目前绝大多数储能电站都采用锂离子电池为储能部件,所以首先需要模拟并构建锂离子电池在储能系统中的工作特性和产生热失控的条件,进而研究锂离子电池热失控特性,获取可以用于火灾预警探测的参数信息。
随着新能源技术的快速发展,电化学储能系统作为支撑可再生能源大规模接入和应用的关键技术,正日益受到广泛关注。然而,储能系统的安全问题一直是制约其发展的重要因素之一。储能锂电池舱密度高、空间狭小,热管理一旦失控,危害性大,甚至有爆炸风险。为了维护储能站生产、运营以及人员的安全,预防和控制火灾的各种措施的保障和实施尤为重要。
目前国内关于电池舱的消防设计没有明确的依据,主要参考以下几个规范《电化学储能电站设计规范化学储能》(GB51048-2014)、《电力设备典型消防规程》(DL5027-2015)、《小型电化学储能电站消防安全技术要求》(T/CSAE88-2018)。
锂离子电池热失控特征
可燃气体的泄漏以及化学反应一直伴随着电池热失控的整个过程。储能系统中的电池所处的环境,在正常情况下都相对稳定,但是一旦电池产生热失控,储能系统中温度、气体、光强等参数一定会产生异常。
电池舱火灾特点及形势
储能电池舱内锂离子电池若处于过热、过充、短路等情况发生时,电池内部会因热量积聚而发生热失控,从而引起火灾甚至发生爆炸事故。通常单个电池模组发生,若得不到有效控制,则极易引发火灾,继而在电池模块间、电池柜间甚至是整个储能电池舱之间传播蔓延,且锂离子电池在自燃同时会释放氧气,从而出现复燃现象,造成大规模的火灾甚至爆炸。
在火灾探测方面,沃特华采用了全新一代复合型VEWFD超早期烟雾预警系统,为汽车新能源锂电池制造、生产、存储及储能电站等场所提供超早期火灾预警;沃特华复合型VEWFD超早期烟雾预警系统采用双光源多气体传感器复合型探测技术及基于WTH EFD SYSTEM 2.0强大后台管理系统;VEWFD超早期烟雾预警系统集成:湿度传感器、温感传感器、CO、H2、有毒有害气体传感技术,实现对锂电池及储能仓内部温度和一氧化碳等关键指标的实时监测。现场VEWFD超早期烟雾预警探测器通过4G、WiFi或485通讯方式连接至监控中心,确保信息的实时传输和处理。通过综合算法进行判断,实现对整个电池热失控火灾风险的全面监控。
热失控初期:可以根据电量和温度变化初步判断电池开始出现热失控迹象。
热失控早期:该阶段电池电极温度明显变化,而且已经有热解气体释放。合理设置电池表面温度探测器和气体探测器均能有效探测电池热失控特征,及时采取处置措施。该阶段是VEWFD超早期烟雾预警探测器对锂电池热失控进行热失控探测预警的佳阶段。
热失控中期:电池表面温度明显升高,泄压阀打开,同时热解出含有大量可燃性气体的气溶胶。在这一阶段VEWFD超早期烟雾预警探测器是对温度进行探测还是对热解气体探测。
热失控后期:即进入了完全的失控状态,一旦进入该阶段,大量的浓烟产生,部分电池也会产生火焰、轰燃。应该说灾害已经发生,需要考虑的就只剩下如何防止灾害扩大了。
VEWFD超早期烟雾预警系统在时间发现隐患。即在锂离子电池热失控初期或早期阶段完成隐患预警探测。
根据锂离子电池热失控各阶段可探测特征,对电极温度或电池热解出的微量气体进行探测,并设置合适的报警设定值,均可在电池热失控早期发现锂离子电池热失控隐患,VEWFD超早期烟雾预警系统需要采集所有电池的电极温度,因此需要合适的温度传感器。对热解出的微量气体探测,则需要灵敏度较高且可靠性高的气体传感器,同时对气体探测器的设置也有较高要求。
VEWFD超早期烟雾预警系统对锂离子电池表面温度进行探测,并设置合适的报警条件,可以在热失控早期偏后阶段完成对锂离子电池热失控隐患探测,并在发出报警信号后为应急处置提供足够的应急处置时间。比对热失控中期气体探测报警时间提前很多,适用于对所有类型的锂离子电池热失控隐患预警探测。
随着温度和压力升高,电池在其泄压阀打开后直接进入了热失控中期阶段,此时大量的气体伴随着热气流经泄压口涌出。VEWFD超早期烟雾预警系统采用气体探测器对热解出来的各类气体进行探测,并设置合适的报警设定值实现对锂离子电池热失控火灾预警探测。
VEWFD超早期烟雾预警系统确定了合适的火灾隐患报警设定值,且某些原理和规格的锂离子电池热失控发展相对较缓、热失控中期持续时间较长,同时部分类型的锂离子电池在报警联动断电后具有延缓或终止热失控进程特性,也能保证火灾自动报警系统发出火灾隐患预警信号后,应急处置人员有充足的时间排除隐患。
由于不同原理的锂离子电池的热失控特性和相同原理、不同规格的锂离子电池的热失控特性差异都非常大,甚至相同原理、相同规格而不同生产企业的锂离子电池的热失控特性也有很大差别,同时由于电池组制冷方式不同也导致锂离子电池热失控释放出的热解粒子分布差异很大,所以真正做好消防系统对储能系统安全运行保障防护前,必须先获取该储能系统选用的锂离子电池特性和电池组安装方式特性。