EN
Решения для зарядки светодиодных солнечных уличных фонарей в холодном климате зимой
Зима создаёт наиболее сложные условия эксплуатации для любого светодиодный солнечный уличный фонарь . Более короткие световые часы уменьшают общее количество доступной солнечной энергии. Более низкие углы солнца увеличивают длину атмосферного пути, снижая инсоляцию на поверхности панелей. Снежный покров отражает часть света от горизонтально установленных панелей. И, что особенно важно, низкие температуры замедляют электрохимические реакции внутри аккумулятора именно тогда, когда системе наиболее необходим каждый доступный ватт-час. Устранение дефицита зарядки зимой требует решения каждой из этих проблем посредством выбора компонентов и настройки системы — нет единого решения, которое одновременно компенсирует все эти факторы.
Почему зимой зарядка не работает
Проблема солнечной геометрии
На широте 45° северной широты в день зимнего солнцестояния солнце достигает максимальной высоты всего 21,5°. Солнечный свет проходит через атмосферу примерно в три раза большее расстояние, чем летом, а продолжительность светового дня сокращается до 8–9 часов. Общая суточная солнечная инсоляция на поверхности панели может снизиться до 25–30 % летних значений.
Панель мощностью 100 Вт, вырабатывающая 500 Вт·ч летом, может генерировать лишь 120–150 Вт·ч в ясный зимний день и всего 50–80 Вт·ч при пасмурной погоде. Светодиодный светильник мощностью 60 Вт, работающий 12 часов, потребляет еженощно 720 Вт·ч — что создаёт дефицит энергии, усиливающийся с каждым облачным днём.
Химический состав аккумулятора при низких температурах
Аккумуляторы LiFePO4 значительно теряют ёмкость при низких температурах: на уровне 70–80 % при −10 °C и снижаясь до 50–60 % при −20 °C. Управление батареей (BMS) усугубляет ситуацию, блокируя зарядку при температуре ниже 0 °C для предотвращения литиевого покрытия, то есть аккумулятор не может принимать заряд в самые холодные утренние часы, когда солнце только появляется над горизонтом.
Муниципалитет на севере Китая заменил 300 обычных уличных фонарей, подключённых к электросети, на светодиодные солнечные фонари вдоль сельских дорог, где прокладка электросети была экономически нецелесообразной. Первая зима показала, что фонари на участках дорог, ориентированных на север, гасли к 2 часам ночи — примерно на 4 часа раньше требуемого отключения на рассвете. Анализ выявил, что солнечные панели были рассчитаны на среднегодовую инсоляцию, а не на минимальную зимнюю, а литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы не имели защиты от зарядки при низких температурах. Команда проекта совместно с Haisiou Lighting модернизировала проблемные устройства: установила более крупные панели, элементы подогрева аккумуляторов и контроллеры MPPT. В следующую зиму 96 % устройств обеспечивали полноценную работу в течение всей ночи даже в самые холодные месяцы.
Практические решения для работы в зимних условиях
Увеличьте размер панели под самый холодный месяц
При определении размеров системы необходимо использовать данные об инсоляции за декабрь или январь, а не среднегодовые значения. Умножьте мощность панелей, рассчитанную для условий среднегодовой инсоляции, на 1.5–2.0 для установок на широте выше 40°. Избыточное летнее энерговыделение регулируется контроллером заряда.
Внедрите термическое управление аккумулятором
Аккумуляторные блоки внутри корпуса светильника получают тепло от светодиодов в ночное время — примерно 15–20 % электрической входной мощности преобразуется в тепло. Такой пассивный подогрев обычно поддерживает температуру аккумулятора на 5–10 °C выше окружающей.
Для установок в холодных регионах активный подогрев перенаправляет ток заряда на резистивный элемент и направляет энергию к ячейкам только после достижения аккумуляторным блоком безопасной температуры. Энергозатраты незначительны — всего 5–10 % от суточного заряда.
Угол наклона панели и управление снежным покровом
Угол наклона зимней панели должен составлять широту плюс 15° для Северного полушария. Более крутой наклон способствует соскальзыванию снега, а гидрофобные покрытия снижают адгезию льда. Встроенные нагревательные элементы могут активно таять снег на критически важных установках.
Haisiou Lighting предлагает светодиодные солнечные уличные фонари, разработанные для эксплуатации в холодном климате, с аккумуляторами LiFePO4, контроллерами MPPT и опциями подогрева аккумуляторов и увеличенных монокристаллических панелей.
Часто задаваемые вопросы
Почему мой солнечный уличный фонарь не работает всю ночь зимой?
Наиболее частой причиной является недостаточно мощная солнечная панель, рассчитанная на летние условия или среднегодовую инсоляцию, а не на минимальную зимнюю инсоляцию. Другие причины включают деградацию ёмкости аккумулятора из-за многократных циклов глубокого разряда, загрязнение поверхности панели, снижающее ток заряда, и падение температуры аккумулятора ниже порога отключения заряда в ранние утренние часы.
На сколько процентов следует увеличить размер солнечной панели для зимнего периода?
Умножьте мощность панели, рассчитанную для условий среднегодового значения, на 1,5–2,0 для установок на широтах выше 40°. Точный коэффициент зависит от соотношения суточных пиковых солнечных часов в декабре и среднегодового значения для конкретного местоположения. Профессиональная база данных солнечной радиации предоставляет локально-специфические данные для точного подбора оборудования.
Можно ли заряжать аккумуляторы LiFePO4 при минусовой температуре?
Стандартные аккумуляторы LiFePO4 не следует заряжать при температуре элементов ниже 0 °C. Аккумуляторы с интегрированной защитой от низких температур блокируют зарядку до тех пор, пока температура элементов не превысит заданный порог. Аккумуляторы с функцией самонагрева используют часть тока зарядки для предварительного нагрева элементов, а затем переходят к обычному процессу зарядки — что делает их пригодными для круглогодичной эксплуатации в холодном климате.
Почему мой солнечный фонарь меньше заряжается в пасмурные зимние дни?
Облачность снижает прямую солнечную инсоляцию на 70–90 %. В сочетании с более короткой продолжительностью светового дня и меньшим углом солнца зимой общая суточная выработка энергии может упасть до 10–20 % от номинальной мощности панелей. Контроллер заряда MPPT помогает, извлекая максимальную мощность из доступного рассеянного света, однако он не способен компенсировать принципиально недостаточное количество или размеры солнечных панелей.
Как обслуживать солнечные уличные фонари в снежных регионах?
Установите угол наклона панелей равным широте местности плюс 15° для зимнего периода — это максимизирует сбор энергии и способствует самоочищению от снега. Очищайте панели после снегопадов с помощью телескопической штанги с мягкой щёткой; избегайте металлических скребков, которые могут поцарапать поверхность панелей. Выбирайте панели с гидрофобным покрытием и рассмотрите возможность установки встроенных нагревательных элементов для критически важных объектов с ограниченным доступом для технического обслуживания.
Под каким углом следует устанавливать солнечные панели зимой?
В Северном полушарии угол наклона панелей зимой должен составлять широта плюс 10–15°. На широте 45° северной широты это означает угол наклона 55–60°. Ориентация строго на юг обеспечивает максимальный суточный сбор энергии. Регулируемые крепёжные кронштейны позволяют изменять угол наклона в зависимости от сезона — более крутой — зимой, менее крутой — летом — для оптимизации производительности в течение всего года.