АВТОНОМНЫЙ СВЕТИЛЬНИК

Полезная модель относится к устройствам освещения помещений и предназначена для использования в аварийных ситуациях при отсутствии стационарного освещения, для освещения палаток временного проживания, например, эвакуированных из зоны бедствия, находящихся в полевых условиях военнослужащих, строителей и геологов, сельских хозяйственных построек, внутри спасательных плотов.
Известен светильник с автономным питанием от солнечной и ветровой энергии, содержащий аккумуляторы, фотоэлектрические панели и ветроэнергетическую установку (патент РФ от 09.04.2006, №2283985, кл. F21S 9/02 и F21L 4/00). Недостатком этого светильника является сложность устройства, большие габариты и масса.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является автономный светильник, содержащий блок освещения с источником света, блок питания с электрохимическим генератором и коммутатор, через который посредством кабеля соединены блок освещения и блок питания (патент на полезную модель №69967, кл. 21S 9/04, 10.01.2008. Недостатком этого известного автономного светильника является сложность конструкции и большая масса, связанные с использованием электрохимического генератора на основе метанольных топливных элементов и наличием бака с жидким топливом.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции и снижении массы.
Указанный технический результат достигается тем, что автономный светильник содержит блок освещения с источником света, блок питания с электрохимическим генератором и коммутатор, через который посредством кабеля соединены блок освещения и блок питания. В качестве электрохимического генератора взята батарея воздушно-алюминиевых топливных элементов (ВАТЭ). Батарея состоит из соединенных последовательно ВАТЭ, каждый из которых содержит корпус из изоляционного материала, внутри которого размещен анод, выполненный в виде прямоугольной пластины из алюминиевого сплава, отношение высоты которой к ее ширине равно 0,4÷0,6, в противоположные стенки корпуса ВАТЭ вмонтированы газодиффузионные катоды, обращенные в зазоры между ВАТЭ, зазоры между ВАТЭ образуют воздушные полости батареи. Использование батареи ВАТЭ, отличающейся высокими удельными электрическими характеристиками и простотой конструкции позволяет упростить конструкцию и снизить массу светильника.
В качестве источника света может быть взят люминесцентный источник света или матрица светодиодов белого свечения высокой яркости. Указанные источники света отличаются высокой яркостью и малым потреблением энергии.
В качестве электролита может быть взят водный раствор поваренной соли при концентрации 2÷15% или морская вода. Указанный электролит отличается широкой доступностью, малой стоимостью и безопасностью использования..
Нижний предел концентрации соли в растворе, составляющий 2%, позволяет использовать воду морей слабой солености. Снижение предела ниже 2% приведет к повышению сопротивления электролита и, как следствие, к снижению электрических характеристик батареи светильника. Верхний предел концентрации соли в растворе, равный 15%, обеспечивает высокие разрядные характеристики, однако, превышение этого предела вызовет бесполезный расход соли.
Светильник может комплектоваться сменными анодами ВАТЭ. Наличие сменных анодов увеличивает ресурс работы светильника.
От величины отношения высоты анода к его ширине зависят энергетические характеристики батареи светильника. При разряде анода образуется продукт его окисления - гидроксид алюминия. С верхней части анода гидроксид алюминия за счет флотации электролита виде взвеси поднимается вверх, а с нижней части - опускается вниз в виде осадка. При этом, гидроксид алюминия осаждается на верхней и нижней частях поверхности анода, и на этих участках возрастает омическое сопротивление. Поэтому, у анодов с отношением высоты к ширине более 0,6 в токообразующей реакции активно участвует только их средняя часть, равная около одной трети высоты анода. У анодов с отношением высоты к ширине менее 0,4 величина активной средней части поверхности относительно высоты анода возрастает вследствие перехода значительной части продуктов разряда в слои электролита, один из которых покрывает анод сверху, а другой находится в донной части элемента - под анодом. Такой переход в электролит продуктов разряда у анодов с отношением высоты к ширине более 0,6 намного меньше из-за большого количества гидроксида алюминия. Исследовано, что оптимальное отношение высоты анода к его ширине равно 0,5. При возрастании отношения высоты анода к его ширине свыше заявленной величины 0,6, возрастает площадь поверхности анода, экранируемая гидроксидом алюминия, и энергетические характеристики батареи светильника снижаются, а также уменьшается остойчивость светильника с люминесцентным источником света, размещенным наверху батареи, вследствие уменьшения ширины батареи. Снижение отношения высоты анода к его ширине ниже 0,4 приводит к затруднению поступления воздуха по всей ширине воздушных полостей между элементами, что ухудшает энергетические характеристики батареи, увеличивается масса батареи вследствие возрастания массы электролита, а также возрастает ее ширина, что увеличивает габариты светильника в плане.
Сущность полезной модели поясняется чертежом принципиального устройства светильника, на котором изображены:
На фиг.1 - Продольный разрез светильника с люминесцентным источником света на крышке в исполнении с кожухом батареи, содержащем дно.
На фиг.2 - Вид исполнения светильника сбоку с вертикальными прорезями в боковых стенках кожуха батареи,
На фиг.3 - Вид исполнения светильника сбоку с кожухом батареи, не содержащем дно, и боковыми стенками кожуха в виде двух продольных полос,
1
1
На фиг.4 - Разрез исполнения светильника 1 - 1 на фиг.3,
На фиг.5 - Блок-схема электрической коммутации светильника.
Светильник 1 состоит из люминесцентного источника света 2 с вмонтированным в его патрон пускорегулирующим устройством 3, батареи 4, размещенной в кожухе 5. Батарея 4 состоит из соединенных последовательно воздушно-алюминиевых элементов 6, каждый из которых содержит корпус 7 из изоляционного материала, в направляющие пазы (на чертеже не показаны) внутренней полости 8 которого помещен анод 9 из алюминиевого сплава. В обе поперечные стенки 10 корпуса 7 каждого элемента вмонтированы газодиффузионные катоды 11. В каждом элементе катоды соединены между собой шиной, к которой присоединен положительный токоотвод элемента. Элементы соединены последовательно, провод токоотвода анода одним концом присоединен к аноду неразъемным соединением, а другой конец содержит штекер, вставленный в ответную часть токоотвода катода. Боковые стенки кожуха 5 батареи 4 могут быть выполнены в трех исполнениях. В одном исполнении боковые стенки 12, выполненные по всей высоте кожуха 5, содержат вертикальные прорези 13 напротив воздушных полостей 14 между соседними элементами 6 и напротив воздушной полости 15 внизу батареи (фиг.1 и 2). В другом исполнении боковые стенки выполнены из двух продольных полос 16 и 17 (фиг3 и 4), нижние кромки 18 нижних полос 17 находятся на уровне наружной поверхности дна 19 элементов 6, а нижние кромки 20 торцовых стенок 21 выступают ниже таким образом, что воздушная полость 15 открыта с обоих боков нижней части батареи 4. Может быть использован третий вариант, в котором нижние кромки боковых стенок кожуха содержащих пазы напротив воздушных полостей между соседними элементами 14, находятся на уровне дна элементов. Кожух батареи закрыт крышкой 22, на которой смонтирован высокоомный индикатор напряжения 23, присоединенный параллельно к шинам электрической коммутации с батареей, размещенными в крышке. Эти шины подведены к двухпозиционному переключателю 24, имеющему положения: №1 - «Включение пускорегулирующего устройства», №2 - «Отключение пускорегулирующего устройства». Переключатель 24 через штепсельный разъем 25 и соединительный шнур 26 электрически связан с пускорегулирующим устройством 3. Другие концы шин выполнены в виде ответных частей разъемных соединений разноименных токовыводов батареи, смонтированных в кожухе батареи. Коммутация шин с токовыводами батареи происходит автоматически при закрывании крышкой 22 кожуха 5 батареи 4 (токоотводы элементов, коммутация катодов и элементов между собой и к токовыводам из батареи, токовыводы батареи и коммутация их с шинами, размещенными в крышке, коммутация индикатора напряжения и переключателя на чертеже не показаны). Пускорегулирующее устройство 3 с люминесцентной лампой закреплено 2 на основании 27. При использовании, светильник устанавливается на дно 28 кожуха батареи (фиг.2), а в исполнении кожуха без дна - на выступающие нижние кромки 20 торцевых стенок кожуха 21 (фиг.3 и 4), являющимися в этом случае ножками светильника. Конструкция светильника предусматривает два варианта его использования, один из которых - с установкой основания с лампой на крышке батареи и фиксированием его положения. Конструкция узла фиксирования основания на крышке батареи на чертеже не показана, т.к. могут быть применены разные решения, например, фиксирование подпружиненным шариком, или другие быстродействующие простейшие конструкции, например, зажим. Другой вариант - расположение основания с лампой в освещаемом помещении, а батареи - отдельно, например, перед входом в это помещение и дистанционное ее соединение с лампой посредством соединительного шнура.
Светильник работает следующим образом: устанавливают переключатель 24 в положение №2 - «Отключение пускорегулирующего устройства»», снимают крышку батареи 22 с индикатором напряжения 23, переключателем 24 и основанием 27, на котором установлены пускорегулирующее устройство 3 и лампа 2, в каждый элемент 6 вливают (впрыскивают) электролит и закрывают крышку. После появления светового сигнала диода индикатора напряжения 23, возникающего при достижении необходимого НРЦ (напряжения разомкнутой цепи), свидетельствующего о завершении процесса активации батареи, продолжающейся не более 1-2 мин, и ее готовности к питанию пускорегулирующего устройства, переключатель 24 устанавливают в положение №1 «Включение пускорегулирующего устройства» и люминесцентный источник света 2 запускается. При работе светильника, через воздушные полости между элементами и в нижней части батареи происходит естественная вентиляция зазоров между соседними элементами батареи с поступлением к катодам свежего воздуха и удалением отработанного воздуха. Для перерыва в работе светильника, переключатель 24 устанавливают в положение №2 «Отключение пускорегулирующего устройства». После отключения пускорегулирующего устройства, светодиод индикатора напряжения, потребляющего незначительную энергию, продолжает светиться, свидетельствуя о готовности батареи, взведенной при первом включении, к повторным включениям. Повторные включения пускорегулирующего устройства осуществляются установкой переключателя в положение №1 «Включение пускорегулирующего устройства»». Одной заправки электролита достаточно для сохранения работоспособности батареи в течение полутора - двух суток. После истечения времени работы батареи с одной порцией электролита, крышку батареи снимают, сливают отработанный электролит, споласкивают внутренние полости корпусов элементов любой водой, вновь заливают свежий электролит и закрывают крышку. Через 12 таких циклов извлекают остатки анодов 9 и устанавливают в элементы новые аноды, которыми комплектуется каждый светильник в достаточном количестве. Таким образом, размещение источника энергии светильника (батареи) в нижней части (в кожухе), а всего энергопотребляющего узла - в верхней части (на съемной крышке кожуха) обеспечивает простоту эксплуатации светильника.
Пример реализации. Был изготовлен образец светильника со следующими параметрами:
Люминесцентная лампа
КЛУ11
(световой поток люминесцентной лампы КЛУ11 идентичен световому потоку лампы накаливания мощностью 60 Вт).
Воздушно-алюминиевая батарея:
Мощность, Вт
13
Число элементов
10
Рабочее напряжение, В
12
Рабочий ток, А
1,1
Емкость с одной заправкой анодов, А.ч
125
Объем электролита в батарее, л
1,0
Время работы с одной порцией электролита, час
10
Ресурс, час
10000
Габаритные размеры, см
23×13×10
Масса светильника с люминесцентной лампой и
с сухой батареей с анодами, кг
1,5
В батарее светильника полезной модели отсутствует платина (во многих источниках тока с воздушным катодом она используется как катализатор). Это позволяет снизить стоимость светильника и тем самым обеспечить его широкое применение.