Як вирішити проблему низького заряджання світлодіодних сонячних вуличних ліхтарів узимку?

Рішення для заряджання світлодіодних сонячних вуличних ліхтарів у холодних кліматах узимку

Зима створює найбільш вимогливі експлуатаційні умови для будь-якого світові світлодіодні сонячні вуличні ліхтари коротші світлові години зменшують загальну кількість доступної сонячної енергії. Нижчі кути сонця збільшують довжину атмосферного шляху, що знижує інсоляцію на поверхні панелей. Сніговий покрив відбиває частину світла від горизонтально встановлених панелей. І, що найважливіше, низькі температури уповільнюють електрохімічні реакції всередині акумулятора саме тоді, коли система найбільше потребує кожного доступного ват-години. Усунення дефіциту заряджання взимку вимагає вирішення кожної з цих проблем шляхом підбору компонентів і налаштування системи — немає єдиного рішення, яке одночасно компенсує всі ці фактори.

Чому заряджання взимку не працює

Проблема сонячної геометрії

На широті 45° північної широти під час зимового сонцестояння сонце досягає максимальної висоти лише 21,5°. Сонячне світло проходить через атмосферу приблизно втричі довший шлях, ніж улітку, а тривалість світлового дня скорочується до 8–9 годин. Загальна добова сонячна інсоляція на панелі може знизитися до 25–30 % від літніх значень.

Панель потужністю 100 Вт, яка збирає 500 Вт·год у літній період, може збирати лише 120–150 Вт·год у ясний зимовий день і 50–80 Вт·год у похмурий. Світлодіодна лампа потужністю 60 Вт, що працює 12 годин, потребує щонічно 720 Вт·год — це створює дефіцит, який заглиблюється з кожним похмурим днем.

Хімічний склад акумулятора при низькій температурі

Акумулятори LiFePO4 значно втрачають ємність при низьких температурах — до 70–80 % при −10 °C і до 50–60 % при −20 °C. Крім того, система управління акумулятором (BMS) заблоковує заряджання нижче 0 °C, щоб запобігти осадженню літію, тобто акумулятор не може приймати заряд у найхолодніші ранкові години, коли сонце з’являється вперше.

Одна з муніципалітетів Північного Китаю замінила 300 традиційних вуличних ліхтарів, що живляться від електромережі, на світлодіодні сонячні вуличні ліхтарі вздовж сільських доріг, де розширення електромережі було занадто коштовним. Перша зима показала, що ліхтарі на північних узбіччях доріг виходили з ладу до 2 години ночі — приблизно на 4 години раніше за необхідний час вимкнення на світанку. Аналіз показав, що сонячні панелі були розраховані на середньорічну інсоляцію, а не на мінімальну зимову, а літій-залізо-фосфатні акумулятори не мали захисту від заряджання при низьких температурах. Група проекту співпрацювала з компанією Haisiou Lighting, щоб модернізувати пошкоджені одиниці: встановити більші панелі, елементи обігріву акумуляторів та контролери MPPT. Наступної зими 96 % одиниць забезпечували повну роботу протягом усієї ночі навіть у найхолодніші місяці.

Практичні рішення для експлуатації в зимових умовах

Обирати сонячну панель із запасом потужності для найгіршого місяця

Підбір системи має ґрунтуватися на даних про ізлучення за грудень або січень, а не на річних середніх значеннях. Потужність панелей, обчислена для умов річного середнього, має бути збільшена в 1,5–2,0 раза для установок на широтах понад 40°. Надлишкова потужність у літній період регулюється контролером заряду.

Застосувати термокерування акумулятором

Акумуляторні блоки всередині корпусу світильника отримують корисне тепло від світлодіодів під час нічної роботи — приблизно 15–20 % електричної потужності перетворюється на тепло. Це пасивне обігрівання, як правило, підтримує температуру акумулятора на 5–10 °C вищою за навколишню.

Для установок у холодному кліматі активне обігрівання відводить частину струму заряду до резистивного елемента й подає енергію до акумуляторних елементів лише після досягнення пакетом безпечного температурного рівня. Витрати енергії є незначними — 5–10 % щоденного заряду.

Кут нахилу панелі та управління снігом

Кут нахилу зимового панелі повинен дорівнювати широті плюс 15° для Північної півкулі. Більш круті кути нахилу сприяють зсуванню снігу, а гідрофобні покриття зменшують прилипання льоду. Інтегровані нагрівальні елементи можуть активно розтаєвати сніг на критичних установках.

Haisiou Lighting пропонує світлодіодні сонячні вуличні фонарі, розроблені для експлуатації в холодному кліматі, з батареями LiFePO4, контролерами MPPT та опціями підігріву акумулятора й монокристалічних панелей збільшеного розміру.

Поширені запитання

Чому мій сонячний вуличний фонарь не працює протягом усіх зимових ночей?

Найпоширенішою причиною є недостатньо велика сонячна панель, розрахована на літні або середньорічні умови замість мінімального зимового сонячного опромінення. Інші причини включають зниження ємності акумулятора через повторні цикли глибокого розряду, забруднення поверхні панелі, що зменшує струм заряду, та зниження температури акумулятора нижче порогу відключення заряду в ранні години ранку.

На скільки потрібно збільшити розмір сонячної панелі для зимового періоду?

Помножте потужність панелі, розраховану для умов середньорічного значення, на 1.5–2.0 для встановлень за 40° північної широти. Точне значення коефіцієнта залежить від співвідношення між щоденними піковими годинами сонячного світла в грудні та середньорічним значенням для конкретної локації. Професійна база даних сонячної інсоляції надає локаційно-специфічні дані для точного розрахунку потужності.

Чи можна заряджати акумулятори LiFePO4 за морозної погоди?

Стандартні акумулятори LiFePO4 не слід заряджати при температурі елементів нижче 0 °C. Акумулятори з інтегрованою захисною функцією від низьких температур заблокують заряджання, доки температура елементів не підніметься вище порогового значення. Акумулятори з функцією самонагріву використовують частину струму заряджання для попереднього нагріву елементів, а потім переходять до звичайного заряджання — що робить їх придатними для експлуатації в холодному кліматі протягом усього року.

Чому мій сонячний ліхтар заряджається менше в похмуру зимову погоду?

Хмари зменшують прямий сонячний опромінювання на 70–90 %. У поєднанні з коротшим тривалістю світлового дня та нижчим кутом сонця взимку загальна щоденна енергія, яку можна зібрати, може знизитися до 10–20 % від номінальної потужності панелі. Контролер заряду MPPT допомагає, максимально використовуючи доступне розсіяне світло, але не може компенсувати фундаментально недостатньої потужності сонячних панелей.

Як обслуговувати сонячні вуличні ліхтарі в сніжних регіонах?

Встановіть кут нахилу панелі на широту місцевості плюс 15° для зими, щоб максимізувати збір енергії й полегшити зсув снігу. Після снігопадів очищайте панелі за допомогою телескопічного шеста з м’якою щіткою — уникайте металевих скребків, які можуть пошкодити поверхню панелі. Обирайте панелі з гідрофобним покриттям і розгляньте вбудовані нагрівальні елементи для критичних установок з обмеженим доступом для технічного обслуговування.

Під яким кутом слід встановлювати сонячні панелі взимку?

У Північній півкулі кут нахилу панелей узимку має становити широту плюс 10–15°. На 45° північної широти це означає кут нахилу 55–60°. Орієнтація точно на південь максимізує загальний щоденний збір енергії. Регульовані кріплення дозволяють змінювати кут нахилу в залежності від пори року — крутіший узимку й менш крутіший влітку — для оптимізації продуктивності протягом усього року.