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美国 Fireaway Inc.:关于电池储能防火需要了解的内容

特普生科技 特普生科技 2023-07-02 12 254

本文来源于可再生能源杂志,目的在了解关于电池储能防火需要了解的内容。鸣谢自主研制NTC芯片的特普生储能CCS集成温度采集母排,对本文的大力支持,感谢特普生海外技术翻译官林博女士!

能量存储系统 (ESS)

顾名思义,即存储能量以供以后使用的系统。ESS 有多种形式和尺寸。例如,许多公用事业公司使用抽水蓄能水电 (PSH) 来储存能量。在这些系统中,多余的可用能量用于在需求低的时候将水泵入水库。当能源需求增加时,水从水库中排出并驱动涡轮机发电。

PSH 系统虽然是一种有效的能量储存方法,但在后勤方面很复杂且基础设施密集。因此,它们通常仅用于公用事业级安装。尽管 PSH 目前占据了 95% 的储能份额,但公用事业公司正在加大对电池储能系统 (BESS) 的投资。

这些电池储能系统通常采用大规模锂离子电池装置来短期储存能量。这些系统在能源生产低和/或需求高的时期上线。其目的是提高电网的可靠性并减少对其他严厉措施(例如轮流停电)的需求。

用于商业和住宅应用的 BESS 代表了 ESS 社区中规模虽小但增长迅速的部分。越来越多使用可再生能源发电机(例如太阳能电池板和风力涡轮机)的家庭和企业也将锂离子电池储能系统纳入其安装中。这允许在能源生产过剩时储存电力,并且比将电力出售给电网然后以更高的价格买回更有价值。它还可以在停电时充当备用电源。

据估计,就BESS而言,锂离子电池在全球拥有90%的市场份额。制造业的应用研究和经济规模导致其安装的财务支出减少。由于 BESS 的应用潜力以及传统使用模式的预期增长,预计 BESS 的市场份额将呈指数级增长。

电池储能系统是什么样的?

锂离子 BESS 无处不在。毫无疑问,你(间接地)拥有一个或多个——在你的手机、你的笔记本电脑中,如果你拥有一辆电动汽车,BESS也是毕不了少。如此广泛使用的原因是它们能够在小而轻的封装中提供高能量密度。对于商业级安装,电池通常固定在运输集装箱内的架子上或定制的设备中(如其打算供电的设施外部的结构),或者安装在内部专门设计的地方。

每个电池都包含一个正极和一个负极,并有一个分隔器将两者分开。电池内还包含离子传导电解质。电解质是可燃或易燃液体,由有机溶剂中的锂盐组成。

电池储能系统有哪些风险/危害?

在处理任何形式的能源及其存储时,总是存在一定程度的风险以及相关的危险。对于 PSH,存在安全壳失败而导致瀑布流过周围区域的危险的风险。

BESS 在小面积内产生大量能量。这种设计虽然有效,但也产生了必须加以管理的风险。大能量+小空间=潜在问题。虽然大多数 BESS 运行时不会遇到任何不幸事件,但必须考虑并解决一个或多个电池发生故障的风险。

BESS 的主要风险是电池包损坏或系统因内部故障或外部暴露而过热。如果风险情景成为现实,就会直接照成严重的危害。通常表现为释放有毒和/或易燃气体,这通常会导致可能的火灾和潜在的爆炸。当在任何系统中识别出风险和危害时,所有者或运营商有责任采取措施将其最小化。

如何管理电池储能系统的风险?

幸运的是,BESS 的所有者和运营商有管理这些风险的指南。锂离子电池系统的日益普及和使用已经产生了管理其使用的标准。第一个此类标准是 2014 年发布的 UL®[  1] 标准 9540。

2017 年,UL 发布了题为 Standard for Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems 的标准 9540A。在 UL 的带领下,NFPA ®[2] 推出了 2020 版 NFPA 855:Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems ®。

在深入研究具体的风险管理策略之前,有必要了解 BESS 的故障模型。

·第 1 阶段电池因机械损坏、内部或外部热事件或电气故障而受到损害。

·第 2 阶段电池中产生并释放少量气体(通常是氢气),同时释放热量;这被称为“放气”。

·第 3 阶段随着热量水平的增加,牢房开始冒烟。烟雾的存在表明即将发生灾难性事件,其中可能的结果是着火和热失控。

·第四阶段火灾随之发生,相邻电池可能会发生连锁反应故障,并可能发生爆炸。

热失控 被定义为电池内部热量上升速度远远快于消散速度的情况。这导致能量快速释放,点燃废气相中存在的易燃蒸气。相邻的电池受到火灾的不利影响,进而以类似的方式失效。这可能会导致多米诺骨牌效应,其中一个又一个的细胞失效并着火,通常会带来灾难性的后果。

第一道防线是电池管理系统。BMS的目的是监测电池的充电情况以及充电和放电阶段的温度。一旦检测到温度超过安全范围,BMS 可能会关闭电源以防止内部电池温度持续升高。

BMS 通常会添加一个设备来补充,该设备旨在监控外壳是否存在在排气阶段释放的易燃或有毒蒸气。这些设备的响应时间非常快,即≤ 5 秒。检测到后,会向 BMS 发送信号以切断电池的电源。还可以启动通风系统以从 BESS 外壳中排出易燃蒸气。

如果发生火灾,会发生什么情况?如何处理?

涉及 BESS 的火灾是有问题的,出于多种原因:

· 热失控导致火灾不断升级。

· 电池中阴极的消耗被认为会自行产生氧气。

· 热失控事件是放热的,释放的热量使得冷却熄灭变得困难。

多种燃料可供消耗:

· A类:电线包覆层、高分子部件等。

· B类:电解质、溶剂、易燃气体

· C类:未燃烧电池的电量/剩余电压

· D类:阴极中的可燃金属(瞬时事件)

- 单元格的设计必然会导致深层、难以触及的火灾。

鉴于锂离子 BESS 的特殊危险性,需要特殊的灭火系统。传统的灭火系统通常无效或效率低下。以自动喷水灭火系统为例。虽然测试表明它们可以有效扑灭锂离子电池火灾,但使用它们仍然存在缺点。

在电子设备上喷水可能会导致电气故障(例如 BESS 中的短路)。此外,还可能损坏周围未燃烧的电池。电池的机架安装通常会阻碍水到达火处。人们担心在抑制活动期间使用大量的水可能会渗透到地下水中,从而对环境造成影响。这些水必须通过水处理设施进行容纳和处理。

最后,许多 BESS 位于供水有限或无法供水的偏远地区。幸运的是,BESS 灭火有一个很好的选择。冷凝气溶胶装置是一项经过验证的技术,可用且易于安装。NFPA 2010:固定式气溶胶灭火系统标准® 涉及冷凝气溶胶系统的使用和安装。

用于 BESS 的冷凝气溶胶装置充当全淹没系统,是 A 类(表面)、B 类和 C 类火灾的上市灭火剂。冷凝气溶胶装置的一个显着特征是它们是独立的并且不需要管道。仅此一项功能就将它们与许多其他系统区分开来,这些系统可能需要大量管道、供水、泄压装置或容纳灭火系统的专用外壳。

冷凝气溶胶装置的其他功能包括:

· 轻松改造现有装置

· 低维护

· 比其他类型的已安装系统更具成本效益

· 无环境影响

冷凝气溶胶火焰抑制装置可以通过两种不同的方法激活:

1. 它们连接到烟雾探测系统。一旦烟雾探测器感应到烟雾,它就会发出一个信号,使装置放电。

2. 冷凝气溶胶装置本身可以指定内置热检测/激活装置。由于它们安装在容器的顶部,它们可以快速检测到规定激活水平的热量并排放其内容物。

激活后,冷凝气溶胶装置会释放出高度电离的钾灭火颗粒的超细悬浮液。这些颗粒与燃烧产生的自由基结合。这会中断火灾的反应路径,从而实现灭火。在 BESS 中,颗粒在空气中保持悬浮长达 20 分钟,以防止再次闪蒸。

复燃是一种必须认识到的危险

由于 BESS 火灾的深层性质以及灭火后易燃蒸气和热量留在容器中的事实,打开外壳时必须小心。这种危险在 2019 年亚利桑那州消防员对 BESS 火灾事件做出反应时得到了戏剧性的体现。打开外壳后,氧气进入,发生爆炸。七名消防员受伤,一人死亡。

为防止类似情况发生,建议在打开外壳之前先冷却内部。一种经济高效的方法是在外壳内安装干式喷水灭火系统。“干管”表示没有专用供水;该系统由消防设备供水。

使用干式管道系统仅允许排放冷却所需的水,而标准喷水灭火系统将连续流水,直到响应人员将其关闭。因此,干式管道系统可防止对未燃烧的电池造成不必要的水损坏。

电池储能系统是能源管理和存储的必要应用。毫无疑问,它们将在未来变得更加普遍。随着 BESS 数量的增加,安装中发生火灾或爆炸的可能性也会增加。鉴于 BESS 火灾的猛烈和危险性质,认识到并采取必要措施来减轻相关风险和危害至关重要。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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