همه چیز درباره‌ی باتری لیتیوم خورشیدی عملکرد + مزایا + عمرمفید

در دنیای امروز که انرژی‌های تجدیدپذیر نقشی کلیدی در تامین نیازهای ما ایفا می‌کنند، باتری‌ها به عنوان قلب تپنده این سیستم‌ها عمل می‌کنند. از تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها گرفته تا خودروهای الکتریکی و مهم‌تر از همه، سیستم‌های ذخیره انرژی خورشیدی…
باتری‌ لیتیوم خورشیدی رایج‌ترین نوع باتری‌ برای استفاده در سیستم برق خورشیدی است که به دلیل کارایی و عملکرد فوق‌العاده خود، جایگاه ویژه‌ای یافته‌ است.

در آریاخورشید، ما به عنوان پیشگامان در حوزه مهندسی انرژی خورشیدی و سیستم‌های امنیتی، به خوبی از اهمیت انتخاب و نگهداری صحیح باتری مناسب برای تضمین حداکثر بهره‌وری و طول عمر سیستم‌های شما آگاهیم. این مقاله به طور جامع به بررسی تمام جنبه‌های باتری‌های لیتیوم، از نحوه عملکرد گرفته تا روش‌های بهینه‌سازی عمر مفید آن‌ها، خواهد پرداخت.

نحوه عملکرد باتری لیتیوم خورشیدی

باتری‌ها را می‌توان به عنوان دستگاه‌هایی توصیف کرد که برای ذخیره انرژی الکتروشیمیایی استفاده می‌شوند و می‌توانند پس از استفاده به انرژی الکتریکی تبدیل شوند. باتری‌ها معمولاً از یک آند (که به عنوان ترمینال منفی نیز شناخته می‌شود) ، کاتد (که به عنوان ترمینال مثبت نیز شناخته می‌شود) و الکترولیت (کانال) در آن، تشکیل شده‌اند. یون‌ها در مجاورت الکترولیت از کاتد به آند حرکت می‌کنند تا جریان الکتریکی (برق) تولید کنند.

باتری‌ لیتیوم خورشیدی، که غالباً باتری‌های یون لیتیوم (Lithium-ion batteries) نامیده می‌شوند، بر پایه اصول الکتروشیمیایی برای ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی عمل می‌کنند. قلب این فرآیند، حرکت یون‌های لیتیوم (Li⁺) بین دو الکترود اصلی باتری است: الکترود مثبت (کاتد) و الکترود منفی (آند). باتری‌های لیتیوم با شارژ مواد ذخیره‌کننده انرژی، مانند گرافیت یا اکسید کبالت لیتیوم، انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کنند.

برای آشنایی با انواع باتری خورشیدی کلیک کنید.

فرآیند شارژ (Charge Process) باتری لیتیوم خورشیدی

هنگامی که باتری در حال شارژ شدن است، یک منبع انرژی خارجی (مانند شارژر یا پنل خورشیدی) ولتاژی را به باتری اعمال می‌کند. این ولتاژ باعث می‌شود تا یون‌های لیتیوم از الکترود مثبت (کاتد) جدا شده و از طریق یک الکترولیت (معمولاً یک حلال آلی حاوی نمک لیتیوم) به سمت الکترود منفی (آند) حرکت کنند.

در آند، یون‌های لیتیوم در ساختار ماده فعال آن (معمولاً کربن، مانند گرافیت) جای می‌گیرند. در این حین، الکترون‌ها از طریق مدار خارجی از کاتد به آند جریان می‌یابند و باعث ذخیره انرژی الکتریکی در باتری می‌شوند.

فرآیند دشارژ (Discharge Process) باتری لیتیوم خورشیدی

در زمان دشارژ، که باتری در حال تامین انرژی برای یک دستگاه است، فرآیند معکوس رخ می‌دهد. یون‌های لیتیوم از آند خارج شده و از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می‌کنند. همزمان، الکترون‌ها از آند از طریق مدار خارجی به سمت کاتد جریان می‌یابند.

این جریان الکترون‌ها، همان جریان الکتریکی است که دستگاه را تغذیه می‌کند. در کاتد، یون‌های لیتیوم دوباره با ساختار ماده فعال آن ترکیب می‌شوند. این چرخه مداوم حرکت یون‌های لیتیوم بین دو الکترود، امکان ذخیره و آزادسازی انرژی را فراهم می‌کند.

مزایای باتری لیتیوم خورشیدی

باتری‌های لیتیوم به دلایل متعددی به انتخاب اول بسیاری از صنایع و مصرف‌کنندگان تبدیل شده‌اند و بهترین گزینه برای استفاده در یک نیروگاه برق خورشیدی هیبرید هستند. در اینجا به برخی از مهم‌ترین مزایای آن‌ها اشاره می‌کنیم:

وزن سبک و ابعاد کوچک: برخلاف باتری‌های سنتی، باتری‌ لیتیوم خورشیدی چگالی انرژی بالاتری دارند، به این معنی که می‌توانند انرژی بیشتری را در فضای کمتری ذخیره کنند. باتری‌های لیتیوم در مقایسه با باتری‌های هم‌ظرفیت خود (مانند سرب-اسید)، به طور قابل توجهی سبک‌تر و کوچکتر هستند.

این ویژگی آن‌ها را برای نصب در تجهیزات قابل حمل، سیستم‌های انرژی خورشیدی خانگی با فضای محدود، یا هر سیستمی که کاهش وزن و اشغال فضای کمتر اولویت دارد، ایده‌آل می‌سازد. برای مثال یک باتری لیتیوم خورشیدی 100 آمپر ساعت ممکن است وزنی حدود 10-15 کیلوگرم داشته باشد، در حالی که یک باتری سرب-اسید با ظرفیت مشابه می‌تواند بیش از 30 کیلوگرم وزن داشته باشد.

شارژ سریع: باتری‌های لیتیوم یون قادر به دریافت جریان شارژ بالا هستند. این ویژگی امکان شارژ سریع‌تر را فراهم می‌کند، که برای کاربرانی که به سرعت نیاز به شارژ مجدد باتری خود دارند (مانند در خودروهای الکتریکی یا ابزارهای قابل شارژ)، بسیار ارزشمند است. زمان شارژ می‌تواند بسته به نوع باتری و توان شارژر، از چند ساعت به کمتر از یک ساعت کاهش یابد.

طول عمر بیشتر (چرخه عمر بالا): یک باتری‌ لیتیوم خورشیدی قادر به تحمل تعداد بسیار بیشتری چرخه شارژ و دشارژ نسبت به باتری‌های سنتی است. بسته به نوع شیمی باتری و نحوه استفاده، چرخه عمر مفید باتری‌های لیتیوم می‌تواند بین 4000 تا 6000 چرخه یا حتی بیشتر باشد.

این در مقایسه با باتری‌های سرب-اسید که معمولاً بین 300 تا 1000 چرخه را تحمل می‌کنند، یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود. طول عمر بیشتر به معنای نیاز کمتر به تعویض باتری و در نهایت کاهش هزینه‌های کلی سیستم در بلندمدت است.

نگهداری آسان و بدون نیاز به سرویس دوره‌ای: باتری‌ لیتیوم خورشیدی به طور کلی “نگهداری آزاد” (Maintenance-free) است. برخلاف باتری‌های سرب-اسید که نیاز به بررسی سطح الکترولیت و افزودن آب مقطر دارند، باتری‌های لیتیوم نیازی به این نوع نگهداری ندارند.

این امر هم در زمان و هم از نظر پیچیدگی کار، صرفه‌جویی قابل توجهی را به همراه دارد. همچنین، باتری‌های لیتیوم معمولاً در محفظه‌های کاملاً مهر و موم شده قرار دارند که از نشت مواد شیمیایی جلوگیری می‌کند.

بازده انرژی بالا: باتری‌های لیتیوم راندمان بسیار خوبی در تبدیل انرژی الکتریکی دارند. بازده شارژ و دشارژ آن‌ها معمولاً بالای 90% است در حالی که باتری‌های سرب-اسید معمولاً بین 70% تا 85% هستند. بنابراین در باتری لیتیوم خورشیدی انرژی کمتری در طول فرآیندهای شارژ و دشارژ به صورت گرما تلف می‌شود. این بازده بالا به ویژه در سیستم‌های انرژی خورشیدی که هدف آن حداکثر استفاده از انرژی تولید شده است، بسیار حیاتی است.

عدم اثر حافظه (No Memory Effect): برخلاف برخی فناوری‌های باتری قدیمی‌تر (مانند نیکل-کادمیم)، باتری‌های لیتیوم یون دچار “اثر حافظه” نمی‌شوند. اثر حافظه به پدیده‌ای اطلاق می‌شود که در آن باتری “به خاطر می‌سپارد” که تا چه سطحی شارژ یا دشارژ شده است و در چرخه‌های بعدی، ظرفیت واقعی خود را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. باتری‌ لیتیوم خورشیدی بدون نگرانی از این پدیده، می‌تواند در هر سطحی شارژ و دشارژ شود.

معایب استفاده از باتری‌های لیتیومی

با وجود مزایای آشکار فراوان، باتری‌های لیتیومی برای انرژی خورشیدی دارای معایبی نیز هستند. برای مثال یک باتری‌ لیتیوم خورشیدی حاوی مواد شیمیایی بسیار فرار هستند که این می‌تواند آنها را به فشار، سوراخ شدن و گرما حساس کند. از لحاظ تئوری، آنها می‌توانند در شرایط شدید آتش بگیرند.

با این حال، این حساسیت‌ها در ساخت و نصب در نظر گرفته می‌شوند، بنابراین مشکلات ایمنی باتری‌های لیتیوم-یون در سیستم‌های خورشیدی در عمل بسیار نادر است.

همچنین باتری‌ لیتیوم خورشیدی نسبتاً به راحتی بیش از حد شارژ یا دشارژ می‌شوند، به این معنی که در مقایسه با برخی دیگر از فناوری‌های قابل شارژ، به محافظت‌های بیشتری برای جلوگیری از مشکلات نیاز دارند.
هزینه و قیمت باتری‌های لیتیوم در مقایسه با سایر باتری‌ها می‌تواند بالا به نظر برسد. با این حال، همچنان بازده خوبی از سرمایه‌گذاری را برای اکثر کاربران ایجاد می‌کنند.

عمر باتری لیتیوم خورشیدی

طول عمر باتری‌ لیتیوم خورشیدی به عوامل متعددی بستگی دارد و نمی‌توان یک عدد ثابت برای آن تعیین کرد. با این حال، یک باتری لیتیوم خورشیدی با کیفیت و در شرایط ایده‌آل، می‌تواند بین 10 تا 15 سال عمر مفید داشته باشد. این عمر معمولاً بر اساس تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ (Cycle Life) و همچنین طول عمر تقویمی (Calendar Life) اندازه‌گیری می‌شود.

عوامل کاهش عمر باتری لیتیوم خورشیدی

اگرچه باتری‌های لیتیوم عمر طولانی دارند، اما برخی عوامل می‌توانند به طور قابل توجهی این عمر را کاهش دهند. درک این عوامل برای حفظ سلامت و افزایش طول عمر باتری بسیار مهم است:

دمای بالا: دما یکی از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر عمر باتری است کارکرد یا نگهداری باتری در دماهای بالاتر از 30 درجه سانتی‌گراد (به خصوص دماهای بالای 35-40 درجه سانتی‌گراد) می‌تواند به سرعت باعث تخریب شیمیایی داخلی باتری شود. این تخریب منجر به کاهش ظرفیت، افزایش مقاومت داخلی و در نهایت کاهش طول عمر باتری می‌گردد.

دمای بسیار پایین: دماهای بسیار پایین (زیر 0 درجه سانتی‌گراد) نیز می‌توانند به طور موقت بر عملکرد باتری تاثیر بگذارند و در صورت شارژ در دمای زیر صفر، خطر آسیب دائمی وجود دارد.

تخلیه عمیق: میزان تخلیه باتری در هر چرخه نیز بر طول عمر آن تاثیر می‌گذارد تخلیه کامل باتری (رسیدن به 0% شارژ) فشار زیادی بر مواد شیمیایی داخل باتری وارد می‌کند و عمر آن را کاهش می‌دهد.

شارژ بیش از حد: رها کردن باتری برای مدت طولانی در وضعیت کاملاً شارژ شده (100%) نیز می‌تواند به مرور زمان به آن آسیب برساند.

شارژر نامناسب: استفاده از شارژرهایی که با ولتاژ و جریان نامناسب طراحی شده‌اند، می‌تواند به باتری لیتیوم خورشیدی آسیب جدی وارد کند. هر باتری لیتیوم به یک سیستم مدیریت باتری (BMS) برای کنترل ولتاژ، جریان و دما در حین شارژ و دشارژ نیاز دارد. شارژر باید با BMS باتری سازگار باشد.

شارژ در دمای نامناسب: شارژ باتری در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین (به خصوص زیر 0 درجه سانتی‌گراد) می‌تواند خطرناک باشد و به ساختار داخلی باتری آسیب برساند.

کاربردهای باتری‌های لیتیومی در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر

باتری‌های لیتیومی با امکان ذخیره‌سازی و استفاده کارآمد از منابع انرژی متناوب مانند انرژی خورشیدی و بادی، نقش مهمی در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر ایفا می‌کنند. در اینجا به برخی از کاربردهای کلیدی باتری‌های لیتیومی در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر اشاره می‌کنیم:

1.ذخیره‌سازی انرژی برای سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی: باتری‌ لیتیوم خورشیدی انرژی اضافی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را در دوره‌های تابش شدید نور خورشید ذخیره می‌کند و امکان استفاده از آن را در زمان‌های کمبود نور خورشید یا در شب فراهم می‌کند.

2.تغییر زمان انرژی: باتری‌های لیتیومی امکان تغییر زمان تولید انرژی تجدیدپذیر را فراهم می‌کنند. انرژی اضافی تولید شده در زمان‌های تولید بالای انرژی تجدیدپذیر را می‌توان برای استفاده در دوره‌های تولید کم ذخیره کرد.

3. ادغام ریزشبکه: باتری‌ لیتیوم خورشیدی را می‌توان در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر متصل به شبکه برای ارائه خدمات جانبی مانند تنظیم فرکانس و تثبیت شبکه استفاده کرد. آن‌ها می‌توانند به سرعت به تغییرات در تقاضا و عرضه پاسخ دهند.

4. تثبیت شبکه و تنظیم فرکانس: باتری‌های لیتیومی در سیستم‌های ریزشبکه استفاده می‌شوند که شبکه‌های محلی هستند و می‌توانند به طور مستقل یا همراه با شبکه برق بزرگتر، کار کنند. آن‌ها انرژی تولید شده از منابع تجدیدپذیر را ذخیره می‌کنند تا در هنگام قطع شبکه یا زمانی که منابع تجدیدپذیر تولید نمی‌کنند، برق را تأمین کنند.

5. سیستم‌های خارج از شبکه: در مناطق دورافتاده یا خارج از شبکه که اتصال به یک شبکه متمرکز امکان‌پذیر نیست، باتری‌های لیتیومی همراه با منابع انرژی تجدیدپذیر (مانند خورشیدی یا بادی) منبع انرژی قابل اعتماد و پایداری را فراهم می‌کنند. باتری لیتیوم خورشیدی بهترین نوع باتری برای استفاده در یک پکیج برق خورشیدی و سیستم آفگرید است.

جهت دریافت مشاوره رایگان در زمینه سیستم های برق خورشیدی و خرید انواع محصولات خورشیدی با کارشناسان ما از سایت آریا خورشید، دیدن نمایید.