Sistemas de energía solar que sobreviven a inviernos bajo cero

El invierno mata más estaciones de monitorización remotas que el viento, el agua o el vandalismo, y generalmente lo hace mediante un mecanismo que el comprador no sabía que había adquirido. Este artículo trata sobre ese mecanismo y sobre las decisiones de especificación que lo evitan.

Las dos temperaturas, y por qué la brecha importa

Casi todas las hojas de datos de sistemas de energía solar integrados enumeran un rango de temperatura de funcionamiento. Muchas también enumeran un rango de carga o carga/descarga, en letra más pequeña, más abajo. Son especificaciones diferentes que describen cosas distintas, y la segunda es la que decide si la estación sobrevive.

Cargar una celda de litio por debajo de cero grados provoca la formación de litio metálico en el ánodo, lo que reduce permanentemente la capacidad y crea un riesgo de seguridad. Un regulador de carga que se niega a cargar en frío está haciendo su trabajo. El error de diseño está aguas arriba, en el punto donde alguien asumió que un rango de funcionamiento implicaba un rango de carga.

Qué le sucede realmente a una batería en el frío

• Plomo-ácido sellada pierde una gran parte de su capacidad útil por debajo de cero grados — comúnmente citada alrededor del 30-50% en y por debajo de 0 °C. Aceptará carga en frío, que es su única ventaja aquí, pero la capacidad para la que dimensionó no es la capacidad que tiene.
• LiFePO4 retiene mucha más de su capacidad en frío, típicamente 70-80% a −20 °C en descarga, y ofrece una vida útil mucho mejor. Su limitación es la ventana de carga: sin un calentador o una variante específica para baja temperatura, no debe cargarse por debajo de 0 °C.
• Litio ternario (NMC) se comporta de manera similar en el lado de la carga. La elección de la química cambia más el rendimiento en descarga y la vida útil que el límite de carga en el punto de congelación.

La comparación de químicas en cuanto a vida útil y temperatura se trata con más profundidad en nuestras notas sobre química de baterías para monitorización remota, y la aritmética de desclasificación para sitios de monitorización de líneas específicamente en nuestras notas de campo sobre baterías para clima frío.

El invierno no es un problema, son cuatro

1. Menos horas de sol pico. El obvio, y el único que la mayoría de los ejercicios de dimensionamiento tienen en cuenta. En latitudes altas, el peor mes puede ser una fracción del promedio anual.
2. Ángulo solar más bajo. Una placa con una inclinación optimizada para el verano está mal orientada en diciembre. Una inclinación más pronunciada en invierno cuesta producción en verano que de todos modos tiene en exceso, y compra producción en el mes que decide el diseño.
3. Cubierta de nieve. Una placa cubierta de nieve no produce nada. Una inclinación más pronunciada desprende la nieve mejor; una placa con poca inclinación puede permanecer cubierta durante días después de una nevada.
4. La ventana de carga. La descrita anteriormente, y la que convierte un diseño marginal en una estación muerta en lugar de una lenta.

Cuatro formas de diseñar para evitarlo

1. Aumentar la inclinación

Establezca la inclinación para el peor mes en lugar del óptimo anual. Captura más del bajo sol invernal y desprende la nieve más fácilmente. En una estación de monitorización, el excedente de verano no vale nada — el caso de diseño es el mes en que la estación podría morir.

2. Sobredimensionar el campo fotovoltaico en lugar de la batería

Una batería más grande almacena más energía pero no genera ninguna, y en el frío tampoco puede recargarse durante las horas que importan. La capacidad extra del campo fotovoltaico convierte las pocas horas útiles de invierno en carga de manera más efectiva que el almacenamiento extra.

3. Especificar una batería calentada o para baja temperatura

Los paquetes con soporte integrado de carga a baja temperatura consumen una pequeña cantidad de energía para calentar las celdas antes de aceptar la carga. Esto consume energía, que debe estar en el presupuesto, y es la respuesta correcta para sitios que están genuinamente por debajo de cero durante períodos prolongados en lugar de ocasionalmente.

4. Reducir la carga para la temporada

Cuando la aplicación lo permite, reducir la frecuencia de reporte en invierno es la capacidad más barata que jamás comprará. Una estación que reporta cada hora en lugar de cada quince minutos durante enero puede ser totalmente aceptable operativamente, y cambia por completo el caso de dimensionamiento. Esta es una decisión de firmware con un efecto de dimensionamiento de hardware.

Detalles de campo que deciden un invierno

• Desprendimiento de nieve es una decisión de montaje. La inclinación, la superficie de la placa y el espacio libre debajo del módulo afectan si la nieve se desliza o se queda. Una placa montada plana contra una estructura sin espacio libre retendrá la nieve por más tiempo.
• La condensación es peor en invierno. Un recinto sellado que pasa por un gran cambio de temperatura diario bombea aire húmedo hacia adentro y lo condensa en el interior. Un tapón de ventilación respirable con grado IP es una pequeña pieza que previene un fallo común.
• El comportamiento del cable y el conector cambia. El cable se endurece y se vuelve más fácil de dañar durante una visita de servicio en clima frío. Deje bucles de servicio y espere manipular el cableado con cuidado a baja temperatura.
• El acceso es estacional. En muchos sitios del norte, una falla en enero no puede repararse hasta marzo. Esa realidad, más que cualquier hoja de datos, es el argumento a favor del margen.
• Las cámaras de fototrampeo y vida silvestre tienen su propio patrón. El drenaje de la batería en el bosque durante el invierno es un modo de fallo bien documentado; nuestras notas de dimensionamiento de batería para cámaras de fototrampeo cubren la combinación de dosel y frío.

Preguntas para hacer a un proveedor antes de pedir para un sitio frío

1. ¿Cuál es el rango de temperatura de carga, por separado del rango de funcionamiento? Si solo se da un número, solicite el otro por escrito.
2. ¿La batería incluye soporte de carga a baja temperatura, y de ser así, cuánta energía consume eso?
3. ¿Cuál es la química de la batería y cuál es la capacidad nominal a −20 °C en lugar de a 25 °C?
4. ¿Está disponible una variante para baja temperatura y qué difiere específicamente en ella?
5. ¿Hasta qué inclinación es ajustable el hardware de montaje y puede configurarse para el invierno en lugar del óptimo anual?
6. ¿Cuál es el punto de ajuste de la desconexión por bajo voltaje y puede configurarse?

Un proveedor que responde a la primera pregunta con un solo número no ha pensado en su sitio. Ese es un filtro útil al inicio de una conversación de suministro.

Dónde encaja LinkSolar

Suministramos la capa de alimentación — placa, batería, controlador, recinto, hardware de montaje — dimensionada para la temporada que realmente amenaza a la estación en lugar de para un promedio anual. En proyectos de sitios fríos eso significa que preguntaremos sobre la ventana de carga antes de dar un presupuesto, y diremos claramente si una configuración estándar es incorrecta para su latitud.

• Variantes para baja temperatura disponibles donde el sitio realmente las requiera, especificadas en lugar de asumidas.
• Especificación eléctrica a medida: voltajes de placa desde 3 V hasta 48 V, punto de desconexión configurable, salidas multi-rail.
• Muestras en 7-14 días para mini placas personalizadas; plazos de entrega para sistemas integrados confirmados en el presupuesto.
• MOQ desde 5, para que un invierno pueda probarse en un piloto antes de un pedido de red.
• Componentes procedentes de fábricas asociadas con certificación ISO 9001, CE y RoHS, con evidencia de control de calidad previo al envío en cada lote.

Preguntas frecuentes

¿Se pueden cargar las baterías de litio por debajo de cero grados?

No sin un calentador o una química específicamente clasificada para ello. Cargar una celda de litio estándar por debajo de 0 °C provoca la formación de litio metálico en el ánodo, lo que reduce permanentemente la capacidad y crea un riesgo de seguridad. Los reguladores de carga correctamente se niegan a cargar en esa condición, lo que protege la batería pero deja la carga extrayendo energía de un paquete que ya no se está reponiendo.

¿Cuál es la diferencia entre temperatura de funcionamiento y temperatura de carga?

La temperatura de funcionamiento es el rango ambiental en el que el equipo puede instalarse y funcionar. La temperatura de carga es el rango más estrecho en el que la batería puede aceptar corriente, y para la mayoría de las químicas de litio se detiene en o cerca de 0 °C. Un sistema clasificado para −25 °C de funcionamiento puede solo poder cargarse por encima de 0 °C, que es la brecha de especificación que causa fallos en invierno.

¿Es el plomo-ácido mejor que el litio para sitios fríos?

Tiene una ventaja — aceptará carga por debajo de cero grados — pero pierde una gran parte de su capacidad útil en el frío y ofrece una vida útil mucho más corta. Para la mayoría de las aplicaciones de monitorización remota, el LiFePO4 con un calentador o una variante para baja temperatura es la mejor respuesta a nivel de sistema. El plomo-ácido puede tener sentido donde el sitio solo está ocasionalmente por debajo de cero y el intervalo de reemplazo es aceptable.

¿Debo usar una batería más grande o una placa más grande para el invierno?

Generalmente la placa. Una batería más grande almacena más energía pero no genera ninguna, y en el frío tampoco puede recargarse durante las pocas horas útiles. La capacidad extra del campo fotovoltaico convierte esas horas en carga de manera más efectiva. La capacidad de la batería debe dimensionarse para la autonomía, no usarse como sustituto de la generación invernal.

¿Importa tanto la inclinación de la placa en invierno?

Sí, por dos razones. Una inclinación más pronunciada captura más del bajo sol invernal, y desprende la nieve mucho mejor que una con poca inclinación. Establecer la inclinación para el peor mes en lugar del óptimo anual cuesta producción de verano que ya tiene en exceso y compra producción en el mes que decide si la estación sobrevive.