باتری لیتیوم-یون در سیستم‌های خورشیدی: مزایا و بررسی جامع

زمان مطالعه: حدود ۸ دقیقه

ب باتری‌های لیتیوم-یون (به‌ویژه لیتیوم-آهن‌فسفات) در سیستم‌های خورشیدی کاربرد فراوانی یافته‌اند، زیرا عمر طولانی، نگهداری کم و ابعاد فشرده دارند[1]. بسیاری از این باتری‌ها دارای ضمانت حداقل ۱۰ سال یا حدود ۱۰٬۰۰۰ چرخه شارژ هستند[2].

عملکرد و بازدهی

عمق دشارژ بالا (DoD): باتری‌های لیتیوم-یون می‌توانند حدود ۹۵٪ از ظرفیت خود را دشارژ کنند[3]؛ به این معنی که بخش عمده‌ی انرژی ذخیره‌شده در آنها قابل استفاده است. برخلاف باتری‌های اسید-سرب که اغلب DoD حدود ۵۰٪ دارند، این ظرفیت بالاتر کارایی بهتری ایجاد می‌کند.
راندمان شارژ/دشارژ بالا: بازده گردش انرژی (نسبت توان خروجی به ورودی) در این باتری‌ها معمولاً بین ۹۰ تا ۹۵ درصد است[4]، یعنی تلفات بسیار کمی در طی شارژ و دشارژ رخ می‌دهد. به‌همین دلیل، انرژی اضافه تولیدشده از پنل‌های خورشیدی را می‌توان تقریباً بدون اتلاف ذخیره کرد.
چگالی انرژی زیاد: نسبت ظرفیت ذخیره به حجم و وزن بالایی دارند[5]؛ بنابراین این باتری‌ها فضای کمتری اشغال می‌کنند. برای مثال، سیستم‌های لیتیومی می‌توانند انرژی بیشتری را در ابعاد کوچکتر نسبت به باتری‌های معمولی اسید-سربی ذخیره کنند.
افت ولتاژ کم: باتری‌های لیتیوم-یون در طول دشارژ ولتاژ ثابتی دارند و افت ولتاژ‌شان نسبت به باتری‌های دیگر کمتر است. این ویژگی، عملکرد پایدار و یکنواختی را تضمین می‌کند.
عملکرد در دماهای مختلف: اکثر باتری‌های لیتیوم-یون می‌توانند در محدوده دمایی وسیعی (مثلاً -۱۰ تا +۵۰ درجه سلسیوس) کار کنند. با این حال، دمای بالا می‌تواند عمر مفید آنها را کاهش دهد؛ بنابراین استفاده از سیستم‌های مدیریت حرارتی توصیه می‌شود.

طول عمر و دوام

گارانتی و عمر: بسیاری از باتری‌های خورشیدی لیتیوم-یون ضمانت حداقل ۱۰ سال یا حدود ۱۰٬۰۰۰ چرخه دارند[2]، در حالی که باتری‌های اسید-سرب معمولاً ۳ تا ۵ سال گارانتی می‌شوند. این موضوع نشان می‌دهد که سازندگان به طول عمر بالای محصولات لیتیومی خود اطمینان دارند.
اثر عمق دشارژ: هرچه باتری را کمتر دشارژ کنیم، عمر چرخه آن افزایش می‌یابد. در دشارژ کامل (۱۰۰٪ DoD)، باتری‌های LFP حدود ۶۰۰ چرخه و نوع NMC حدود ۳۰۰ چرخه دوام می‌آورند[6]. با کاهش عمق دشارژ، این اعداد به‌شدت افزایش می‌یابند (مثلاً در DoD=۱۰٪، باتری LFP تا حدود ۱۵٬۰۰۰ چرخه می‌تواند کار کند[7]).
تاثیر دما: سیکل‌های مکرر شارژ/دشارژ و دمای بالا مهم‌ترین عوامل کاهش عمر باتری هستند[8]. به عبارتی حرارت زیاد در حین استفاده یا شارژ سریع می‌تواند به تدریج ظرفیت باتری را کاهش دهد. بنابراین خنک‌سازی مناسب و پرهیز از شارژ در دمای بالا عمر مفید آن را افزایش می‌دهد.
اثر حافظه: باتری‌های لیتیوم-یون اثر حافظه ندارند و نیاز به سیکل‌های تخلیه/شارژ کامل دوره‌ای برای کالیبراسیون ندارند[9]. این یعنی حتی در شارژهای جزئی مکرر، عمر باتری به‌طور چشمگیری افت نمی‌کند.
دوام بیشتر LFP: باتری‌های لیتیوم-آهن‌فسفات (LiFePO4) به دلیل ثبات شیمیایی بالاتر، چرخه عمر بیشتری نسبت به سایر انواع دارند[10]. این دسته از باتری‌ها طی سال‌ها استفاده نسبت به انواع دیگر کمترین افت ظرفیت را نشان می‌دهند.

هزینه و سرمایه‌گذاری

ه هزینه‌ی خرید و نصب باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً بالاست. قیمت متوسط ذخیره انرژی خورشیدی خانگی لیتیوم-یون تقریباً ۸۰۰ تا ۱۳۵۰ دلار به ازای هر کیلووات‌ساعت برآورد شده که نسبت به باتری‌های اسید-سربی قدیمی (۵۰۰ تا ۱۰۰۰ دلار) بیشتر است[11]. با این حال، به دلیل عمر چرخه بالاتر و بازدهی بیشتر، هزینه‌ی موثر هر چرخه ذخیره‌سازی این باتری‌ها به‌طور قابل توجهی پایین‌تر است. علاوه بر این، مشوق‌های دولتی (مثلاً معافیت مالیاتی حدود ۳۰٪ هزینه‌های نصب) می‌توانند هزینه‌ی اولیه را کاهش دهند[12]. بنابراین، با توجه به عمر طولانی‌تر و تعداد چرخه‌های بیشتر، هزینه‌ی نهایی ذخیره انرژی در باتری‌های لیتیوم-یون به ازای هر چرخه کمتر است.

کیفیت و ایمنی

نگهداری کم: باتری‌های لیتیوم-یون به ندرت نیاز به شارژ تثبیت‌کننده یا سرویس دوره‌ای دارند[13]. در مقایسه با باتری‌های اسید-سرب، نگهداری آنها بسیار ساده‌تر است.
ایمنی: نوع LiFePO4 به دلیل پایداری شیمیایی بالاتر، در برابر آتش‌سوزی و انفجار مقاوم‌تر است. با این حال، در شرایط حرارتی شدید خطر دشارژ حرارتی (آتش‌سوزی ناگهانی) وجود دارد[14]. خوشبختانه سیستم‌های مدرن ذخیره‌سازی با استفاده از مدیریت باتری (BMS) و خنک‌کننده، این خطر را به حداقل می‌رسانند[10].

بهترین برندها و محصولات

ب بازار باتری‌های خورشیدی خانگی شامل برندهای معتبری مانند Tesla، LG Chem، پاناسونیک، BYD و Sonnen است[15]. این شرکت‌ها طیف گسترده‌ای از محصولات را ارائه می‌دهند که هر کدام نقاط قوت خاص خود را دارند. BYD (چین): یکی از پیشگامان چینی در ذخیره‌سازی انرژی است. محصولات BYD با راندمان بالا و دوام بسیار زیاد شناخته می‌شوند. سیستم‌های این شرکت تا ۶۰۰۰ چرخه شارژ (حدود ۱۶ سال شارژ روزانه) را تحمل می‌کنند[16]. سونن (آلمان): یک شرکت آلمانی در ذخیره‌سازی انرژی خانگی است. محصولات سونن معمولاً حداقل ۱۰٬۰۰۰ چرخه شارژ و ۱۰ سال گارانتی دارند[17]. این شرکت به خاطر کیفیت ساخت بالا و راهکارهای یکپارچه ذخیره انرژی معروف است. – Tesla Powerwall: باتری خانگی آمریکایی با سلول‌های ۲۱۷۰۰ (ساخت مشترک تسلا/پاناسونیک) با راندمان حدود ۹۰٪ و قابلیت دشارژ کامل روزانه (۱۰۰٪ DoD) تا ۱۰ سال[18]. – LG Chem RESU: خانواده‌ای از باتری‌های خانگی ساخت کره‌جنوبی با ظرفیت ۳.۳ تا ۱۵ کیلووات‌ساعت[19]. – پاناسونیک EverVolt: سیستم‌های خانگی (ژاپن/آمریکا) با حدود ۹ کیلووات‌ساعت ظرفیت و گارانتی ۱۲ ساله[20]. – سایر برندها: SimpliPhi (آمریکا)، PylonTech (چین) و BSLBATT (چین) از تولیدکنندگان مهم دیگر هستند.

نتیجه‌گیری

ب باتری‌های لیتیوم-یون با عمر طولانی، بازده بالا و نیاز نگهداری اندک، انتخاب بسیار مناسبی برای ذخیره انرژی خورشیدی هستند. اگرچه هزینه اولیه آنها بالاست، اما دوام طولانی و بازده بالای این باتری‌ها معمولاً هزینه‌ی کلی را توجیه می‌کند. با پیشرفت فناوری و افزایش تولید، انتظار می‌رود قیمت این باتری‌ها در آینده کاهش یابد و استفاده از آنها برای عموم مردم گسترده‌تر شود.