太陽能能量採集:沒有白吃的午餐

作者 : Bill Schweber

當您覺得某些事物似乎無足輕重時,請保持警惕,並謹慎地研究詳細資訊和假設。根據經驗得知,即使是在能量採集世界中,也不可能會有「免費的午餐」。以基於太陽能的能量採集作為需要持續供電多年的電源,更需要細心且周全的設計、元件選擇和製造…

就像許多人一樣,我也曾經因為小型太陽能戶外燈簡單方便而被吸引,利用它們來照亮走道。畢竟,這種太陽能戶外燈似乎是解決小問題的簡便解決方案,也不至於因為安裝而傷腦筋。由於採用太陽能,因而是一種免費的能量採集裝置,而且無需另外接線。只需將它們固定在地面上,問題也就迎刃而解了!

好吧,我承認也不完全是這樣。事實上,我目前已經在使用第3套這種便宜的戶外燈了,每一套(包括5或6個燈)的價格通常從10美元到30美元不等,而且在一般居家修繕中心、量販店、百貨商場等​​許多其他地方都很容易買到。(據我所知,各種樣式的燈都是在同樣的幾家工廠中生產,但分別提供了不同的裝飾、形狀和包裝。)最後買的這一組太陽能路燈在使用3年後,最近也開始出現和之前那2組一樣的情況,當太陽下山後,它再也不會亮起來了。

罪魁禍首當然就是在這些廉價燈具中所使用的充電電池——這些低成本、低品質的充電電池電量逐漸減弱甚至耗盡。因此,我一開始就向一些可靠的來源(由於市場上充斥著許多假冒產品,是不是可靠其實也常常無法分辨)購買性能較好但較昂貴的電池,換掉了第一組燈的電池。

這種太陽能路燈目前相當普遍,因為它們解決了不少麻煩,而且安裝和設定都很簡單。(來源:The Home Depot)

這些性能較好的電池大約持續了4年。事實上,這樣的使用壽命表現已經相當不錯了,想想看這些電池的使用環境有多麼嚴苛:極端的溫度、反覆的熱循環以及不穩定且難以有效管理的能量採集/用電週期等。(夏天的日照時間較長且陽光充足,需要照明的時間也較短;而到了冬天的情況剛好相反。)

當然還有其他問題。電池盒內部的觸點會因為潮濕而腐蝕,而包覆電池組的塑膠外殼也會因為暴露在陽光下而開始破裂。持續不斷的熱循環還可能壓迫到焊接點、觸點、材料及其接合的表面。

這些太陽能戶外燈很適合作為短期解決方案,但並不是長期、一致且多年解決方案的理想選擇。因此,如果你期待從像這樣的低成本裝置中取得什麼效果,可是一點也不切實際的。我之前還比較過價格較高的其他戶外燈,但坦白說,我覺得外表雖然看起來好一點——多了一點裝飾或功能,但我懷疑最後的使用結果可能一樣差不多。

甚至一開始採用更好的原始電池幫助也很有限,因為更好的電池通常僅在數千次充放電週期表現不錯,隨後就會降至80%的效能,甚至低於其標稱容量——而這還是在良性壓力下的情況。因此,我們正考慮最長5年的使用壽命,這聽起來還不錯,但並不是許多能量採集應用所追求的「永恒」。

從這種應用中學到的教訓是:當您覺得某些事物似乎無足輕重時,請保持警惕,並謹慎地研究詳細資訊和假設。根據經驗得知,即使是在能量採集世界中,也不可能會有「免費的午餐」。採用太陽能供電的能量採集作為需要持續多年的電源,更需要細心且周全的設計、元件選擇和製造。

 

 

這款120VAC/12VAC 60W戶外級變壓器可用於驅動12V戶外燈。完整工具套件隨附的特殊連接器可簡化平行接線的連接。(來源:Sunvie via Amazon)

您可不能只是將太陽能電池、能量採集IC和充電電池兜在一起,就說是「設計完成」了。您或許還必須使用更複雜的電路以及搭配超級電容器等。甚至還有一些外部問題值得擔心,例如植物和樹葉在自然生長多年後,可能會阻擋到太陽能電池,或者有人可能在無意中移動了電池盒而阻擋了光路。

這種易於安裝的AXDP-10W單晶太陽能板成本約為100美元,但還需要電源控制器和穩壓器。(來源:Ghost Controls LLC)

至於我尚未解決的問題,現在正考慮幾種選擇:

  • 接受現實,然後每隔幾年直接更換低成本的戶外燈(似乎有點浪費);
  • 依據太陽能板的設置,配備更高容量的「更好­」電池以及能量採集轉換子系統;
  • 或者別管能量採集了,直接採用線性電源,透過12V戶外變壓器為一組低電壓戶外燈供電。

選項2和3都需要從電源到戶外燈佈線,這違背了「簡單方便」的概念:無需接線,而是要為每個燈進行局部採集。同樣地,這是一種權衡折衷,幾乎所有的工程決策都是如此。

您曾經有過設計或使用這種低成本太陽能戶外燈的經驗嗎?您覺得滿意、失望還是沒抱著太大的期望?您是否找到了品質更好但也反映在價格上的產品?除了電池以外,您是否還發現了其他故障點?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Solar Energy Harvesting: A Great Solution, Except When It’s Not,by Bill Schweber)

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