els incidents locals es converteixin en desastres.
Reptes a nivell de sistema: el tango d'emmagatzematge fotovoltaic
A les plantes híbrides solars més emmagatzematge, els efectes tèrmics convergeixen i interactuen. La matriu fotovoltaica produeix la màxima energia durant la irradiació màxima, però perd una part a causa de la calor. El sistema d'emmagatzematge, encarregat d'absorbir l'energia excedentària del migdia, pateix simultàniament el major estrès de càrrega a les hores de més calor. Això crea una paradoxa operativa: des d'una perspectiva d'optimització de la xarxa, té sentit carregar completament la bateria durant el migdia i mantenir-la a un SoC alt per a la descàrrega màxima de la tarda; tanmateix, des d'una perspectiva de longevitat i seguretat, aquesta mateixa estratègia accelera la degradació i augmenta el risc tèrmic.
Per tant, es pot dir que no hi ha un "millor" mode operatiu universal. Cal equilibrar els possibles ingressos del comerç d'energia, optimitzant l'autoconsum-, la resposta de freqüència pel que fa a la pèrdua d'eficiència, l'energia de refrigeració, el desgast accelerat de les bateries i el major risc d'aturades no planificades. S'estan desenvolupant sistemes moderns de gestió d'energia (EMS) per gestionar aquesta complexitat-Els sistemes EMS controlen les temperatures dels mòduls i les cèl·lules, les previsions meteorològiques, els preus del mercat i els senyals de la xarxa i generen estratègies operatives adequades. Per exemple, congelar la bateria a la nit, controlar la velocitat de càrrega durant la calor o fins i tot limitar deliberadament la producció d'electricitat també es pot justificar econòmicament.
Conclusió: enginyeria de resiliència per a un futur més calent
La calor intensa és ara un fenomen comú més que una excepció; s'està convertint en una prova habitual per a la tecnologia d'energies renovables. Superar amb èxit la prova requereix pensar-a través de tot el sistema i no només seleccionar mòduls amb un coeficient de temperatura millorat o instal·lar dispositius de refrigeració més grans. En comptes d'això, cal un disseny tèrmic efectiu, un modelatge específic del lloc-(tenint en compte el microclima i la ventilació), un manteniment adequat (incloent inspeccions d'infrarojos i utilitzant l'anàlisi de dades-en temps real) i decisions operatives intel·ligents que s'han de prendre equilibrant els beneficis financers a curt-i-la salut a llarg termini de l'actiu.
Amb l'acceleració de la transició energètica i el desenvolupament de més capacitat solar i d'emmagatzematge a les zones càlides, seques i tropicals, la capacitat d'entendre i fer front a l'estrès tèrmic serà essencial per a tots els desenvolupadors, operadors i inversors. Per fer front a la calor, l'hem de tractar no com una idea posterior, sinó com un paràmetre de disseny bàsic des del principi del projecte.
