Solaranlagen, die tiefste Wintertemperaturen überstehen

Der Winter setzt mehr Stationen zur Fernüberwachung außer Betrieb als Wind, Wasser oder Vandalismus – und meistens geschieht das durch einen Mechanismus, von dem der Käufer nicht wusste, dass er ihn mitgekauft hatte. In diesem Beitrag geht es um diesen Mechanismus und um die Spezifikationsentscheidungen, die ihn vermeiden.

Die beiden Temperaturen und warum der Abstand wichtig ist

Nahezu jedes Datenblatt für ein integriertes Solarsystem listet einen Betriebstemperaturbereich auf. Viele führen weiter unten, in kleinerer Schrift, auch einen Lade- oder Lade-/Entladebereich auf. Es handelt sich um unterschiedliche Spezifikationen, die verschiedene Dinge beschreiben, und die zweite entscheidet darüber, ob die Station überlebt.

Das Laden einer Lithiumzelle unterhalb des Gefrierpunkts verursacht die Abscheidung von Lithium an der Anode, wodurch die Kapazität dauerhaft sinkt und ein Sicherheitsrisiko entsteht. Ein Laderegler, der bei Kälte das Laden verweigert, erfüllt seine Aufgabe. Der Planungsfehler liegt vorgelagert: Jemand hat angenommen, dass ein Betriebsbereich auch einen Ladebereich impliziert.

Was bei Kälte tatsächlich mit einer Batterie passiert

• Verschlossene Blei-Säure-Batterien verlieren unter dem Gefrierpunkt einen großen Teil ihrer nutzbaren Kapazität – häufig werden etwa 30–50 % bei und unter 0 °C genannt. Sie nehmen bei Kälte zwar Ladung an, was hier ihr einziger Vorteil ist, aber die Kapazität, nach der Sie dimensioniert haben, steht Ihnen nicht zur Verfügung.
• LiFePO4 behält bei Kälte deutlich mehr seiner Kapazität, beim Entladen typischerweise 70–80 % bei −20 °C, und bietet eine deutlich längere Zyklenlebensdauer. Die Einschränkung betrifft den Ladebereich: Ohne Heizung oder eine speziell für niedrige Temperaturen ausgelegte Variante sollte es nicht unter 0 °C geladen werden.
• Nickel-Mangan-Cobalt-Lithium (NMC) verhält sich beim Laden weitgehend ähnlich. Die Wahl der Zellchemie verändert die Entladeleistung und die Zyklenlebensdauer stärker, als sie die Ladegrenze bei Frost beeinflusst.

Der Vergleich von Zellchemien hinsichtlich Zyklenlebensdauer und Temperatur wird ausführlicher in unseren Notizen zur Batteriechemie für die Fernüberwachung behandelt; die Berechnung der Leistungsreduzierung für Leitungsüberwachungsstandorte speziell in unseren Feldnotizen zu Batterien für kalte Klimazonen.

Der Winter ist nicht ein Problem, sondern vier

1. Weniger Sonnenstunden mit Spitzenleistung. Der offensichtliche Punkt und der einzige, den die meisten Auslegungen berücksichtigen. In hohen Breitengraden kann der schlechteste Monat nur einen Bruchteil des Jahresmittels erreichen.
2. Niedrigerer Sonnenstand. Ein Panel mit einer auf den Sommer optimierten Neigung ist im Dezember schlecht ausgerichtet. Eine steilere Winterneigung kostet im Sommer Leistung, die ohnehin im Überschuss vorhanden ist, und bringt Leistung in dem Monat, der die Auslegung bestimmt.
3. Schneebedeckung. Ein mit Schnee bedecktes Panel erzeugt nichts. Bei steilerer Neigung rutscht Schnee besser ab; ein Panel mit flacher Neigung kann nach einem Schneefall tagelang bedeckt bleiben.
4. Das Ladefenster. Das oben beschriebene Fenster, das aus einer grenzwertigen Auslegung eine ausgefallene statt nur eine langsame Station macht.

Vier Möglichkeiten, die Auslegung daran anzupassen

1. Die Neigung steiler wählen

Legen Sie die Neigung auf den schlechtesten Monat statt auf das Jahresoptimum aus. So wird mehr von der tief stehenden Wintersonne eingefangen und Schnee rutscht leichter ab. Bei einer Überwachungsstation ist der sommerliche Überschuss wertlos – maßgeblich ist der Monat, in dem die Station ausfallen könnte.

2. Das Array statt der Batterie überdimensionieren

Eine größere Batterie speichert mehr Energie, erzeugt aber keine zusätzliche Energie. Bei Kälte kann sie außerdem während der entscheidenden Stunden nicht wieder aufgeladen werden. Eine zusätzliche Array-Kapazität wandelt die wenigen nutzbaren Winterstunden effektiver in Ladung um als zusätzlicher Speicher.

3. Eine beheizte Batterie oder eine Batterie für niedrige Temperaturen spezifizieren

Akkupacks mit integrierter Unterstützung für das Laden bei niedrigen Temperaturen verbrauchen etwas Energie, um die Zellen vor dem Laden aufzuwärmen. Diese Energie muss im Budget berücksichtigt werden. Für Standorte, die über längere Zeit tatsächlich unter dem Gefrierpunkt liegen, ist dies die richtige Lösung und nicht nur für Standorte, an denen dies gelegentlich vorkommt.

4. Die Last für die Saison reduzieren

Wo es die Anwendung zulässt, ist eine geringere Meldefrequenz im Winter die günstigste Kapazität, die Sie jemals kaufen werden. Eine Station, die im Januar stündlich statt alle fünfzehn Minuten meldet, kann betrieblich völlig akzeptabel sein und verändert die Auslegung grundlegend. Das ist eine Firmware-Entscheidung mit Auswirkungen auf die Hardwaredimensionierung.

Felddetails, die über einen Winter entscheiden

• Das Abrutschen von Schnee ist eine Frage der Montage. Neigung, Moduloberfläche und der Abstand unter dem Modul beeinflussen, ob Schnee abrutscht oder liegen bleibt. Ein flach und ohne Abstand an einer Konstruktion montiertes Panel hält Schnee am längsten.
• Kondensation ist im Winter stärker. Ein abgedichtetes Gehäuse, das täglich große Temperaturschwankungen durchläuft, pumpt feuchte Luft hinein, die im Inneren kondensiert. Ein atmungsaktiver Entlüftungsstopfen mit IP-Schutzart ist ein kleines Bauteil, das einen häufigen Ausfall verhindert.
• Änderungen beim Verhalten von Kabeln und Steckverbindern. Bei einem Servicebesuch bei kaltem Wetter wird das Kabel steifer und leichter beschädigt. Lassen Sie Wartungsschlaufen und gehen Sie bei niedrigen Temperaturen vorsichtig mit der Verkabelung um.
• Der Zugang ist saisonabhängig. An vielen nördlichen Standorten kann ein Fehler im Januar erst im März behoben werden. Diese Realität ist mehr als jedes Datenblatt ein Argument für ausreichende Reserven.
• Wildkameras und Kameras zur Tierbeobachtung haben ihre eigenen Besonderheiten. Die Batterieentladung im Winter im Wald ist ein gut dokumentierter Ausfallgrund; unsere Hinweise zur Dimensionierung von Batterien für Wildkameras behandeln die Kombination aus Baumkronen und Kälte.

Fragen, die Sie einem Lieferanten vor der Bestellung für einen kalten Standort stellen sollten

1. Wie groß ist der Ladetemperaturbereich, getrennt vom Betriebstemperaturbereich? Wenn nur eine Zahl angegeben wird, bitten Sie schriftlich um die andere.
2. Unterstützt die Batterie das Laden bei niedrigen Temperaturen, und falls ja, wie viel Energie wird dafür verbraucht?
3. Welche Batteriechemie wird verwendet, und wie hoch ist die Nennkapazität bei −20 °C statt bei 25 °C?
4. Ist eine Variante für niedrige Temperaturen verfügbar, und worin unterscheidet sie sich konkret?
5. Für welchen Neigungswinkel ist die Halterung verstellbar, und kann sie für den Winter statt für das Jahresoptimum eingestellt werden?
6. Wie hoch ist der Abschaltwert bei Unterspannung, und kann er konfiguriert werden?

Ein Lieferant, der die erste Frage mit einer einzigen Zahl beantwortet, hat sich nicht mit Ihrem Standort auseinandergesetzt. Das ist ein nützlicher Filter zu Beginn eines Beschaffungsgesprächs.

Wo LinkSolar passt

Wir liefern die Energieversorgung – Panel, Batterie, Controller, Gehäuse und Montagematerial – ausgelegt für die Jahreszeit, die die Station tatsächlich belastet, statt für einen Jahresdurchschnitt. Bei Projekten an kalten Standorten fragen wir daher vor dem Angebot nach dem Ladezeitfenster und sagen offen, wenn eine Standardkonfiguration für Ihren Breitengrad ungeeignet ist.

• Varianten für niedrige Temperaturen verfügbar, wenn der Standort sie tatsächlich erfordert – spezifiziert statt einfach vorausgesetzt.
• Kundenspezifische elektrische Spezifikation: Panelspannungen von 3 V bis 48 V, konfigurierbarer Abschaltwert, Ausgänge mit mehreren Versorgungsschienen.
• Muster innerhalb von 7–14 Tagen für kundenspezifische Mini-Panels; Lieferzeiten für integrierte Systeme werden im Angebot bestätigt.
• Mindestbestellmenge ab 5, sodass ein Winter zunächst in einem Pilotprojekt erprobt werden kann, bevor eine Netzwerkbestellung erfolgt.
• Komponenten aus Partnerfabriken mit ISO-9001-, CE- und RoHS-Zertifizierung, mit QC-Nachweisen vor dem Versand für jede Charge.

FAQ

Können Lithiumbatterien unterhalb des Gefrierpunkts geladen werden?

Nicht ohne Heizung oder eine speziell dafür ausgelegte Chemie. Das Laden einer herkömmlichen Lithiumzelle unterhalb von 0 °C führt zu einer Lithiumabscheidung an der Anode, wodurch die Kapazität dauerhaft sinkt und ein Sicherheitsrisiko entsteht. Laderegler verweigern das Laden unter diesen Bedingungen korrekterweise. Das schützt zwar die Batterie, lässt die Last aber weiterhin Energie aus einem Akku beziehen, der nicht mehr nachgeladen wird.

Was ist der Unterschied zwischen Betriebs- und Ladetemperatur?

Die Betriebstemperatur ist der Umgebungstemperaturbereich, in dem das Gerät installiert und betrieben werden kann. Die Ladetemperatur ist der engere Bereich, in dem die Batterie Strom aufnehmen kann; bei den meisten Lithiumchemien endet er bei oder nahe 0 °C. Ein System mit einer zulässigen Betriebstemperatur von −25 °C kann möglicherweise nur oberhalb von 0 °C geladen werden – genau diese Lücke in den Spezifikationen verursacht Ausfälle im Winter.

Sind Bleiakkus für kalte Standorte besser als Lithium?

Sie hat einen Vorteil: Sie nimmt auch unterhalb des Gefrierpunkts Ladung auf. Bei Kälte verliert sie jedoch einen großen Teil ihrer nutzbaren Kapazität und bietet eine deutlich kürzere Zyklenlebensdauer. Für die meisten Anwendungen zur Fernüberwachung ist LiFePO4 mit einer Heizung oder als Variante für niedrige Temperaturen auf Systemebene die bessere Lösung. Bleiakkus können sinnvoll sein, wenn der Standort nur gelegentlich unter den Gefrierpunkt fällt und das Austauschintervall akzeptabel ist.

Sollte ich für den Winter eine größere Batterie oder ein größeres Panel verwenden?

In der Regel das Panel. Eine größere Batterie speichert mehr Energie, erzeugt aber keine, und bei Kälte kann sie während der wenigen nutzbaren Stunden zudem nicht wieder aufgeladen werden. Eine zusätzliche Array-Kapazität wandelt diese Stunden effektiver in Ladung um. Die Batteriekapazität sollte auf die Autonomie ausgelegt und nicht als Ersatz für die Wintererzeugung verwendet werden.

Ist die Neigung des Panels im Winter wirklich so wichtig?

Ja, in zweierlei Hinsicht. Eine stärkere Neigung fängt mehr von der tief stehenden Wintersonne ein und lässt Schnee deutlich besser abrutschen als eine flache Neigung. Wenn die Neigung auf den schwierigsten Monat statt auf das Jahresoptimum ausgelegt wird, kostet das zwar sommerlichen Ertrag, den Sie ohnehin im Überschuss haben, liefert aber mehr Energie in dem Monat, der darüber entscheidet, ob die Station durchhält.