Как солнечная энергия может продлить срок службы батареи электрических колясок

Проблема аккумуляторов в электрической мобильности

Электрические инвалидные коляски имеют существенно улучшенную мобильность и независимость для миллионов людей с нарушениями мобильности. Тем не менее, единственным наиболее постоянным ограничением, о котором сообщают пользователи, является беспокойство по поводу дальности действия батареи. Типичная электрическая инвалидная коляска, приводимая в действие литий-ионными или герметичными свинцово-кислотными батареями, может проехать от 12 до 25 миль на полной зарядке в идеальных условиях. Использование в реальном мире, которое включает в себя холмы, ковер, бордюры и более тяжелый вес пользователя, может сократить этот диапазон на 30-50%. Результатом является устройство, которое предлагает свободу только в узком радиусе его емкости батареи.

Проблема усугубляется деградацией аккумуляторов с течением времени. Литий-ионные элементы теряют емкость с каждым циклом зарядки, а свинцово-кислотные батареи страдают от сульфации, если не держать их на полной зарядке. Пользователи часто оказываются привязанными к графикам зарядки, которые ограничивают спонтанность. Быстрая поездка в парк или длительный визит с друзьями становится логистическим расчетом: достаточно ли у меня батареи, чтобы вернуться? Для многих эта неопределенность подрывает саму независимость, которую призвана обеспечить инвалидная коляска.

Химия аккумуляторов и реальный диапазон

Современные электрические инвалидные коляски преимущественно используют литий-ионные батареи из-за их более высокой плотности энергии и более легкого веса по сравнению с альтернативами свинцово-кислотными. Типичный 50-амперный литий-часовой пакет хранит примерно 600 ватт-часов энергии. При умеренной нагрузке это означает около 15-20 миль пути. Однако системы управления батареями (СУБ) часто резервируют буфер безопасности, а холодные температуры могут снизить полезную емкость на 20 процентов или более. Эти факторы создают разрыв между рекламируемым диапазоном и практическим диапазоном - разрыв, который солнечные добавки могут помочь закрыть.

Свинцово-кислотные батареи, все еще распространенные в бюджетных инвалидных колясках, сталкиваются с еще более резкими ограничениями. Они тяжелее, заряжаются медленнее и страдают от эффекта памяти, если частично разряжаются неоднократно. 70-амперная свинцово-кислотная батарея может обеспечить только 10-12 миль реального диапазона, и ее продолжительность жизни обычно составляет 300-500 циклов по сравнению с 500-1000 циклами для литий-ионных. Частая потребность в зарядке и риск оказаться в затруднительном положении вызвали интерес к вспомогательным энергетическим решениям.

Солнечная энергия как дополнительный источник энергии

Солнечная энергия предлагает практичный и все более доступный способ продлить срок службы батареи электрических инвалидных колясок. Устанавливая небольшие фотоэлектрические (PV) панели на раме инвалидной коляски, навесе или спинке сиденья, пользователи могут собирать солнечный свет для подзарядки батарей во время использования на открытом воздухе. Концепция не футуристическая - прототипы солнечных колясок и послепродажного использования солнечных наборов уже существуют, и базовая технология такая же, как солнечные батареи на крыше, найденные в домах и RV, просто уменьшены и адаптированы для мобильности.

Как работает фотоэлектрическая интеграция на инвалидной коляске

Солнечные панели преобразуют солнечный свет в электричество постоянного тока через фотоэлектрические элементы, изготовленные из полупроводниковых материалов, таких как монокристаллический кремний. При установке на инвалидной коляске панели подключаются к системе управления энергией - либо специальному контроллеру солнечного заряда, либо модифицированной системе управления батареей. Этот контроллер обеспечивает соответствие напряжения и тока от панелей зарядному профилю батареи, предотвращая перезарядку или обратный поток тока ночью.

Электрическая архитектура может принимать две формы. В конфигурации прямая зарядка солнечная энергия поступает непосредственно в основные батареи инвалидной коляски, дополняя заряд, который они получают от настенной розетки. В конфигурации гибридная отдельная небольшая вспомогательная батарея заряжается от солнечной, а затем используется для дозаправки основных батарей через преобразователь постоянного тока. Гибридный подход добавляет сложность, но позволяет пользователю поменять заряженную вспомогательную батарею, если это необходимо.

Типы панелей и стратегии монтажа

Выбор технологии солнечных панелей имеет значение для применения в инвалидных колясках. Жесткие монокристаллические панели предлагают самую высокую эффективность - обычно 18-22% - но они хрупкие и нуждаются в плоских монтажных поверхностях. Гибкие тонкопленочные панели, такие как панели с использованием селенида индия галлия меди (CIGS) или аморфного кремния, легче и могут соответствовать изогнутым поверхностям, таким как спинка инвалидной коляски или верхняя часть навеса. Их эффективность ниже (10-14%), но они более долговечны и менее навязчивы.

Места для горных работ включают:

Каждый подход имеет компромиссы между выработкой электроэнергии, весом, эстетикой и простотой использования.Многие пользователи объединяют два или более методов монтажа, чтобы максимизировать сбор энергии в течение типичного дня.

Количественные преимущества для пользователей

Преимущества солнечных добавок выходят за рамки теоретических преимуществ энергии. Для пользователей, которые проводят значительное время на открытом воздухе, хорошо спроектированная солнечная система зарядки может преобразовать повседневный опыт использования электрической инвалидной коляски.

Расширение операционного диапазона на 20–40 процентов

Под прямыми солнечными лучами одна солнечная панель мощностью 50 Вт может генерировать примерно 250-300 Вт-часов в течение полного дня воздействия на открытом воздухе (при условии 5-6 часов пикового солнечного света). Это составляет около 40-50% полезной энергии в типичном литиевом аккумуляторе мощностью 600 Вт. Пользователь, который начинает день с полной батареи и перемещается на улицу в течение нескольких часов, может эффективно завершить день с большим количеством оставшегося заряда, чем они начали с - солнечная зарядка компенсирует ничью от двигателей. В практическом плане инвалидная коляска с базовым диапазоном 15 миль может видеть, что диапазон простирается до 20 миль или более в солнечные дни.

Снижение частоты зарядки и большая гибкость

Частая зарядка плагинов изнашивает химический состав батареи. Литий-ионные батареи служат дольше всего, когда их заряд составляет от 20 до 80 процентов, а циклы зарядки неглубокие. Используя солнечную энергию для поддержания заряда батареи в дневное время, пользователи могут уменьшить глубину разряда на каждом цикле. Меньшее количество глубоких разрядов может продлить общий срок службы литиевого аккумулятора от 3-5 лет до 5-7 лет во многих случаях.

Сокращение потребности в поиске настенных розеток также расширяет, куда и как могут путешествовать пользователи. Поездка на пляж, ярмарку или природный заповедник больше не требует поиска доступных зарядных станций. Коляска становится самодостаточным устройством для дневных световых часов.

Экологические и экономические преимущества

Зарядка электрической инвалидной коляски из сети обычно стоит несколько центов за киловатт-час, но в течение года ежедневная зарядка пользователя составляет эквивалент 200-400 кВтч потребления электроэнергии. Солнечные компенсаторы, которые полностью потребляются в светлое время суток, уменьшают счет за электроэнергию пользователя. За 5-7-летний срок службы солнечной установки экономия может компенсировать первоначальную стоимость панелей и контроллера.

С экологической точки зрения, каждый киловатт-час, генерируемый солнечной энергией, позволяет избежать выбросов углерода, связанных с электроэнергией. Для пользователей, обеспокоенных своим углеродным следом, мобильность на солнечных батареях согласуется с более широкими целями устойчивого развития. Кроме того, за счет увеличения срока службы батареи солнечная энергия снижает частоту, с которой батареи должны быть изготовлены и утилизированы - значительная экологическая выгода, учитывая токсичность производства и переработки батарей.

Технические трудности и инженерные решения

Солнечная энергия не является идеальным решением для каждого пользователя электрической инвалидной коляски. Для широкого внедрения необходимо решить несколько практических и технических проблем. Однако инженерные достижения быстро сокращают разрыв.

Ограничения пространства и веса

Стандартная инвалидная коляска имеет ограниченную площадь поверхности для монтажных панелей. Типичная взрослая инвалидная коляска может предложить 2-3 квадратных фута полезного плоского или полуплоского пространства. Стандартные жесткие солнечные панели обеспечивают около 15-18 ватт на квадратный фут под полным солнцем. Таким образом, реалистичный размер панели 2,5 квадратных фута даст около 40 ватт - достаточно, чтобы обеспечить значимую дополнительную зарядку, но недостаточно, чтобы полностью питать инвалидную коляску под нагрузкой. Гибкие тонкопленочные панели немного менее эффективны на квадратный фут, но могут покрывать большую общую площадь, потому что они соответствуют изогнутым поверхностям.

Вес является второй проблемой. Жесткая 50-ваттная панель весит около 8-10 фунтов. Добавление того, что вес на инвалидной коляске изменяет центр тяжести и может повлиять на стабильность, особенно на неровной местности. Гибкие панели легче - около 4-6 фунтов для эквивалентной мощности - но они все еще добавляют к общей нагрузке, что увеличивает ничью двигателя. Инженеры решают эту проблему с ультралегкими панелями CIGS, которые достигают 12-процентной эффективности при весе менее 3 фунтов на 50 ватт.

Эффективность в условиях переменного освещения

Солнечные панели производят максимальную мощность при прямом перпендикулярном солнечном свете. Облачный покров, тень от зданий или деревьев и неоптимальные углы панели могут снизить выход на 50-80%. Пользователь инвалидной коляски, перемещающийся по городской среде с высокими зданиями и прерывистым оттенком, увидит очень переменные тарифы зарядки. Эта проблема может быть смягчена за счет:

Управление энергией и здоровье батареи

Интеграция солнечной зарядки с существующими системами управления батареями требует осторожности. Литий-ионные батареи имеют строгие ограничения по напряжению и току, а нерегулируемая солнечная панель может перегружать или повреждать ячейки. Необходим специально построенный контроллер солнечного заряда для литиевых батарей - тот, который взаимодействует с BMS батареи. Некоторые производители инвалидных колясок начинают встраивать в свои кресла контроллеры заряда, готовые к солнечной энергии, упрощая установку послепродажного обслуживания.

Еще одним соображением является тепло. Солнечные панели на инвалидной коляске могут существенно повышать температуру поверхности, на которой они установлены, особенно если панель темная и прилипает непосредственно к спинке сиденья или навесу. Тепло может ухудшать аккумуляторные элементы, если панели установлены непосредственно над или рядом с аккумуляторным отсеком. В таких установках необходимы надлежащая вентиляция и теплозащита.

Реальные установки и пользовательский опыт

Опыт работы на солнечных электроколясках по-прежнему ограничен, но ранние пользователи и исследовательские прототипы дают обнадеживающие данные. В 2021 году проект в Университете Теннесси протестировал инвалидную коляску с 60-ваттной гибкой панелью, установленной на навесе. В ясные летние дни солнечная система обеспечивала в среднем 280 ватт-часов в день — достаточно, чтобы покрыть около 40 процентов энергии, потребляемой в течение 6 часов умеренного использования. Пользователи сообщали о большей готовности совершать более длительные поездки и меньше беспокоились об уровнях батареи.

Также появляются коммерческие комплекты для вторичного рынка. Такие компании, как ResUn и Solar Mobility Systems, предлагают складные солнечные панели, которые крепятся к задней части инвалидной коляски и могут быть развернуты, когда пользователь находится в неподвижном состоянии. Эти комплекты производят 40-80 ватт и предназначены для зарядки основной батареи через удлинительный кабель и совместимый контроллер заряда. Ранние обзоры подчеркивают преимущество наличия опции «сверху» во время длительного пребывания на открытом воздухе, даже если панели не предназначены для полной замены зарядки плагина.

Инновации, формирующие будущее солнечной мобильности

Солнечное пространство для инвалидных колясок быстро развивается, чему способствуют достижения в области материаловедения, силовой электроники и химии аккумуляторов.Некоторые новые инновации могут значительно повысить жизнеспособность солнечной энергии в качестве основного или почти основного источника питания для электрических инвалидных колясок.

Гибкие тонкие пленки и печатные солнечные элементы

Исследователи из таких учреждений, как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии ] разрабатывают тонкопленочные солнечные элементы с использованием перовскитных материалов, которые могут быть напечатаны на гибких подложках. Перовскитные элементы достигли лабораторной эффективности выше 25 процентов - конкурентоспособны с монокристаллическим кремнием - будучи легкими и очень гибкими. Если эти клетки станут коммерчески жизнеспособными в течение следующих 5-7 лет, они могут быть встроены непосредственно в обивку для инвалидных колясок, навесы или мешки для хранения, обеспечивая солнечную генерацию без добавления заметного веса или громоздких панелей.

Интеллектуальное отслеживание мощности и прогнозируемое управление энергопотреблением

Микроконтроллеры и машинное обучение начинают играть роль в управлении солнечной энергией на мобильных платформах. Умная система управления энергией может изучить типичные привычки пользователя в управлении автомобилем - скорость, рельеф местности, частоту остановки - и включить солнечный прогноз на день для оптимизации зарядки батареи. Например, система может получать больше тока от солнечных панелей, когда солнечный свет в изобилии, и уменьшать помощь двигателя в периоды низкой освещенности, максимизируя общий диапазон. Некоторые прототипные системы уже интегрируют GPS и местные данные о погоде для прогнозирования доступности солнечной энергии в течение дня и соответствующим образом корректируют стратегию зарядки.

Гибридные архитектуры зарядки с суперконденсаторами

Суперконденсаторы предлагают очень быстрые скорости заряда и разряда и могут обрабатывать тысячи циклов без деградации. Гибридная система, которая использует небольшой банк суперконденсаторов для обработки пиковых требований к току двигателя, таких как подъем на холм, может снизить нагрузку на основную батарею. Солнечная энергия затем может использоваться для зарядки суперконденсаторов в течение дня, сохраняя основную батарею для базового путешествия. Этот подход сглаживает ничью мощности и делает наиболее эффективным использование прерывистой энергии от солнечных панелей.

Объединение этих технологий может привести к появлению инвалидной коляски, которая работает в течение 8-10 непрерывных часов на одном заряде и частично или полностью самоподдерживающейся в солнечные дни.

Практическое рассмотрение пользователей, рассматривающих солнечную энергию

Для нынешних пользователей электрических инвалидных колясок, оценивающих солнечную энергию, требуют внимания несколько практических моментов. Во-первых, типичная среда пользователя имеет наибольшее значение. Тот, кто проводит большую часть своего времени в помещении или в постоянно пасмурном климате, получит ограниченную выгоду от солнечной энергии. И наоборот, пользователь, который живет в солнечном регионе и проводит несколько часов на открытом воздухе ежедневно, может реализовать значимое расширение диапазона.

Во-вторых, монтаж должен осуществляться специалистом, знакомым как с электроникой для инвалидных колясок, так и с солнечными компонентами. Несоответствующие настройки контроллера напряжения или ненадлежащего заряда могут повредить батареи или создать пожароопасность. Многие дилеры инвалидных колясок теперь предлагают услуги по интеграции солнечных батарей или могут направить клиентов к квалифицированному установщику.

Наконец, пользователи должны управлять ожиданиями. Солнечная батарея - это удлинитель диапазона и аккумулятор, а не замена зарядки плагина. Даже при хорошо спроектированной системе инвалидную коляску все равно нужно будет подключать регулярно, особенно в зимние месяцы или после интенсивного использования в последовательные дни. Но для пользователя, который хочет растянуть расстояние между зарядами и уменьшить беспокойство, связанное с ограничениями заряда батареи, солнечная энергия предлагает ощутимые и растущие возможности.

Заключение: к солнечной независимости

Электрические инвалидные коляски уже изменили жизнь, восстановив мобильность миллионов. Следующий рубеж — расширение этой мобильности, чтобы пользователи могли путешествовать дальше, оставаться на улице дольше и меньше беспокоиться о сроке службы батареи. Солнечная энергия обеспечивает путь к этой цели — путь, построенный на зрелых фотоэлектрических технологиях, передовых системах управления энергией и растущей экосистеме продуктов и услуг, предназначенных для электрической мобильности.

Сближение легких гибких солнечных материалов, интеллектуальной силовой электроники и батарей высокой плотности будет продолжать раздвигать границы того, что возможно.В течение следующего десятилетия электрические инвалидные коляски, готовые к солнечной энергии, могут стать нормой, а не исключением, что сделает ежедневные поездки на свежем воздухе более устойчивыми и более независимыми для пользователей по всему миру.