Progettare la banca di accumulo di una stazione meteorologica o di georischi è prima un problema invernale e poi un problema estivo: qualsiasi sistema può essere fatto funzionare a luglio, ma lo stesso sistema deve sostenere i suoi strumenti e la radio attraverso le giornate corte di dicembre, i pannelli coperti di neve, il servizio del riscaldatore e le celle intrise di freddo. Questo secondo articolo converte il profilo di carico del clima freddo in un progetto concreto di pacco al nichel-idruro metallico. Percorre il bilancio energetico del mese peggiore, dimensionando la banca e il campo fotovoltaico sul carico del riscaldatore e sul più lungo deficit di tempesta invece che sulla media annuale; la scelta della configurazione in serie per la rotaia degli strumenti; l'isolamento e la posizione termica del pacco per mantenerlo nel suo intervallo capace; lo sfruttamento della capacità del NiMH di accettare un po' di carica sotto il punto di congelamento dove gli ioni di litio non possono; il dimensionamento del serbatoio di condensatori per gli impulsi radio e di avvio del riscaldatore; e la riduzione onesta della capacità rispetto alla temperatura. Il risultato è un metodo di progettazione i cui numeri possono essere verificati contro una prova di ripetizione invernale invece che una media annuale ottimistica.
Il calcolo determinante usa il mese peggiore, non l'anno medio. Elencate i carichi di misurazione, registrazione, comunicazione e – in modo decisivo – riscaldamento con i loro cicli di lavoro invernali, calcolate la domanda giornaliera in wattora nei giorni più freddi e corti, confrontatela con l'energia fotovoltaica realisticamente catturata con perdite da neve e basso angolo solare, e dimensionate la banca per assorbire il deficit cumulativo della sequenza di tempeste più lunga attesa. Una banca dimensionata sull'insolazione annuale fallirà, com'è prevedibile, nel mese peggiore.
Il servizio del riscaldatore è modellato esplicitamente dai punti di impostazione del termostato e dalle ore di gelo attese invece che trattato come una percentuale fissa, perché domina la domanda invernale. La capacità NiMH è quindi scelta in modo che, anche dopo la riduzione a freddo e un limite obiettivo di profondità di scarica, la banca sostenga quel peggiore deficit di tempesta con margine. Costruire il modello in wattora e verificarlo contro la storia meteorologica locale previene i due guasti comuni – un'ipotesi solare troppo ottimistica e un carico di riscaldatore dimenticato.
Le rotaie di strumenti e datalogger variano, e il numero in serie è scelto per mantenere il regolatore in regolazione attraverso la tensione NiMH di fine scarica, vicino a un volt per cella. Una rotaia strumenti nominale da 3,6 volt o 5 volt è tipicamente alimentata da una banca da tre a cinque celle tramite un convertitore buck-boost a basso consumo a riposo; le rotaie di riscaldamento a tensione più alta possono usare più celle o un driver separato. I rami in parallelo aggiungono la capacità invernale e offrono degradazione graduale man mano che le celle invecchiano.
Poiché la precisione di misura in una stazione di grado WMO dipende da un'alimentazione pulita, il progetto di potenza separa i carichi rumorosi del riscaldatore e della radio dalla sensibile rotaia analogica dei sensori con filtraggio e, dove serve, regolazione separata. La bassa impedenza della banca NiMH aiuta: fornisce la corrente di spunto del riscaldatore e l'impulso radio senza trascinare la rotaia dei sensori, e l'accoppiamento locale più il serbatoio di impulsi tengono le misure ad alta risoluzione libere da rumore indotto dall'alimentazione che altrimenti potrebbe apparire come variazione spuria del sensore.
La gestione della temperatura compra capacità effettiva gratis. Collocare la banca NiMH in un compartimento isolato e ammortizzato termicamente – usando la massa termica del contenitore, l'isolamento e talvolta il modesto calore generato da carica e scarica – tiene le celle più calde dell'ambiente e abbassa la loro impedenza effettiva durante le notti più fredde. Il progetto evita sia il freddo estremo sia il punto caldo solare estivo che accelererebbe l'invecchiamento calendario, puntando alla fascia moderata dove il NiMH rende e vive meglio.
Il riscaldamento attivo del vano batteria è usato con parsimonia perché compete con lo stesso bilancio energetico che protegge; si preferiscono massa termica passiva e isolamento, con un piccolo riscaldatore termostatato solo nei siti che altrimenti scenderebbero sotto il limite capace del pacco. Il riscaldamento di sensori e anemometro, operativamente essenziale, è tenuto elettricamente separato e a ciclo di lavoro. La strategia termica e il dimensionamento elettrico sono progettati insieme perché un pacco più caldo è effettivamente un pacco più grande.
L'opportunità di progetto distintiva con il NiMH è la carica a freddo. Una banca agli ioni di litio deve rifiutare la carica sotto zero gradi per prevenire la placcatura di litio, il che significa che non può accumulare l'energia di un mattino invernale luminoso e freddo; una banca NiMH, entro il suo limite di corrente di carica a freddo valutato dal costruttore, può accettare quell'energia. Il regolatore di carica è configurato con un profilo conservatore, compensato in temperatura, che aumenta il margine di sicurezza della corrente di carica al diminuire della temperatura, usa -delta-V o terminazione termica per ogni carica sostanziale, e non supera mai l'apporto a freddo valutato della cella.
Questo trasforma ogni schiarita invernale in stato di carica recuperato ed è particolarmente prezioso per le stazioni di georischi che devono ricaricarsi tra le tempeste. Il regolatore registra gli eventi di carica rispetto alla temperatura così l'operatore può confermare che la banca si sta effettivamente riempiendo a freddo invece di declinare in silenzio. Combinato con celle a bassa autoscarica, il risultato è una banca il cui bilancio energetico invernale si chiude laddove la regola di non-carica-sotto-congelamento di un sistema al litio la lascerebbe bloccata.
Le raffiche radio, le trasmissioni satellitari e gli avvii dei contattori del riscaldatore sono coperti da un serbatoio di condensatori locale dimensionato dall'energia dell'impulso e dal calo ammissibile, così i rami NiMH forniscono l'energia media mentre il condensatore fornisce la corrente istantanea – una disposizione che conta di più quando il freddo alza l'impedenza delle celle. Il serbatoio è valutato per l'ambiente a bassa temperatura, poiché anche l'ESR del condensatore sale al freddo.
La capacità è ridotta rispetto a una curva a freddo misurata esplicitamente invece che a un unico numero di targa: il progetto ottiene la frazione della capacità a temperatura ambiente disponibile alla temperatura minima di funzionamento del sito e dimensiona su quella, lasciando margine così la stazione non opera mai sul filo del rasoio del taglio. Questa riduzione onesta, documentata dai dati delle celle, è la differenza tra una stazione la cui autonomia invernale corrisponde alla previsione e una i cui vuoti di dati appaiono solo dopo il primo gelo duro.
Il progetto è validato ripetendo l'inverno sul banco: una camera termica cicla il pacco sull'intervallo di temperatura del sito, un carico elettronico ripete le correnti di misurazione, riscaldatore e radio, e una sorgente programmabile ripete il solare invernale debole e intermittente, incluse le finestre di carica sotto congelamento. I criteri di superamento sono espliciti – la rotaia dei sensori resta pulita a ogni raffica, la banca sopravvive al peggiore deficit di tempesta sopra il taglio, e recupera pienamente al ritorno dell'insolazione.
Una prova di invecchiamento a cicli più lunga, facendo correre l'orbita giornaliera superficiale per l'equivalente di stagioni sul campo, conferma che capacità e impedenza restano entro i limiti e che le celle abbinate restano bilanciate. I progetti che superano sia la ripetizione sia la prova di invecchiamento – e poi la qualificazione formale nell'articolo finale – sono quelli che forniscono osservazioni continue di grado WMO e allarmi di georischi affidabili attraverso inverni ripetuti senza manutenzione insostenibile.
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