Napätie batérie solárnych pouličných svetiel: Aký je rozdiel medzi 3,2 V a 12,8 V?

 

Pri inžinierskom návrhu osvetlenia mestských ciest a systémov akumulácie solárnej energie mimo siete je definovanie prevádzkového napätia systému jedným z dôležitých východiskových bodov pre vývoj elektrického návrhu. Tento článok porovnáva napätie batérie solárneho pouličného osvetlenia triedy 3,2 V, 12,8 V a 24 V vrátane strát v kabeláži, požiadaviek BMS a faktorov výberu projektu.

 

V trhovej komunikácii sú aplikácie systémov triedy 3,2 V, 12,8 V a 24 V niekedy zmätené. Ak sa 3,2V batériový systém určený na nízkoenergetické osvetlenie záhrady alebo chodníka použije priamo v projekte mestského cestného osvetlenia s dĺžkou 8–12 m bez kontroly skutočného zaťaženia, konštrukcie meniča, prierezu vodiča a dĺžky kábla, môže to zvýšiť riziko poklesu napätia, tvorby tepla a nedostatočného osvetlenia a môže to mať vplyv aj na dlhodobú spoľahlivosť systému.

 

1. Elektrické princípy: Ako prevádzkové napätie ovplyvňuje straty v systéme

Pri prenose jednosmerného prúdu sú straty vo vedení spojené s druhou mocninou prúdu a odporu vodiča. Za ideálnych podmienok porovnávania - s rovnakým zaťažovacím výkonom a odporom vodiča a bez zohľadnenia rozdielov v účinnosti medzi schémami premeny výkonu - zdvojnásobenie prevádzkového napätia zníži prúd približne na polovicu a odporové straty v drôte približne na jednu štvrtinu. V reálnom systéme je potrebné vziať do úvahy aj faktory, ako je rozsah napätia batérie, konverzia DC-DC, účinnosť regulátora, plocha prierezu vodiča a prechodový odpor.

 

Nasledujúci príklad ilustruje typický scenár mestského osvetlenia:

 

Predpokladajme skutočný výkon svietidla 80 W a výšku stĺpa 10 m. Celková dĺžka káblového okruhu vrátane výsuvného ramena a podzemného kábla je približne 15 m. Toto je zjednodušená analýza; skutočné projekty by sa mali vypočítať na základe okruhu systému a nameraných parametrov.

 

 

So systémom 3,2V nízkonapäťovej batérie:

V ideálnom odhade, ktorý predpokladá priame napájanie 3,2 V a vylučuje zosilnenú konverziu, by záťaž 80 W odobrala približne 25 A, čo je relatívne veľa. Ak nie je vhodná plocha prierezu vodiča, dĺžka kábla alebo návrh pripojenia, môže dôjsť k znateľným stratám vo vedení, poklesu napätia a zvýšeniu teploty, čo môže mať vplyv na výkon dodávaný do svietidla. V praxi môžu solárne pouličné svetlá poháňať LED diódy cez zosilňovací konvertor alebo inú metódu premeny energie. Preto samotné menovité napätie batérie nemôže určiť, či bude svietidlo správne fungovať; musí sa tiež skontrolovať topológia regulátora, účinnosť konverzie, prierez vodiča a návrh ochrany.

 

So systémom batérie triedy 12V:

Pri rovnakom výkone a ignorovaní strát pri konverzii je odhadovaný prúd približne 6,7A, čo je menej ako odhad pre priame napájanie 3,2V. Správne navrhnuté zapojenie a vhodný regulátor môžu pomôcť znížiť straty vo vedení a nárast teploty. Skutočný výkon stále závisí od prevádzkového napätia batérie, konverzného obvodu, kabeláže a parametrov záťaže.

 

So systémom batérie triedy 24V:

Pri rovnakých ideálnych predpokladoch je prúd približne polovičný ako v systéme triedy 12V, čo môže ďalej znížiť straty v odporovom vedení. Pri projektoch s dlhšími káblami alebo väčším zaťažením môže vyššie napätie batérie pomôcť kontrolovať straty vo vedení. Návrh však musí zohľadňovať aj účinnosť regulátora, požiadavky na izoláciu a ochranu, náklady a podmienky údržby.

 

Technický záver: Pri projektoch s vyšším skutočným výkonom, vyššími stĺpmi alebo dlhšími káblovými trasami by sa vhodnosť 3,2 V systému nemala posudzovať iba podľa výkonu alebo výšky stĺpa. Mala by sa vyhodnotiť topológia napájania, prúd a pokles napätia vo vedení, schopnosť regulátora, požiadavky na osvetlenie a elektrická ochrana. Ak projekt používa systém triedy 12V alebo 24V, jeho konfigurácia by mala byť tiež potvrdená vzhľadom na zaťaženie a podmienky na mieste.

 

2. Komplexné porovnanie kľúčových parametrov troch typov systémov

Nižšie uvedená tabuľka poskytuje predbežný odkaz na bežné konfigurácie a aplikácie. Nie je to pevne stanovený súbor limitov výberu pre každý projekt. Napätie batérie solárneho pouličného osvetlenia, napätie solárneho panela a prevádzkové napätie svietidla sa môžu líšiť; aktuálnu konfiguráciu nájdete v schéme zapojenia systému, špecifikáciách regulátora a projektových výpočtoch.

 

3. Ako systém správy batérií a kvalita článkov ovplyvňujú výkon systému

V systémoch s viacerými sériami (trieda 12 V a trieda 24 V) závisí životnosť nielen od výkonu článku, ale aj od konzistencie článku, zostavy balenia, dizajnu BMS, teploty a stratégií nabíjania a vybíjania.

 

Nevyváženosť článkov a rozdiely medzi jednotlivými článkami: Ak sa články v sériovo zapojenej batériovej súprave výrazne líšia v stave, ich stav nabitia alebo napätia môže byť časom nevyvážený. Používanie buniek s nekonzistentným pôvodom, zdravotným stavom alebo úrovňami degradácie môže zvýšiť riziko nerovnováhy balenia. V niektorých prípadoch môže jeden článok spustiť ochranu predčasne, čím sa zníži využiteľná kapacita celého balenia alebo sa svetlá vypnú skôr, ako sa očakávalo. Pri nákupe je vhodné skontrolovať sledovateľnosť buniek, záznamy o triedení a párovaní a či BMS poskytuje vhodné monitorovacie a ochranné funkcie.

 

Odporúčané opatrenia na kontrolu kvality na výrobnej úrovni: Pre priemyselné batériové systémy môžu byť v technických špecifikáciách a akceptačných kritériách špecifikované nasledujúce požiadavky a následne overené prostredníctvom dokumentácie alebo kontroly vzoriek:

 

• Uprednostnite nové bunky s vysledovateľným pôvodom. Špecifikácie životnosti cyklu by mali uvádzať skúšobné podmienky, rýchlosť nabíjania a vybíjania, teplotu a kritériá zachovania kapacity. Napríklad niektoré produkty môžu dosiahnuť 3 500 cyklov alebo viac za špecifikovaných testovacích podmienok; skutočná životnosť závisí od operačného prostredia a stratégie používania.

 

• Pred montážou balenia skontrolujte požiadavky na testovanie a párovanie článkov vrátane kapacity, napätia naprázdno a vnútorného odporu. V prípade potreby si od dodávateľa vyžiadajte podporné záznamy.

 

• V závislosti od požiadaviek projektu môžu byť batériové moduly vybavené systémom BMS, ktorý poskytuje ochranu proti nadprúdu, prebitiu, nadmernému vybitiu, skratu a teplote. Vhodný BMS môže pomôcť znížiť riziko abnormálnej prevádzky, ale nenahrádza kontrolu kvality článkov, správny návrh systému, inštaláciu alebo údržbu.

 

 

4. Komplexný výber a návrhové kalkulácie pre komunálne projekty

Pri vývoji elektrického návrhu pre solárne pouličné osvetlenie môžu dizajnéri a projektoví manažéri EPC postupovať podľa týchto krokov:

 

Krok 1: Určite požadované osvetlenie vozovky a skutočnú nočnú spotrebu energie

Odhadnite výstupnú energiu batérie na celú noc (Wh) vynásobením skutočného príkonu svietidla jeho prevádzkovým časom počas každého obdobia, pričom zohľadnite spotrebu energie po inteligentnom stmievaní neskôr v noci. Zvážte aj straty vo fázach regulátora a konverzie energie a overte požadovanú dobu autonómie pre projekt.

 

Krok 2: Vykonajte predbežné posúdenie napätia systému na základe výšky stĺpa, skutočného výkonu a podmienok zapojenia

• Pre záťaže pod 35W a výšku stĺpov do 6 m je možné zvážiť kompaktný 3,2V systém. Skontrolujte špičkový prúd, dĺžku kábla, prierez vodiča a schému konverzie.

 

• Pre záťaže 40 – 80 W a výšku stĺpov 6 – 9 m možno uvažovať o systéme triedy 12 V, ktorý podlieha overeniu vzhľadom na skutočné zaťaženie a pokles napätia v sieti.

 

• Pre záťaže 80–150 W alebo vyššie alebo výšky stĺpov nad 9 m možno ako jednu z možností zvážiť systém triedy 24 V. Porovnajte to so špecifikáciami projektu, požiadavkami na riadenie a správu batérie, poklesom napätia v sieti a nákladmi na životný cyklus.

 

Krok 3: Určite špecifikácie solárnych panelov na základe nižšej zimnej dostupnosti solárnej energie

Na výpočet požadovaného špičkového výkonu solárnych panelov použite efektívne solárne hodiny miesta projektu, sezónne odchýlky, podmienky inštalácie panelov a účinnosť konverzie nabíjania. Skontrolujte tiež energetickú bilanciu systému počas po sebe nasledujúcich zamračených alebo daždivých dní.

 

Krok 4: Vyberte stĺp z konštrukčnej ocele na základe zaťaženia vetrom a podmienok na mieste

V závislosti od konštrukčných požiadaviek je možné zvážiť akosti ocele ako Q235B alebo Q355. Overte ochranu proti korózii podľa platných noriem pre žiarové zinkovanie a projektových výkresov. Hrúbka zinkovej vrstvy by mala byť určená podľa komponentu, platných noriem a projektových špecifikácií. Ak je špecifikovaná hodnota ako 86 μm, jej základ by sa mal jasne uviesť a overiť pri preberacej kontrole.

 

Záver

V systémoch solárneho osvetlenia mimo siete je výber napätia batérie solárneho pouličného osvetlenia viac než len porovnávanie špecifikácií; ovplyvňuje aj straty vo vedení, konfiguráciu regulátora a batérie, údržbu a prevádzkovú spoľahlivosť. Systém by sa mal vybrať pomocou výpočtu a overenia na základe skutočného zaťaženia, podmienok na mieste, topológie systému a platných noriem – nielen na základe nominálneho napätia batérie, výšky stĺpa alebo jedného prahu výkonu.