Солнечное питание для метеостанций и систем IoT-мониторинга: панели, батареи, PWM, MPPT и автономность

Наружные метеостанции на солнечной энергии и системы мониторинга Интернета вещей не могут просто посмотреть, «сколько датчиков» или напрямую применить фиксированную комбинацию. Надежное решение должно начинаться с энергопотребления всей машины и определять количество последовательных дождливых дней для солнечной панели, аккумулятора, контроллера зарядки и желаемой поддержки, принимая во внимание местное солнечное освещение, температуру, частоту связи и техническое обслуживание.

Из чего обычно состоит система, работающая на солнечной энергии?

Автономные системы мониторинга обычно состоят из солнечных панелей, контроллеров зарядки, аккумуляторных батарей и необходимых устройств распределения и защиты энергии. Солнечные панели генерируют электроэнергию в течение дня, контроллеры управляют зарядкой и разрядкой, а батареи обеспечивают электроэнергию ночью и в дождливую погоду. Емкость системы должна меняться в зависимости от потребляемой мощности нагрузки и целевого срока службы, а не только от количества датчиков.

Шаг 1. Подсчитайте, сколько электроэнергии потребляет вся система в день.

Перечислите все нагрузки, такие как датчики, устройства сбора данных, модули 4G/Wi-Fi, дисплеи, реле, нагреватели и т. д., и различайте постоянное и прерывистое энергопотребление. Среднее энергопотребление модуля 4G может быть и невелико, но при отправке данных оно достигнет пика; нагрев дождемера, камеры или большого экрана может значительно увеличить энергопотребление системы.

Суточные потребности в энергии можно оценить как «средняя мощность × 24 часа». Например, среднее энергопотребление всей машины составляет 2,5 Вт, а в день она потребляет около 60 Втч. Если для сбора и загрузки используется прерывистая работа, ее также следует рассчитывать в соответствии с фактическим рабочим циклом каждого оборудования, а не просто суммировать всю номинальную мощность.

Шаг 2: Какой тип солнечной панели выбрать

Обычные фотоэлектрические панели включают монокристаллический кремний, поликристаллический кремний и тонкие пленки. Монокристаллические кремниевые панели часто более распространены, поскольку они имеют более высокую эффективность преобразования на единицу площади для оборудования с ограниченными площадями установки, такого как метеостанции, системы мониторинга сельскохозяйственных угодий и гидрологические станции. Солнечные панели NiuBoL из монокристаллического кремния используются в различных схемах наружного мониторинга и имеют мощность 60 Вт, 100 Вт или выше в зависимости от потребляемой мощности.

Мощность платы не может быть просто «чуть больше нагрузки». Солнечные панели должны выдерживать дневную нагрузку в течение ограниченного эффективного солнечного времени, восполняя при этом электроэнергию, потребляемую ночью и в дождливые периоды. При выборе моделей также следует учитывать пыль, температуру, угол установки, сезонные изменения и потери из-за старения.

Шаг 3: Как выбрать тип и емкость аккумулятора

Обычное хранилище энергии для наружного мониторинга включает литиевые батареи, такие как литий-железо-фосфатные, другие перезаряжаемые литиевые батареи и коллоидные свинцово-кислотные батареи VRLA. Литиевые батареи обычно имеют меньший вес, большую полезную глубину разряда и больший срок службы; Свинцово-кислотные или коллоидные батареи являются более совершенными по стоимости и поставке, но имеют больший вес, что позволяет рассматривать глубину разряда и низкотемпературные характеристики отдельно.

Емкость аккумулятора можно оценить по формуле «дневное энергопотребление × целевое количество дней без солнечного света», а затем преобразовать в Ач в соответствии с напряжением системы, оставляя место для глубины разряда, низкой температуры, старения и потерь преобразования. Например, система потребляет 60 Втч в день, рассчитывая выдержать 5 дней работы без солнечного света, теоретическая потребность в накоплении энергии составляет около 300 Втч; преобразовано примерно в 25 Ач в соответствии с системой 12 В, фактический выбор обычно требует увеличения запаса емкости.

Шаг 4. В чем разница между контроллерами PWM и MPPT

PWM-контроллер имеет простую структуру и низкую стоимость, что подходит для сценариев, где низкая мощность, рабочее напряжение солнечной панели и аккумуляторная система хорошо сочетаются. Контроллер MPPT динамически находит точку максимальной мощности солнечной панели и более эффективно преобразует более высокое напряжение на стороне платы в ток зарядки аккумулятора, что более выгодно, когда освещение сильно меняется, запас напряжения на стороне платы высок, емкость системы велика или использование зарядки более важно.

Конфигурации мониторинга NiuBoL на солнечной энергии могут использовать контроллеры PWM или MPPT. Многие системы мониторинга окружающей среды и автоматические метеостанции используют MPPT с перезаряжаемыми литиевыми батареями; конкретный выбор должен по-прежнему соответствовать солнечной панели, напряжению батареи и потребляемой мощности нагрузки.

Шаг 5. Рассчитайте мощность солнечной панели по местному солнечному свету.

Если предположить, что система потребляет 60 Втч в день, а эквивалентное пиковое солнечное освещение составляет всего 3 часа в день в местный плохой сезон, теоретическая мощность платы составит около 60 ÷ 3 ÷ 0,75 ≈ 27 Вт, если рассчитывать на основе полной эффективности зарядки 75%. Реальная работа также оставляет запас на потери зарядки, загрязнение панели, ориентацию и сезонность после продолжительных дождей, поэтому ее обычно не настраивают на теоретический минимум.

Как следует понимать распространенные конфигурации NiuBoL?

Солнечные панели мощностью 60 Вт + батареи 30 Ач, 100 Вт + 40/60 Ач, а также более крупные комбинации мощности и емкости можно увидеть в реальной системе мониторинга погоды и окружающей среды NiuBoL. 60 Вт + 30 Ач — одна из распространенных конфигураций метеостанций малой мощности; В последних корпусах модульных метеостанций на официальном сайте используются панели мощностью 60 Вт, контроллеры и литиевые батареи емкостью 30 Ач. Конфигурации большего размера, такие как 200 Вт/120 Ач, подходят для более высоких нагрузок или более длительного срока службы без солнечного света.

Эти комбинации можно использовать только в качестве инженерных ссылок. Что действительно влияет на выносливость, так это среднее энергопотребление всей машины, частота загрузки данных, местные солнечные ресурсы, температура батареи и степень старения. Для тех же 60 Вт/30 Ач фактическое время автономной работы может существенно отличаться в системе, которая загружает данные раз в час и подключается непрерывно в течение 1 минуты.

Почему солнечные панели на 18 В иногда измеряют напряжение всего 6–7 В?

«18 В» обычно указывает на номинальное рабочее напряжение или уровень соответствия системы в конкретных условиях испытаний и не означает стабильное выходное напряжение 18,00 В в любое время. Пасмурная погода, окклюзия, ошибочные точки измерения, загруженные условия, плохой контакт или способ работы контроллера могут изменить показания мультиметра.

Если напряжение на нижнем конце пластины в правильной точке измерения в течение длительного времени в солнечный день без окклюзии все еще значительно ниже расчетного значения, проверьте полярность, разъемы, кабели и корпус солнечной панели. Повреждение солнечной панели невозможно оценить на основе одного измерения при слабом освещении.

Почему батареи 12 В не всегда имеют напряжение 12,00 В

12 В — номинальное напряжение аккумуляторной системы. Фактическое напряжение на клеммах зависит от химического состава батареи, состояния заряда, тока заряда и разряда, а также температуры. Напряжения зарядки, покоя и нагрузки различаются, поэтому напряжения зарядки 11,7 В, 12,2 В, 12,4 В или выше необходимо оценивать в сочетании с типом батареи и рабочим состоянием.

Четыре вещи, которые легко игнорировать при выборе сайта

• Частота связи: энергопотребление сети 4G, постоянно подключенной к сети и регулярно сообщаемой на низких частотах, сильно варьируется.
• Нагревательная нагрузка: подогрев от дождя, противоконденсационный обогрев и т. д. могут быть намного выше, чем энергопотребление обычных датчиков.
• Ветровые нагрузки при установке: Чем больше солнечные панели, тем выше ветровая нагрузка на стойки и кронштейны.
• Обслуживание и транспортировка аккумуляторов. Различные типы аккумуляторов предъявляют разные требования к воздушной транспортировке, криогенной транспортировке и замене на месте.

Как работают конфигурации NiuBoL с солнечными батареями

Автоматическая метеостанция NiuBoL и интеллектуальная станция мониторинга окружающей среды могут использовать автономную систему электропитания, состоящую из солнечных панелей, контроллеров зарядки и аккумуляторных батарей. Для конфигурации проекта его можно пересчитать в зависимости от количества датчиков, периода сбора данных, метода связи и целевой устойчивости к дождю.

Соответствующие системы могут относиться к сельскохозяйственной автоматической метеостанции NiuBoL и решениям автоматической метеостанции NiuBoL.

FAQ

В1: Сколько дней может работать солнечная панель мощностью 60 Вт с аккумулятором емкостью 30 Ач?

A1: Однозначного ответа на вопрос о разгрузке нет. Некоторые маломощные метеостанции NiuBoL обычно имеют мощность 60 Вт/30 Ач, а фактическая продолжительность дождя зависит от общего энергопотребления, частоты загрузки, температуры, состояния батареи и местного солнечного света.

Вопрос 2: Солнечные панели большего размера лучше?

О2: Нет. Увеличение мощности увеличивает зарядную емкость, но также увеличивает стоимость, вес, ветровую нагрузку и требования к монтажной конструкции и должно соответствовать аккумулятору, контроллеру и фактической нагрузке.

Вопрос 3: Когда следует выбирать MPPT?

A3: MPPT обычно более подходит, когда емкость системы велика, солнечный свет значительно меняется, напряжение на плате выше, чем у аккумуляторной системы, или когда вы хотите улучшить использование энергии при ограниченном солнечном свете.

В4: Как выбрать между литиевыми батареями и свинцово-кислотными/коллоидными батареями?

A4: Необходимо сравнить вес, срок службы, доступную глубину разряда, криогенные характеристики, ограничения на транспортировку, условия технического обслуживания и затраты. Ни одна из батарей не подходит для всех проектов на открытом воздухе.

В5: Может ли дождемер с подогревом использовать обычную небольшую солнечную энергию?

А5: Требуется перерасчет. Потребляемая мощность нагревателя часто намного выше, чем у типичных датчиков, и может потребовать значительного увеличения емкости солнечной панели и аккумулятора или даже сетевого или гибридного источника питания.