Utafiti huu unachunguza jinsi hatari ya mlipuko inayosababishwa na gesi zinazoweza kuwaka zinazotolewa wakati wa kutoroka kwa joto ndani ya vifuniko vya mifumo ya kuhifadhi nishati ya betri za lithiamu-ioni (Battery Energy Storage System, BESS) inavyopaswa kutambuliwa na kudhibitiwa. Watafiti walitathmini kwa pamoja data za majaribio ya UL 9540A, paneli za kutoa shinikizo la deflagresheni zinazotegemea NFPA 68, uingizaji na utoaji hewa wa kimitambo unaotegemea NFPA 69, mahesabu ya mkono, miundo ya mienendo ya vimiminika ya kikokotozi na uchambuzi wa visa vilivyochapishwa. Matokeo yanaonyesha kwamba usalama dhidi ya mlipuko hauwezi kusanifiwa kwa kuzingatia kiasi cha jumla cha gesi pekee; kasi ya kutoka kwa gesi, muda wa utolewaji, muundo wa kikemia, mahali pa kuwashwa, jiometria ya kifuniko, vizuizi vya ndani, sehemu ndogo na ucheleweshaji wa kuwashwa kwa mfumo wa usalama vinaweza kubadilisha matokeo kwa kiwango kikubwa.

Katika uchambuzi wa visa wa kiasi, makadirio ya utolewaji wa gesi wa kudumu na wa vipindi kwa mfumo uleule wa betri yalitoa matokeo tofauti. Kwa mfano, katika kifuniko cha mfano cha BESS chenye urefu wa 40 ft, hali ya utolewaji wa kudumu iliweka mkusanyiko wa gesi inayoweza kuwaka katika asilimia 22,2 ya kikomo cha chini cha kuwaka, huku hali ya utolewaji wa vipindi na kwa kiwango cha juu zaidi cha mtiririko ikifikia asilimia 25,3. Katika mahesabu ya utoaji wa shinikizo la deflagresheni, maeneo ya paneli yaliyoonekana kutekelezeka kwa gesi zenye kasi ndogo ya mwako wa lamina yalizidi eneo la paa linaloweza kutumika la kifuniko kwa michanganyiko ya gesi inayowaka kwa kasi zaidi.

Utafiti hauonyeshi kwamba kiwango chochote cha uingizaji na utoaji hewa au ukubwa wowote wa paneli ya kutoa shinikizo unahakikisha usalama katika miundo yote ya BESS. Vikwazo vikuu ni kwamba data muhimu kama kiwango cha mtiririko wa utolewaji wa gesi, ukubwa wa tundu la utolewaji na kasi ya kutoka mara nyingi hazipatikani katika ripoti za UL 9540A; marudio ya majaribio ni machache na data za uthibitishaji mahususi kwa BESS kwa ajili ya miundo ya CFD hazitoshi. Aidha, utafiti huu ni chapisho la awali na haujapitiwa na wataalamu rika.

Swali kuu la utafiti ni lipi?

Swali kuu la utafiti ni ni data zipi zitakazotumiwa kufafanua hatari ya mlipuko na ni mbinu zipi tendaji au tuli zinazoweza kuitia mipaka ikiwa kutoroka kwa joto kunakoanza katika seli ya betri ya lithiamu-ioni kutaunda wingu la gesi inayoweza kuwaka ndani ya kifuniko cha BESS kilichofungwa na kujazwa vifaa kwa msongamano.

Mifumo ya BESS haijumuishi betri pekee. Seli huwekwa ndani ya moduli, moduli ndani ya rafu, na rafu huwekwa ndani ya kifuniko pamoja na mifereji ya kupoza, paneli za umeme, makabati na vifaa vingine. Katika mifumo iliyopozwa kwa hewa, uundaji wa njia za moto na baridi, na katika mifumo iliyopozwa kwa kioevu, matumizi ya mpangilio wenye msongamano zaidi, vinaweza kugawanya ujazo wa ndani katika sehemu. Hatua zinazochukuliwa dhidi ya moto na kuingia kwa maji zinaweza pia kuongeza ugawaji huo. Muundo huu unaweza kuzuia gesi kutawanyika kwa uhuru na kusababisha mikusanyiko mikubwa ya ndani.

Kwa nini kutoroka kwa joto husababisha hatari ya mlipuko?

Kutoroka kwa joto ni kujiongeza kasi kwa miitikio ya kutoa joto ndani ya seli kutokana na uharibifu wa kimitambo, hitilafu ya umeme, joto kupita kiasi, kasoro ya utengenezaji au joto linaloenea kutoka seli nyingine. Kutoroka kwa joto hakuendelei kila mara kwa matokeo yale yale. Seli inaweza kutoa gesi, kurusha mwali, kuwaka, kulipuka au matukio kadhaa kati ya hayo yanaweza kutokea kwa mfuatano.

Hali ya msingi inayotumiwa na utafiti katika uchambuzi wa mlipuko ni gesi ya betri inayoweza kuwaka kutoka bila mwali kutokea mwanzoni. Ikiwa gesi haiwaki mara moja, inaweza kujikusanya katika nafasi iliyofungwa. Baadaye, cheche, uso wenye joto au chanzo kingine cha uwashaji kinapowasha wingu la gesi-hewa, uso wa mwali unaweza kusonga kwa kasi ndani ya mchanganyiko na kusababisha deflagresheni.

Deflagresheni ni tukio la mwako wa haraka ambapo uso wa mwako husonga chini ya kasi ya sauti lakini unaweza kusababisha ongezeko kubwa la shinikizo katika nafasi iliyofungwa. Ukubwa wa uharibifu hautegemei kiasi cha gesi pekee. Kufungwa kwa kifuniko, kubanwa kwa njia ya mtiririko kutokana na rafu za betri na mifereji, mwali kupata mtikisiko karibu na vizuizi, na mchanganyiko kukaribia uwiano wa stoikiometria kunaweza kuongeza shinikizo la ziada.

Gesi ya betri inaweza kuwa na viambato gani?

Gesi inayotolewa na seli za lithiamu-ioni wakati wa kutoroka kwa joto haijumuishi nishatiwaka moja pekee. Mchanganyiko unaweza kuwa na hidrojeni, monoksidi kaboni, hidrokaboni mbalimbali, dioksidi kaboni na viambato vya elektrolaiti vinavyotokana na kabonati vilivyovukizwa. Kwa kuwa viambato visivyoweza kuwaka kama dioksidi kaboni pia hujumuishwa katika mchanganyiko, matokeo ya majaribio ya kawaida ya gesi yenye nishatiwaka moja hayawezi kuhamishwa moja kwa moja kwenye hali za BESS.

Muundo wa gesi hubadilika kulingana na kemia ya betri na muundo wa seli. Seli za nikeli-manganizi-kobalti (NMC), nikeli-kobalti-alumini (NCA) na fosfati ya chuma ya lithiamu (LFP) huenda zisitoe kiasi sawa cha gesi au kwa kasi sawa. Matokeo yaliyoripotiwa katika utafiti yanaonyesha kuwa muda wa utolewaji unaweza kuwa mfupi zaidi katika kemia tete zaidi.

Kikomo cha chini cha kuwaka na asilimia 25 LFL vinamaanisha nini?

Kikomo cha chini cha kuwaka (Lower Flammability Limit, LFL) ni mkusanyiko wa chini kabisa kwa ujazo ambapo mchanganyiko wa gesi-hewa una nishatiwaka ya kutosha kueneza mwali. Ikiwa mkusanyiko uko chini ya LFL, kwa ujumla mchanganyiko huwa na nishatiwaka chache mno kuweza kuwaka. Hata hivyo, katika maeneo yaliyo karibu na sehemu ya kutoka kwa gesi, mkusanyiko unaweza kuwa mkubwa zaidi kuliko mkusanyiko wa wastani wa kifuniko.

Mkabala wa uingizaji na utoaji hewa wa kimitambo unaotegemea NFPA 69 unalenga kuweka mkusanyiko wa jumla wa gesi chini ya asilimia 25 ya LFL. Kwa mfano, ikiwa thamani ya LFL ya gesi ya betri ni asilimia 5,83, asilimia 25 LFL inalingana na takriban asilimia 1,46 ya mkusanyiko wa gesi kwa ujazo. Kizingiti hiki si mpaka mahususi ambapo mlipuko hutokea; ni kigezo cha udhibiti chenye kiwango cha akiba ya usalama.

Majaribio ya UL 9540A yana jukumu gani katika usanifu?

UL 9540A ni mkabala wa majaribio wa hatua kwa hatua unaowezesha kutoroka kwa joto na kuenea kwa moto katika mifumo ya betri kutathminiwa kwa viwango tofauti. Utafiti unaangazia taarifa zinazopatikana kutoka viwango vitatu vya msingi vya majaribio katika usanifu wa udhibiti wa mlipuko.

Kiwango cha seli

Seli moja hulazimishwa kuingia katika kutoroka kwa joto ikiwa katika hali ya chaji ya asilimia 100. Mbinu ya uanzishaji huamuliwa kwanza katika mazingira ya wazi; kisha seli moja hujaribiwa katika chombo cha shinikizo chenye uwiano wa oksijeni kwa ujazo chini ya asilimia 1. Katika kiwango hiki, vigezo kama halijoto ya seli wakati wa kutoa gesi na kutoroka kwa joto, ujazo wa gesi inayozalishwa, muundo wa gesi, LFL, kasi ya mwako wa lamina na shinikizo la juu zaidi la mlipuko vinaweza kupatikana.

Kiwango cha moduli

Katika jaribio la moduli, hutathminiwa ikiwa kutoroka kwa joto kumeenea hadi seli jirani na kiasi gani cha joto kinatoka nje ya moduli. Seli moja au zaidi zilizo katika nafasi ya kihafidhina hulazimishwa kuingia katika kutoroka kwa joto. Kiwango cha utoaji wa joto na uzalishaji wa baadhi ya viambato vya gesi vinaweza kuripotiwa.

Kiwango cha kitengo na usakinishaji

Jaribio la kitengo hutathmini kuenea kwa moto hadi rafu jirani, umbali salama wa utengano, halijoto za rafu na ukuta lengwa, mtiririko wa joto, kuwaka kwa nje na vipande vinavyorushwa. Majaribio katika kiwango cha usakinishaji yanaweza kutoa taarifa kuhusu utendaji wa kiutendaji wa hatua za usalama zilizowekwa.

Kwa nini data za UL 9540A pekee hazitoshi?

Kulingana na utafiti, ingawa ripoti za UL 9540A ni muhimu katika kufafanua hatari, hazitoi moja kwa moja ingizo zote za hesabu ya udhibiti wa mlipuko. Hasa, kiwango cha mtiririko wa gesi kinachobadilika kwa muda, muda wote wa utolewaji, ukubwa wa uwazi wa kutoka katika seli, kasi ya kutoka kwa gesi na muda wa kuenea kati ya seli mara nyingi havijaelezwa wazi katika ripoti.

Ujazo wa gesi ya seli kwa kawaida huamuliwa kutokana na jaribio moja katika chombo cha shinikizo cha lita 82 na mahesabu ya gesi kamilifu. Usanisi wa fasihi ulioripotiwa katika utafiti unaeleza kuwa kwa ujumla takriban lita 500-800 za gesi inayoweza kuwaka zinaweza kuzalishwa kwa kila kilowati-saa. Hata hivyo, masafa haya hayawezi kutumiwa moja kwa moja kama thamani ya usanifu kwa bidhaa mahususi ya betri.

Ingawa UL 9540A inajumuisha majaribio matano katika kiwango cha seli, majaribio manne kati yake hufanywa katika mazingira ya wazi ili kuamua hali ya kuanza kwa kutoroka kwa joto, na jaribio moja tu hufanywa katika chombo cha shinikizo kwa ajili ya kiasi na muundo wa gesi. Kwa hivyo, huenda kusiwe na idadi ya marudio inayotosha kuhesabu utofauti baina ya majaribio katika vigezo muhimu kama ujazo na muundo wa gesi.

Kwa nini kasi na muda wa kutoka kwa gesi ni muhimu?

Kiasi kilekile cha jumla cha gesi kinapotoka kwa vipindi tofauti, hakisababishi hatari ileile ndani ya kifuniko. Ikiwa gesi inatoka kwa muda mfupi sana, mkusanyiko mkubwa wa ndani unaweza kutokea kabla mfumo wa uingizaji na utoaji hewa haujaanza kufanya kazi. Ikiwa gesi inatoka kwa muda mrefu zaidi, uwezekano wa feni kuupunguza mchanganyiko unaweza kuongezeka; hata hivyo, kuongezeka kwa muda wa tukio huongeza mahitaji ya nishati ya akiba na utegemevu wa mfumo.

Katika mifano iliyoripotiwa katika utafiti, imeelezwa kwamba seli ya prismatic ya NMC yenye 94 Ah ilitoa gesi yake ndani ya takriban sekunde 7, huku muda wa jumla wa utolewaji kwa seli ya prismatic ya LFP yenye 27 Ah ukipimwa kuwa sekunde 91. Kasi za kutoka kwa gesi zilizokusanywa kutoka tafiti za majaribio ziko katika masafa ya takriban 1-60 m/s.

Wakati uwazi wa kutoka ni mkubwa, gesi inaweza kuenea kwa kasi ya chini kwa athari ya nguvu ya ueleaji. Uwazi mdogo unaweza kuunda jeti yenye kasi kubwa. Kwa sababu jeti inayosukumwa na momentamu huchanganyika na hewa ndani ya kifuniko kwa namna tofauti, ukubwa na eneo la wingu linaloweza kuwaka hubadilika.

Muda wa kuenea kutoka seli hadi seli unaathirije usanifu?

Muda wa kutoroka kwa joto kuhamia kutoka seli moja hadi nyingine ni mojawapo ya vigezo vya msingi vinavyoamua muda wote wa tukio na kiwango cha muda huo cha mtiririko wa gesi. Utafiti unaeleza kwamba kutumia muda mfupi zaidi wa kuenea ulioonekana kwa seli zote kunaweza kuwa dhana ya kihafidhina inayofupisha muda wa tukio na kuunda hatari kubwa zaidi ya muda huo.

Hata hivyo, hitilafu halisi za seli ni za kinasibu. Seli zote huenda zisiharibike katika kipindi kilekile na kwa namna ileile. Kwa hiyo, badala ya hali moja ya kuenea, uchambuzi wa unyeti unapaswa kufanywa kwa viwango tofauti vya mtiririko wa gesi, ucheleweshaji na idadi za seli zilizoharibika.

Uzuiaji tendaji wa mlipuko unaotegemea NFPA 69 hufanyaje kazi?

Katika mkabala wa NFPA 69, gesi inayoweza kuwaka hugunduliwa kwa vihisi na mfumo wa utoaji hewa wa kimitambo huwashwa kwa lengo la kuweka mkusanyiko wa gesi chini ya asilimia 25 LFL. Hii ni mbinu ya kuzuia mlipuko; lengo ni kuzuia kutokea kwa mazingira yanayoweza kuwaka.

Mafanikio ya mfumo yanategemea mfuatano ufuatao wa matukio kufanya kazi kikamilifu:

1. Gesi ya kutoroka kwa joto lazima ifikie eneo ambalo kihisi kinaweza kuigundua.
2. Kihisi lazima kiitikie kwa unyeti wa kutosha kwa gesi au mchanganyiko sahihi wa gesi.
3. Kizingiti cha ugunduzi na muda wa ucheleweshaji lazima viwe mwafaka.
4. Mfumo wa udhibiti lazima utume amri kwa feni.
5. Feni lazima zifikie kiwango cha mtiririko kinachohitajika.
6. Maingilio ya hewa safi na nafasi za kutolea hewa lazima ziondoe gesi kwa ufanisi.
7. Ikiwa umeme utakatika, lazima kuwe na nishati ya akiba inayofanya kazi kwa muda wa kutosha.

Kiwango cha mtiririko wa utolewaji wa gesi ni mojawapo ya ingizo muhimu zaidi katika upangaji wa ukubwa wa feni; hata hivyo, hakitolewi moja kwa moja katika ripoti za UL 9540A. Kwa hiyo, huenda wabunifu wakalazimika kuunda istilahi ya chanzo kutokana na halijoto za majaribio, mabadiliko ya volti, ujazo wa gesi na tabia ya kuenea.

Je, hatari ya ndani inaweza kutokea wakati mkusanyiko wa jumla ni mdogo?

Ndiyo. Hata ikiwa mkusanyiko wa wastani wa gesi katika kifuniko kizima unabaki chini ya asilimia 25 LFL, kizingiti hiki kinaweza kuzidi ndani ya moduli ya betri, mfereji, njia ya moto-baridi au sehemu ndogo. Katika mfumo wenye urefu wa 53 ft uliochunguzwa katika utafiti, kifuniko cha jumla kilitimiza kigezo cha NFPA 69, huku mikusanyiko ya ndani juu ya asilimia 25 LFL ikihesabiwa katika baadhi ya sehemu za sehemu ndogo iliyoundwa kwa ajili ya kupoza.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba hesabu ya “mazingira yaliyochanganyika vizuri” inayotegemea ujazo wote wa ndani pekee inaweza kupotosha katika jiometria tata za BESS. Maeneo ya vihisi na feni, mifereji ya hewa, rafu, sehemu za ndani za moduli na halijoto ya gesi huathiri usambazaji wa pande tatu.

Ulinzi tuli dhidi ya mlipuko unaotegemea NFPA 68 hufanyaje kazi?

Katika mkabala wa NFPA 68, paneli za kutoa shinikizo la deflagresheni huwekwa kwenye nyuso maalumu za kifuniko. Paneli hizi husanifiwa kufunguka kabla shinikizo la ndani halijafikia uimara wa kimuundo wa kifuniko. Lengo si kuzuia mlipuko, bali kupunguza kuvunjika kwa kifuniko kwa kutoa shinikizo linalotokea kuelekea upande salama.

Vigezo vya msingi vya hesabu ya NFPA 68 vinaelezwa katika utafiti kama ifuatavyo:

• Eneo linalohitajika la kutoa shinikizo (A_v0)
• Shinikizo lililopunguzwa linaloruhusiwa la kifuniko (P_red)
• Jumla ya eneo la uso wa kifuniko (A_s)
• Kasi ya mwako wa lamina ya mchanganyiko wa gesi-hewa (S_u)
• Msongamano wa gesi na sifa nyingine za kitermofizikia
• Jiometria ya kifuniko na mtikisiko unaoundwa na vizuizi vya ndani
• Shinikizo la kufunguka, uzito na eneo la paneli ya kutoa shinikizo
• Eneo la uwashaji na ujazo wa wingu linaloweza kuwaka

Katika utafiti, milinganyo ya NFPA 68 haijaandikwa wazi; vigezo na mipaka ya matumizi imeelezwa. Kwa vifuniko vyenye uimara mdogo, mbinu ambayo thamani ya P_red ni 0,5 bar-g au chini yake hutumiwa. Imeelezwa kwamba uimara wa kawaida wa kontena za ISO zinazotumiwa kwa madhumuni ya BESS unaweza kuwa chini ya 0,3 bar-g, na kwamba milango mikubwa na nafasi zilizo wazi zinaweza kupunguza uimara huu zaidi.

Je, paneli ya deflagresheni inatosha katika kila hali?

Hapana. Msingi wa kijaribio wa NFPA 68 unategemea kwa kiasi kikubwa majaribio ya usalama wa michakato. Vifuniko vinavyotumiwa katika majaribio haya vinaweza kuwa tofauti na kontena za kisasa za BESS zilizojaa rafu kubwa za betri. Ingawa majaribio kwa kawaida hufanywa kwa gesi moja inayoweza kuwaka, gesi ya betri ina viambato vingi vinavyoweza na visivyoweza kuwaka.

Mahesabu ya kikanuni mara nyingi hudhani kwamba ujazo wote umejaa mchanganyiko sawia na wa stoikiometria. Dhana hii inaweza kuwa ya kihafidhina, lakini inaweza kutoa maeneo makubwa sana ya paneli. Ikiwa ujazo mdogo unaoweza kuwaka kwa sehemu utatumika, jumla ya utolewaji wa gesi, usambazaji na mkusanyiko wa mchanganyiko lazima vihalalishwe kwa uchambuzi wa kihandisi.

Kizuizi kingine cha mfumo tuli ni kwamba uwashaji unahitajika ili paneli ifunguke. Ikiwa gesi haitawaka, inaweza kuendelea kubaki ndani ya kifuniko. Katika hali hii, mbinu za ziada zinahitajika kwa ufuatiliaji wa muda mrefu, uondoaji wa gesi kwa njia inayodhibitiwa na usalama wa vikosi vya mwitikio.

Kwa nini uzimaji wa moto na udhibiti wa mlipuko vinapaswa kusanifiwa kwa pamoja?

Hatua inayochukuliwa dhidi ya hatari moja inaweza kuifanya hatari nyingine kuwa mbaya zaidi. Utafiti unaeleza kwamba mifumo ya uzimaji kwa erosoli au gesi safi inaweza kukandamiza mwali wa mwanzo lakini huenda isiwe na uwezo wa kupoza unaotosha kusimamisha kutoroka kwa joto. Ikiwa wakala wa uzimaji lazima adumishwe ndani ya kifuniko kwa dakika 10-20, gesi ya betri inaweza kuendelea kujikusanya wakati huo.

Mchanganyiko wa wakala wa uzimaji, hewa na gesi ya betri huenda baadaye ukalazimika kuondolewa kwa uingizaji na utoaji hewa. Kwa upande mwingine, kuwashwa kimakosa kwa feni za kuzuia mlipuko wakati wa moto kunaweza kuzidisha moto kwa kuingiza hewa safi katika ujazo wenye oksijeni kidogo. Kwa hiyo, haitoshi kusanifu ugunduzi wa moto, uzimaji, ugunduzi wa gesi, uingizaji na utoaji hewa wa dharura na utoaji wa shinikizo kupitia paneli kila kimoja kwa kujitegemea.

Ni mbinu zipi za uundaji wa modeli zilizotathminiwa?

Mahesabu ya mkono ya NFPA 69

Kiambatisho D cha NFPA 69 kinaweza kutumiwa kukadiria muda wa kugundua gesi na kiwango kinachohitajika cha mtiririko wa feni ya kutolea hewa. Mbinu hiyo hudhani kwamba mazingira yamechanganyika kabisa. Kwa hiyo, haizingatii moja kwa moja kutengana kwa tabaka za gesi moto kwenye paa, maeneo ya vihisi, mpangilio wa feni na matundu, vizuizi vya ndani na njia za mtiririko wa pande tatu. Ingizo kuu la kijiometria kwa kawaida ni ujazo wa hewa huru wa kifuniko.

Mahesabu ya kikanuni ya NFPA 68

Mbinu hii huamua eneo linalohitajika la paneli kwa kutumia uimara wa kifuniko, sifa za mwako wa gesi, paneli ya kutoa shinikizo na masahihisho ya mtikisiko wa kijiometria. Matokeo ya hesabu ni nyeti sana kwa kasi ya mwako wa lamina ya gesi na dhana ya ikiwa wingu linaloweza kuwaka linajaza ujazo wote au sehemu yake tu.

Modeli ya FDS

Fire Dynamics Simulator (FDS) ni modeli ya moto na mtiririko inayotegemea gridi ya Katesia iliyotengenezwa na Taasisi ya Kitaifa ya Viwango na Teknolojia ya Marekani. Utafiti unaeleza kuwa FDS inaweza kutumiwa kuiga kuenea kwa gesi moto ya betri katika kifuniko tata, halijoto na kuanza kwa uingizaji na utoaji hewa wakati kihisi kinapofikia kizingiti maalumu.

Modeli ya FLACS

FLACS ni zana ya CFD inayotumiwa kuhesabu usambazaji wa gesi inayoweza kuwaka na matokeo ya mlipuko. Kupitia mkabala wa unywevu/upinzani uliosambazwa, inaweza kuwakilisha athari za vizuizi vilivyo vidogo kuliko gridi. Mbali na usambazaji wa gesi, inaweza pia kuhesabu shinikizo la ziada linalotokea baada ya uwashaji.

Mwingiliano wa kimuundo

Ili kuiga kikamilifu mwingiliano kati ya wimbi la shinikizo na muundo wa kifuniko wakati wa deflagresheni, CFD lazima iunganishwe na uchambuzi wa vipengele kikomo. Kulingana na utafiti, sekta mara nyingi huchukulia kifuniko kuwa kigumu kwa kudhani kwamba shinikizo la usanifu litabaki chini ya nguvu ya kusalimu. Dhana hii hurahisisha hesabu, lakini haisuluhishi moja kwa moja ugeukaji wa milango, paneli na kuta.

Majaribio ya kiwango kikubwa yanaonyesha nini?

Katika programu ya majaribio ya kiwango kikubwa iliyoripotiwa katika utafiti, ndani ya kifuniko kinachowakilisha kontena la ISO la 20 ft ziliwekwa rafu 14 na moduli bandia 10 katika kila rafu. Paneli nne za deflagresheni, kila moja ikiwa 1 m × 1 m, zilitumiwa kwenye paa. Mchanganyiko sintetiki unaowakilisha gesi ya betri ya lithiamu-ioni uliingizwa ndani ya kifuniko kwa viwango tofauti vya mtiririko, wingu linaloweza kuwaka likaundwa na kuwashwa baada ya ucheleweshaji.

Katika jumla ya majaribio 27, usambazaji wa gesi, shinikizo la ziada, ueneaji wa mwali na tabia ya paneli za kutoa shinikizo vilipimwa. Lengo kuu la programu hii ni kutoa seti ya data ya uthibitishaji iliyo karibu zaidi na jiometria ya BESS kwa mahesabu ya NFPA 68 na modeli za CFD. Hata hivyo, ni lazima itathminiwe kwa majaribio ya betri halisi ikiwa gesi sintetiki inawakilisha kikamilifu gesi moto yenye chembe na inayobadilika kadiri muda unavyopita inayotoka katika seli halisi.

Matokeo makuu ya uchambuzi wa visa vya kuzuia mlipuko ni yapi?

Uchambuzi wa kuzuia mlipuko unaonyesha kwamba istilahi ya chanzo cha gesi lazima ifafanuliwe si kama kiasi cha jumla pekee bali kama kiwango cha mtiririko kinachobadilika kwa muda.

Mfumo wa mfano wenye urefu wa 40 ft ni usanifu wenye uwezo wa 4,2 MWh, ujazo wa hewa huru wa takriban 13.385 ft³ na rafu 22 za betri. Kila rafu ina moduli 12. Kwa seli ya NMC yenye 94 Ah iliyotumiwa katika modeli, ilidhaniwa kuwa gramu 226 za gesi zina muundo wa asilimia 31 hidrojeni, asilimia 30 dioksidi kaboni, asilimia 21 monoksidi kaboni na sehemu iliyobaki ikiwa hidrokaboni. Kwa mkabala wa Le Chatelier, LFL ilikadiriwa kuwa asilimia 5,83.

Katika modeli ya utolewaji wa kudumu, gesi ilitolewa kwa dakika 10 kwa kiwango cha 4,9 g/s. Katika modeli ya vipindi, kila jozi ya seli ilitoa gesi kwa sekunde 40 na ucheleweshaji wa jumla wa sekunde 90 kati ya seli ulikadiriwa hadi kutoroka kwa joto kwa jozi iliyofuata. Katika utolewaji wa vipindi, kiwango cha kilele cha 11,3 g/s kilitokea. Tofauti hii inaonyesha jinsi ugawaji wa hatari ileile ya jumla kwa muda unavyobadilisha utendaji wa uingizaji na utoaji hewa.

Kwa nini hatari ya ndani iliendelea katika kifuniko cha 53 ft?

Katika usanifu wenye uwezo wa 4,6 MWh wa 53 ft Powin Stack 360, kuna vitengo vidogo 14 vya betri, moduli 23 katika kila kitengo na mpangilio tofauti wa feni na mifereji. Kwa seli za LFP zenye 280 Ah zilizotumiwa, LFL ilitolewa kuwa asilimia 6,14.

Katika kiwango cha kifuniko cha jumla, hali zote mbili za utolewaji wa gesi zilibaki chini ya asilimia 25 LFL. Hata hivyo, uchambuzi tofauti wa CFD uliofanywa katika sehemu ndogo iliyoundwa kwa madhumuni ya kupoza ulionyesha kuwa baadhi ya maeneo yalizidi asilimia 25 LFL. Ugunduzi huu unaonyesha kwamba wastani wa ujazo wa jumla unaweza kuficha mifuko ya gesi iliyo karibu na moduli.

Katika jaribio tofauti la gereji lililoripotiwa katika utafiti, ilielezwa kwamba lita 320 za gesi ya kutoroka kwa joto ya aina ya LFP ziling'oa mlango wa gereji na kusababisha uharibifu mdogo kwa utaratibu wa kufunga. Imeelezwa kwamba ujazo huu unafanana na kiasi cha gesi ambacho seli moja au mbili za LFP zenye 280 Ah zinaweza kutoa. Ni lazima pia izingatiwe kwamba kwa sababu jaribio lilitumia mchanganyiko wenye nishatiwaka nyingi ndani ya mfuko, haliwakilishi kikamilifu usambazaji halisi wa BESS.

Kasi ya mwako wa lamina inaathirije paneli ya kutoa shinikizo?

Kasi ya mwako wa lamina ni kasi ambayo uso wa mwali husonga ikilinganishwa na mchanganyiko ambao haujawaka katika mchanganyiko sawia na usio na mtikisiko wa nishatiwaka-hewa. Kadiri kasi hii inavyoongezeka, ndivyo shinikizo linavyoundwa kwa haraka zaidi na eneo kubwa zaidi la kutoa shinikizo linaweza kuhitajika ili kulinda kifuniko kilekile.

Mahesabu ya ujazo kamili ya NFPA 68 kwa jiometria mbili za mfano za BESS yalitoa matokeo yafuatayo:

Katika maandishi, kasi kubwa ya mwako imeandikwa kuwa 107 cm/s, huku katika jedwali ikiwa imeandikwa kuwa 106 cm/s. Kwa sababu ya kutolingana huku kidogo kwa namba, thamani imewasilishwa kama takriban 106-107 cm/s.

Ili kufikia hali ya stoikiometria katika kifuniko kidogo, ilihesabiwa kuwa takriban lita 859-1.481 za gesi zinahitajika kulingana na muundo wa gesi. Kiasi hiki kinalingana na takriban seli 3-6 za LFP zenye 280 Ah. Kutokana na kutokuwa na uhakika kuhusu kuenea kutoka seli hadi seli, haifai kutumia dhana ya ujazo wa sehemu kwa kusudi la kupunguza tu eneo la paneli linalotakiwa; jumla ya kiasi cha gesi kinachoweza kutolewa lazima kihalalishwe.

Uchambuzi wa milipuko wa FLACS umeonyesha nini?

Katika uchambuzi wa FLACS wa kifuniko cha BESS cha aina ya ISO cha 20 ft, ujazo wa hewa huru ulifafanuliwa kuwa 6,1 m³ na mpangilio wa ndani kuwa rafu nne za betri zenye moduli nane katika kila rafu. Seli za LFP zenye 280 Ah zilizotengenezwa na EVE au CATL zilikadiriwa kutumika katika moduli. Modeli ilitumia nafasi ya gridi ya 5 cm, modeli chaguomsingi ya mtikisiko ya k-epsilon, modeli ya mwako ya beta na paneli moja ya kutoa shinikizo ya paa yenye vipimo vya 0,7 m × 1,6 m.

Eneo la uwashaji pia lilibadilisha matokeo kwa kiwango kikubwa. Maandishi yanaeleza kwamba 0,23 bar-g ilihesabiwa kwa uwashaji kutoka juu na 2,15 bar-g kwa uwashaji kutoka chini. Hata hivyo, aya ya maelezo inahusisha thamani ya 2,15 bar-g na seli ya CATL, huku Jedwali 4 likionyesha thamani ileile kwa seli ya EVE; katika jedwali, thamani ya CATL imeandikwa kuwa 1,19 bar-g. Kwa kuwa utafiti hauelezi kutolingana huku, thamani hazijasahihishwa kimya kimya.

Kwa mtazamo wa kifizikia, uwashaji kutoka chini unaweza kusababisha mwali kufuata njia ndefu zaidi na yenye mtikisiko kati ya rafu na vizuizi unapopanda juu. Hata hivyo, utafiti haujathibitisha kwamba utaratibu huu utasababisha tofauti ya shinikizo ya ukubwa uleule katika kila jiometria ya BESS.

Mlipuko halisi wa BESS ulitafsiriwaje?

Utafiti pia ulitathmini uchambuzi uliochapishwa hapo awali wa tukio la APS BESS katika jiji la Surprise, jimbo la Arizona. Kituo hicho kilikuwa na uwezo wa nguvu wa 2 MW na uwezo wa nishati wa 2 MWh, rafu 27 za betri na seli za mfuko za NMC zenye 392 Ah.

Baada ya kutoroka kwa joto, wakala wa uzimaji kwa gesi safi wa NOVEC 1230 ulitolewa; baadaye wazimamoto walipofungua mlango, hewa iliingia na oksijeni ikachanganyika na gesi inayoweza kuwaka. Katika tathmini iliyofanywa kutoka kwenye picha, shinikizo la deflagresheni lilikadiriwa kuwa takriban 0,10-0,17 bar-g na jumla ya eneo la kutoa shinikizo la milango likakadiriwa kuwa takriban 4,6 m².

Katika hali zilizotathminiwa ili kueleza tukio, ilihitimishwa kwamba mchanganyiko unaoweza kuwaka huenda ulikuwa umejaza takriban asilimia 11-22 ya ujazo wa kifuniko na kasi iliyokadiriwa ya mwako wa mchanganyiko ilikuwa 0,18-0,22 m/s. Hizi si thamani zilizopimwa moja kwa moja wakati wa tukio, bali ni makadirio yaliyofanywa kwa kurudi nyuma kutoka kwa uharibifu na jiometria.

Je, mifumo tendaji na tuli inaweza kutumiwa pamoja?

Utafiti unaeleza kwamba utoaji hewa wa kimitambo na paneli za kutoa shinikizo la deflagresheni zinaweza kutathminiwa pamoja kwa sababu ya kutokuwa na uhakika katika utolewaji wa gesi na kuenea kwa kutoroka kwa joto. Mbinu moja ya usanifu inaweza kutumiwa kama mbinu kuu ya uzingatiaji, na nyingine kama tabaka la akiba la usalama.

Hata hivyo, kuongeza mifumo hiyo miwili katika kifuniko kilekile pekee hakuthibitishi usalama. Mtiririko wa hewa unaotengenezwa na feni unaweza kuathiri usambazaji wa gesi na moto, huku mpangilio wa paneli unaweza kuathiri njia ya uingizaji na utoaji hewa. Mantiki ya udhibiti, kupotea kwa nishati, matengenezo, hitilafu za vihisi na hali za mwitikio lazima zichambuliwe pamoja.

Ni matokeo gani yanayoungwa mkono na utafiti?

• Udhibiti wa mlipuko wa BESS haupaswi kusanifiwa kwa kuzingatia uwezo wa nishati wa betri au jumla ya ujazo wa gesi pekee.
• Kiwango cha mtiririko wa utolewaji wa gesi na wasifu wake wa muda vinaweza kubadilisha kwa dhahiri utendaji wa uingizaji na utoaji hewa wa kimitambo.
• Kuwepo kwa mkusanyiko mdogo wa wastani katika kifuniko kizima hakuthibitishi kwamba mifuko hatari ya gesi haijatokea katika sehemu ndogo.
• Kadiri kasi ya mwako wa lamina inavyoongezeka, eneo linalohitajika la kutoa shinikizo la deflagresheni linaweza kuzidi mipaka inayoweza kutekelezwa.
• Eneo la uwashaji, vizuizi vya ndani na mtikisiko vinaweza kuathiri kwa kiwango kikubwa kilele cha shinikizo la ziada.
• Ingawa majaribio ya UL 9540A ni muhimu, hayatoi ingizo zote za modeli wala kutokuwa na uhakika kwa vigezo.
• Matokeo ya CFD hayapaswi kukubaliwa kama ukweli kamili bila uchambuzi wa unyeti na uthibitishaji wa majaribio mahususi kwa BESS.
• Mifumo ya uzimaji wa moto na udhibiti wa mlipuko inapaswa kusanifiwa ndani ya uchambuzi wa pamoja wa hatari.

Utafiti hauthibitishi nini?

• Hauthibitishi kwamba kiwango maalumu cha mtiririko wa feni ni salama kwa bidhaa zote za BESS.
• Hauonyeshi kwamba wastani wa jumla ulio chini ya asilimia 25 LFL hufanya maeneo yote ya ndani kuwa salama.
• Hauthibitishi kwamba eneo la paneli lililohesabiwa kwa mujibu wa NFPA 68 litatosha bila shaka katika mlipuko halisi wa BESS.
• Hauonyeshi kwamba moja ya modeli za FDS au FLACS ni sahihi zaidi kwa uhakika kwa jiometria zote za BESS.
• Hauthibitishi kwamba majaribio ya gesi sintetiki yanawakilisha kutoroka halisi kwa joto kwa betri kwa maelezo yake yote.
• Hauonyeshi kwamba ujazo na muundo wa gesi uliopatikana katika jaribio moja unawakilisha seli zote za bidhaa ileile.
• Haudai kwamba kila kutoroka kwa joto kutabadilika kuwa deflagresheni au kufuata mfuatano uleule wa matukio.
• Hausemi kwamba viwango vya Amerika Kaskazini vinapaswa kutumika moja kwa moja na bila mabadiliko nchini Uturuki.
• Hauidhinishi kwamba bidhaa maalumu ya kibiashara ya BESS ni salama chini ya hali za eneo la matumizi.

Ina maana gani kwa Uturuki?

NFPA 68, NFPA 69, NFPA 855 na UL 9540A ambavyo utafiti unavizingatia ni viwango vinavyotegemea Amerika Kaskazini. Kwa hiyo, utafiti huu hauwezi kutumiwa badala ya utoaji leseni, afya na usalama kazini, kanuni za moto au sheria za mitambo ya umeme nchini Uturuki.

Hata hivyo, kufafanua hatari kwa istilahi ya chanzo, kutathmini usambazaji wa gesi kwa pande tatu, kuchunguza sehemu ndogo za ndani, kuzingatia ucheleweshaji wa kihisi-feni, kuamua eneo la paneli ya kutoa shinikizo kulingana na kasi ya mwako wa gesi, na kuthibitisha modeli kwa majaribio ya kiwango kikubwa ni kanuni za kihandisi zisizotegemea mipaka ya nchi. Hii inaonyesha kwamba katika vituo vya kuhifadhi nishati vya aina ya kontena vitakavyoanzishwa nchini Uturuki, vigezo hivi vinapaswa kutathminiwa mahususi kwa kila mradi, na si kutegemea tu cheti cha bidhaa au kiwango jina cha uingizaji na utoaji hewa.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Usanifu wa utafiti

Utafiti huu si jaribio jipya la maabara lililodhibitiwa wala jaribio huru la eneo. Ni mwongozo wa kihandisi na usanisi wa visa vya kiasi unaokusanya viwango vya kiufundi, muundo wa majaribio wa UL 9540A, majaribio yaliyochapishwa, uchambuzi wa awali wa CFD na tathmini za matukio halisi.

Ingizo zinazohitajika kwa uchambuzi wa kiasi

Matokeo muhimu zaidi ya kiufundi

1. Katika mfano wa NMC wa 40 ft, utolewaji wa kudumu wa 4,9 g/s ulizalisha asilimia 22,2 LFL, huku utolewaji wa vipindi wenye kiwango cha kilele cha 11,3 g/s ukizalisha asilimia 25,3 LFL.
2. Katika kifuniko cha LFP cha 53 ft, mkusanyiko wa jumla ulibaki katika masafa ya asilimia 15,4-17,8 LFL, lakini asilimia 25 LFL ilizidiwa katika eneo la ndani la sehemu ndogo.
3. Kuongezeka kwa kasi ya mwako wa lamina kutoka 48 cm/s hadi takriban 106-107 cm/s kuliongeza eneo la paneli linalohitajika kwa kontena la 20 ft kutoka 6,5 m² hadi 18,2 m².
4. Katika modeli ya FLACS ya 20 ft, hali ya ujazo kamili ambayo paneli haikufunguka ilizalisha kilele cha shinikizo cha 6,5 bar-g.
5. Katika modeli ileile, hali za ujazo kamili zenye paneli ya 1,12 m² zilizalisha 1,19 na 2,15 bar-g; kuwepo kwa paneli hakukupunguza shinikizo la ziada hadi kiwango kinachokubalika.
6. Hali ambazo ujazo wa sehemu, uingizaji na utoaji hewa wa asili na paneli zilitumiwa pamoja zilizalisha 0,06 bar-g; hata hivyo, thamani hii haikutathminiwa kuwa dhamana ya usalama wa kimuundo.
7. Katika mahesabu yaliyowasilishwa kuhusu eneo la uwashaji, tofauti iliyofikia takriban kiwango kimoja cha mpangilio wa ukubwa ilionekana kati ya uwashaji kutoka juu na kutoka chini.
8. Majaribio ya kiwango kikubwa yameonyesha kwamba inawezekana kutoa data za uthibitishaji wa modeli mahususi kwa BESS; hata hivyo, uthibitishaji kwa betri halisi bado unahitajika.

Nguvu za utafiti

• Unashughulikia hatari ya mlipuko kwa ujumla kupitia ingizo za betri, kifuniko, uendeshaji na mfumo wa usalama.
• Unalinganisha mbinu tendaji na tuli za ulinzi ndani ya mfumo uleule wa kihandisi.
• Pamoja na jumla ya kiasi cha gesi, unaangazia istilahi ya chanzo kinachobadilika kwa muda na mikusanyiko ya ndani.
• Unatofautisha madhumuni ambayo mahesabu ya mkono, modeli za CFD na majaribio ya kiwango kikubwa yanaweza kutumiwa.
• Unafanya unyeti wa usanifu uonekane kwa kulinganisha matokeo ya visa yaliyochapishwa katika majedwali ya pamoja.
• Unapendekeza kurekodi wazi dhana za uundaji wa modeli na upungufu wa data.

Vikwazo vya utafiti

• Utafiti ni chapisho la awali ambalo halijapitiwa na wataalamu rika.
• Hauwasilishi seti mpya na huru ya data za majaribio.
• Sehemu kubwa ya uchambuzi wa visa imekusanywa kutoka tafiti za awali za waandishi au watafiti wengine.
• Viwango vilivyotumiwa vinategemea kanuni za Amerika Kaskazini.
• Idadi ya marudio na maelezo ya istilahi ya chanzo katika data za UL 9540A ni finyu.
• Hakuna seti pana za data za uthibitishaji zinazohusisha miundo tofauti ya BESS kwa FDS na FLACS.
• Majaribio ya gesi sintetiki huenda yasiwakilishe sifa zote za kifizikia na kikemia za utolewaji wa seli halisi.
• Kuna kutolingana kati ya Jedwali 4 na maandishi ya maelezo kuhusu aina ya seli na matokeo ya 2,15 bar-g.
• Kasi kubwa ya mwako wa lamina imeandikwa kuwa 107 cm/s katika maandishi na 106 cm/s katika jedwali husika.
• Nukuu ya juu ya taasisi ya Prasanna Chinnathambi si thabiti katika mistari ya mwandishi na taasisi.

Ni uthibitishaji gani utakaohitajika katika siku zijazo?

Watafiti wanapendekeza kwamba data kama jinsi ujazo wa gesi ulivyohesabiwa katika ripoti za UL 9540A, video za majaribio, eneo ambalo gesi ilitoka, ukubwa wa uwazi, kiwango cha mtiririko wa utolewaji na kasi ya kutoka ziwasilishwe kwa undani zaidi. Majaribio ya marudio na masafa ya kutokuwa na uhakika yanahitajika kwa ingizo muhimu.

Katika tathmini za NFPA 68, inapendekezwa kutumia mahesabu ya usambazaji wa gesi pamoja na dhana ya ujazo kamili sawia; na kuamua sifa za kuwaka si kwa mchanganyiko mmoja pekee, bali kama utendakazi wa mkusanyiko wa gesi. Modeli za CFD zinapaswa kuthibitishwa kwa majaribio mahususi kwa BESS, ya kiwango kikubwa na, inapowezekana, yanayotumia betri halisi.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti: Explosion Control Guidance for Lithium-Ion Based Battery Energy Storage System Installations

Waandishi: Anil Kapahi, Stefan Kraft na Prasanna Chinnathambi.

Mpangilio wa waandishi: Anil Kapahi ni mwandishi wa kwanza, Stefan Kraft wa pili, na Prasanna Chinnathambi wa tatu.

Taarifa ya mchango sawa: Hakuna tamko la mwandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa.

Mwandishi wa mawasiliano: Anil Kapahi.

Taasisi: Anil Kapahi na Prasanna Chinnathambi, Jensen Hughes, Inc., Research, Development, Testing and Evaluation, Baltimore, Maryland, Marekani; Stefan Kraft, Solstice Advanced Materials, Inc., Morris Plains, New Jersey, Marekani. Kuna kutolingana kwa “a/c” ndani ya maandishi katika nukuu ya juu ya taasisi iliyotumiwa kwa Prasanna Chinnathambi; jina la taasisi na barua pepe ya shirika vinaonyesha uhusiano na Jensen Hughes.

DOI: 10.2139/ssrn.7203430

Jarida: Haijathibitishwa kupitia toleo hili kwamba ilichapishwa katika jarida lililopitiwa na wataalamu rika.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mmiliki wa jukwaa: Elsevier Inc. SSRN si jarida lililopitiwa na wataalamu rika, bali ni jukwaa la machapisho ya awali na utafiti wa mapema.

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Aina ya chanzo: Chapisho la awali la kiufundi ambalo halijapitiwa na wataalamu rika; ni mapitio ya viwango, mwongozo wa kihandisi, usanisi wa fasihi na uchambuzi wa visa wa kiasi.

Kiungo rasmi:https://ssrn.com/abstract=7203430

Dokezo la toleo: Pia kuna rekodi ya zamani yenye waandishi wawili kwenye SSRN yenye kichwa kilekile na nambari ya DOI 10.2139/ssrn.5735692. Kwa kuwa uhusiano rasmi wa toleo kati ya rekodi hii ya zamani na rekodi iliyochunguzwa yenye waandishi watatu ya 7203430 haukuweza kuthibitishwa wazi, toleo la sasa lililopakiwa limetumiwa kama utambulisho wa chanzo.

Makala haya yameandaliwa kwa msingi wa maandishi, majedwali, uchambuzi wa visa na matokeo ya utafiti uliopakiwa. Hakuna matokeo mapya ya majaribio ambayo hayamo katika utafiti, dai la usalama wa bidhaa ya kibiashara, idhini ya uzingatiaji wa sheria au mafanikio ya eneo yaliyoongezwa. Ukaguzi wa nje wa bibliografia ulifanywa tu kwa kusudi la kuthibitisha waandishi, DOI, jukwaa na hali ya uchapishaji.

Utafiti huu ni chapisho la awali ambalo halijapitiwa na wataalamu rika; matokeo yake yanapaswa kusomwa kwa kuzingatia kizuizi hiki. Utafiti hautoi uthibitishaji mpya na huru wa majaribio wala hauandiki kuwa usanifu maalumu wa BESS ni salama. Mahesabu yanategemea tafiti tofauti za chanzo, kemia za betri, jiometria za vifuniko na dhana za modeli. Kwa mradi halisi, data za majaribio za mtengenezaji wa betri, jiometria ya mradi, sheria za eneo, uimara wa kimuundo, mfumo wa moto, mfumo wa kugundua gesi na hali ya mwitikio wa dharura lazima zitathminiwe pia.