Solcellssystem som klarar vintrar under noll grader

Vintern tar kål på fler fjärrövervakningsstationer än vind, vatten eller vandalism, och vanligtvis sker det genom en mekanism som köparen inte visste att den hade köpt. Den här artikeln handlar om den mekanismen och om de specifikationsval som undviker den.

De två temperaturerna och varför skillnaden spelar roll

Nästan alla datablad för integrerade solenergisystem anger ett drifttemperaturintervall. Många anger också ett laddnings- eller laddnings-/urladdningsintervall, i mindre text längre ned. Det är olika specifikationer som beskriver olika saker, och det är den andra som avgör om stationen överlever.

Att ladda en litiumcell under fryspunkten orsakar litiumplätering på anoden, vilket permanent minskar kapaciteten och skapar en säkerhetsrisk. En laddningsregulator som vägrar ladda i kyla gör sitt jobb. Designfelet finns tidigare i kedjan, där någon antog att ett driftintervall också innebar ett laddningsintervall.

Vad som faktiskt händer med ett batteri i kyla

• Förseglat blybatteri förlorar en stor del av sin användbara kapacitet under fryspunkten – ofta anges omkring 30–50 % vid och under 0 °C. Det kan ta emot laddning i kyla, vilket är dess enda fördel här, men kapaciteten som dimensioneringen baserades på är inte den kapacitet du faktiskt har.
• LiFePO4 behåller betydligt mer av sin kapacitet i kyla, vanligtvis 70–80 % vid −20 °C under urladdning, och erbjuder mycket bättre cykellivslängd. Begränsningen är laddningsfönstret: utan värmare eller en specialbyggd lågtemperaturvariant bör det inte laddas under 0 °C.
• Litium med ternär kemi (NMC) beter sig i stort sett likadant vid laddning. Valet av kemi påverkar urladdningsprestanda och cykellivslängd mer än det påverkar laddningsgränsen vid fryspunktstemperaturer.

Kemijämförelser med avseende på cykellivslängd och temperatur behandlas mer ingående i våra anteckningar om batterikemi för fjärrövervakning, och beräkningarna av nedgradering specifikt för ledningsövervakningsplatser finns i våra fältanteckningar om batterier för ledningsövervakning i kallt klimat.

Vintern är inte ett problem, utan fyra

1. Färre soltimmar med toppeffekt. Det uppenbara, och det enda som de flesta dimensioneringar tar hänsyn till. På höga breddgrader kan den sämsta månaden vara en bråkdel av årsgenomsnittet.
2. Lägre solhöjd. En panel med en lutning optimerad för sommaren är felriktad i december. En brantare vinterlutning kostar sommarproduktion som du ändå har i överskott, och ger produktion under den månad som avgör dimensioneringen.
3. Snötäcke. En panel som täcks av snö producerar ingenting. En brantare lutning gör att snön lättare glider av; en panel med liten lutning kan förbli täckt i flera dagar efter ett snöfall.
4. Laddningsfönstret. Det som beskrevs ovan och som förvandlar en marginell konstruktion till en död station i stället för en långsam.

Fyra sätt att utforma systemet för att hantera det

1. Öka lutningen

Ställ in lutningen efter den värsta månaden i stället för det årliga optimumet. Det fångar mer av den lågt stående vintersolen och gör att snön lättare glider av. På en övervakningsstation är sommaröverskott värdelöst — dimensioneringsfallet är den månad då stationen kan dö.

2. Överdimensionera arrayen i stället för batteriet

Ett större batteri lagrar mer energi men genererar ingen, och i kyla kan det dessutom inte laddas under de timmar som spelar roll. Extra arraykapacitet omvandlar de få användbara vintertimmarna till laddning effektivare än extra lagringskapacitet.

3. Specificera ett uppvärmt batteri eller ett batteri för låga temperaturer

Batteripaket med integrerat stöd för laddning vid låga temperaturer drar en liten mängd ström för att värma cellerna innan de tar emot laddning. Detta kostar energi som måste finnas med i budgeten och är rätt lösning för platser som faktiskt håller sig under fryspunkten under längre perioder, snarare än bara tillfälligt.

4. Minska belastningen under säsongen

Om applikationen tillåter det är minskad rapporteringsfrekvens på vintern den billigaste kapacitet du någonsin kommer att köpa. En station som rapporterar varje timme i stället för var femtonde minut under januari kan vara helt acceptabel ur driftsynpunkt, och det förändrar dimensioneringsfallet fullständigt. Detta är ett firmwarebeslut med en effekt på hårdvarudimensioneringen.

Fältdetaljer som avgör en vinter

• Snöavrinning avgörs vid monteringen. Lutning, panelens yta och avståndet under modulen påverkar alla om snön glider av eller ligger kvar. En panel som monterats plant mot en konstruktion utan mellanrum håller kvar snön längst.
• Kondens är värre på vintern. Ett förseglat hölje som utsätts för stora dagliga temperatursvängningar pumpar in fuktig luft och kondenserar den inuti. En andningsbar ventilplugg med IP-klassning är en liten komponent som förhindrar ett vanligt fel.
• Förändrat beteende hos kablar och kontakter. Kabeln blir styvare och lättare att skada under ett servicebesök i kallt väder. Lämna serviceloopar och hantera kabeldragningen varsamt vid låga temperaturer.
• Åtkomsten är säsongsbunden. På många nordliga platser kan ett fel i januari inte åtgärdas förrän i mars. Den verkligheten, mer än något datablad, är argumentet för säkerhetsmarginal.
• Viltkameror och kameror för vandringsleder har sitt eget mönster. Batteriurladdning i skogen under vintern är ett väl dokumenterat felbeteende; våra anteckningar om dimensionering av batterier för viltkameror behandlar kombinationen av trädkronor och kyla.

Frågor att ställa till en leverantör innan beställning för en kall plats

1. Vilket är laddningstemperaturintervallet, separat från driftintervallet? Om endast ett tal anges, be skriftligen om det andra.
2. Har batteriet stöd för laddning vid låg temperatur, och hur mycket energi förbrukar det i så fall?
3. Vilken batterikemi används, och vilken är den nominella kapaciteten vid −20 °C i stället för vid 25 °C?
4. Finns en lågtemperaturvariant tillgänglig, och vad skiljer den specifikt från standardvarianten?
5. Vilken lutning kan monteringsdetaljerna justeras till, och kan de ställas in för vintern i stället för årsoptimum?
6. Vilket är frånkopplingsvärdet vid låg spänning, och kan det konfigureras?

En leverantör som besvarar den första frågan med ett enda tal har inte tänkt igenom er plats. Det är ett användbart urvalskriterium tidigt i en inköpsdialog.

Där LinkSolar passar in

Vi levererar kraftförsörjningslagret — panel, batteri, styrenhet, kapsling och monteringsdetaljer — dimensionerat för den årstid som faktiskt utgör ett hot mot stationen, snarare än för ett årsgenomsnitt. För projekt på kalla platser innebär det att vi frågar om laddningsintervallet innan vi lämnar offert, och att vi tydligt säger till om en standardkonfiguration är fel för er latitud.

• Lågtemperaturvarianter finns tillgängliga där platsen faktiskt kräver det, och specificeras i stället för att antas.
• Anpassad elektrisk specifikation: panelspänningar från 3 V till 48 V, konfigurerbart frånkopplingsvärde och utgångar med flera spänningsskenor.
• Prover inom 7–14 dagar för anpassade minipaneler; leveranstider för integrerade system bekräftas vid offert.
• Minsta beställningskvantitet från 5, så att en vinter kan utvärderas i ett pilotprojekt innan en nätverksorder läggs.
• Komponenter från partnerfabriker som är certifierade enligt ISO 9001, CE och RoHS, med QC-dokumentation före leverans för varje batch.

Vanliga frågor

Kan litiumbatterier laddas under fryspunkten?

Inte utan en värmare eller en kemi som är särskilt klassad för det. Om en standardlitiumcell laddas under 0 °C uppstår litiumutfällning på anoden, vilket permanent minskar kapaciteten och skapar en säkerhetsrisk. Laddningsregulatorer vägrar korrekt att ladda under dessa förhållanden, vilket skyddar batteriet men lämnar lasten att ta ström från ett batteripack som inte längre fylls på.

Vad är skillnaden mellan drifttemperatur och laddningstemperatur?

Drifttemperatur är det omgivningstemperaturintervall inom vilket utrustningen kan installeras och användas. Laddningstemperatur är det snävare intervall inom vilket batteriet kan ta emot ström, och för de flesta litiumkemier upphör detta vid eller nära 0 °C. Ett system som är klassat för drift vid −25 °C kanske bara kan laddas över 0 °C, vilket är specifikationsgapet som orsakar vinterfel.

Är blybatterier bättre än litium för kalla platser?

Det har en fördel – det kan ta emot laddning under fryspunkten – men förlorar en stor del av sin användbara kapacitet i kyla och har en betydligt kortare livslängd i antal cykler. För de flesta tillämpningar med fjärrövervakning är LiFePO4 med antingen värmare eller lågtemperaturvariant det bättre systemalternativet. Blybatterier kan vara lämpliga när platsen bara tillfälligt ligger under fryspunkten och bytesintervallet är acceptabelt.

Bör jag använda ett större batteri eller en större panel för vintern?

Vanligtvis panelen. Ett större batteri lagrar mer energi men genererar ingen, och i kyla kan det inte heller laddas under de få användbara timmarna. Extra panelkapacitet omvandlar dessa timmar till laddning mer effektivt. Batterikapaciteten bör dimensioneras för autonomi och inte användas som ersättning för vinterproduktion.

Spelar panelens lutning verkligen så stor roll på vintern?

Ja, av två skäl. En brantare lutning fångar mer av den lågt stående vintersolen och avleder snö betydligt bättre än en flack lutning. Om lutningen anpassas efter den värsta månaden i stället för det årliga optimumet förlorar du sommarproduktion som du redan har ett överskott av, men vinner produktion under den månad som avgör om stationen klarar sig.