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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Illuminazione del cortile. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Indipendentemente dal nome (illuminazione agricola, lampione), l'illuminazione esterna sembra molto attraente in ogni casa. Oltre alla sua funzione estetica, l'illuminazione stradale serve anche a garantire la sicurezza. Tutti sanno quanto può diventare pericoloso un sentiero non illuminato. E la piscina non recintata? Piccole luci posizionate lungo il percorso o intorno alla piscina possono prevenire incidenti durante la camminata. Questo capitolo fornisce raccomandazioni per l'installazione di illuminazione per esterni che utilizza l'energia solare.
Caratteristiche del sistema Secondo il principio di funzionamento, l'illuminazione esterna è sostanzialmente simile all'illuminazione di emergenza discussa nel capitolo precedente. Il fotovoltaico viene utilizzato anche per caricare una batteria al piombo, che a sua volta alimenta le lampade. Tuttavia, c'è anche una differenza significativa. L'impianto di illuminazione di emergenza viene acceso solo saltuariamente. Infatti, è richiesto solo durante le interruzioni nella fornitura di energia elettrica alla rete; il resto del tempo il sistema è inattivo. L'illuminazione esterna, al contrario, dovrebbe essere utilizzata durante tutte le sere dell'anno. In questo caso, è necessario sviluppare un sistema che abbia una capacità della batteria e una potenza del convertitore fotovoltaico sufficientemente grandi in modo che il sistema nel suo insieme funzioni in qualsiasi periodo dell'anno e in qualsiasi condizione meteorologica. Questi requisiti non sono stati presi in considerazione durante lo sviluppo dell'illuminazione di emergenza. Sistema di design Il design inizia con gli apparecchi stessi. Sono progettati per la bassa tensione e quindi sono molto adatti per un sistema di alimentazione che utilizza convertitori di energia solare. Nonostante esistano molti modelli diversi di tali lampade, funzionano tutte con una tensione di 12 V. Le lampade incluse nel set di lampade sono progettate, di norma, per la stessa potenza di 12 W e, pertanto, consumano 1A ciascuno. Innanzitutto è necessario determinare il numero richiesto di dispositivi nel sistema. Questo numero dipende da ogni caso specifico. Ne ho scelti cinque perché questa quantità era sufficiente per illuminare il prato davanti e la passerella. Pertanto, la mia fonte di alimentazione deve alimentare un sistema che assorbe 5 A. Se scegliessi sei lampade, sarebbero necessari 6 A. Una corrente di 5 ampere non è eccessiva ed è facilmente ottenibile da diverse batterie al piombo disponibili in commercio. L'unica domanda è la dimensione richiesta della batteria. Questa parte dello sviluppo è un po' più complicata. Per rispondere correttamente alla domanda posta, è necessario eseguire alcuni calcoli e formulare diverse ipotesi. Innanzitutto, considera quali parametri caratterizzano la batteria. Tutte le batterie (piombo-acido e altre) sono classificate in ampere-ora (spesso indicate come Ah). 1Ah significa che la batteria può fornire 1A per 1 ora, allo stesso modo, se una batteria può fornire 5A per 1 ora, ha una capacità di 5Ah. La stessa capacità viene raggiunta con una corrente di 1 A per 5 ore.Indipendentemente dalla tensione, la capacità della batteria è determinata numericamente dal prodotto dell'intensità di corrente e dal tempo totale del suo flusso. Pertanto, è stato riscontrato che il sistema consumerà una corrente di 5 A. Tuttavia, per una scelta competente della batteria, è necessario conoscere la durata giornaliera del sistema di illuminazione esterno. Lascia che questa durata per ogni sera sia di 4 ore. Ora, moltiplicando il valore della corrente consumata dalle lampade per il tempo in cui funzionano al giorno, otteniamo il numero richiesto di ampere-ora. Nel nostro caso, 5 A x 4 h = 20 Ah. Questo è il consumo energetico giornaliero. Ne consegue che per l'illuminazione serale è sufficiente una batteria con una capacità di 20 Ah. Tuttavia, al mattino la batteria sarà completamente scarica e dovrà essere ricaricata per poterla riutilizzare. Supponiamo che piova tutto il giorno successivo. In che modo i convertitori fotovoltaici caricano una batteria? Non funzionano senza luce solare. Alla luce di ciò, risulterà subito chiaro che è necessario aumentare la capacità della batteria. Una batteria da 40 Ah alimenterà il sistema di illuminazione per 2 giorni e una batteria da 60 Ah per 3 giorni. Ora devi definire un'altra condizione: scegli il tempo medio tra i cicli di ricarica e decidi quanto dovrebbe durare la batteria senza ricarica. Questo parametro non è troppo critico nel caso di illuminazione di una trama personale. Supponiamo che la riserva di energia nella batteria per 3 giorni sia sufficiente. Pertanto, è necessaria una batteria da 60 Ah. Riassumendo quanto sopra, possiamo formulare la sequenza di un semplice calcolo dei parametri richiesti di batterie solari e di accumulo:
Adesso va tutto bene. Viene selezionato il numero di lampade, viene impostata la durata del loro funzionamento durante il giorno e viene calcolata la capacità della batteria necessaria per garantire tale funzionamento. Resta ora solo da soffermarsi su un certo metodo di ricarica della batteria. Requisiti per convertitori fotovoltaici I requisiti per una batteria solare sono determinati dalle condizioni operative del sistema di illuminazione. Puoi speculare un po '; non ci vuole molto tempo. Si presumeva che il sistema di illuminazione richiedesse 20 Ah al giorno per funzionare. È anche noto che la batteria fornisce energia, quindi l'energia consumata la sera deve essere, in senso figurato, restituita il giorno successivo. Sfortunatamente, nessuna batteria è perfetta. Di norma, per caricare una batteria al piombo, è necessario fornire il 20% di energia in più rispetto a quella rilasciata. Pertanto, per ogni 20 Ah ricevuti dalla batteria, 24 Ah devono essere restituiti. Il passo successivo è lo sviluppo di un campo fotovoltaico che genera 24 Ah al giorno. Per ottenere ciò, è necessario conoscere l'insolazione disponibile. Questo valore è determinato dal numero di ore utili di soleggiamento, in altre parole, il periodo di tempo (in ore) al giorno durante il quale possiamo presumere che il sole faccia il lavoro di cui abbiamo bisogno. Esistono due modi per determinare il numero di ore utili di sole per qualsiasi località. In primo luogo, utilizzando direttamente il misuratore di insolazione descritto nel cap. 3. Oppure puoi usare un significato più generale basato sulla mappa fornita nello stesso capitolo. La mappa è stata compilata tenendo conto dei cambiamenti stagionali e della natura generale del tempo. Nel caso dell'impianto di illuminazione descritto, è stata scelta per i calcoli la durata dell'illuminazione utile, corrispondente ad una media di 4,5 ore utili di soleggiamento al giorno. Come puoi vedere dalla mappa, questa cifra è la stessa per la maggior parte delle aree degli Stati Uniti continentali. Ora, se dividiamo il numero di amperora (24 Ah) necessari per ricaricare la batteria per le ore di sole utili medie (4,5 ore), possiamo ottenere la quantità di corrente che la batteria solare dovrebbe generare: 5,3 A. Teoricamente, questo requisito è soddisfatto da una batteria che genera una corrente di 5,3 A a una tensione di 12 V. Tuttavia, ci sono altri fattori che non abbiamo ancora considerato. Questi includono perdite nei conduttori di collegamento, consumo di energia da parte del regolatore, ecc. Pertanto, per garantire l'affidabilità, non è una cattiva idea creare un certo margine di potenza; Ad esempio, un margine del 10% va bene. Pertanto, la corrente minima generata dalla batteria solare dovrebbe essere di circa 6 A. Facendo il calcolo inverso, cioè moltiplicando 6 A per 4,5 ore, otteniamo che la batteria solare produrrà in media 27 Ah al giorno. In alcuni giorni il rendimento potrebbe essere inferiore, in altri potrebbe essere maggiore. Va ricordato, ovviamente, che 27 Ah non sono necessari per la ricarica giornaliera della batteria, la quantità mancante di energia solare in alcuni giorni verrà reintegrata dalla batteria. Tuttavia, per il normale funzionamento dell'impianto di illuminazione, il valore medio dovrebbe essere di 27 Ah. Batteria solare Una particolare cella solare può essere realizzata in vari modi. È possibile collegare piccoli moduli in parallelo e ottenere la potenza richiesta di 87 W, ma questo sarà molto costoso. Di norma, maggiore è la dimensione dei moduli da cui è assemblata la batteria, minore è il costo di 1 W di elettricità generata dalla batteria solare. Per il sistema descritto sono stati utilizzati tre moduli, ciascuno dei quali generava una corrente di 2 A. Tutti i moduli erano costituiti da celle solari rotonde, relativamente economiche, con un diametro superiore a 10 cm. Se assembli in modo indipendente una batteria solare da elementi, puoi consigliare di utilizzare elementi rotondi con un diametro di 10 cm da un singolo cristallo o elementi quadrati 10x10 cm2 da un materiale policristallino. Sebbene le celle quadrate non siano efficienti come le celle monocristalline rotonde, sono più economiche, ma ne serviranno di più. Per garantire il funzionamento ciclico del sistema di illuminazione (spento durante il giorno e acceso la sera), è necessario un timer. La maggior parte dei sistemi di illuminazione utilizza timer meccanici che accendono e spengono le luci in orari specifici; tuttavia, questo sembra essere uno spreco di energia. Perché accendere la luce prima che il sole tramonti? L'unica via d'uscita nel caso dei timer convenzionali è impostare manualmente il timer, adattandosi al ciclo solare, cosa che viene eseguita abbastanza spesso. Tuttavia, è meglio "forzare" il sole al tramonto per avviare il timer. Questo viene fatto utilizzando il circuito elettronico mostrato in Fig. 1. Considera il suo lavoro. Come fotoresistenza sensibile alla luce viene utilizzata una fotocellula PC1 illuminata dalla luce solare diretta. Con un cambiamento nell'intensità della luce che cade su una fotocellula, la sua resistenza cambia proporzionalmente. Di giorno, la sua resistenza è molto piccola (circa 100 ohm). Tuttavia, con l'inizio dell'oscurità, aumenta di 100 o più volte e raggiunge un valore superiore a 500 kOhm.
Un resistore VR1 è collegato in serie alla fotoresistenza, formando un partitore, la cui tensione di uscita dipende dal valore della resistenza della fotoresistenza PC1. Maggiore è la luce, minore è la tensione di uscita e viceversa. Il valore della tensione è controllato da due comparatori. Va notato che quello inferiore è utilizzato nella versione non invertente dell'inclusione e quello superiore in quello invertente. Ciò significa che a tensione di ingresso zero, il comparatore inferiore emette una tensione di livello basso e il comparatore superiore ne emette una alta. I comparatori sono collegati in modo tale che il comparatore inferiore commuti a una tensione di ingresso inferiore a quella superiore. Non appena la tensione su PC 1 aumenta (quando il sole tramonta), il primo comparatore commuta, la sua uscita viene impostata su un livello di alta tensione. Ora le uscite di entrambi i comparatori sono impostate su una tensione di livello elevato. In questo caso, una catena di due elementi logici AND-NOT (7C2) emette una tensione di alto livello al pin 11 del chip /C3. Il chip /C3 è un timer programmabile. Può misurare intervalli di tempo fino a un giorno. All'interno di questo chip è presente un contatore binario carry-through le cui uscite possono essere utilizzate per impostare l'ora. Cambiandoli, è facile aumentare il tempo di risposta di 2 o 4 volte. Il tempo di risposta nominale del timer è determinato dalla resistenza R8 e dalla capacità C1. Con i valori indicati sul diagramma R8 e C1, la tensione al pin 8 aumenta dopo 4 ore. Al pin 7 collegato alla cifra di ordine basso del contatore, la tensione apparirà dopo 2 ore, al pin 6 - dopo 1 ora. Il timer si avvierà quando un alto il potenziale è applicato al pin 11. Il tempo di funzionamento del timer viene selezionato dall'interruttore 51 "Time" All'inizio del ciclo di lavoro tutte le uscite sono a basso potenziale. I contatti del relè RL 1 sono chiusi in queste condizioni a causa del transistor Q1 e del chip /C2. L'elettricità viene fornita all'illuminazione esterna e le luci sono accese. Al calare della notte, la tensione sul PC 1 continua ad aumentare. Presto viene attivato il comparatore superiore e alla sua uscita viene impostata una bassa tensione. Questo cambia lo stato degli ingressi di IC2 e viene applicata una tensione di basso livello all'ingresso di IC3. Tuttavia, questa modifica non influisce sul funzionamento del timer. Al termine dell'intervallo specificato, IC3 si resetta automaticamente. Il ripristino viene eseguito da un impulso di feedback proveniente dall'uscita del microcircuito. Poiché il pin 11 è ora a basso potenziale, il chip non si riavvia. Inoltre, di conseguenza, il relè si spegne e l'illuminazione si spegne. La mattina dopo, al sorgere del sole, la resistenza del PC 1 diminuisce gradualmente e, di conseguenza, la tensione di ingresso dei comparatori diminuisce. Ciò potrebbe causare l'attivazione del comparatore superiore prima di quello inferiore, applicare un potenziale elevato all'ingresso del timer e riavviare il timer. Per evitare che il timer si attivi all'alba, viene introdotto un piccolo feedback positivo nel comparatore superiore attraverso il resistore R5. Ciò si traduce in un'isteresi che ritarda la risposta finché il comparatore inferiore non commuta. Non è possibile applicare un potenziale elevato a entrambe le uscite contemporaneamente e il timer non si avvia. Tuttavia, entro sera il ciclo inizierà a ripetersi ei comparatori torneranno al loro stato "notturno". Il livello di funzionamento dei comparatori è impostato precisamente dal resistore variabile VR1 "Sensibilità". È necessario regolare il valore della sua resistenza in modo che l'illuminazione esterna si accenda immediatamente dopo il tramonto. disegno Il design del timer utilizza cavi stampati. La configurazione del PCB è mostrata in fig. 2, e il posizionamento degli elementi del circuito su di esso è mostrato in Fig. 3. Il relè può essere saldato direttamente sulla scheda o inserito in una presa per collegare l'illuminazione.
Il timer assemblato deve essere collocato in una scatola opaca e la fotoresistenza PC1 deve essere posizionata sul coperchio in modo che sia esposta alla luce solare. Il timer ha solo tre uscite: una terra comune, un filo per il collegamento dell'alimentazione +12 V dalla batteria e un filo di fase collegato al sistema di illuminazione. Assicurarsi che tutti i fori praticati nell'alloggiamento siano adeguatamente sigillati e a tenuta stagna per impedire l'ingresso di umidità.
Collegamento finale delle unità strutturali Ormai si conoscono tutti gli elementi necessari per realizzare un impianto di illuminazione, tranne uno. L'impianto deve inoltre essere dotato di un regolatore di carica. Senza un regolatore di carica non si può escludere la possibilità di sovraccaricare la batteria e la conseguente riduzione della sua durata. Questa probabilità è particolarmente alta in estate, quando le giornate sono lunghe e le notti brevi. In queste condizioni si verifica un graduale accumulo di carica nelle celle della batteria, che può facilmente portare al sovraccarico.
Puoi iniziare a montare il sistema posizionando le luci sul sito. Non ci sono restrizioni qui, puoi installare luci dove saranno più utili. Le lampade sono collegate in parallelo con fili spessi. Se viene utilizzato un kit di cavi appropriato, il filo necessario è necessariamente incluso nella sua composizione. In caso contrario, si consiglia il cavo piatto per illuminazione n° 18. I fili elettrici che portano alle luci sono collegati al circuito del timer. Il timer deve essere posizionato in modo che possa essere esposto ai raggi del sole, e non ai fari delle auto in transito o ad altre fonti esterne. Il timer è collegato a una batteria da 12 V. La durata della batteria dipende dal tipo di batteria utilizzata. Se lo desideri, puoi utilizzare una batteria per auto, ma non durerà a lungo nelle dure condizioni di lavoro periodico. È meglio usare una batteria da barca. Tali batterie sono progettate per funzionare in condizioni di ripetuti cicli di scarica profonda. Anche se costano un po' di più, dureranno molto più a lungo di una normale batteria per auto. Il regolatore di carica è collegato tra le batterie solari e di accumulo. Ottimo per un regolatore di carica. questo regolatore. Hai solo bisogno di collegare l'uscita del regolatore alla batteria e l'ingresso alla batteria solare, rispettando la polarità. Il pannello frontale del pannello solare si trova in direzione sud. Il timer è impostato sull'ora durante la quale è necessaria l'illuminazione dopo il tramonto. Potrebbe essere necessario regolare il timer quando le stagioni cambiano per adattarsi meglio al tempo: ora i vialetti vicino alla casa saranno illuminati anche dopo il tramonto. Autore: Byers T.
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