Cómo calcular el panel solar y la batería para el sistema CCTV
Richard Wang 25/may/2022
1. Escenario típico de una cámara CCTV con energía solar
Los sistemas de CCTV a menudo deben implementarse en algunas áreas remotas, y en estas áreas suele ser difícil obtener energía estable de la red eléctrica. En este caso, la energía solar suele ser la mejor alternativa. Este artículo describe principalmente cómo calcular el panel solar y la batería para el sistema CCTV en este escenario. Este artículo simplifica principalmente el esquema de cálculo para resolver el problema de implementación de ingeniería.
La imagen de arriba es nuestro escenario común de cámara CCTV. Lo que encuentres puede ser ligeramente diferente de este escenario, no importa, solo necesitas ajustarlo según el tuyo. Para realizar la tarea de calcular ups y batería, es importante seleccionar primero el dispositivo activo y el dispositivo pasivo en todo el sistema.
El dispositivo activo se entiende simplemente como un dispositivo que necesita consumo de energía. Por ejemplo cámara, interruptor POE. Tenga en cuenta que el sistema de energía en sí tiene cierta pérdida de energía.
Dispositivo pasivo lo entendemos como un dispositivo que no consume energía. Como panel de fibra.
Es muy importante calcular la potencia máxima de todos los dispositivos activos para saber cómo calcular el panel solar y la batería del sistema CCTV.
Cuando hayamos identificado todos los dispositivos activos, primero enumere una tabla de la siguiente manera:
Tabla 1: potencia máxima del dispositivo activo
Cantidad, piezas) | Potencia nominal máxima de la unidad (W) | Potencia nominal total máxima (W) | |
Bullet Cámara | 1 | ? | ? |
PTZ Cámara | 1 | ? | ? |
Interruptor POE | 1 | ? | ? |
UPS Autoconsumo | 1 | ? | ? |
Potencia nominal total | |||
2.Paso 1 Descubra la potencia máxima del dispositivo activo
2.1 Potencia máxima de la cámara
En el escenario solar, para calcular el panel solar y la batería para el sistema CCTV, debemos tener cuidado de encontrar todos los dispositivos activos para no perderlos. Porque esto afectará en gran medida a la configuración de la batería y el panel solar.
Los diferentes dispositivos activos tienen diferentes potencias máximas, que se pueden consultar en los catálogos de los diferentes dispositivos.
Este es el parámetro de potencia de una cámara típica. Podemos ver que esta cámara necesita un máximo de 50W cuando usa Hi-POE y 10W cuando usa calentador.
A través de los catálogos de diferentes dispositivos podemos encontrar los parámetros de esta potencia máxima.
2.2 Potencia nominal máxima del interruptor POE
Para los conmutadores POE, las identificaciones de parámetros de diferentes fabricantes son diferentes. A lo que debemos prestar atención es a que el consumo máximo de energía del conmutador POE en estado de espera y funcionamiento no incluye la parte que proporciona POE. Debido a que el POE mismo alimenta la cámara, el consumo de energía que consumen se calculó en el capítulo anterior.
Sin embargo, cabe señalar que los diferentes fabricantes tienen diferentes formas de escribir la potencia máxima del conmutador POE. La imagen de arriba es una situación típica en la que el consumo de energía en espera y en funcionamiento del conmutador PoE no está claramente marcado. Pero basándonos en sus identidades, podemos especular:
En espera <5 W, carga completa <120 W
120W significa que el sistema POE+ puede proporcionar un máximo de 120W. Para un interruptor de este nivel, básicamente estimamos el consumo máximo de energía de aproximadamente 8 W en modo de espera y en funcionamiento. Por supuesto esto es en el caso de que este número no esté claramente marcado en el catálogo. Pero cuando los fabricantes de conmutadores POE están claramente marcados, es mejor utilizar sus datos tanto como sea posible.
2.3 Llene la potencia máxima del dispositivo activo
Según los métodos anteriores, podemos obtener la potencia máxima de la cámara, el conmutador POE u otros dispositivos activos. Aquí se supone que la potencia máxima de cada dispositivo en nuestro escenario es la siguiente:
Cámara tipo bala de potencia máxima = 15.4 W
Cámara PTZ de potencia máxima = 30W
Conmutador PoE (consumo de energía propio) = 8 W
Autoconsumo del SAI=10W
Entonces podemos obtener nuestra tabla:
Tabla 2: Potencia máxima del dispositivo activo (lleno)
Cantidad, piezas) | Potencia nominal máxima de la unidad (W) | Potencia nominal total máxima (W) | |
Bullet Cámara | 1 | 15.4W | 15.4W |
PTZ Cámara | 1 | 30W | 30W |
Interruptor POE | 1 | 8W | 8W |
UPS Autoconsumo | 1 | 10W | 10W |
Potencia nominal total | 63.4W | ||
Luego, según el cálculo, finalmente obtuvimos que el consumo máximo de energía de todo el sistema es 63.4W. Estos datos son cruciales para que podamos definir Cómo calcular el panel solar y la batería para el sistema CCTV.
3.Paso 2 Elija la batería que se adapte a su sistema CCTV
3.1 Elija cuidadosamente su tipo de batería
Existen tres tipos habituales de baterías en el mercado:
(1) Batería de plomo ácido (GeL)
Este tipo de baterías son relativamente comunes en el mercado. La ventaja es la estabilidad y el precio más bajo. La desventaja es que la temperatura de funcionamiento adecuada es de 25°C, que no es fácil de alcanzar cuando se utiliza al aire libre. Y los ciclos de carga y descarga de la batería de plomo ácido son básicamente de alrededor de 600 veces. Suponiendo un ciclo de carga y descarga por día, la batería deberá reemplazarse en menos de dos años.
(2) Batería de litio ternaria MnNiCo
Esta batería de litio se utiliza a menudo en baterías de portátiles y teléfonos móviles. La prioridad es el precio rentable y la temperatura de trabajo adecuada puede alcanzar los 45 °C. Incluso si se implementa al aire libre, siempre que el método de enfriamiento sea apropiado, no se verá afectado por la temperatura. Los ciclos de carga y descarga de este tipo de batería son básicamente de unas 800 veces. Ligeramente mejor que la batería de plomo ácido. Suponiendo un ciclo de carga y descarga por día, la batería debe reemplazarse básicamente cada 2 o 3 años. Para este tipo de batería, preste especial atención a la compra de marcas con calidad confiable. La mayoría de los accidentes por incendio de baterías están relacionados con baterías ternarias de litio MnNiCo de mala calidad.
(3) Batería de litio LiFePO4 (batería de litio LFP)
Esta batería de litio se utiliza con madurez en diversos campos, como las telecomunicaciones y las TIC. Tiene un rendimiento estable, una larga vida útil y un precio ligeramente superior. Los ciclos de carga y descarga de esta batería pueden variar de 2000 a 5000. Y su temperatura de trabajo puede alcanzar los 45°C. Ideal para sistemas CCTV de exteriores con energía solar.
La batería a elegir en el escenario real debe diseñarse de acuerdo con su escena. La siguiente tabla es nuestra recomendación, pero el escenario real será más complicado, puede consultar al personal de ventas de Edgeware:
Tabla 3: elección del tipo de batería según el escenario
Precio | Temperatura de funcionamiento | Ciclos de carga y descarga | Escenarios de aplicación recomendados | |
Batería de ácido sólido | Baja | 25 ° C | Ciclos 600 | La batería se coloca en el interior y se puede reemplazar fácilmente. |
MnNiCo Batería de litio ternaria | Medio | Hasta 45 ° C | Ciclos 800 | La batería se coloca en el gabinete exterior y es fácil de reemplazar. |
Batería de litio LiFePO4 (batería de litio LFP) | Alta | Hasta 45 ° C | 2000-5000 ciclos depende de la marca | La batería está colocada en un gabinete exterior y es muy inconveniente reemplazarla. |
3.1 Principio de capacidad de la batería: Wh, kWh y Ah
El siguiente contenido es muy importante para comprender cómo calcular el panel solar y la batería para el sistema CCTV; léalo atentamente.
Después de seleccionar el tipo de batería, debemos comenzar a calcular la capacidad de la batería que necesitamos. En primer lugar, debemos saber que el valor para indicar la energía eléctrica es Wh (vatios hora) y kWh (kilovatios hora). kWh es una unidad común que pagas por tu factura de electricidad en casa.
1000Wh=1kWh
Pero a menudo vemos Ah en la etiqueta de capacidad de la batería, lo cual resulta un poco confuso. Ah significa amperios hora. Significa cuántos amperios es capaz de entregar la batería en una hora. Entonces 20AH significa 1 hora a 20A o 10 horas a 2A.
Tenga en cuenta que el voltaje se introduce cuando calculamos la carga de la batería. Por ejemplo, hay una batería de 12V100Ah y su potencia se calcula de la siguiente manera:
Voltaje de la batería*Amperios hora de la batería =12 V*100 Ah = 1200 Wh = 1.2 kWh
Entonces supongamos que tenemos una batería de 48V100AH, su potencia se calcula de la siguiente manera:
Voltaje de la batería*Amperios hora de la batería =48V*100Ah=4800Wh=4.8kWh
Puede encontrar que la misma batería tiene 100 AH, el voltaje es diferente y la potencia es diferente. Cuando utiliza diferentes sistemas solares, de acuerdo con las diferentes configuraciones de voltaje de las baterías requeridas por el controlador solar, los voltajes de los paquetes de baterías que configura son diferentes, pero la fórmula general para calcular la potencia está de acuerdo con:
Voltaje de la batería*Amperios hora de la batería= Cantidad de electricidad de la batería
Al configurar el paquete de baterías, preste atención a la configuración según el voltaje de la batería requerido por el fabricante.
3.2 Cálculo de la configuración de la batería
Cuando configuramos la batería, primero debemos aclarar el tiempo de autonomía del sistema que esperamos. El tiempo de autonomía del sistema en el escenario del sistema CCTV se refiere a cuántas horas puede funcionar el sistema con la batería cuando la energía solar no está disponible. Este valor debe establecerse de acuerdo con la situación real del escenario. Configurarlo demasiado grande puede suponer demasiado CAPEX para la batería. Si la configuración es demasiado pequeña, puede afectar la disponibilidad del sistema. Generalmente, las dos situaciones siguientes causarán que la energía solar no esté disponible:
(1) Clima
En general, si el tiempo está nublado, lluvioso, nevado y otros días sin sol, la producción de energía solar puede ser sólo entre el 10% y el 0.1% de la capacidad diseñada, y el sistema tiene que depender de baterías para funcionar.
(2) Noche
El sistema nocturno debe funcionar al 100% con baterías si necesita funcionar normalmente.
La configuración del tiempo de autonomía del sistema tiene una gran relación con el clima local, las precipitaciones y los escenarios de uso del sistema CCTV. Cómo configurar el tiempo de autonomía del sistema te lo explicaremos en otro artículo.
Suponemos que se requiere una batería de 48 horas de autonomía del sistema, luego la capacidad de la batería se calcula de la siguiente manera:
(1) Primero calcule la potencia requerida por la batería.
Según Table2-Active Device Max Power (Filled), hemos concluido que la potencia máxima del sistema es 63.4W. Si necesitamos mantener un funcionamiento de 63.4W durante 48 horas, la potencia que necesitamos es la siguiente:
Potencia máxima del sistema (vatios) * tiempo (hora) = 63.4 W * 48 horas = 3043.2 Wh = 3.0432 kWh
Tenga en cuenta que en muchos casos no es necesario calcular según la potencia máxima, se puede calcular según el 60-70%, porque ningún dispositivo funcionará siempre a la potencia máxima. Esta vez tomamos el valor como 60%, podemos obtener la potencia promedio del sistema:
Electricidad Total Necesaria para la Autonomía del Sistema = 3043.2Wh*60%= 1825.92Wh
(2) Calcule los amperios hora que deben configurarse con las baterías
Como mencionamos en la Sección 3.1, los amperios hora están relacionados con el voltaje. Necesitamos tener claro el voltaje de la batería del controlador solar. Suponiendo que el voltaje de la batería de nuestro controlador solar es de 12 V, podemos calcular los amperios hora de la batería de la siguiente manera:
Cantidad de electricidad necesaria/Voltaje de la batería del UPS = 1825.92 Wh/12 V = 152.16 Ah
(3) Preste especial atención a reservar un 20% más de capacidad de la batería que la capacidad requerida para evitar una descarga profunda.
Hemos calculado que se requiere una batería de 12V152.16AH, pero este no es el valor final. Generalmente, para evitar una descarga profunda de la batería y prolongar al máximo la vida útil de la misma configuraremos un 20% más de capacidad.
Amperios hora necesarios*1.2=152.16 Ah*1.2=182.592 Ah
Hasta ahora hemos concluido que necesitamos una batería de 12V 182.592Ah. Pero no puede encontrar esta capacidad en el mercado, así que usemos una batería de 12V200AH.
4.Paso 3 Cálculo de la capacidad del panel solar para el sistema CCTV
4.1. Mecanismo de funcionamiento del sistema solar
Para comprender cómo calcular el panel solar y la batería para el sistema CCTV, debemos comprender el mecanismo mediante el cual funciona el sistema solar. La figura anterior muestra un principio de funcionamiento simplificado del controlador solar para una fácil comprensión. Cuando el panel solar genera electricidad, la electricidad se distribuye a la carga y la batería a través del control del controlador solar. En circunstancias normales, la energía se suministrará preferentemente a la carga y la energía restante se suministrará a la batería para su carga. Por lo tanto, al calcular la capacidad del panel solar, debemos considerar que la carga debe consumir energía y, al mismo tiempo, debemos cargar la batería.
4.2 Supuesto clave sobre el tiempo de carga de la batería
En primer lugar, debemos definir cuánto tiempo es de luz solar para cargar completamente la batería según la zona donde se ubica el sistema CCTV y los requisitos de disponibilidad del proyecto. En teoría, cuanto más corto sea el tiempo, mejor. Puede imaginarse lo mala que sería la disponibilidad del sistema si se necesitaran 5 días de luz solar para cargar completamente la batería. Es muy probable que aunque haya muchos días soleados, el tiempo de carga sea demasiado largo, provocando que la batería entre en otro día de lluvia antes de llenarse.
Sin embargo, si el tiempo necesario para cargar completamente la batería es demasiado corto, el problema debe ser que el panel solar tiene una configuración de gran capacidad. Pero tenga en cuenta que la mayoría de los escenarios del sistema CCTV con energía solar se montan en postes al aire libre. Luego al configurar un panel solar de gran capacidad, traerá una serie de problemas:
(1) El problema de instalar un Panel Solar de gran capacidad en el poste
La siguiente figura muestra la instalación de un panel solar típico montado en un poste. Es muy complicado instalar un panel solar de gran capacidad en el poste. Los costos de instalación y mantenimiento serán altos.
(2) Impacto en la estabilidad de la cámara
Si el panel solar es demasiado grande, provocará vibraciones en la cámara CCTV, lo cual es un problema crítico para todo el sistema.
(3) Hacer frente a los desafíos de los fuertes vientos y tifones
En algunas áreas donde habrá fuertes vientos y tifones, un panel solar de gran tamaño exigirá demasiado al sistema de postes. aumentando así considerablemente el coste.
(4) El montaje en tierra no es una opción la mayor parte del tiempo
La instalación de paneles solares en el suelo no es factible en muchos países por razones de seguridad.
Por lo tanto, la configuración de la capacidad del panel solar debe lograr un equilibrio adecuado. Toda tecnología es un proceso de compromiso y equilibrio de la realidad.
Generalmente, recomendamos establecer el objetivo que carga el batería llena en 8-12 horas de sol. También debe establecerse de acuerdo con las condiciones y escenarios locales. Generalmente, el personal de preventa de Edgeware diseñará y discutirá con usted para llegar a la mejor solución.
Este artículo establece el tiempo de carga de la batería en 10 horas y, según esta configuración, explica cómo calcular la capacidad del panel solar.
4.3 Cálculo de la capacidad del panel solar
4.3.1 La fuente de datos necesaria de forma gratuita
Irradiación Solar
Hay muchas herramientas pagas en el mercado, pero la mayoría son caras. Debido a que la potencia total del escenario del sistema CCTV con energía solar es relativamente pequeña, no es necesario calcular los datos con demasiada precisión como en la planta solar gigante. Lo que debemos hacer es calcular cualitativamente las necesidades del escenario del sistema CCTV.
En primer lugar, necesitamos conocer los recursos de energía solar en la zona donde se encuentra el sistema CCTV. El equipo de preventa de Edgeware obtuvo estos datos del SIG solar. El sitio web de consulta de recursos de energía solar de Solar GIS es el siguiente:
https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/
Y los datos son gratuitos.
Al seleccionar el país donde se ubica el proyecto, obtendrás el mapa de recurso solar correspondiente. Suponemos que este cálculo es en Colombia, entonces obtenemos el siguiente mapa:
fuente: SIG solares
Desde el mapa de irradiación horizontal de Colombia podemos ver claramente la intensidad de irradiación en cada región. Suponiendo que nuestro sitio esté ubicado en Cartagena, la irradiación horizontal diaria en esta área es de alrededor de 5.6 kWh/㎡ diarios. Este valor es lo que necesitamos usar más adelante.
Tiempo
Hay muchos sitios web gratuitos para obtener datos meteorológicos y los colegas de Edgeware generalmente están acostumbrados a consultar los siguientes sitios web gratuitos:
Por ejemplo, si consultamos Cartagena en Colombia, podemos obtener los siguientes datos:
Fuente Chispa del tiempo
Estos datos son de gran importancia como referencia para calcular el panel solar y la batería del sistema CCTV:
(1) Temperatura
Preste especial atención si el sistema CCTV con energía solar que implementa está por debajo de -10 °C o 14 °F en cualquier época del año, estará por debajo de la temperatura mínima de descarga de la batería. Es necesario implementar un calentador para mantener la batería a la temperatura de funcionamiento normal. Alternativamente, también se puede configurar una batería que funcione a temperatura ultrabaja.
(2) Lloviendo
Con base en estos datos, podemos discutir y juzgar la configuración del tiempo de autonomía del sistema.
(3) Horas de luz del día y crepúsculo
Según este tiempo podemos deducir el tiempo de insolación. Según la figura, son aproximadamente 12 horas, pero se recomienda asumir un cálculo conservador de 10 horas para cálculos posteriores.
4.3.1 Método de cálculo de la capacidad del panel solar
Primero, después de nuestra serie de recopilación de datos y cálculo de batería, enumeramos todos los datos en una tabla de la siguiente manera:
Finalmente llega al último paso para comprender cómo calcular el panel solar y la batería para el sistema CCTV.
Tabla 4-Tabla de cálculo de capacidad de paneles solares
Potencia de carga máxima | Tiempo de autonomía del sistema | Capacidad de batería necesaria | Objetivo de tiempo de carga de la batería | Irradiación horizontal en el sitio. | Capacidad del panel solar | |
Parámetro | 63.4W | 48 horas | 12V200AH | 10 horas | 5.6 kWh/㎡ | Para ser definido |
Energía solar total necesaria
Según nuestra descripción en el capítulo 3.1. Mecanismo de funcionamiento del sistema solar, debemos considerar dos aspectos de la energía.
(1) La carga de la batería requiere energía
(2) El consumo de energía de la carga del sistema (en el caso del tiempo con luz solar, la carga funciona con energía solar)
Primero veamos la batería, tenemos una batería de 12V200AH, luego su potencia total se calcula de la siguiente manera:
Electricidad Cantidad de batería = 12V*200Ah=2400Wh
La carga máxima del sistema ha sido de 63.4W, debido a que la carga del sistema generalmente no siempre funciona al máximo consumo de energía, podemos asumir que su consumo promedio de energía es del 70% de la potencia máxima:
PCarga=63.4W*70% = 44.38W
Porque asumimos que el sol brilla durante 10 horas, luego, durante esas 10 horas, la carga del sistema funciona con energía solar y la electricidad total requerida:
Cantidad de electricidad de la carga = 44.38 W * 10 horas = 443.8 Wh
Así al final podremos conseguir la electricidad que necesitamos generar durante 10 horas de luz solar:
Cantidad de electricidad Gran Total = 2843.8 Wh
Energía solar media que necesitamos en 10 horas de luz:
PSolar=2843.8Wh/10horas=284.38W
Este valor es importante para nuestros cálculos posteriores.
Cálculo de configuración del panel solar
La imagen de arriba nos muestra tomando como ejemplo el panel solar de JA Solar. Puede ver que hay un parámetro Eficiencia del módulo, que es muy importante. Necesitamos saber que la radiación solar que irradia el panel solar no se convierte al 100% en energía eléctrica. La eficiencia de conversión general es de aproximadamente 20-21% y tomaremos 20.2% para cálculos posteriores.
Además, acabamos de saber que la irradiación horizontal en el sitio es de 5.6kWh/㎡ por día. Se puede encontrar que este parámetro está relacionado con el área. Es fácil entender que cuanto mayor es el área que incide sobre el sol, más energía recibe. Cuanto mayor sea el panel solar y mayor sea el área, más irradiación solar se obtendrá. La información de la zona se puede obtener del catálogo del fabricante de paneles solares.
De acuerdo con la condición de que sepamos que la irradiación horizontal en el sitio es de 5.6kWh/㎡ por día, podemos calcular la energía solar por metro cuadrado:
PSolarM2 =HIrradiación horizontal por metro cuadrado * Área * Eficiencia del módulo/Horas de sol=(5600 Wh/㎡ * 1 ㎡ * 20.2%)/10 horas =113.12W
Según los cálculos del capítulo anterior, la energía solar que necesitamos es PSolar= 284.38 W,Luego podemos calcular cuántos paneles solares cuadrados necesitamos:
Área necesaria del panel solar = PSolar/PSolarM2= 284.38W/ 113.12W = 2.514 ㎡
Según la situación del panel solar JA Solar en este momento, el área de 480W = Ancho*Alto= 2.094m*1.134m=2.375 ㎡
Muy cerca, entonces solo nos falta elegir un panel solar con una eficiencia ligeramente mayor, como el panel solar JAM66S30-505 505W en la imagen de arriba. Tenga en cuenta que el cálculo del panel solar no necesita ser demasiado preciso, porque solo estamos diseñando un sistema CCTV con energía solar y la potencia en sí es muy pequeña. Pero si el sistema es tan grande como una planta solar, es necesario calcularlo de la forma más científica posible.
Luego, al final, obtuvimos los siguientes parámetros finales, en función de los cuales podemos comenzar a comprar diferentes originales.
Tabla 5-Tabla final de cálculo de capacidad de paneles solares
Potencia de carga máxima | Tiempo de autonomía del sistema | Capacidad de batería necesaria | Objetivo de tiempo de carga de la batería | Irradiación horizontal en el sitio. | Capacidad del panel solar | |
Parámetro | 63.4W | 48 horas | 12V200AH | 10 horas | 5.6 kWh/㎡ | 505W |
5. Otras consideraciones especiales
Tenga en cuenta que existen algunas consideraciones diferentes en diferentes regiones. En regiones frías donde nieva en invierno, se debe prestar especial atención a si la superficie del panel solar quedará cubierta después de que la nieve afecte la eficiencia del panel solar. En este caso, es necesario considerar el método de limpieza.
Al mismo tiempo, en regiones frías, cuando la temperatura es inferior a -10°C en invierno, se debe prestar especial atención al impacto en la carga y descarga de la batería. Es necesario considerar la configuración del calentador. Pero no olvide considerar la potencia consumida por el calentador al calcular la potencia.
En zonas de clima cálido, los cables del panel solar al controlador solar pueden provocar grandes pérdidas de energía. Considere un presupuesto de energía adicional del 8 al 10 %.
6. Resumen
Lo anterior es nuestra introducción a cómo calcular el panel solar y la batería para el sistema CCTV, debido a que se han realizado algunas simplificaciones basadas en la consideración de la implementación de ingeniería, ajústela de acuerdo con su escena real. Si tiene preguntas, también puede comunicarse con Edgeware para obtener más información. Al mismo tiempo, también estamos desarrollando software de cálculo automático para ofrecer a los clientes. Gracias por leer.