Солнце для вышки связи и удалённого оборудования: расчёт автономии
Объект с постоянной нагрузкой 300 Вт потребляет 7,2 кВт·ч в сутки. Летом это закрывает станция около 2 кВт, а в декабре в Минске нужно почти 14 кВт панелей, то есть в семь раз больше. Поэтому круглогодичную автономию на солнце считают по худшему месяцу, а чаще делают компромисс: панели 5–6 кВт, батарея на несколько дней и резервный генератор на зимние недели.
Чем удалённый объект отличается от дома
Ретранслятор, метеостанция, камера на трассе, шкаф телеметрии, насос на отдалённой скважине: у них общий набор свойств. Нагрузка небольшая, но идёт круглые сутки, без выходных; обслуживают объект редко, а выезд стоит денег; отказ питания означает потерю связи или данных. У дома можно экономить и ждать солнца, у такого объекта нет. Общие принципы автономного питания разобраны в статье про вышку, пост и вагончик в лесу. Здесь — расчёт на цифрах и особенности зимы.
Ближайший по духу пример у нас — 26 автономных станций для пожарных вышек Полесского заповедника: объекты вдали от сети, где питание должно держаться без постоянного присмотра.
Шаг 1. Суточная энергия
Составьте перечень нагрузок и умножьте мощность на часы. Для примера возьмём типовую нагрузку 300 Вт круглосуточно (ретранслятор, роутер, камера, подогрев аппаратуры): 0,3 кВт × 24 ч = 7,2 кВт·ч в сутки. Реальный диапазон для такого оборудования — 200–500 Вт, то есть 4,8–12 кВт·ч в сутки. Нагрузку лучше измерить, а не взять из паспорта: паспорт показывает максимум, а средняя мощность часто в 1,5–2 раза ниже.
Затем добавляем потери на пути «панель — контроллер — батарея — нагрузка». Для оценки возьмём общий коэффициент 0,85 (контроллер заряда, КПД цикла батареи 90–95 %, кабели). Энергия, которую панели должны отдать: 7,2 ÷ 0,85 ≈ 8,5 кВт·ч в сутки.
Шаг 2. Какая мощность панелей нужна в каждом месяце
Используем данные PVGIS для Минска (оптимальный угол 39°, потери 14 % уже учтены): выработка с 1 кВт в месяц делится на число дней, получается суточная выработка. Затем делим 8,5 кВт·ч на неё.
| Месяц | Выработка с 1 кВт, кВт·ч в сутки | Нужно панелей, кВт |
|---|---|---|
| Январь | 1,05 | 8,1 |
| Февраль | 1,78 | 4,8 |
| Март | 2,69 | 3,2 |
| Апрель | 4,01 | 2,1 |
| Май | 4,18 | 2,0 |
| Июнь | 4,48 | 1,9 |
| Июль | 4,23 | 2,0 |
| Август | 4,04 | 2,1 |
| Сентябрь | 3,29 | 2,6 |
| Октябрь | 2,03 | 4,2 |
| Ноябрь | 0,84 | 10,1 |
| Декабрь | 0,62 | 13,8 |
Расчёт по декабрю: 19,1 кВт·ч на 1 кВт ÷ 31 день = 0,62 кВт·ч в сутки; 8,5 ÷ 0,62 ≈ 13,8 кВт. Для этого понадобилось бы 31 панель по 450 Вт. Летом хватает 1,9 кВт, то есть 5 панелей. Разница — в семь с лишним раз, и это главная особенность зимнего автономного питания: сезонный разброс выработки в нашей широте огромен. Про то же для автономного дома — в статье «Автономный дом зимой: считают по декабрю».
Зимой можно улучшить ситуацию большим наклоном панелей: 60–70° ближе к низкому зимнему солнцу и лучше сбрасывает снег. Это снижает летнюю выработку, зимнюю повышает (ориентировочно на десятки процентов, точные цифры посчитайте в PVGIS для нужного угла). Но и с лучшим углом декабрь остаётся самым трудным.
Шаг 3. Компромисс: меньше панелей, добавить генератор
Станция 13,8 кВт ради трёх зимних месяцев оказывается огромной: летом она будет простаивать, а батарея всё равно не заряжается быстрее, чем позволяет погода. Типичный выбор, который делают на практике: панели 5–6 кВт, а зимний дефицит закрывают генератором или сетью (если она хотя бы временно есть).
Посчитаем для 6 кВт и нагрузки 300 Вт. Месячная нагрузка: 7,2 × 31 = 223 кВт·ч в январе и декабре, 216 в ноябре. Выработка 6 кВт с учётом коэффициента 0,85:
| Месяц | Нагрузка, кВт·ч | Выработка 6 кВт × 0,85, кВт·ч | Дефицит, кВт·ч |
|---|---|---|---|
| Ноябрь | 216 | 6 × 25,2 × 0,85 = 129 | 87 |
| Декабрь | 223 | 6 × 19,1 × 0,85 = 97 | 126 |
| Январь | 223 | 6 × 32,4 × 0,85 = 165 | 58 |
Дефицит за три месяца — около 271 кВт·ч; в остальные месяцы станция 6 кВт покрывает нагрузку. Если генератор вырабатывает порядка 2,5 кВт·ч на литр топлива (оценка, зависит от типа генератора и нагрузки на него), зимой потребуется около 110 литров. Это заметно дешевле, чем 31 панель. Подходы к сочетанию накопителя и генератора разбирает статья о гибридной схеме СНЭ с генератором. Для объектов, где есть слабая сеть, она может играть ту же роль: заряжать батарею, когда солнца нет.
Шаг 4. Батарея: запас на пасмурные дни
Батарея держит нагрузку, пока панели ничего не дают. Для объекта, который важно не потерять, закладывают запас на 3–5 безсолнечных суток. На 4 дня: 7,2 × 4 = 28,8 кВт·ч полезной энергии. При глубине разряда 90 % (LFP допускает 80–90 %) номинальная ёмкость 28,8 ÷ 0,9 = 32 кВт·ч, то есть около шести батарей по 5,12 кВт·ч. Такой запас имеет смысл только вместе с достаточным числом панелей: если после трёх пасмурных дней панели не успевают зарядить батарею за солнечные, система входит в цикл недозаряда. Поэтому запас на пасмурные дни и мощность панелей считают вместе. Для самостоятельной прикидки пригодится калькулятор автономности.
Батарея на холоде
У LiFePO4 есть жёсткое ограничение: заряжать батарею при температуре ниже 0 °C нельзя, это разрушает ячейки. Разряд при минусовой температуре допустим, но ёмкость падает. Поэтому для открытого объекта нужен:
- термошкаф с утеплением и небольшим подогревом, который включается по термостату; у батарей с собственным подогревом BMS греет ячейки перед зарядом (смотрите паспорт);
- размещение батарей в тёплом техническом помещении, если оно есть;
- учёт энергии на подогрев в нагрузке: 30–60 Вт среднего потребления в морозы добавляют 0,7–1,4 кВт·ч в сутки, то есть ещё 10–20 % к нашим 7,2 кВт·ч (оценка).
Второй зимний фактор — снег на панелях. На удалённом объекте чистить его некому, поэтому панели ставят под крутым углом и повыше от земли. Подробнее — на странице про панели зимой.
Когда вместо автономной станции проще сеть
Если до объекта можно дотянуть линию электропередачи за разумные деньги, сеть надёжнее и во многих случаях дешевле. Автономная станция выигрывает там, где подвод линии слишком длинный, и там, где нужна небольшая мощность. Вариант «станция плюс слабая сеть как резерв» часто лучше обоих: солнце экономит, сеть страхует зиму. Схемы описаны на страницах автономной СЭС и гибридной СЭС. Готовое освещение и видеонаблюдение на панели — в материале про автономное освещение.
Частые вопросы
Хватит ли одной панели и маленькой батареи для камеры?
Для камеры в 10–15 Вт круглосуточно нужно около 0,3 кВт·ч в сутки. Летом хватит панели 100–200 Вт, а зимой в декабре понадобится вчетверо-впятеро больше. Для камеры в зоне, где важен именно зимний режим, считают по декабрю.
Можно ли обойтись без батареи?
Нет, если объект работает ночью. Панели вырабатывают энергию только при свете, остальное время нагрузку держит батарея.
Что надёжнее: свинцовые или литиевые батареи на удалённом объекте?
Литиевые (LFP) легче, дают больше циклов, но не терпят заряда на морозе. Свинцовые хуже по глубине разряда, но проще в обращении при отрицательных температурах. В обоих случаях батарею лучше держать в утеплённом шкафу.
Нужен ли мониторинг?
На удалённом объекте обязательно: дистанционный контроль напряжения батареи и выработки позволяет заметить проблему до отказа. Варианты — в разделе мониторинг и управление.