Освещение приусадебного участка. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Независимо от названия (освещение приусадебного участка, уличный светильник) внешнее освещение выглядит весьма привлекательно у каждого дома. Кроме своей эстетической функции уличное освещение служит и в целях обеспечения безопасности.

Каждый знает, насколько опасной может стать неосвещенная дорожка. А неогороженный плавательный бассейн? Небольшие светильники, расположенные вдоль дорожки или вокруг бассейна, могут предотвратить несчастный случай во время прогулки. В данной главе приводятся рекомендации по установке внешнего освещения, использующего солнечную энергию.

Особенности системы

По принципу действия внешнее освещение в основном подобно аварийному, рассмотренному в предыдущей главе. Фотоэлектричество также используется для заряда свинцово-кислотной батареи, от которой в свою очередь работают лампы.

Однако имеется и существенное различие. Система аварийного освещения включается лишь изредка. Фактически она требуется только при перерывах в подаче электроэнергии в сети; остальное время система бездействует.

Внешнее освещение, напротив, должно использоваться в течение каждой ночи круглый год. В этом случае необходимо разработать систему, имеющую достаточно большую емкость батареи и мощность фотоэлектрического преобразователя, чтобы система в целом функционировала в любое время года и при любых погодных условиях. Эти требования не учитывались при разработке аварийного освещения.

Конструирование системы

Конструирование начинается с самих светильников. Они рассчитаны на низкое напряжение и благодаря этому весьма удобны для системы электропитания, в которой используются преобразователи солнечной энергии.

Несмотря на наличие множества различных моделей таких светильников, все они работают от напряжения 12 В. Лампы, входящие в комплект светильников, рассчитаны, как правило, на одинаковую мощность 12 Вт и, следовательно, потребляют ток 1 А каждая.

Сначала необходимо определить необходимое число светильников в системе. Это число зависит от каждого конкретного случая. Я выбрал пять, потому что этого количества вполне хватило для освещения газона перед домом и дорожки. Следовательно, мой источник энергии должен питать систему, потребляющую ток 5 А. Если бы я выбрал шесть ламп, потребовалось бы 6 А.

Сила тока в 5 А не является чрезмерной, и ее легко получить от нескольких свинцово-кислотных батарей, имеющихся в продаже. Вопрос заключается лишь в необходимых размерах батареи.

Эта часть разработки несколько сложнее. Чтобы правильно ответить на поставленный вопрос, необходимо выполнить некоторые вычисления и сделать несколько предположений.

Во-первых, рассмотрим, какими параметрами характеризуется батарея. Все батареи (свинцово-кислотные и прочие) характеризуются емкостью в ампер-часах (часто обозначаемой А-ч). 1 А-ч означает, что батарея может снабжать нагрузку током в 1 А в течение 1 ч. Аналогично если батарея может давать ток 5 А в течение 1 ч, то ее емкость составляет 5 А-ч. Та же емкость достигается при токе 1 А в течение 5 ч. Независимо от величины напряжения емкость батареи численно определяется произведением силы тока на полное время его протекания.

Итак, было установлено, что система будет потреблять ток 5 А. Однако для грамотного выбора батареи необходимо знать продолжительность функционирования системы внешнего освещения за сутки. Пусть эта продолжительность в течение каждого вечера составляет 4 ч.

Теперь, умножив значение тока, потребляемого светильниками, на время их работы за сутки, мы получим требуемое количество ампер-часов. В нашем случае 5 А х 4 ч = 20 А-ч. Это - суточное потребление энергии.

Отсюда следует, что батареи емкостью 20 А-ч вполне достаточно для вечернего освещения. Однако утром батарея будет полностью разряжена, и для последующей работы ее необходимо будет снова зарядить. Предположим, что весь следующий день будет идти дождь. Как же фотоэлектрические преобразователи зарядят батарею? Без солнечных лучей они не работают.

С учетом этого факта тотчас станет ясно, что необходимо увеличить емкость батареи. Батарея емкостью 40 А-ч будет питать осветительную систему в течение 2 дней, а 60 А-ч - в течение 3 дней.

Теперь необходимо определить еще одно условие: выбрать среднее время между циклами заряда и решить, как долго должна работать батарея без подзаряда. Этот параметр не слишком критичен в случае освещения приусадебного участка. Предположим, что запаса энергии в батарее на 3 дня будет вполне достаточно. Следовательно, необходима батарея емкостью 60 А-ч.

Резюмируя сказанное выше, можно сформулировать последовательность простого расчета необходимых параметров солнечной и аккумуляторной батарей:

1. определить ток, потребляемый лампой;
2. определить число светильников в системе;
3. определить требуемое время работы освещения каждый вечер;
4. перемножить значения, полученные в пп. 1-3; полученный результат будет представлять собой суточное потребление энергии в ампер-часах;
5. оценить число пасмурных дней с недостаточной интенсивностью солнечного излучения, в течение которых аккумуляторная батарея должна обеспечивать энергией систему без подзарядки;
6. перемножение результатов, полученных в пп. 4 и 5, позволит определить емкость аккумуляторной батареи в ампер-часах;
7. увеличить результат п. 4 (в ампер-часах) на 33% (на 1/3) и определить тем самым среднее значение энергии, необходимое для подзаряда батареи за день;
8. определить длительность периода облученности солнечной радиацией для данного района (см. гл. 3);
9. разделить величину, полученную в п. 7, на длительность, найденную в п. 8;
10. величина, полученная в п. 9, - сила тока, который должна генерировать солнечная батарея. Величина, полученная в п. 6,- емкость аккумуляторной батареи.

Теперь все в порядке. Выбрано число светильников, установлена продолжительность их работы в течение суток и вычислена емкость батареи, необходимой для обеспечения этой работы. Осталось теперь только остановиться на определенном способе заряда батареи.

Требования к фотоэлектрическим преобразователям

Требования, предъявляемые к солнечной батарее, определяются условиями работы осветительной системы. Можно немного порассуждать; это не займет много времени.

Было сделано допущение, что для работы осветительной системы требуется 20 А-ч в сутки. Известно также, что энергию дает аккумуляторная батарея, следовательно, затраченная в вечернее время энергия должна быть, выражаясь фигурально, возвращена на следующий день.

К сожалению, ни одна батарея не является идеальной. Как правило, чтобы зарядить свинцово-кислотный аккумулятор, необходимо подвести на 20% больше энергии, чем было выделено. Следовательно, на каждые 20 А-ч, полученные от аккумулятора, необходимо возвратить 24 А-ч.

Следующий шаг - разработка фотоэлектрической батареи, генерирующей 24 А-ч в сутки. Чтобы добиться этого, необходимо знать имеющуюся в распоряжении инсоляцию. Эта величина определяется количеством полезных солнечных часов, иными словами, промежутком времени (в часах) за день, в течение которого можно считать, что солнце производит необходимую нам работу.

Определить количество полезных солнечных часов для любой местности можно двумя способами. Во-первых, непосредственно используя измеритель инсоляции, описанный в гл. 3. Или можно воспользоваться более общим значением на основании карты, приведенной в той же главе. Карта составлена с учетом сезонных изменений и общего характера погоды.

В случае описанной осветительной системы для расчетов была выбрана длительность полезного освещения, соответствующая в среднем 4,5 полезных солнечных часов за сутки. Как видно из карты, эта цифра одинакова для большинства районов континентальной части США.

Теперь, если разделить количество ампер-часов (24 А-ч), требуемых для подзарядки аккумуляторной батареи, на среднее значение полезных солнечных часов (4,5 ч), можно получить величину тока, которую должна генерировать солнечная батарея: 5,3 А.

Теоретически этому требованию удовлетворяет батарея, генерирующая ток 5,3 А при напряжении 12 В. Однако имеются другие, еще не рассмотренные нами факторы. К ним относятся потери в соединительных проводниках, потребление энергии регулятором и т. д. Следовательно, для обеспечения надежности неплохо создать определенный запас по мощности; вполне подойдет, например, 10- процентный запас.

Таким образом, минимальный ток, вырабатываемый солнечной батареей, должен составлять около 6 А. Произведя обратный расчет, т. е. умножив 6 А на 4,5 ч, получим, что солнечная батарея за сутки будет выдавать в среднем 27 А-ч. В некоторые дни отдача может быть меньше, в другие - больше.

Следует помнить, конечно, что для ежедневной зарядки аккумуляторной батареи не требуется 27 А-ч, недостающее количество солнечной энергии в некоторые дни будет восполнено аккумуляторной батареей. Однако для нормального функционирования осветительной системы среднее значение должно составлять 27 А-ч.

Солнечная батарея

Конкретную солнечную батарею можно изготовить множеством способов. Можно параллельно соединить небольшие модули и достичь необходимой мощности 87 Вт, но это будет стоить очень дорого.

Как правило, чем больше размер модулей, из которых собирается батарея, тем дешевле стоимость 1 Вт электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей. Для описываемой системы были использованы три модуля, каждый из которых генерировал ток 2 А. Все модули были изготовлены из круглых, относительно дешевых солнечных элементов диаметром более 10 см.

Если самостоятельно собирать солнечную батарею из элементов, то можно посоветовать использовать круглые элементы диаметром 10 см из монокристалла или квадратные элементы 10x10 см2 из поликристаллического материала. Хотя квадратные элементы не столь эффективны, как круглые монокристаллические, они дешевле, однако их потребуется больше.

Чтобы обеспечить цикличную работу осветительной системы (выключение в дневное время и включение в вечернее время), необходим таймер. В большинстве осветительных систем используются механические часы-таймеры, которые включают и выключают свет в определенное время; однако кажется, что это- напрасная трата энергии. Зачем зажигать свет раньше, чем зайдет солнце? Единственный выход в случае обычных таймеров - вручную устанавливать таймер, подстраиваясь под солнечный цикл, что делается довольно часто.

Однако лучше всего "заставить" заходящее солнце запускать таймер. Это делается с помощью электронной схемы, представленной на рис. 1. Рассмотрим ее работу.

В качестве светочувствительного фоторезисторного элемента используется фотоэлемент PC1, освещаемый прямыми солнечными лучами. С изменением интенсивности света, падающего на фотоэлемент, пропорционально изменяется его сопротивление. В дневное время его сопротивление очень мало (порядка 100 Ом). Однако о наступлением темноты оно увеличивается в 100 и более раз и достигает величины более 500 кОм.

Рис.1

Последовательно с фоторезистором включен резистор VR1, образуя делитель, выходное напряжение которого зависит от величины сопротивления фоторезистора PC1. Чем больше света, тем меньше выходное напряжение, и наоборот.

Величину напряжения контролируют два компаратора. Необходимо отметить, что нижний используется в неинвертирующем варианте включения, а верхний - в инвертирующем. Это означает, что при нулевом входном напряжении нижний компаратор выдает напряжение низкого уровня, а верхний - высокого.

Компараторы включены таким образом, что нижний компаратор переключается при более низком входном напряжении, чем верхний. Как только напряжение на PC 1 увеличивается (при заходе солнца), первый компаратор переключается, на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения. Теперь на выходах обоих компараторов устанавливается напряжение высокого уровня.

В этом случае цепочка из двух логических элементов И-НЕ (7С2) выдает на вывод 11 микросхемы /C3 напряжение высокого уровня.

Микросхема /C3 представляет собой программируемый таймер. Он может измерять интервалы времени длительностью вплоть до суток. Внутри этой микросхемы имеется двоичный счетчик со сквозным переносом, выходы которого можно использовать для установки времени. Переключая их, легко увеличить время срабатывания в 2 или 4 раза.

Номинальное время срабатывания таймера определяется сопротивлением R8 и емкостью С1. При указанных на схеме величинах

R8 и С1 напряжение на выводе 8 увеличивается через 4 ч. На подключенном к младшему разряду счетчика выводе 7 напряжение появится через 2 ч, на выводе 6 - через 1 ч. Работа таймера начнется при подаче высокого потенциала на вывод 11.

Время срабатывания таймера выбирается переключателем 51 "Время", В начале цикла работы на всех выходах - низкий потенциал. Контакты реле RL 1 в этих условиях замкнуты благодаря транзистору Q1 и микросхеме /С2. Электроэнергия подводится к внешнему освещению - и фонари горят.

С наступлением ночи напряжение на PC 1 продолжает увеличиваться. Вскоре верхний компаратор срабатывает и на его выходе устанавливается напряжение низкого уровня. При этом изменяется состояние входов IC2 и на вход IC3 поступает напряжение низкого уровня. Тем не менее никакого влияния на работу таймера это изменение не оказывает.

По окончании заданного интервала микросхема IC3 автоматически приходит в исходное состояние. Сброс производится импульсом обратной связи, поступающим с выхода микросхемы. Поскольку на выводе 11 теперь низкий потенциал, повторного запуска микросхемы не происходит. Кроме того, в результате выключается реле и освещение гаснет.

На следующее утро с восходом солнца постепенно снижается сопротивление PC 1 и, как следствие, уменьшается входное напряжение компараторов. Это могло бы привести к срабатыванию верхнего компаратора раньше нижнего, к подаче на вход таймера высокого потенциала и повторному запуску таймера.

Во избежание срабатывания таймера при восходе солнца в верхний компаратор введена небольшая положительная обратная связь через резистор R5. Это приводит к появлению гистерезиса, что задерживает срабатывание, пока не переключится нижний компаратор. Высокий потенциал не может быть подан на оба выхода одновременно, и запуска таймера не произойдет.

Тем не менее к вечеру цикл начнет повторяться и компараторы вернутся в свое "ночное" состояние. Уровень срабатывания компараторов устанавливается точно переменным резистором VR1 "Чувствительность". Необходимо отрегулировать значение его сопротивления таким образом, чтобы наружное освещение включалось сразу после наступления сумерек.

Конструкция

В конструкции таймера используется печатный монтаж. Конфигурация печатной платы представлена на рис. 2, а размещение на ней элементов схемы - на рис 3. Реле можно припаять непосредственно к плате или разместить в розетке для подключения освещения.

Рис.2

Рис.3

Собранный таймер необходимо поместить в непрозрачную коробку, а фоторезистор PC1 следует разместить на крышке так, чтобы на него попадали солнечные лучи. Таймер имеет всего три вывода: общую землю, провод для подключения питания +12 В от аккумуляторной батареи и фазовый провод, подключаемый к осветительной системе. Необходимо убедиться в том, что все проделанные отверстия в корпусе надежно уплотнены и водонепроницаемы во избежание проникновения влаги.

Окончательное соединение конструктивных узлов

Теперь известны все элементы, необходимые для создания осветительной системы, кроме одного. Систему необходимо также снабдить регулятором заряда.

Без регулятора заряда не исключена возможность перезаряда аккумуляторной батареи и вызванного этим снижения срока ее службы. Подобная вероятность особенно велика в летнее время, когда дни продолжительны, а ночи коротки. В этих условиях наблюдается постепенное накопление заряда в аккумуляторных элементах, которое легко может привести к перезаряду.

Рис.4

Начать сборку системы можно с размещения фонарей на участке. Здесь нет никаких ограничений, можно установить фонари там, где от них будет больше пользы. Лампы соединяются параллельно о помощью толстых проводов. Если используется соответствующий комплект проводов, то необходимый провод обязательно входит в его состав. Если нет, то рекомендуется плоский осветительный кабель № 18.

Электрические провода, ведущие к фонарям, присоединяются к схеме таймера. Таймер необходимо разместить так, чтобы на него могли падать солнечные лучи, а не свет фар проезжающих автомобилей или иных внешних источников.

Таймер подключается к аккумуляторной батарее напряжением 12 В. От типа используемой батареи зависит ее срок службы. При Желании можно воспользоваться автомобильным аккумулятором, но он долго не прослужит в тяжелых условиях периодической работы.

Лучше использовать лодочный аккумулятор. Подобные аккумуляторы созданы для работы в условиях многократных циклов глубокого разряда. Хотя они стоят несколько дороже, но прослужат гораздо дольше, чем обычный автомобильный аккумулятор.

Регулятор заряда включается между солнечной и аккумуляторной батареями. В качестве регулятора заряда прекрасно подойдет этот регулятор. Необходимо просто подключить выход регулятора к аккумулятору, а вход - к солнечной батарее, соблюдая полярность.

Лицевая панель солнечной батареи располагается в направлении на юг. Таймер устанавливается на время, в течение которого после захода солнца необходимо освещение. Возможно, для более полного соответствия погодным условиям потребуется подстройка таймера при смене сезонов Теперь дорожки около дома будут освещаться даже после захода солнца.

Автор: Байерс Т.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Световые чипы как основа передовых компьютеров 30.04.2025 Одним из самых интересных направлений вычилительных технологий является использование света для обработки данных, что может значительно ускорить процессы и снизить потребление энергии. Новый чип, разработанный стартапом Lightmatter из США, является ярким примером того, как фотонные технологии могут революционизировать вычисления, особенно в области искусственного интеллекта. Обычно компьютеры используют электрические сигналы, передаваемые через транзисторы, которые функционируют как миниатюрные переключатели. Однако новая микросхема Lightmatter применяет световые лучи для передачи данных между компонентами устройства. Эта технология имеет несколько значительных преимуществ, включая возможность обработки данных с меньшими затратами энергии и более высокой скоростью. Основной принцип работы чипа заключается в использовании фотонных лучей, которые взаимодействуют между собой в специально откалиброванной микросхеме. Этот подход позволяет ускорить вычисления, что крайне важно для современных систем, работающих с большими объемами данных, таких как искусственный интеллект. Также, несмотря на принципиально новый подход, микросхема поддерживает работу с традиционными системами управления и памяти, что позволяет использовать стандартные фреймворки для машинного обучения, такие как PyTorch и TensorFlow. Это значит, что разработчики могут интегрировать новаторскую технологию в уже существующую вычислительную инфраструктуру. Одной из ключевых проблем, с которыми сталкивались предыдущие фотонные чипы, было корректное вычисление очень маленьких чисел. В традиционных системах, если результат вычисления оказывался близким к нулю, его просто игнорировали. В новой микросхеме Lightmatter это решение было найдено путем группировки малых и крупных чисел перед их передачей через фотонные схемы, что исключает потерю данных. Применение новой технологии обещает значительные улучшения в области искусственного интеллекта, поскольку фотонные чипы позволяют выполнять вычисления с высокой точностью и ускорять процессы машинного обучения. В отличие от обычных электрических чипов, которые потребляют значительное количество энергии, фотонные чипы могут работать более эффективно, снижая нагрузку на энергоресурсы. Генеральный директор Lightmatter, Ник Гаррис, отметил, что хотя чипы компании могут уже решать задачи с такой же точностью, как и традиционные чипы, технология все еще находится на стадии развития. Он добавил, что, вероятно, пройдет еще как минимум десятилетие, прежде чем фотонные чипы станут повседневной частью вычислительных систем.

Другие интересные новости:

▪ Возобновляемой энергии на всех может не хватить

▪ Умный рюкзак для слабовидящих

▪ Сенсорная клавиатура с Bluetooth

▪ Говядина из пробирки

▪ Сок в многослойной бутыли

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Стабилизаторы напряжения. Подборка статей

▪ статья Райком закрыт, все ушли на фронт. Крылатое выражение

▪ статья Что такое икона? Подробный ответ

▪ статья Ресепшионист. Должностная инструкция

▪ статья Теория и практика фазоинвертора. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Второй сеанс с платками (несколько фокусов). Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025