Почему некоторые модели солнечных фонарей для столбов перестают работать после одного зимнего сезона?

Как низкие температуры снижают ёмкость аккумулятора до 50%

Когда на улице становится очень холодно, солнечные фонари работают хуже, потому что химические реакции внутри аккумуляторов значительно замедляются. Аккумуляторы на основе литий-ионов особенно страдают при температуре ниже нуля градусов Цельсия. Приблизительно при минус 20 градусах такие аккумуляторы могут потерять от 40 до 50 процентов своей обычной ёмкости. Причина в том, что электролит внутри становится более вязким, и ионам сложнее перемещаться между электродами. В результате аккумулятор вынужден работать намного интенсивнее обычного, что приводит к более быстрому износу и сокращает срок его службы. Возьмём типичный солнечный фонарь, рассчитанный на 12 часов работы при комнатной температуре. В условиях сильного мороза большинство пользователей обнаруживают, что их фонари работают всего около 6–7 часов, после чего требуют повторной зарядки.

Литий-ионные и LiFePO4 аккумуляторы в условиях ниже нуля: сравнение производительности

Хотя оба типа аккумуляторов теряют эффективность в холодном климате, LiFePO4 (литий-железо-фосфат) работает лучше, чем стандартные модели литий-ионных аккумуляторов:

Аккумуляторы LiFePO4 также допускают более глубокую разрядку и лучше устойчивы к коррозии, что делает их на 72% менее подверженными выходу из строя после сезонных колебаний температур по сравнению с литий-ионными аналогами.

Вышедшие из строя или повреждённые коррозией аккумуляторы как основная причина неисправности системы

Около двух третей проблем с батареями зимой в солнечных фонарях возникают из-за попадания влаги внутрь и постоянных циклов замораживания-оттаивания, которые так раздражают. Что именно происходит не так? Пары воды со временем вызывают коррозию контактов. Иногда батареи раздуваются, когда внутри повреждённых корпусов образуется лёд. Также существует проблема потери способности батарей удерживать заряд при многократной недозарядке в холодный период. Хорошая новость заключается в том, что использование более герметичных корпусов и нанесение защитного покрытия от ржавчины могут значительно продлить срок службы батарей. Полевые испытания показывают, что обработанные таким образом батареи сохраняют работоспособность на полтора–два года дольше в суровых зимних условиях.

Снижение интенсивности солнечного света и эффективности солнечных панелей зимой

Более короткий световой день и слабое солнечное освещение, ограничивающие циклы зарядки

Когда наступает зима, всем известно, что дни становятся всё короче и короче. Количество солнечного света значительно сокращается — на треть или даже на половину по сравнению с летним периодом. Для уличных фонарей на солнечных батареях, установленных в более северных районах, доступное время эффективного солнечного света может составлять всего четыре-пять часов в день. Это означает, что аккумуляторы внутри таких фонарей разряжаются быстрее, чем это предусмотрено их конструкцией. Со временем это приводит к проблемам с зарядкой, в результате чего аккумуляторы изнашиваются намного раньше ожидаемого срока. Вскоре люди начинают сталкиваться с выходом фонарей из строя тогда, когда этого ещё не должно происходить.

Накопление снега, грязи и снижение эффективности солнечных панелей

Когда снег оседает на солнечных панелях, это может снизить их эффективность наполовину или полностью остановить работу до тех пор, пока его не удалят. Зимние бури также оставляют после себя грязь и ледяной наледь, которые блокируют примерно от одной пятой до четверти солнечных лучей, достигающих панелей. Замерзшие отложения прилипают к панелям намного сильнее, чем обычная пыль, поэтому для их очистки требуется специальное оборудование, чтобы не допустить появления мелких трещин в этих дорогостоящих солнечных элементах. Солнечные установки, расположенные под углом около 45–60 градусов, лучше сбрасывают снег по сравнению с панелями, установленными горизонтально на крышах, особенно если они не закреплены металлическими опорами. Такой наклон имеет решающее значение для поддержания выработки энергии в холодные месяцы.

Неправильная ориентация панелей (не на юг) и проблемы с затенением в зависимости от времени года

Солнечные панели, установленные на восточных или западных стенах, как правило, вырабатывают на 18–27 процентов меньше энергии в зимние месяцы по сравнению с панелями, ориентированными на юг, которые лучше улавливают зимнее солнце, расположенное под низким углом. Проблема усугубляется также сезонными изменениями. Хвойные деревья, которые так красиво смотрятся на наших участках, отбрасывают гораздо более длинные тени зимой, поскольку солнце находится примерно на 40 градусов ниже над горизонтом по сравнению с летним периодом. И это имеет большое значение. Согласно исследованию, проведённому в прошлом году, примерно две трети всех солнечных систем, некорректно работавших зимой, имели панели, заблокированные чем-либо как минимум на три полных часа каждый день. Такого рода препятствия значительно снижают ожидаемую отдачу от инвестиций домовладельцев.

Проникновение воды, отказы герметизации и недостаточная устойчивость к погодным условиям

Проникновение влаги из-за недостаточного класса защиты IP и дефектов герметизации

Солнечные уличные фонари должны иметь хорошую герметизацию, чтобы выдерживать все сезонные изменения, которые происходят в течение года. Любые устройства с рейтингом ниже IP65 не подходят для наружного использования, поскольку они подвержены попаданию влаги через зазоры, кабели, входящие и выходящие соединения, или изношенные уплотнения. Согласно отраслевой проверке за прошлый год, примерно у шести из десяти вышедших из строя солнечных фонарей наблюдались проблемы с образованием ржавчины в местах соединений или расширением аккумуляторов из-за внутренней влажности. При этом перепады температур не всегда значительны — колебания всего в 15 градусов от дня к ночи могут вызвать конденсацию через микроскопические утечки, ускоряя коррозию металла. Что происходит дальше? Фонари начинают работать с перебоями или полностью перестают функционировать спустя 8–12 месяцев после начала эксплуатации в зимних условиях.

Механические повреждения от снеговой нагрузки, расширения льда и экстремальных погодных условий

Зимние бури создают дополнительную нагрузку на конструкции солнечных фонарей. Когда снег накапливается более чем по 30 фунтов на квадратный дюйм, он начинает гнуть алюминиевые крепёжные скобы. А не говоря уже о льде, расширяющемся внутри трещин корпуса — это создаёт давление около 2000 psi, которое может привести к растрескиванию прозрачных пластиковых линз. Постоянный цикл замораживания и оттаивания также изнашивает силиконовые уплотнения, позволяя попадать туда дорожной соли и талой воды, куда им не следует. Солнечные фонари без надлежащей защиты ото льда или прочного ветрового крепления, как правило, выходят из строя примерно в три раза быстрее в регионах, где температура остаётся ниже точки замерзания в течение нескольких недель подряд. И когда резко ударяет мороз, металлические детали настолько сильно сжимаются, что паяные соединения на печатных платах просто обламываются. Большинство людей не замечают этой проблемы, пока не проводят плановую проверку весной, когда внезапно всё перестаёт работать.

Качество компонентов, подбор мощности системы и ошибки проектирования

Использование компонентов низкого качества, которые выходят из строя под воздействием зимних нагрузок

Многие проблемы с солнечными фонарями на самом деле связаны с тем, что производители экономят на материалах. Пластиковые корпуса часто трескаются при температуре ниже точки замерзания, примерно при 14 градусах по Фаренгейту. Дешёвые уплотнители тоже не выдерживают нагрузки и пропускают воду внутрь, где она повреждает электронику. Недавний отчёт по оборудованию для возобновляемой энергетики за 2022 год выявил интересную закономерность: солнечные фонари с обычными серийными литиевыми батареями имели почти в три раза больше поломок в зимние месяцы по сравнению с моделями, оснащёнными специальными компонентами, предназначенными для работы при экстремальных температурах. В этом есть смысл — никто ведь не хочет, чтобы освещение в саду перестало работать как раз тогда, когда оно особенно необходимо после долгого дня на улице.

Слишком маленькие солнечные панели и несогласованные конфигурации систем

Холодные месяцы требуют на 30–50 процентов больше энергии каждый день только для компенсации более короткого светового дня, а также потому, что батареи хуже удерживают заряд при минусовой температуре. Многие солнечные фонари плохо работают зимой, поскольку комплектуются панелями, которые попросту слишком малы для выполнения возложенных на них задач. Взгляните на большинство моделей, представленных сегодня на рынке — любое устройство с мощностью панели менее 15 ватт, которое должно питать светодиодную лампу мощностью 12 ватт? Такая комбинация редко справляется со своей задачей к декабрю или январю. И не стоит забывать и о контроллерах заряда. Если эти устройства не могут правильно регулировать выходное напряжение при температуре ниже нуля, это лишь усугубляет ситуацию и сокращает срок службы батареи со временем.

Критические конструктивные недостатки: выбор размера батареи и панели для эксплуатации в холодную погоду

Эффективная подготовка к зимнему периоду требует:

• Выбор размера батареи : Не менее 120% от летней ёмкости для компенсации снижения ёмкости литий-ионных аккумуляторов на 20–35% при температуре -20°C
• Ориентация панели : Истинное южное направление с наклоном под углом 45–60° для максимального улавливания слабого зимнего солнечного света
• Резервирование : Вторичные контроллеры заряда для предотвращения отказов цепи, вызванных образованием льда

Системы, игнорирующие эти принципы проектирования, зачастую полностью выходят из строя после 80–100 зимних циклов из-за необратимого дефицита энергии и химической деградации.

Мероприятия по техническому обслуживанию для увеличения срока службы фонарей на солнечных батареях

Важность регулярной очистки, осмотра и профилактического обслуживания

Регулярное техническое обслуживание действительно помогает предотвратить падение производительности, которое возникает с наступлением зимы. Очистка солнечных панелей раз в месяц с использованием качественных салфеток из микрофибры может предотвратить снижение их эффективности на четверть, а то и на треть из-за накопления загрязнений. Правильная сезонная настройка панелей имеет решающее значение, когда световой день значительно сокращается. Что касается аккумуляторов, очень важно проверять их каждые три месяца, обращая внимание на признаки коррозии или влаги внутри отсеков. Клеммы необходимо тщательно очищать дважды в год, чтобы обеспечить надёжную проводимость электричества. Не стоит медлить с заменой защитных линз, если на них появились трещины — их нужно менять немедленно. И не забывайте обновлять программное обеспечение умных систем зарядки до наступления холодов.

Как пренебрежение ускоряет деградацию аккумуляторов и приводит к отказу системы

Когда плановое техническое обслуживание игнорируется, компоненты солнечного фонаря начинают работать с гораздо большей нагрузкой, чем должны. Загрязнённые панели уменьшают количество получаемого заряда, что приводит к глубоким разрядам и ускоряет износ литий-ионных аккумуляторов — вдвое или даже больше. Корродирующие соединения становятся небольшими проблемными участками, где электричеству трудно проходить, сокращая фактическое время работы от 40 % до почти половины. Незаметные микротрещины в уплотнениях позволяют воде проникать внутрь, и именно это обычно выводит из строя платы управления, когда температура опускается ниже точки замерзания. Все эти проблемы накапливаются со временем, и прежде чем пользователи успевают осознать это, вся система выходит из строя как раз перед наступлением зимы.

Раздел часто задаваемых вопросов

Почему солнечные фонари хуже работают в холодную погоду?

В холодную погоду химические реакции внутри аккумуляторов замедляются, а литий-ионные батареи теряют ёмкость из-за загустения электролита, что снижает эффективность и срок службы.

Как аккумуляторы LiFePO4 сравниваются с литий-ионными в холодных климатах?

Аккумуляторы LiFePO4 сохраняют большую ёмкость, допускают более глубокие разряды, устойчивы к коррозии и обладают повышенной тепловой стабильностью по сравнению со стандартными литий-ионными аккумуляторами в холодных климатах.

Что приводит к выходу из строя систем солнечных фонарей зимой?

Проникновение влаги, циклы замораживания-оттаивания и коррозия часто приводят к отказу системы, наряду с неправильной герметизацией и недостаточным классом защиты IP.

Как снижение количества солнечного света влияет на эффективность солнечных панелей зимой?

Более короткие световые дни и слабое солнечное освещение уменьшают циклы зарядки, при этом панели иногда теряют эффективность из-за скопления снега и грязи.

Какие меры технического обслуживания могут продлить срок службы солнечных фонарей?

Регулярная очистка, осмотр, выравнивание и профилактическое обслуживание, а также обновление программного обеспечения перед наступлением холодов, необходимы для увеличения срока службы солнечных фонарей.