АВТОНОМНОЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СВЕТОТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
SELF-CONTAINED MULTIPURPOSE LIGHTING UNIT

Изобретение относится к устройствам освещения и сигнализации и предназначено для использования преимущественно в аварийных ситуациях при отсутствии обычного (стационарного) освещения, для регулирования движения автомобильного и водного транспорта, а также для дистанционной передачи метеоданных.
Известно автономное светотехническое устройство, содержащее корпус с размещенным в нем рефлектором, внутри которого закреплены светоизлучающие диоды, и устройство энергообеспечения в виде накопительного конденсатора или аккумулятора [1].
Устройство имеет небольшие габаритные размеры и малый вес.
Недостатком устройства является ограниченный ресурс его функционирования в автономном режиме, определяемый временем разряда аккумуляторов или конденсатора.
Известно автономное светотехническое устройство, содержащее фотоэлектрический преобразователь и связанные друг с другом через соответствующие контакты переключателя аккумуляторную батарею и источник света, импульсный повышающий регулятор напряжения, связанный с фотоэлектрическим преобразователем и формирователем импульсов зарядного тока [2].
Недостатком устройства является отсутствие возможности автоматического управления включения и выключения источника света в зависимости от наружного освещения, что ограничивает его ресурс функционирования в автономном режиме.
Известно также автономное светотехническое устройство, включающее источник света в виде линейки светодиодов, аккумуляторную батарею, фотоэлектрический преобразователь и блок управления, состоящий из датчика освещенности и узла управления подачей энергии на линейку светодиодов [3].
Устройство автоматически включается (освещает) с наступлением темного времени суток и выключается при наступлении утра - при повышении освещенности на фотоэлектрическом преобразователе, таким образом, оно не требует внешнего воздействия от потребителя для его включения и выключения.
Конструктивно автономное светотехническое устройство состоит из трех отдельных узлов:
- рефлектор, внутри которого расположены линейки светодиодов и блок управления;
н
н
- фотоэлектрический преобразователь (монолитный солнечный модуль мощностью не менее 60 Вт, например ТСМ-60, напряжение и ток под нагрузкой соответственно U=17 B и I=3,5 A. Солнечный модуль представляет собой заключенное в алюминиевую раму закаленное стекло с закрепленными на нем линейками солнечных элементов;
- свинцово-кислотная необслуживаемая аккумуляторная батарея, например, марки «BOSCH SILVER», напряжением 12 B и емкостью не менее 40 A/час.
Вес рефлектора с линейкой светодиодов и блоком управления небольшой и составляет около 0,7 кг, вес модуля ТСМ-60 составляет ~7 кг при габаритных размерах 773 мм × 676 мм × 43 мм, вес аккумуляторной батареи составляет около 11 кг при габаритных размерах 187 мм × 127 мм × 227 мм.
Таким образом, суммарный вес автономного светотехнического устройства составляет не менее 17 кг.
К недостаткам устройства следует отнести:
- значительный вес и многоблочность конструкции, что существенно ограничивает мобильность его использования, то есть увеличивает время развертывания автономного светотехнического устройства до рабочего состояния;
- функционально указанное устройство предназначено только для выполнения единственной операции: освещения локальной территории в темное время суток.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является портативное автономное светотехническое устройство, включающее гибкую слоистую структуру, на наружной поверхности которой расположены цепочки полупроводниковых тонкопленочных солнечных элементов и источники света (линейки светодиодов), а в специальных карманах на внутренней или наружной поверхности расположены источники накопления энергии (аккумуляторная батарея) и блок управления, состоящий из датчика освещенности, контроллера заряда аккумуляторной батареи и узла регулирования подачи энергии на линейки светодиодов [4].
Гибкая слоистая структура представляет собой либо гибкий пластиковый лист, либо армированную текстильную или кожаную поверхность, на которой закреплены карманы (ячейки), в которых и размещаются все элементы устройства.
В качестве контроллера заряда используется электросхема, обеспечивающая шунтирование фотоэлектрического модуля при превышении напряжения на аккумуляторной батарее более чем на 10% от номинального значения. При этом фотоэлектрический модуль отключается от нагрузки, а весь генерируемый модулем ток перенаправляется на шунтирующую нагрузку. При снижении напряжения на аккумуляторной батарее более чем на 10% от номинального значения узел контроля заряда вновь подключает фотоэлектрический модуль к аккумуляторной батарее, и процесс подзарядки аккумуляторной батареи возобновляется.
Устройство является портативным, имеет небольшой вес и высокую автономность.
К недостаткам устройства следует отнести:
- низкую влагозащищенность, обусловленную структурированностью конструкции;
- невысокую надежность, обусловленную наличием множественных контактных проводов, соединяющих блоки и узлы устройства между собой;
- ограниченную функциональность (устройство предназначено только для освещения и подзарядки небольших портативных устройств через встроенный USB-разъем).
Задачей изобретения является расширение функциональности устройства, повышение его автономности и надежности.
Это достигается за счет того, что в автономном светотехническом устройстве, содержащем гибкую слоистую структуру, на которой размещены цепочки полупроводниковых солнечных элементов, источник света в виде линейки светодиодов, аккумуляторная батарея и блок управления, состоящий из датчика освещенности, контроллера заряда аккумуляторной батареи и узла регулирования подачи энергии на линейки светодиодов, в качестве гибкой слоистой структуры используют гибкий фотоэлектрический модуль, солнечные элементы которого и линейки светодиодов расположены на лицевой и обратной стороне модуля, а блок управления и аккумуляторная батарея закреплены на одной из сторон модуля, причем блок управления дополнительно содержит узел звуковой сигнализации, датчики температуры и давления и двунаправленный радиомодем, при этом линейки светодиодов, аккумуляторная батарея и блок управления расположены под защитной оптически прозрачной ламинирующей пленкой толщиной 0,2÷1,0 мм.
Конструкция заявляемого светотехнического устройства поясняется фиг.1, где:
1 - лицевая сторона гибкого фотоэлектрического модуля;
2 - обратная сторона гибкого фотоэлектрического модуля;
3 - полупроводниковые солнечные элементы;
4 - блок управления;
5 - аккумуляторная батарея;
6 - линейки светодиодов;
R - радиус изгиба поверхности модуля, мм;
Вид А - устройство в стандартном развернутом состоянии;
Вид Б - устройство в изогнутом состоянии.
Полупроводниковые солнечные элементы 3 расположены на обеих плоскостях гибкого фотоэлектрического модуля 1.
Аккумуляторная батарея 5 представляет собой плоский пенал, в котором размещены от одного до трех плоских полимерных Li-Ion аккумуляторов суммарным напряжением 10÷15 В.
Линейки светодиодов 6 расположены как на лицевой, так и на обратной поверхности модуля 1.
Блок управления 4 размещен в клеммной коробке гибкого фотоэлектрического модуля 1 и состоит из микропроцессора, обеспечивающего реализацию помимо стандартных функций (детектирования уровня освещенности, регулирования подачи энергии на линейки светодиодов и контроля заряда аккумуляторной батареи) также функции метеорологического процессора («погодной станции»), двунаправленной радиомодемной связи и звуковой сигнализации.
Оптимальным размещением светотехнического устройства является вариант размещения лицевой стороной фотоэлектрического модуля на юг (фиг.1, вид А).
В этом случае обеспечивается максимальная световая засветка солнечных элементов модуля в течение светового дня, то есть максимальная подзарядка аккумуляторной батареи.
В случае размещения устройства лицевой поверхностью (или в изогнутом состоянии - фиг.1, вид Б) на север зарядка аккумуляторных батарей будет обеспечиваться за счет расположенных на обратной стороне модуля солнечных элементов, которые в данном случае будут ориентированы на запад и восток.
При таком размещении обеспечивается достаточная световая засветка солнечных элементов модуля в утренние и вечерние часы, то есть когда солнце находится на востоке и западе соответственно.
В случае же использовании устройства-прототипа [4] подзарядка аккумуляторной батареи при таких расположениях устройства оказывается принципиально невозможной.
Поскольку все элементы светотехнического устройства находятся под защитной светопроницаемой пленкой, устройство может быть использовано в самых экстремальных погодных условиях, вплоть до размещения в условиях интенсивных атмосферных осадков, вплоть до 100%-ной влажности (например, в качестве автономного бакена, выполняя одновременно функцию светового или звукового сигнализатора и погодной станции, передающей по радиомодему по запросу удаленного центра управления сигнал, содержащий информацию как о состоянии узлов и блоков устройства, так и информацию о влажности, температуре и давлении в точке локализации устройства).
Защита светопроницаемой пленкой осуществляется путем ламинирования по стандартной технологии, используемой в производстве гибких фотоэлектрических модулей, при температуре 145÷150°C в течение ~2,0 мин [5]. Такое кратковременное температурное воздействие не сказывается отрицательно на работоспособности светодиодов.
Минимальная толщина защитной пленки составляет 0,2 мм и ограничена ее прочностными характеристиками. При меньшей толщине возможны локальные разрывы пленки, что отрицательно сказывается на герметичности конструкции.
При толщинах защитной пленки более 1,0 мм уменьшается ее светопропускание, что приводит к дополнительным потерям мощности модуля за счет повышенного поглощения светового потока в пленке и, как следствие, к снижению КПД солнечных элементов.
Также при использовании пленки толщиной более 1,0 мм происходит деформация пластиковых линз светодиодов, поскольку ламинирование толстой пленки происходит при температурах 145÷150°C в течение более длительного времени (до 10 мин).
В случае же использовании устройства-прототипа [4] 100%-ная влагозащищенность узлов и блоков устройства не может быть реализована, поэтому задача обеспечения бесперебойного функционирования устройства в экстремальных погодных условиях становится практически невыполнимой.
Пример конкретного выполнения
н
н
В качестве гибкой слоистой структуры с расположенными на ней цепочками полупроводниковых солнечных элементов используют гибкий фотоэлектрический модуль 1 типа TCM-60F с двухсторонним расположением солнечных элементов [5]. Мощность модуля - 60 Вт, напряжение и ток под нагрузкой соответственно U=17 B и I=3,5 A. Габаритные размеры фотоэлектрического модуля - 1100 мм × 500 мм × 1,5 мм, вес модуля - 1,0 кг.
При изготовлении модуля на лицевой стороне ниже места под размещение клеммной коробки 1 предусматривается свободное от солнечных элементов пространство в виде вертикального прямоугольника площадью, достаточной для размещения аккумуляторной батареи.
Аккумуляторная батарея 5 представляет собой размещенные на этом свободном пространстве модуля три последовательно соединенных плоских полимерных Li-Ion аккумуляторов типа DB02A производства фирмы «Ddreamvasion Wholesale Ltd» емкостью по 4500 мА/час и рабочим напряжением 3,7 В. Габаритные размеры каждого аккумулятора - 96 мм × 119 мм × 3,3 мм, вес - 95 г.
Диапазон рабочих температур подобных аккумуляторов составляет от -40°C до +60°C, гарантированный срок службы - от 3 до 5 лет.
Суммарный вес батареи из 3-х аккумуляторов составляет 0,27 кг.
В качестве линеек светодиодов 6 используют линейки из сверхярких светодиодов малой мощности фирмы ООО «КТЛ» марки KMWH-288.
Линейки светодиодов закрепляют по периферии модуля с лицевой и обратной сторон, а также поверх аккумуляторной батареи.
Указанные линейки светодиодов имеют следующие технические характеристики:
- угол свечения 120°;
- световой поток 500 лм;
- количество светодиодов в линейке 12 шт.;
- длина каждой линейки 288 мм;
- вес линейки 0,02 кг;
- напряжение питания 12 B;
- потребляемая мощность 5,8 Вт;
- диапазон рабочих температур от -40°C до +80°C.
Гарантированный срок службы такой светодиодной линейки составляет не менее 50000 час, то есть около 6 лет.
Контактные провода от аккумуляторной батареи и линеек светодиодов выводят в клеммную коробку 1 и распаивают на соответствующих контактных площадках блока управления 4.
Блок управления 4 представляет собой размещенный в клеммной коробке 1 гибкого фотоэлектрического модуля микропроцессор, содержащий (помимо стандартных узлов: датчика освещенности, узла регулирования подачи энергии на линейки светодиодов и узла контроля заряда аккумуляторной батареи) метеорологический процессор («погодную станцию»), двунаправленный радиомодем и звуковой сигнализатор.
Поскольку все элементы светотехнического устройства находятся под защитной светопроницаемой пленкой (этиленвинилацетатная пленка - ЭВА) толщиной ~0,2 мм, они полностью изолированы от воздействия атмосферных осадков и способны функционировать в условиях повышенной влажности, тумана, дождя.
Таким образом, заявляемое устройство представляет собой полностью герметичный плоский моноблок весом не более 1,4 кг, максимальные габаритные размеры которого не превышают 1100 мм × 500 мм × 5,0 мм, который обеспечивает помимо основной функции (подачу световых сигналов) дополнительно звуковую сигнализацию, сбор погодной информации и передачу регистрируемой информации на удаленный пункт управления.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой конструкции, заключается в повышение надежности устройства и расширении его функциональности.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в автономных светотехнических устройствах встроенных логических блоков, контролирующих параметры самого устройства, анализирующих погодную информации, содержащих радиомодем и обеспечивающих подачу световых и звуковых сигналов как в автоматическом режиме, так и в режиме удаленного управления.
Источники информации
1. Патент США №8066402 от 29 ноября 2011 г.
2. Патент РФ №2256845 от 20 августа 2005 г.
3. Патент РФ №2324105 от 26 сентября 2006 г.
4. Европатент № WO 2011049859 от 28 августа 2011 г. - прототип.
5. Патент РФ №2416056 от 17 декабря 2009 г.