Как рассчитать солнечную панель и батарею для системы видеонаблюдения
Ричард Ван 25 мая 2022 г.
1. Типичный сценарий камеры видеонаблюдения с солнечной батареей
Системы видеонаблюдения часто необходимо развертывать в некоторых отдаленных районах, и в этих районах часто трудно получить стабильное электропитание от электросети. В этом случае солнечная энергия зачастую является лучшей альтернативой. В этой статье в основном описывается, как рассчитать солнечную панель и батарею для системы видеонаблюдения в этом сценарии. В данной статье в основном упрощена схема расчета с целью решения задачи инженерной реализации.
На изображении выше показан наш общий сценарий с камерой видеонаблюдения. То, с чем вы столкнетесь, может немного отличаться от этого сценария, это не имеет значения, вам просто нужно настроить его под свой. Чтобы выполнить задачу расчета ИБП и батареи, важно сначала выбрать активное и пассивное устройство во всей системе.
Под активным устройством понимают просто устройство, которому необходимо энергопотребление. Например, камера, коммутатор POE. Обратите внимание, что сама энергосистема имеет некоторую потерю мощности.
Под пассивным устройством мы понимаем устройство, не потребляющее электроэнергию. Например, волоконная панель.
Очень важно рассчитать максимальную мощность всех активных устройств, чтобы рассчитать солнечную панель и батарею для системы видеонаблюдения.
Когда мы определили все активные устройства, сначала составьте следующую таблицу:
Таблица 1. Максимальная мощность активного устройства
Кол-во, шт) | Максимальная номинальная мощность устройства (Вт) | Максимальная общая номинальная мощность (Вт) | |
Bullet камера | 1 | ? | ? |
PTZ камера | 1 | ? | ? |
Переключатель POE | 1 | ? | ? |
ИБП собственного потребления | 1 | ? | ? |
Общая номинальная мощность | |||
2.Шаг-1. Узнайте максимальную мощность активного устройства.
2.1 Максимальная мощность камеры
В солнечном сценарии, чтобы рассчитать солнечную панель и батарею для системы видеонаблюдения, нам нужно быть осторожными и найти все активные устройства, чтобы не пропустить их. Потому что это сильно повлияет на конфигурацию аккумулятора и солнечной панели.
Разные активные устройства имеют разную максимальную мощность, которую можно запросить в каталогах разных устройств.
Это параметр мощности типичной камеры. Мы видим, что этой камере требуется максимум 50 Вт при использовании Hi-POE и 10 Вт при использовании обогревателя.
По каталогам различных устройств мы можем найти параметры этой максимальной мощности.
2.2 Максимальная номинальная мощность коммутатора POE
Для коммутаторов POE обозначения параметров разных производителей различаются. Нам нужно обратить внимание на то, что максимальная потребляемая мощность самого коммутатора POE в режиме ожидания и в рабочем состоянии не включает часть, обеспечивающую POE. Поскольку POE сам питает камеру, потребляемая ими мощность была рассчитана в предыдущей главе.
Однако следует отметить, что разные производители по-разному указывают максимальную мощность коммутатора POE. На приведенном выше рисунке показана типичная ситуация, когда энергопотребление самого коммутатора PoE в режиме ожидания и при работе четко не обозначено. Но, основываясь на их личностях, мы можем предположить:
В режиме ожидания <5 Вт, при полной нагрузке <120 Вт
120 Вт означает, что система POE+ может обеспечить максимум 120 Вт. Для коммутатора такого уровня мы ориентировочно оцениваем максимальное энергопотребление примерно в 8 Вт в режиме ожидания и работы. Конечно, это в том случае, если этот номер четко не указан в каталоге. Но когда производители коммутаторов POE четко обозначены, лучше использовать их данные как можно больше.
2.3. Заполните максимальную мощность активного устройства.
Основываясь на вышеуказанных методах, мы можем получить максимальную мощность камеры, коммутатора POE или других активных устройств. Здесь предполагается, что максимальная мощность каждого устройства в нашем сценарии следующая:
Максимальная мощность цилиндрической камеры = 15.4 Вт
Максимальная мощность PTZ-камеры = 30 Вт.
Переключатель PoE (самопотребление энергии) = 8 Вт
Самопотребление ИБП = 10 Вт
Тогда мы можем получить нашу таблицу:
Таблица 2. Максимальная мощность активного устройства (заполнено)
Кол-во, шт) | Максимальная номинальная мощность устройства (Вт) | Максимальная общая номинальная мощность (Вт) | |
Bullet камера | 1 | 15.4W | 15.4W |
PTZ камера | 1 | 30W | 30W |
Переключатель POE | 1 | 8W | 8W |
ИБП собственного потребления | 1 | 10W | 10W |
Общая номинальная мощность | 63.4W | ||
Тогда по расчёту мы наконец получили максимальную потребляемую мощность всей системы 63.4Вт. Эти данные имеют решающее значение для нас, чтобы определить как рассчитать солнечную панель и аккумулятор для системы видеонаблюдения.
3.Шаг-2. Выберите батарею, подходящую для вашей системы видеонаблюдения.
3.1 Тщательно выбирайте тип батареи
На рынке представлены три распространенных типа аккумуляторов:
(1) Свинцово-кислотный аккумулятор (гелевый)
Такие батареи относительно распространены на рынке. Преимущество – стабильность и более низкая цена. Недостатком является то, что подходящая рабочая температура составляет 25°C, чего нелегко достичь при установке на открытом воздухе. Циклы зарядки и разрядки свинцово-кислотного аккумулятора составляют около 600 раз. Учитывая один цикл зарядки-разрядки в день, батарею необходимо заменить менее чем за два года.
(2) Тройная литиевая батарея MnNiCo
Эта литиевая батарея часто используется в аккумуляторах ноутбуков и мобильных телефонов. Приоритетом является экономичная цена, а подходящая рабочая температура может достигать 45°C. Даже если он будет установлен на открытом воздухе, при условии подходящего метода охлаждения температура не будет влиять на него. Циклы зарядки и разрядки этого типа аккумулятора составляют около 800 раз. Немного лучше, чем свинцово-кислотный аккумулятор. Если предположить один цикл зарядки-разрядки в день, аккумулятор необходимо заменять практически каждые 2-3 года. При выборе аккумуляторов этого типа обратите особое внимание на приобретение брендов надежного качества. Большинство несчастных случаев с возгоранием аккумуляторов связано с тройными литиевыми аккумуляторами MnNiCo низкого качества.
(3) Литиевая батарея LiFePO4 (литиевая батарея LFP)
Эта литиевая батарея широко используется в различных областях, таких как телекоммуникации и ИКТ. Он имеет стабильную производительность, длительный срок службы и немного более высокую цену. Циклы зарядки и разрядки этого аккумулятора могут варьироваться от 2000 до 5000. А его рабочая температура может достигать 45°C. Идеально подходит для наружных систем видеонаблюдения на солнечных батареях.
Какую батарею выбрать в реальном сценарии, необходимо выбирать в соответствии с вашей сценой. Следующая таблица является нашей рекомендацией, но реальный сценарий будет более сложным, вы можете проконсультироваться с отделом продаж Edgeware:
Таблица 3. Выбор типа батареи в зависимости от сценария
Цена | Рабочая температура | Циклы зарядки и разрядки | Рекомендуемые сценарии применения | |
Свинцово-кислотный аккумулятор | Низкий | 25 ° C | Циклы 600 | Батарея размещается в помещении и может быть легко заменена. |
МнНиКо Тройная литиевая батарея | Medium | До 45 ° C | Циклы 800 | Батарея размещается в уличном шкафу и ее легко заменить. |
Литиевая батарея LiFePO4 (литиевая батарея LFP) | High | До 45 ° C | 2000-5000 циклов зависит от бренда | Аккумулятор размещен в уличном шкафу, и заменять его очень неудобно. |
3.1 Принцип определения емкости аккумулятора: кВтч и Ач
Следующий контент очень важен для понимания того, как рассчитать солнечную панель и батарею для системы видеонаблюдения. Пожалуйста, внимательно прочитайте его.
После выбора типа аккумулятора нам необходимо приступить к расчету необходимой нам емкости аккумулятора. Прежде всего, нам нужно знать, что значением для обозначения электрической энергии является Втч (ватт-час) и кВтч (киловатт-час). кВтч — это обычная единица, которую вы платите за электроэнергию дома.
1000Втч=1кВтч
Но мы часто видим Ah на этикетке емкости аккумулятора, что немного сбивает с толку. Ах, значит, ампер-часы. Это означает, сколько ампер аккумулятор способен отдать за один час. Таким образом, 20 Ач означает 1 час при 20 А или 10 часов при 2 А.
Обратите внимание, что напряжение вводится при расчете заряда аккумулятора. Например, есть аккумулятор 12В100Ач, и его мощность рассчитывается так:
Напряжение аккумулятора * Ампер-часы аккумулятора = 12 В * 100 Ач = 1200 Втч = 1.2 кВтч
Итак, предположим, у нас есть аккумулятор 48В100Ач, его мощность рассчитывается следующим образом:
Напряжение аккумулятора*Ампер-часы аккумулятора =48В*100Ач=4800Втч=4.8кВтч
Вы можете обнаружить, что один и тот же аккумулятор емкостью 100 Ач, напряжение разное, мощность разная. Когда вы используете разные солнечные системы, в соответствии с различными конфигурациями напряжения батарей, требуемыми солнечным контроллером, напряжения конфигурируемых вами аккумуляторных блоков различны, но общая формула для расчета мощности соответствует:
Напряжение аккумулятора * Ампер-часы аккумулятора = Количество электричества аккумулятора
При настройке аккумуляторной батареи обратите внимание на настройку в соответствии с напряжением батареи, требуемым производителем.
3.2 Расчет конфигурации батареи
Когда мы настраиваем батарею, нам сначала нужно уточнить ожидаемое время автономной работы системы. Время автономной работы системы в сценарии системы видеонаблюдения означает, сколько часов система может работать от батареи, когда солнечная энергия недоступна. Это значение должно быть установлено в соответствии с реальной ситуацией в сценарии. Установка слишком большого значения может привести к слишком большим капитальным затратам на батарею. Если параметр слишком мал, это может повлиять на доступность системы. Как правило, следующие две ситуации приводят к недоступности солнечной энергии:
(1) Погода
В общем, если погода пасмурная, дождливая, снежная и в другие дни без солнца, выход солнечной энергии может составлять только от 10% до 0.1% от проектной мощности, и для работы системы приходится полагаться на батареи.
(2) Вечер
Для нормальной работы система ночного времени должна работать на 100% от батарей.
Настройка времени автономной работы системы тесно связана с местной погодой, количеством осадков и сценариями использования системы видеонаблюдения. Как установить время автономной работы системы мы объясним вам в другой статье.
Предположим, что требуется аккумулятор на 48 часов автономной работы системы, тогда емкость аккумулятора рассчитывается следующим образом:
(1) Сначала рассчитайте мощность, необходимую для аккумулятора.
Согласно таблице 2 «Максимальная мощность активного устройства (заполненная)» мы пришли к выводу, что максимальная мощность системы составляет 63.4 Вт. Если нам нужно поддерживать работу с мощностью 63.4 Вт в течение 48 часов, нам потребуется следующая мощность:
Максимальная мощность системы (Вт) * Время (час) = 63.4 Вт * 48 часа = 3043.2 Втч = 3.0432 кВтч
Обратите внимание, что во многих случаях нет необходимости рассчитывать по максимальной мощности, ее можно рассчитать по 60-70%, поскольку ни одно устройство не будет всегда работать на максимальной мощности. На этот раз мы принимаем значение 60%, можем получить среднюю мощность системы:
Общее количество электроэнергии, необходимое для автономности системы = 3043.2 Втч*60% = 1825.92 Втч.
(2) Рассчитайте ампер-часы, которые необходимо настроить с помощью батарей.
Как мы упоминали в разделе 3.1, ампер-часы связаны с напряжением. Нам нужно знать напряжение батареи солнечного контроллера. Предполагая, что напряжение батареи нашего солнечного контроллера составляет 12 В, мы можем рассчитать ампер-часы батареи следующим образом:
Необходимое количество электроэнергии/Напряжение батареи ИБП = 1825.92 Втч/12 В = 152.16 Ач
(3) Обратите особое внимание на то, чтобы зарезервировать на 20 % больше емкости аккумулятора, чем требуется, чтобы избежать глубокого разряда.
Мы подсчитали, что потребуется аккумулятор 12В152.16Ач, но это не окончательное значение. Вообще, чтобы избежать глубокой разрядки аккумулятора и максимально продлить срок его службы, мы настроим на 20% больше емкости.
Необходимое количество ампер-часов*1.2=152.16Ач*1.2=182.592Ач
На данный момент мы пришли к выводу, что нам нужен аккумулятор 12В 182.592Ач. Но такой емкости на рынке нет, поэтому возьмем одну батарею 12В200Ач.
4. Шаг-3. Расчет мощности солнечной панели для системы видеонаблюдения.
4.1. Рабочий механизм солнечной системы
Чтобы понять, как рассчитать солнечную панель и батарею для системы видеонаблюдения, нам необходимо понять механизм работы солнечной системы. На рисунке выше для удобства понимания показан упрощенный принцип работы солнечного контроллера. Когда солнечная панель вырабатывает электроэнергию, она распределяется на нагрузку и батарею посредством управления солнечным контроллером. В нормальных условиях мощность будет преимущественно подаваться на нагрузку, а оставшаяся мощность будет подаваться на аккумулятор для зарядки. Поэтому при расчете мощности солнечной панели нам необходимо учитывать, что нагрузка должна потреблять электроэнергию, и в то же время нам необходимо заряжать аккумулятор.
4.2 Ключевое предположение о времени зарядки аккумулятора
Прежде всего, нам необходимо определить, сколько времени потребуется солнечному свету для полной зарядки аккумулятора в зависимости от района, где расположена система видеонаблюдения, и требований проекта к доступности. Теоретически, чем короче время, тем лучше. Вы можете себе представить, насколько плохой была бы работоспособность системы, если бы для полной зарядки аккумулятора потребовалось бы 5 дней солнечного света. Весьма вероятно, что, несмотря на большое количество солнечных дней, время зарядки слишком велико, и аккумулятор перейдет в еще один дождливый день до того, как он полностью заполнится.
Однако если время, необходимое для полной зарядки аккумулятора, слишком короткое, проблема может заключаться в том, что солнечная панель имеет конфигурацию большой мощности. Но обратите внимание, что большая часть систем видеонаблюдения на солнечных батареях устанавливается на столбе на открытом воздухе. Тогда, когда вы настроите солнечную панель большой мощности, это принесет ряд проблем:
(1) Проблема установки солнечной панели большой мощности на столбе.
На следующем рисунке показана установка типичной солнечной панели, установленной на столбе. Установить на столб солнечную панель большой мощности очень сложно. Затраты на установку и обслуживание будут высокими.
(2) Влияние на стабильность камеры
Если солнечная панель слишком велика, это вызовет вибрацию камеры видеонаблюдения, что является критической проблемой для всей системы.
(3) Решение проблем, связанных с сильными ветрами и тайфунами.
В некоторых районах, где будут сильные ветры и тайфуны, слишком большая солнечная панель будет предъявлять слишком высокие требования к опорной системе. тем самым значительно увеличивая стоимость.
(4) Монтаж на земле в большинстве случаев невозможен.
Во многих странах установка солнечных панелей на земле невозможна из соображений безопасности.
Таким образом, конфигурация мощности солнечной панели должна обеспечивать подходящий баланс. Любая технология — это процесс компромисса и балансирования реальности.
Как правило, мы рекомендуем установить цель, по которой взимается плата Батарея полная за 8-12 часов солнечного света. Его также необходимо настроить в соответствии с местными условиями и сценариями. Как правило, сотрудники предпродажной подготовки Edgeware разработают и обсудят с вами лучшее решение.
В этой статье время зарядки аккумулятора установлено равным 10 часам. На основе этой настройки объясняется, как рассчитать емкость солнечной панели.
4.3 Расчет мощности солнечной панели
4.3.1 Необходим бесплатный источник данных
Солнечное облучение
На рынке существует множество платных инструментов, но большинство из них дорогие. Поскольку общая мощность системы видеонаблюдения на солнечных батареях относительно невелика, нет необходимости рассчитывать данные слишком точно, как в случае с гигантской солнечной электростанцией. Нам необходимо качественно просчитать потребности сценария системы видеонаблюдения.
Прежде всего, нам необходимо знать ресурсы солнечной энергии в районе, где расположена система видеонаблюдения. Команда предпродажной подготовки Edgeware получила эти данные из солнечной ГИС. Веб-сайт запроса ресурсов солнечной энергии Solar GIS выглядит следующим образом:
https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/
И данные бесплатны.
Когда вы выберете страну, в которой расположен проект, вы получите соответствующую карту солнечных ресурсов. Предположим, что этот расчет находится в Колумбии, тогда получим следующую карту:
Источник: Солнечная ГИС
На карте горизонтального облучения Колумбии мы можем ясно видеть интенсивность облучения в каждом регионе. Если предположить, что наш объект расположен в Картахене, ежедневное горизонтальное облучение в этом районе составляет около 5.6 кВтч/мXNUMX в день. Это значение нам понадобится позже.
Погода
Существует множество бесплатных веб-сайтов с данными о погоде, и коллеги из Edgeware обычно запрашивают следующие бесплатные веб-сайты:
Например, если мы запросим Картахену в Колумбии, мы сможем получить следующие данные:
Источник Уэзерспарк
Эти данные имеют большое справочное значение для расчета солнечной панели и аккумулятора для системы видеонаблюдения:
(1) Температура
Обратите особое внимание: если температура развертываемой вами системы видеонаблюдения на солнечной энергии ниже -10°C или 14°F в любое время года, она будет ниже минимальной температуры разряда батареи. Необходимо использовать нагреватель, чтобы поддерживать нормальную рабочую температуру аккумулятора. В качестве альтернативы также можно настроить аккумулятор, работающий при сверхнизких температурах.
(2) Дождь
На основании этих данных можно обсуждать и судить о настройке времени автономности системы.
(3) Часы дневного света и сумерек
По этому времени мы можем определить время солнечного сияния. Судя по рисунку, это около 12 часов, но для последующих расчетов рекомендуется принять консервативный расчет в 10 часов.
4.3.1 Метод расчета мощности солнечной панели
Во-первых, после нашей серии сбора данных и расчета батареи, мы перечисляем все данные в таблице следующим образом:
Наконец-то мы подошли к последнему шагу, чтобы понять, как рассчитать солнечную панель и батарею для системы видеонаблюдения.
Таблица 4. Таблица расчета мощности солнечной панели.
Максимальная мощность нагрузки | Время автономной работы системы | Необходимая емкость аккумулятора | Целевое время зарядки аккумулятора | Горизонтальное облучение на объекте | Емкость солнечной панели | |
Параметр | 63.4W | 48 часов | 12V200AH | 10 часов | 5.6 кВтч/㎡ | Быть определенным |
Общая необходимая солнечная энергия
Согласно нашему описанию в главе 3.1. Рабочий механизм Солнечной системы, нам необходимо учитывать два аспекта мощности.
(1) Для зарядки аккумулятора требуется питание.
(2) Потребляемая мощность системной нагрузки (в период солнечного света нагрузка питается от солнечной энергии)
Сначала разберемся с аккумулятором, у нас аккумулятор 12В200Ач, тогда его общая мощность рассчитывается следующим образом:
Количество электроэнергии от аккумулятора = 12 В*200 Ач = 2400 Втч
Максимальная нагрузка системы составила 63.4 Вт, поскольку нагрузка системы вообще не всегда работает на максимальном энергопотреблении, можно предположить, что ее среднее энергопотребление составляет 70% от максимальной мощности:
Pнагрузка=63.4 Вт*70% = 44.38 Вт
Поскольку мы предполагаем, что солнце светит 10 часов, то в течение этих 10 часов нагрузка системы питается за счет солнечной энергии, а общее количество необходимой электроэнергии:
Объем электроэнергии нагрузки = 44.38 Вт*10 часов = 443.8 Втч.
Итак, в итоге мы можем получить необходимое нам электричество за 10 часов солнечного света:
Общий объем электроэнергии = 2843.8 Втч
Средняя солнечная энергия, необходимая нам за 10 часов светового дня:
Pсолнечный=2843.8Вт/10 часов =284.38Вт
Это значение важно для наших дальнейших расчетов.
Расчет конфигурации солнечной панели
На изображении выше в качестве примера мы взяли солнечную панель JA Solar. Вы можете видеть, что есть параметр Module Efficiency, который очень важен. Нам необходимо знать, что солнечное излучение, облучающее солнечную панель, не на 100% преобразуется в электрическую энергию. Общий КПД преобразования составляет около 20-21%, для последующих расчетов мы примем 20.2%.
Кроме того, мы только что узнали, что горизонтальное излучение на объекте составляет 5.6 кВтч/мXNUMX в день. Можно обнаружить, что этот параметр связан с площадью. Легко понять, что чем большую площадь освещает солнце, тем больше энергии оно получает. Чем больше солнечная панель и чем больше площадь, тем больше солнечного излучения будет получено. Информацию о площади можно получить из каталога производителя солнечной панели.
При условии, что мы знаем, что горизонтальное излучение на участке составляет 5.6 кВтч/㎡ в день, мы можем рассчитать солнечную энергию на квадратный метр:
PСолнечная кв.м. =Hгоризонтальное облучение на квадратный метр * Площадь * Эффективность модуля / Солнечные часы=(5600 Втч/㎡ * 1 ㎡ * 20.2%)/10 часов = 113.12 Вт
Согласно расчетам, приведенным в предыдущей главе, необходимая нам солнечная энергия составляет Pсолнечный= 284.38 Вт,Тогда мы сможем подсчитать, сколько квадратных солнечных панелей нам понадобится:
Необходимая площадь солнечной панели = Pсолнечный/PСолнечная кв.м.= 284.38W/ 113.12W = 2.514 ㎡
Согласно ситуации с солнечной панелью JA Solar на данный момент, площадь 480 Вт = Ширина * Высота = 2.094 м * 1.134 м = 2.375 м².
Очень близко, тогда нам нужно только выбрать солнечную панель с немного более высокой эффективностью, например, солнечную панель JAM66S30-505 мощностью 505 Вт на рисунке выше. Обратите внимание, что расчет солнечной панели не должен быть слишком точным, поскольку мы просто проектируем систему видеонаблюдения на солнечной энергии, а сама мощность очень мала. Но если система размером с солнечную электростанцию, ее необходимо рассчитать как можно более научно.
Тогда в итоге мы получили следующие итоговые параметры, исходя из которых можно начинать закупать разные оригиналы.
Таблица 5. Итоговая таблица расчета мощности солнечной панели
Максимальная мощность нагрузки | Время автономной работы системы | Необходимая емкость аккумулятора | Целевое время зарядки аккумулятора | Горизонтальное облучение на объекте | Емкость солнечной панели | |
Параметр | 63.4W | 48 часов | 12V200AH | 10 часов | 5.6 кВтч/㎡ | 505W |
5. Другие особенности
Обратите внимание, что в разных регионах существуют разные соображения. В холодных регионах, где зимой идет снег, особое внимание необходимо уделять тому, будет ли покрыта поверхность солнечной панели после того, как снег повлияет на эффективность солнечной панели. В этом случае необходимо учитывать метод очистки.
В то же время в холодных регионах, когда зимой температура ниже -10°С, особое внимание следует уделять влиянию на заряд и разряд аккумуляторов. Необходимо учитывать настройки обогревателя. Но не забывайте при расчете мощности учитывать мощность, потребляемую обогревателем.
В регионах с жаркой погодой кабели, идущие от солнечной панели к солнечному контроллеру, могут вызвать большие потери мощности. Рассмотрим дополнительный бюджет мощности в размере 8–10%.
6. Резюме
Вышеупомянутое представляет собой введение в расчет солнечной панели и батареи для системы видеонаблюдения, поскольку некоторые упрощения были сделаны с учетом инженерной реализации, поэтому настройте их в соответствии с вашей реальной сценой. Если у вас есть вопросы, вы также можете связаться с Edgeware для получения дополнительной информации. В то же время мы также разрабатываем программное обеспечение для автоматического расчета, которое будет предоставлено клиентам. Спасибо за прочтение.