Batterijen voor straatlampen op zonnenergie in koud weer
-- Beperkingen bij het opladen
Batterijen voor straatlampen op zonnenergie in koud weer: Beperkingen bij het opladen
Het is niet het ontladen dat problemen oplevert in koud weer, maar het opladen. Een goede LiFePO4-batterij levert nog steeds een bruikbare stroom op bij een temperatuur van -10°C, al is de capaciteit dan verminderd. Een dergelijke batterij moet op deze temperatuur helemaal niet worden opgeladen; bij temperaturen onder 0°C neemt de mogelijkheid om stroom op te nemen drastisch af. Als je toch stroom door de bevroren batterieplaatjes stuurt, komt het metalen lithium op de anodekant terecht. Deze laag is permanent, vermindert de capaciteit van de batterij, verhoogt de interne weerstand en kan zelfs tot een kortsluiting leidden. Alle beslissingen die we in koud klimaat moeten nemen, zijn gebaseerd op deze asymmetrie – dit is dus van belang om eerst duidelijk te maken.
Welk effect heeft koud weer op verschillende soorten batterijen?
LiFePO4-batterijen zijn de standaard in commerciële toepassingen vanwege hun hoge energiedichtheid, lange levensduur en thermische stabiliteit vergeleken met andere lithiumbatterijen. Ze presteren ook beter dan gel-lead-acid-batterijen in een breed temperatuurbereik, vooral op het gebied van het ontladen.
Gel-lead-acid-batterijen – dit zijn batterijen met een gesloten constructie waarbij de elektrolyt is vastgelegd in een gel – blijven een goedkope optie. Ze vertonen echter andere eigenschappen bij koude temperaturen: de efficiëntie van het opladen neemt af en de batterij weigert het opladen wanneer het zeer koud is. Geen enkele van deze batterijtypen is bestand tegen de invloeden van de winter.
De gevolgen van opladen bij koude temperaturen (cijfers):
- Boven 0°C: Beide batterijtypen laden normaal op wanneer de juiste spanning wordt gebruikt.
- Onder 0°C: De mogelijkheid van de LiFePO4-batterij om energie op te nemen is sterk verminderd. De batterij neemt wel wat stroom op, maar bij elke laadcyclus wordt een deel van de langtermijncapaciteit verbruikt ten behoeve van het huidige opladen.
- Bij -10°C of lager: Opladen moet volledig worden vermeden; dit is de grens waarbij de batterij beschadigd kan raken.
De werking achter deze fenomenen is belangrijk om te begrijpen waarom de schade pas later merkbaar wordt. Het op de batterijoppervlakte ontstane lithium veroorzaakt geen directe problemen (bijv. een foutcode of een brandbeveiligingssysteem dat reageert). De schade komt pas maanden later tot uiting: de batterij bereikt de volledige spanning, maar werkt niet meer goed onder belasting. Het probleem lijkt op een defecte batterij, maar is in werkelijkheid het gevolg van het opladen bij koude temperaturen.
Moderne LiFePO4-batterijen worden geleverd met een batterijbeheersysteem (BMS) dat het opladen onder een bepaalde temperatuur tegengaat. In koudere klimaten is het gebruik van dergelijke batterijen aan te raden; anders moet er een thermische regeling worden toegevoegd. Het batterijbeheersysteem is de belangrijkste component in een winterinstallatie.
Een illustratief voorbeeld uit Minnesota
Stel je een systeem voor in een plaats als Minnesota voor, waar de winters temperaturen regelmatig onder -10°C komen. Dit is een voorbeeld, geen projectgegevens – we gebruiken het om de verschillende batterietypes te vergelijken:
- Gel-lead-acid-batterijen: presteren redelijk in de zomer en herfst. In de winter daalt de ontlaadingsefficiëntie. De zonnepanelen kunnen nog steeds energie opwekken, maar de batterij kan de opgeladen energie niet goed opnemen. Er is dus een temperatuurgereguleerd omhoudingsysteem nodig, of de batterij moet uit het opladingscircuit worden gesloten tot de temperatuur is gestegen.
- LiFePO4-batterijen: ontladen ze beter in de koude maanden, hoewel de capaciteit iets afneemt. Onder temperaturen onder -10°C kan het opladen niet plaatsvinden; het batterijbeheersysteem blokkeert het opladen tot de batterij zich heeft opgewarmd. Het systeem herstartt dan automatisch. Er is geen behoef om handmatig iets uit te sluiten.
De belangrijkste verschil in de werking van de batterijen zit niet in welke batterij ‘beter werkt in koude omstandigheden’, maar in welke batterij veilig kan stoppen met werken wanneer de controller en de weersomstandigheden niet overeenkomen.
Wat we vereisen voor gebruik in winterse omgevingen:
Er zijn vier belangrijke aspecten waar we rekening mee houden, in de volgende volgorde:
- Een BMS (Battery Management System) met een lage temperatuurgrens voor het opladen; deze grens is bevestigd op de technische specificaties (datasheet) en niet alleen vermoed. Dit is een onverhandelbaar vereiste.
- Een geïsoleerde behuizing om de temperatuurswisselingen van de accu te vertragen. In bijzonder koude gebieden zorgt een verwarmingsmat of een actieve thermische regeling ervoor dat de accu warm genoeg blijft om te kunnen worden opgeladen op de dagen waar dit belangrijk is.
- Correcte beheer van de lading- en spanningssituatie: Lead-acid-systemen gebruiken een temperatuurcompenseerde laadprocedure, waarbij de controller de spanning aanpast aan de omgevingstemperatuur; bij lithium-systemen is dit equivalent geregeld door de BMS. Geef duidelijk aan welke methode past bij de chemische aard van de accu, en meng deze twee methoden niet met elkaar.
- Kies de juiste accuchemie met zorgvuldigheid: LiFePO4-acu’s zijn beter geschikt voor koude klimaten dan lead-acid-acu’s bij het afladen, maar beide types vereisen speciale beheermaatregelen om opladen in vriesende omstandigheden te voorkomen. Als een project geen BMS of verwarmde behuizing kan bieden, is het eerlijke antwoord dat de locatie een andere energieoplossing nodig heeft – geen andere accu.
Wat deze pagina niet behandelt:
Deze pagina gaat over de invloed van temperatuur op batterijen die al in een systeem zijn geïnstalleerd. Er wordt geen diepgaande vergelijking gemaakt tussen verschillende soorten batterijen (gel, AGM en lithium); deze vergelijking vindt u op een aparte pagina een aparte pagina. Evenmin worden er specificaties gegeven voor de afmetingen van panelen, batterijen of controllers voor een specifiek gebruikssituatie; daarvoor kunt u onze calculator voor het bepalen van controllerafmetingen gebruiken.