ТЕХНОЛОГИЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ФОНАРЯ
TECHNOLOGY OF LANTERN POWER SUPPLY

Уровень техники
Уличные фонари на солнечной энергии находятся в коммерческом применении. Уличные фонари на солнечной энергии получают солнечную энергию от солнца в виде света. Фотоны света преобразуются в электричество посредством солнечной панели. Система аккумулятора хранит электрическую энергию, в которой она может быть использована в условиях темноты (например, в ночное время или в пасмурные времена) для питания уличного фонаря.
Обычные доступные на рынке уличные фонари на солнечной энергии стремятся иметь возможность обеспечить освещение в течение трех непрерывных дождливых дней. Однако существующие коммерческие уличные фонари на солнечной энергии не способны поддерживать освещение в течение трех непрерывных дождливых дней при определенных довольно нормальных и обычных условиях. Соответственно, улицы, на которых расставлены такие уличные фонари на солнечной энергии, часто остаются темными.
Авторы провели исследование, чтобы выявить основные, ключевые вопросы в рамках данной проблемы; а затем изобрели конструкции системы для преодоления этой проблемы; которые раскрыты в настоящем патентном документе.
Раскрытие изобретения
По меньшей мере один вариант осуществления, описанный здесь, относится к устройству для направления электричества от источника электрической энергии к фонарю, когда фонарь потребляет электричество, и когда понижается количество энергии, направляемой к фонарю, как функция от доступной энергии в источнике электрической энергии. Таким образом, уменьшение доступной энергии в источнике электрической энергии вызывает менее пропорциональное уменьшение яркости фонаря. Это может быть достигнуто путем прохождения электричества через пассивную цепь резисторов и диодов на его пути от источника электрической энергии к фонарю, что уменьшает потребление энергии устройства. В одном примере источник электрической энергии может быть аккумулятором, который питается от одной или более солнечных панелей. В таком случае устройство также может направлять электричество от солнечной(ых) панели(ей) к аккумулятору.
Это раскрытие изобретения приведено для обеспечения набора понятий в упрощенной форме, которые далее описаны ниже в подробном описании. Это раскрытие изобретения не предназначено для определения ключевых признаков или существенных признаков заявленного изобретения, а также не предназначено для использования в качестве вспомогательного средства при определении объема правовой охраны заявленного объекта изобретения.
Краткое описание чертежей
Для описания способа, которым могут быть получены вышеперечисленные и другие преимущества и признаки, более конкретное описание различных вариантов осуществления будет представлено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Понимая, что эти чертежи изображают только примерные варианты осуществления и в связи с этим не должны рассматриваться в качестве ограничения объема охраны изобретения, варианты осуществления будут описываться и объясняться с дополнительной конкретизацией и подробностями с использованием сопровождающих чертежей, на которых:
Фиг. 1 абстрактно иллюстрирует систему фонаря с солнечной панелью в соответствии с принципами, описанными здесь;
Фиг. 2 иллюстрирует пример ступенчатой функции того, как энергия, передаваемая к фонарю контроллером, может быть уменьшена как функция от оставшейся доступной электрической энергии в аккумуляторе;
Фиг. 3 иллюстрирует пример непрерывной функции того, как энергия, передаваемая к фонарю контроллером, может быть уменьшена как функция от оставшейся доступной электрической энергии в аккумуляторе;
Фиг. 4 иллюстрирует пример отклика светодиода (фонаря); и
Фиг. 5 иллюстрирует пример пассивной цепи резисторов и диодов, которые могут использоваться для поставки уменьшенного количества электрической энергии к фонарю, когда оставшаяся доступная электрическая энергия в аккумуляторе уменьшена.
Осуществление изобретения
Описанные здесь принципы относятся к технологии питания фонаря, который может включать в себя пассивную цепь диодов и резисторов. Конструкция фонаря дополнительно включает в себя системный блок управления (например, блок управления), который позволяет увеличивать запас освещения в более длительной последовательности непрерывных дождливых дней по сравнению с коммерческими фонарями даже при наличии таких же солнечной панели и аккумулятора.
Фонарь может работать во всем диапазоне доступной сохраненной энергии в аккумуляторе. В результате уменьшения сохраненной энергии аккумулятора потребление энергии систем уменьшается, и эффективность системы увеличивается, в то же время поддерживая освещение выше требуемого уровня яркости. Другими словами, новая система может непрерывно (или шаг за шагом) улучшать эффективность, пока сохраненная энергия аккумулятора исчерпывается.
Фонари на солнечной энергии используют солнечные панели для зарядки аккумуляторов во время солнечных условий (далее называемых «солнечными днями»), когда значительное количество образованных солнцем фотонов падает на солнечной панели. Однако также существуют условия темноты, при которых меньше или ни одного образованного солнцем фотона не падает на солнечной панели. Например, условия темноты обязательно существуют в ночное время, но также могут существовать на рассвете, в сумерках или во время пасмурных дней (далее называемых «темными ночами или днями» или «дождливыми днями»), когда облачный покров, дымка, смог, дождь, туман или любое другое препятствие не позволяет большей части солнечной энергии достичь солнечной панели.
Темные дни случаются с некоторой частотой в зависимости от погодных условий, времени года и области Земли. Таким образом, чтобы учитывать это, фонари на солнечной энергии должны поддерживать несколько ночей освещения в течение определенного заявленного периода при отсутствии солнечного света (например, во время последовательных темных дней). В настоящее время заявленный период для многих поставщиков коммерческих солнечных фонарей составляет три непрерывных темных дня. Однако согласно исследованию, выполненному авторами (описанному более подробно ниже), существующие коммерческие солнечные уличные фонари не могут поддерживать их освещение в течение трех последовательных темных дней при весьма нормальных и обычно встречающихся условиях.
Системы солнечного фонаря включают в себя четыре подсистемы, включающие в себя 1) солнечную панель, которая принимает образованные солнцем фотоны и преобразует часть соответствующей световой энергии в электричество, 2) аккумулятор, который принимает и хранит электричество, создаваемое солнечной панелью, 3) фонарь, который потребляет электричество от аккумулятора, когда фонарь должен излучать свет, и 4) контроллер, который управляет тем, когда фонарь включен и выключен; и защищает аккумулятор от условий избыточного заряда или полной разрядки. В соответствии с принципами, описанными здесь, при объединении с фонарем, сконструированным с изобретенной пассивной цепью, контроллер выполняет больше, чем только функции, изложенные выше, но также управляет тем, как много электрической энергии подается к фонарю, когда фонарь включен.
При замене фонаря и связанного с ним контроллера вариантами осуществления в соответствии с принципами согласно изобретению, описанными здесь, система фонаря на солнечной энергии может обеспечивать улучшенную (лучше, чем у указанных коммерческих) яркость освещения в течение первых трех ночей при наличии трех последовательных темных дней, начиная с полной емкостью аккумулятора. После чего система фонаря все еще может поддерживать освещение выше (чем у указанных коммерческих) требуемой яркости в течение трех дополнительных ночей без какой-либо подачи солнечной энергии в течение этих шести последовательных дней (т.е. при наличии шести последовательных темных дней). Более того, это может быть выполнено с более низкой стоимостью по сравнению с коммерческой системой в некоторых вариантах осуществления.
После оптимизации системами с ограниченной стоимостью ниже, чем у коммерческих уличных фонарей на солнечной энергии, некоторые варианты осуществления системы фонаря на солнечной энергии, описанные здесь, могут поддерживать свет в условиях темноты при наличии более девяти последовательных темных дней, продолжая обеспечивать свет выше требуемых уровней. Такие варианты осуществления могут обеспечивать лучшую яркость, чем коммерческие системы в течение первых трех дней. Система далее продолжает обеспечивать больше 90 процентов яркости (по сравнению с предшествующим днем) в течение дополнительных шести последовательных темных дней без выключения света в условиях темноты. Более того, эта система возвращается обратно к возможности обеспечения освещения в течение более трех дополнительных ночей при наличии трех дополнительных последовательных темных дней с только 4 часами эффективного солнечного освещения на десятый день.
Приведенные уличные фонари на солнечной энергии в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления, описанными здесь, являются очень доступными; и также обеспечивают отличную производительность. Таким образом, варианты осуществления, описанные здесь, могут обеспечивать экономичные уличные фонари на солнечной энергии с отличной производительностью; среди многих других применений.
Исследование
Авторы провели исследование, которое показывает, что существующие коммерческие уличные фонари на солнечной энергии не могут поддерживать освещение в течение любых трех последовательных темных дней при некоторых весьма реальных, обычных и легко встречающихся условиях. Это исследование учитывает свойство и параметры конструкции коммерческих солнечных фонарей; и затем были исследованы эти солнечные фонари при некоторых обычных легко встречающихся условиях нормальной работы уличных фонарей на солнечной энергии. Исследование показывает основные причины, лежащие в основе того, почему существующие коммерческие фонари на солнечной энергии не могут выдерживать три последовательных темных дня при реальных условиях.
Фонари на солнечной энергии используют солнечные панели для зарядки аккумуляторов во время солнечного времени дня. Далее, разряжают аккумуляторы фонари для освещения темных ночей. В связи с этим следующие природные данные, относящиеся к солнечному свету, темным часам, требующим освещения, и тому подобному, были оценены вместе с характеристиками солнечных панелей, аккумуляторов и обычно используемых блоков управления.
В зависимости от времен года среднесуточный эффективный солнечный свет колеблется от 3 до 4,5 часов в большинстве мест, подходящих для установки фонарей на солнечной энергии. Требуемое время освещения (из-за темноты) колебалось от 8 до 14 часов в день в этих местах. Также время года с более длительным требуемым освещением было часто связано с более короткими эффективными часами солнечного света. В связи с этим конструкция стенда вдоль системы обычно будет требовать приблизительно 4 часа воздействия солнечного света на солнечную панель для зарядки аккумулятора энергией, подходящей для потребления фонарем приблизительно 12 часов освещения (и 24 часов работы блока управления, так как блок управления работает непрерывно).
Электроэнергия, преобразованная из солнечной панели, обычно хранится в "12-вольтовых" аккумуляторах в коммерческой системе. Так называемый "12-вольтовой" аккумулятор должен работать в нормальном диапазоне в пределах его максимального напряжения (Vx) на клеммах, которое может быть в районе 13,6 вольт, и в пределах его минимального напряжения (Vn), которое может быть в районе 10,5 вольт. Неправильные режимы работы (либо чрезмерная зарядка аккумулятора выше Vx, либо разрядка аккумулятора ниже Vn) могут повреждать аккумулятор, сокращая его срок службы, что включает в себя ненужные расходы. Таким образом, неправильные режимы работы чрезмерной зарядки или чрезмерной разрядки аккумулятора нежелательны, и они не рекомендуются. Таким образом, коммерческая система разрабатывает блок управления для постоянного наблюдения за напряжением на клеммах аккумулятора для выключения зарядки от солнца, когда оно достигает Vx, и выключения фонаря, когда оно достигает Vn.
Энергоемкость Bx аккумулятора измеряется в ампер-часах (скажем, Bx=150 ампер-часов). Энергоемкость Bx определяется как интеграл по времени (в часах) от выходного тока через аккумулятор (в амперах), тогда как напряжение на клеммах аккумулятора понижается от максимального напряжения Vx на клеммах до минимального напряжения Vn на клеммах. Отметим, что каждый ампер-час представляет различное количество энергии в аккумуляторе; так как энергия зависит от того, каким было напряжение на клеммах в течение ампер-часа. Более того, другой аккумулятор может хранить незначительно другое количество энергии при таком же напряжении на клеммах для каждого ампер-часа; так как внутренние сопротивления электрохимического преобразования энергии в каждом аккумуляторе могут быть различными. В связи с этим то же (в ватт-часах) потребление энергии будет иметь немного другое значение в ампер-часах при другом напряжении на клеммах того же аккумулятора. Иными словами, потребление энергии не будет точно таким же значением в ампер-часах при таком же напряжении на клеммах различных аккумуляторов.
Далее будут определены некоторые параметры конструкции. Ежедневное потребление энергии системы (включая освещение, управление операциями и неэффективность) обозначается как "D". Минимальное ежедневное потребление энергии системы обозначается как "Da". Максимальное ежедневное потребление энергии обозначается как "Dx". Ежедневная преобразованная электроэнергия от солнечной панели и сохраненная в аккумуляторе обозначается как "S". Ее среднее значение за 4-часовой эффективный ежедневный солнечный свет, обозначается как "Sa", тогда как ее максимальное значение обозначается как "Sx"; ее минимумом является 0. Электроэнергия, хранимая в аккумуляторе обозначается как "B". Минимальная энергия "Bn" аккумулятора является минимальной энергией, хранимой в аккумуляторе (т.е. Bn=0), что происходит, когда напряжение V на клеммах аккумулятора находится при его минимальном значении Vn. Максимальная энергия "Bx" аккумулятора является энергией, хранимой в аккумуляторе, когда напряжение V на клеммах аккумулятора находится при его максимальном значении Vx. Bx также называется емкостью аккумулятора. В промышленном масштабе Bx представлена в ампер-часах. В связи с этим все блоки (B, S или D) энергии, представленные здесь, преобразуется в ампер-часы используемого аккумулятора, если не указано иное.
На сегодняшний день солнечная панель является первой причиной затрат и наиболее дорогостоящей из четырех подсистем солнечной панели (которые включают в себя солнечную панель, аккумулятор, фонарь и контроллер). Таким образом, коммерческие системы солнечного фонаря разработаны с минимизированными солнечными панелями для увеличения доступности системы. Все существующие коммерческие системы фонаря на солнечной энергии используют соотношение 1,15Dx>Sa>1,1Dx. Другими словами, размер панели является достаточно большим, чтобы одного дня эффективного солнечного света было достаточно для зарядки аккумуляторов, достаточных для обеспечения электроэнергией ("Sa") на более чем 110 процентов максимального потребления энергии ("Dx") одного дня; но определенно менее 115 процентов максимального потребления энергии ("Dx") одного дня.
На сегодняшний день аккумулятор является второй причиной затрат из четырех подсистем солнечного фонаря. Большинство поставщиков коммерческих солнечных фонарей разрабатывают полную емкость Bx аккумулятора с учетом соотношения 4Dx>Bx>3,3Dx. Другими словами, полностью заряженного аккумулятора будет достаточно для обеспечения света от 3,3 до 4 дней максимального потребления энергии. Некоторые конструкторы коммерческих фонарей на солнечной энергии увеличивают полную емкость Bx аккумулятора до 7Dx.
Они также разрабатывают их подсистему управления и освещения (например, фонарь) для поддержания потребления "P" энергии освещения (т.е. величины энергии, потребляемой от аккумулятора для работы фонаря) постоянным или по меньшей мере независимым от напряжения на клеммах. Напомним, что напряжение V на клеммах является функцией энергии B, хранимой в аккумуляторе. Таким образом, ежедневное потребление D (в ватт-часах) энергии системы выражается как D=(P×T)+O, где T является количеством часов освещения в день (в среднем ~12 часов), и O является 24 часами потребления энергии для работы, но не освещения (используемой блоком управления).
Ниже приводится сущность ключевых характеристик существующих конструкций коммерческих солнечных панелей:
(I) Потребление энергии для ежедневной работы системы (включая в себя освещение всю ночь и 24 часа работы блока управления) разработано, так чтобы: Dx>D=(P×T)+O ватт-часов, где P, T и O определены выше; тогда как P выбирается так, чтобы быть почти постоянной мощностью.
(II) Размер солнечной панели (для обеспечения "S" электроэнергии в ватт-часах для зарядки аккумулятора за один эффективный солнечный день) разработан, чтобы составлять соотношение: 1,15 Dx>Sa>1,1Dx в ватт-часах, с Sa, определенным выше.
(III) Аккумулятор (используемый для хранения электроэнергии от солнечной панели и для обеспечения электроэнергии для работы системы) разработан, чтобы составлять соотношение: 7Dx>Bx>3,3Dx, тогда как Bx находится в его полной емкости.
Так как ежедневное потребление D энергии меньше, чем максимальное ежедневное потребление Dx энергии, и учитывая, что аккумулятор был разработан так, что: 7Dx>Bx>3,3Dx, обычно считается, что обычная конструкция может соответствующим образом гарантировать работу в течение трех последовательных дождливых дней. Однако это не так, как далее будет объяснено.
Дело заключается в том, что с ежедневным вводом солнечной энергии с вычитаемым требуемым ежедневным потреблением энергии, имеется только очень небольшое количество энергии, которое может быть получено аккумулятором для увеличения запасенной энергии в любой данный день. При нормальном режиме работы минимальное количество последовательных солнечных дней, требуемых для зарядки аккумулятора от B=0 до B=Bx, используя эту остаточную энергию, будет: (минимальная (Bx))/(максимальный остаток (S-D)). Учитывая, что минимальная Bx равна 3,3Dx, и, учитывая, что максимальный остаток (S-D) будет равен 1,15Dx-Dn, выражение для минимального количества солнечных дней может быть выражено как 3,3Dx/(1,15Dx-Dn). Однако это значение приблизительно равно 3,3Dx/(1,15Dx-Dx), что составило бы 22 дня. Обычно, для существующих коммерческих изделий потребуется 22-50 последовательных нормальных солнечных дней для зарядки емкости аккумулятора, чтобы восстановить полный запас энергии после того, как аккумулятор был разряжен. Любой один дополнительный темный день во время этих дней зарядки будет добавлять по меньшей мере еще шесть дней к этому требуемому времени восстановления для достижения состояния полного запаса энергии. При применении статистического кода (используя метод русской рулетки) для моделирования оставшейся хранимой энергии аккумулятора при любом рабочем рассвете, при самых наилучших позволенных условиях расчета, результаты моделирования показали, что ситуация для B>(3D-Sx)бывает редко. В связи с этим было бы очень смело предположить, что B<(3D-Sx) на рассвете большинства рабочих дней. Другими словами, следующий анализ условий пригоден для большей части времени работы системы (весьма обычные и часто встречающиеся ситуации).
Даже тогда, когда предполагается коммерческая максимальная разработанная полная емкость (Bx=7Dx) аккумулятора, всегда существуют многие реальные рабочие ситуации, которые могут совместно заставлять систему достигать состояния, при котором оставшаяся сохраненная энергия аккумулятора B меньше, чем (3D-M*Sx) на рассвете любого данного дня; с M=1 или с M=2. Система может столкнуться с условием, при котором следующее дневное время является хорошим средним солнечным днем, за которым следует 3 или более непрерывных темных дня. Такая система не может обеспечивать дополнительное освещение трех ночей.
Для M=1 задается B=(3D-Sx)<(3D-1,15Dx)<(3-1,15)*D. Другими словами, оставшаяся энергия аккумулятора на рассвете менее 1 и 0,85 дня энергии работы. Далее, солнечная панель может заряжать аккумулятор только до B=(3D-Sx+Sa) (при следующем солнечном дне). Так как Sx>Sa, значение B определенно меньше чем 3D прямо до наступления трех последовательных дождливых дней. Система определенно не может обеспечивать освещение всю ночь на третью ночь.
Для M=2 оставшаяся энергия аккумулятора может быть менее 0,7 дня работы на рассвете. В этом случае не будет никакого освещения на третью ночь во время трех последовательных дождливых дней.
Когда аккумулятор разряжается на рассвете или до рассвета данного дня, фонарь может обеспечивать свет во время первой ночи и части второй ночи, но никакого освещения совсем не будет во время третьей ночи.
Наихудшим условием будет то, что аккумулятор будет разряжен на рассвете или до рассвета данного дня, за которым следует больше трех последовательных дождливых дней совсем без солнечного света после рассвета данного дня. В таком случае совсем не будет никакого освещения по вечерам.
Вышеуказанные условия являются весьма обычными, нормальными и обычно встречающимися рабочими ситуациями. В связи с этим вышеуказанный анализ условий ясно показывает, что при конструкциях с постоянным потреблением энергии освещения, даже тогда, когда используются максимальные коммерческие разработанные емкости аккумулятора, коммерческие фонари на солнечной энергии с разработанной в настоящее время подзаряжаемой емкостью солнечной панели не будут выполнять их обещание "поддержания освещения в течение любых 3 непрерывных темных дней". Причина состоит в том, что при и после того, как аккумулятор разряжен, эти системы могут перезарядиться для обеспечения только около еще 1 дня (не более трех дней) освещения с усредненным ежедневным солнечным светом.
Для дополнительной иллюстрации вышеуказанного исследования и для выявления основной причины этой проблемы, возьмем коммерческое изделие в качестве наихудшего примера: был приобретен коммерческий уличный фонарь (со 130 Вт солнечной панелью, двумя аккумуляторами на 110 ампер-часов). Этот фонарь обеспечивает около 1600 люменов светового потока с приблизительно 28 Вт постоянной мощности освещения и блок управления, потребляющим приблизительно 6 Вт усредненной мощности. Усредненная энергия, накапливаемая в аккумулятор (Sa) через 130 Вт солнечную панель, преобразующую 4 часа эффективного ежедневного солнечного света, приблизительно составляет 43,3 ампер-часа. Ежедневное потребление энергии этого уличного фонаря (с 12 часами освещения и 24 часами работы блока управления) приблизительно составляет 40 ампер-часов. Увеличение полезной энергии от солнца (за вычетом ежедневного потребления) составляет только около 3,3 ампер-часов. Это означает, что потребуется более 12 последовательных солнечных дней (12×3,3 ампер-часов = 39,6 ампер-часов), чтобы компенсировать дефицит энергии 1 темного дня (приблизительно 40 ампер-часов) для этого уличного фонаря. Период восстановления от его разряженного состояния до полной емкости займет: 220/3,3=66,7 последовательных солнечных дней. Этот уличный фонарь был установлен в месте вблизи центра Китая с более чем 4 часовым годовым усредненным эффективным солнечным светом, и свободным пространством, чтобы должным образом получать нормальный солнечный свет. Он был запущен с полной емкостью аккумулятора и проработал менее чем 20 дней (более двух лет назад), чтобы столкнуться с его первым состоянием "разряженного аккумулятора". После чего этот уличный фонарь начал обеспечивать освещение около 1 ночи, за которой следовал каждый солнечный день; и с тех пор никогда не выполнял обещание "поддерживать освещение в течение 3 последовательных темных дней". Разумеется, этот фонарь также столкнулся со многими дополнительными условиями "разряженного аккумулятора" с момента его установки более 2 лет назад.
Один способ выполнения обещания непрерывного освещения в течение трех последовательных темных дней заключается в увеличении размера солнечной панели для обеспечения в три раза большей энергии подзарядки. В таком случае каждый ежедневный ввод солнечной энергии может определенно поддерживать потребление энергии системы в течение 3 дней; даже, когда аккумулятор был разряжен на рассвете солнечного дня. Однако это также может приводить к чрезмерно высокой стоимости и уменьшению доступность.
Вывод исследования:
Из приведенного выше исследования авторы обнаружили, что имеются три ключевых составляющих для фонарей на солнечной энергии для поддержания их обещания поддерживать освещение в течение более трех последовательных темных дней: (1) чтобы система имела достаточно большую емкость (Bx>3Dx) аккумулятора, (2) чтобы система имела достаточно большую солнечную панель, такую, что Sa>3Dx, и (3) чтобы блок управления уменьшал его ежедневное потребление энергии до незначительного уровня так, что бы Dx могло быть по существу уменьшено. Однако, учитывая стоимостью подсистем (в особенности солнечной панели и аккумулятора,) при введении этих двух составляющих в конструкции с "постоянной мощностью освещения" как в коммерческих изделиях, даже с бесплатным содействием от третьей составляющей, результирующие системы могут, в конечном итоге, достигать требуемую яркость - но с чрезмерно высокой стоимостью, или достигать доступность - но без обеспечения достаточной яркости.
Изобретения
Авторы дополнительно изобрели новые конструкции светодиодного фонаря с пассивной цепью светодиодов (чипов) и резисторов, а также со связанным блоком управления для (преодоления этой проблемы) обеспечения дополнительного запаса освещения в течение длительных непрерывных темных дней; даже, когда используются такие же солнечная панель и аккумулятор как в коммерческой системе. Этапы изобретения описаны следующим образом:
I. Пассивная цепь для формирования вольт-амперной характеристики светодиодного фонаря
Методом проб и ошибок авторы обнаружили, что они могут формировать вольт-амперную характеристику светодиодных фонарей, используя пассивную цепь светодиодов и резисторов. Они также обнаружили, что они могут приводить в соответствие цепь с некоторыми из теоретически выбранных ("желательных") вольт-амперных характеристик. Другими словами, первый этап заключается изобретении формирования вольт-амперной характеристики светодиодного фонаря с помощью цепи светодиода и резистора.
II. Определение требуемых вольт-амперных характеристик с помощью теоретического анализа
II.A Определяют вольт-амперную характеристику для работы во всем диапазоне накопления аккумулятора:
С помощью теоретического анализа авторы определили подходящие вольт-амперные характеристики для светодиодного фонаря, которые позволили фонарю работать в полном диапазоне запаса энергии аккумулятора; который характеризуется его диапазоном напряжения на клеммах (скажем, 10,5-13,5 вольт для «12-вольтового аккумулятора»). Это означает, что эти светодиодные фонари будут изменять их потребление энергии как функцию от напряжения на клеммах аккумулятора; P(v).
II.B Определение вольт-амперной характеристики для улучшения эффективности при разрядке аккумулятора:
Путем дополнительно анализа и выбора из вышеуказанного была получена группа вольт-амперных характеристик, которые могут монотонно улучшать эффективность, когда их напряжение на клеммах уменьшается во всем диапазоне напряжения аккумулятора.
II.C Определение вольт-амперной характеристики для предотвращения избыточного заряда или полной разрядки аккумулятора:
Так как светодиодные фонари будут изменять потребление энергии, P(v) в зависимости от напряжения на клеммах аккумулятора; авторы дополнительно определили вольт-амперную характеристику этих фонарей для потребления всей ежедневно накапливаемой (D(Vx)>Sx) энергии, когда аккумулятор находится в состоянии (B=Bx) полного запаса энергии. Таким образом, это предотвращает аккумулятор от избыточного заряда.
Авторы дополнительно определили вольт-амперную характеристику этих фонарей для потребления менее 1/5 ежедневно накапливаемой солнечной панелью энергии, когда запас энергии аккумулятора приближен к условию разрядки; чем ближе к условию разрядки, тем меньше он потребляет. Значение D(v) является очень низким при приближении v к v=Vn; так, что D(v~Vn)<0,1Sa. И потребление энергии стремится к нулю при состоянии (P(Vn)<1 Вт) разрядки аккумулятора; предотвращая аккумулятор от полной разрядки.
III. Объединение всех вышеуказанных изобретений в конструкции светодиодного фонаря:
Авторы далее сформировали вольт-амперную характеристику фонаря, использующего пассивную цепь светодиода и резисторов для соответствия выбранной «подходящей» вольт-амперной характеристике. Более того, были сконструированы прототипы, чтобы убедиться, что этот фонарь может действительно работать во всем диапазоне запаса энергии аккумулятора. Системы также могут улучшать их эффективность, когда запас энергии аккумулятора исчерпывается, чтобы обеспечивать требуемую выше яркость. Другими словами, новая система может непрерывно (или шаг за шагом) улучшать эффективность, когда запас энергии аккумулятора исчерпывается; и также может использовать его полную энергоемкость. Более того, эти прототипы также были проверены на способность предотвращения аккумулятора от избыточной зарядки или полной разрядки.
IV. Конструкция блока управления для потребления незначительного количества энергии:
Так как указанные выше разработанные светодиодные фонари также могут обеспечивать функции предотвращения аккумулятора от избыточной зарядки или полной разрядки, блок управления может быть освобожден от его обычной функции «защиты аккумулятора» (которая потребляет значительное количество энергии). Таким образом, это позволит разработать блок управления только для выполнения функций переключения зарядки аккумулятора от солнечной панели (или нет), отвода электричества аккумулятора к светодиодным фонарям для освещения (или нет). Мы в связи с этим разработали такой блок управления, используя два реле с защелкой для выполнения этих двух функций. Разработанный блок управления далее потребляет незначительное количество энергии (<0,001 ампер-часов ежедневно), что даже дополнительно может усилить запас освещения.
V. Оптимизация конструкции системы:
Резисторы в цепи не являются светоизлучающими элементами; они потребляет энергию без обеспечения вклада в освещение. Авторы в связи с этим изучили цепь, чтобы получить якорь от всех необязательных сопротивлений. Таким образом, дополнительно усилили запас освещения разработанной системы. Более того, авторы выполнили моделирования статистического кода, чтобы обозначить позволенное пространство параметров конструкции. Результаты эффективно направляют нас к оптимизации соответствия подсистем; при этом обеспечивая путь для уменьшения стоимости системы и повышения характеристик системы.
Результаты осуществления изобретения
Принципы, описанные здесь, с другой стороны, изменяют конструкцию контроллера и фонарей. В результате системы могут улучшать их эффективность во время исчерпывания их запаса энергии. Фонари также могут работать в полном диапазоне запаса энергии аккумулятора для обеспечения яркости выше требуемой. Таким образом, эта система может обеспечивать дополнительный запас освещения в течение длительных непрерывных темных дней; даже, когда использует такие же солнечную панель и аккумулятор. Другими словами, варианты осуществления, описанные здесь, могут сократить потребления энергии гораздо быстрее, чем уменьшится их яркость за счет улучшенной испытанной эффективности при уменьшении потребления энергии. Таким образом, энергия подзарядки одного дня существующей солнечной панели может обеспечивать более трех дней работы при уменьшенной мощности даже с такими же солнечной панелью и аккумулятором.
В связи с этим подсистема освещения в соответствии с вариантами осуществления, описанными здесь, изменяет ее потребление энергии в соответствии с величиной электроэнергии, хранимой в аккумуляторах, поддерживающей фонари. Так как оставшаяся энергия, хранимая в аккумуляторе, может отличаться значением V напряжения на клеммах, это изобретение разрабатывает мощность освещения, чтобы она составляла P=P(V), как функцию от V (напряжение на клеммах аккумулятора). Таким образом, фонари выполнены с возможностью потребления меньшей мощности, когда напряжение на клеммах аккумуляторы ниже. Требуемое Dx является достаточно низким, когда энергия аккумулятора находится в низкой степени накопления так, что текущий размер солнечной панели, используемый в коммерческой системе, может обеспечивать достаточно Sa для соответствия Sa>3Dx для этого уменьшенного Dx.
Для того чтобы сохранять способность обеспечения требуемой яркости, подсистема освещения выполнена так, что она может улучшать ее эффективность, когда хранимая энергия аккумулятора исчерпывается. Другими словами, чем меньше оставшейся энергии, хранимой в аккумуляторе, тем меньше она расходуется фонарями; и все же фонари обеспечивают требуемую яркость освещения путем увеличения эффективности системы во время разрядки аккумулятора. Причина состоит в том, что уменьшение потребления энергии освещения происходит пропорционально гораздо быстрее, чем получающееся в результате уменьшение яркости.
Более того, так как разработанная подсистема освещения может изменять потребление энергии, эта конструкция дополнительно разработана с возможностью потребления в фонарях всей ежедневно накапливаемой (D(Vx)>Sx) энергии, когда аккумулятор находится в состоянии (B=Bx) полного запаса энергии; таким образом, предотвращая аккумулятор от ситуации избыточной зарядки (показанной в качестве вариантов осуществления). Это изобретение дополнительно выполнено с возможностью потребления в фонарях менее четверти ежедневно накапливаемой солнечной панелью энергии, когда запас энергии аккумулятора приближен к условию разрядки. Чем ближе к условию полной разрядки, тем меньше фонарь потребляет, при этом потребление энергии стремится к нулю при состоянии (D(Vn)<1 ватт) разрядки аккумулятора; предотвращая ситуацию полной разрядки.
Таким образом, варианты осуществления подсистемы освещения, описанные выше, могут получать два преимущества: (1) солнечный заряд одного солнечного дня может сохранить достаточно энергии в аккумуляторе для более трех дней ночного освещения без другого ввода энергии; как показано в вариантах осуществления; и (2) избыточная зарядка или полная разрядка аккумулятора предотвращаются без активного вмешательства блока управления. Варианты осуществления позволяют контроллеру просто выполнять функции включения/выключения зарядки и разрядки аккумулятора. Эта функция переключения потребляет незначительное количество ежедневной энергии.
Как показано в вариантах выполнения; при замене светодиодных блоков освещения и связанного блока управления путем введения этого изобретение коммерческая система может далее обеспечивать лучшую яркость освещения в первые три ночи начиная с полной емкостью аккумулятора. После чего она может все еще поддерживать освещение выше требуемой яркости в течение трех дополнительных ночей без ввода какой-либо энергии в течение этих 6 последовательных дней. Более того, эта система стоит меньше исходной системы.
После улучшения характеристики системы с ограниченной стоимостью системы ниже, чем у коммерческих уличных фонарей на солнечной энергии, новые разработанные системы могут поддерживать свет более девяти последовательных дождливых дней. Более того обеспечивается лучшая яркость, чем в коммерческих солнечных панелях, в течение первых трех ночей. Система далее продолжает обеспечивать >0,9 от яркости предыдущего дня в течение дополнительных шести последовательных темных дней освещения. Более того, эта система возвращается обратно к возможности обеспечения освещения в течение более трех дополнительных ночей с только 4 часами эффективного солнечного освещения на десятый день.
Описав общие принципы вариантов осуществления, описанных здесь, далее будут описаны сами варианты осуществления со ссылкой на Фиг. 1-5.
Фиг. 1 иллюстрирует систему 100 фонаря на солнечной энергии, которая включает в себя четыре подсистемы, например аккумулятор 110, солнечную панель 120, фонарь 130 и контроллер 140. Образованный солнцем свет падает на солнечную панель 120. Солнечная панель 120 может быть одной солнечной панелью или сетью солнечных панелей. Более того, солнечная панель может быть существующей в настоящее время солнечной панелью или может быть солнечной панелью, которая будет разработана в будущем. Однако как отмечено выше, улучшенная характеристика может быть получена, используя даже существующие солнечные панели. Солнечная панель 120 преобразует по меньшей мере часть падающего света в электричество с частичной эффективностью, которая может изменяться в зависимости от типа солнечной панели.
Направляющая цепь 121 сбора энергии выполнена с возможностью направления электрической энергии от солнечной панели 110 к аккумулятору 120, когда солнечная панель 120 и аккумулятор 110 соединены, как проиллюстрировано. Таким образом, направляющая цепь 121 сбора энергии направляет электричество от солнечной панели 120 к аккумулятору 110 для зарядки аккумулятора и тем самым увеличивает его запас энергии во время солнечных условий. Хотя аккумулятор 120 может быть аккумулятором любого типа, принципы, описанные здесь, обеспечивают улучшенную характеристику, даже используя такой же аккумулятор, как в обычных системах солнечного фонаря. К тому же, принципы, описанные здесь, могут быть расширены в случае, при котором элемент 110 является любым источником электрической энергии таким, как, например, устройство подачи питания, поддерживаемый с помощью электросети. В таком случае не будет никакой необходимости для системы 100 фонаря включать в себя солнечную панель 120 или направляющую цепь 121 сбора энергии. Таким образом, система фонаря может не иметь никакого физического «аккумулятора». К тому же, аккумулятор 110 может быть заменен «источником электрической энергии». Аккумулятор 110 будет описан далее и является лишь примером такого источника электрической энергии.
Направляющая цепь 122 потребления энергии выполнена с возможностью выборочного направления электрической энергии от аккумулятора 110 (или в более широком смысле, «источника электрической энергии») к фонарю 130, когда аккумулятор 110 и фонарь 130 соединены, как проиллюстрировано. Таким образом, направляющая цепь 122 потребления энергии направляет электричество от аккумулятора 110 (или в более широком смысле, «источника электрической энергии») к фонарю 130, когда фонарь потребляет электричество в условиях темноты. В некоторых вариантах осуществления фонарь 130 может излучать свет от одного или более светодиодов (LED) и/или может быть уличным фонарем, который возвышается над улицей, дорогой, дорожкой или областью.
Контроллер 140 выполнен с возможностью выборочного направления электричества от солнечной панели 120 к аккумулятору 110 с помощью направляющей цепи 121 сбора энергии в условиях света, и выполнен с возможностью выборочного направления электричества от аккумулятора 110 к фонарю 130 в условиях темноты. Контроллер 140 может быть крайне простым, если он выполняет простую функцию включения/выключения. Соответственно, ежедневная энергия, потребляемая контроллером, может быть крайне низкой, как отмечено выше. В зависимости от источника электрической энергии в некоторых случаях (например, в случае электросети) такое выборочное направление не будет необходимым.
Система 100 солнечного фонаря выполнена так, что, когда направляющая цепь 122 потребления энергии направляет электрическую энергию от аккумулятора 110 (или в более широком смысле, «источника электрической энергии») к фонарю 130, система 100 уменьшает количество энергии, передаваемой по направляющей цепи 122 потребления энергии, в зависимости от оставшегося количества доступной электрической энергии в аккумуляторе. Как отмечено выше, так как напряжение V на клеммах является функцией от оставшейся электрической энергии в аккумуляторе, это может быть достигнуто, используя напряжение на клеммах. В более общем случае источника электрической энергии, это может быть выполнено на основе любого параметра, который относится к доступной энергии в источнике электрической энергии. Более того, как отмечено выше, это уменьшение потребления энергии может быть больше пропорционально, чем уменьшение световых излучений, за счет улучшенной эффективности при более низком потреблении энергии.
В некоторых вариантах осуществления уменьшение потребления энергии, когда напряжение на клеммах (или в более общем смысле доступная энергия или мощность в источнике электрической энергии) снижается, может быть достигнуто при помощи использования пассивной цепи. Например, пассивная цепь 131 может быть включена в фонарь и может включать в себя диоды LED и потенциально также резисторы. Конкретная конструкция будет описана со ссылкой на Фиг. 5. Однако принципы настоящего изобретения не ограничиваются такой конструкцией. Например, пассивная цепь может направлять ток с помощью перепадов напряжения так, что, когда напряжение на входе пассивной цепи выше (отражение более высокого напряжения на клеммах аккумулятора), больше диодов LED в пассивный цепи активно излучают, чем тогда, когда напряжение на входе пассивной цепи ниже. Таким образом, так как напряжение на клеммах уменьшается, также уменьшается количество и интенсивность диодов LED, которые излучают в пассивной цепи.
Принципы, описанные здесь, не ограничены особым функциональным отношением между энергией, потребляемой фонарем 130, и напряжением на клеммах аккумулятора 110. Однако наиболее предпочтительно, когда отношение определено так, что уменьшение потребления энергии вызывает пропорционально меньшее уменьшение световых излучений.
Фиг. 2 иллюстрирует приблизительное графическое представление 200 отношения между потреблением энергии и яркостью для фонаря, построенного с цепью светодиодов и резисторов. Яркость находится на вертикальной оси 201, и электрическая энергия находится на горизонтальной оси 202. Отношение аппроксимировано кривой 210 только для того, чтобы показать теоретические принципы. Точная форма кривой может отличаться согласно типу светодиодов, которые содержит фонарь, и также согласно конструкции фонаря, в особенности его тепловое рассеяние, которое определяет температуру на светоизлучающих переходах. Температура перехода может критически влиять на величину светового потока; таким образом, способность рассеяния тепла критически определяет функцию яркости в зависимости от энергии, подводимой к светодиоду.
Однако каждый светодиодный фонарь имеет неактивную область 211, в которой электрическая энергия находится вблизи или ниже порогового значения диода LED, тем самым является слишком низкой, чтобы вызывать значительные световые излучения от диода; даже часть области 211 может обеспечивать очень высокую эффективность, но не больше величины яркости.
Каждый светодиодный фонарь также имеет линейную область 212, которая выше порогового значения диода LED, вызывающую приблизительное линейное отношение между изменением электрической энергии и изменением яркости. Эта область поддерживает почти постоянную эффективность со значительной величиной яркости.
Каждый светодиодный фонарь также имеет область 213 насыщения, в которой увеличения электрической энергии вызывают менее пропорциональное увеличение яркости. Иными словами, в области 213 насыщения уменьшения электрической энергии вызывают менее пропорциональное уменьшение яркости. Именно в области насыщения работают большинство светодиодов. Соответственно, уменьшения электрической энергии, предоставленные фонарю (вероятно от величины 221 к величине 222), вызывают пропорционально меньшее уменьшение яркости (от величины 231 к величине 232), как проиллюстрировано. Имеется другой важный параметр, обозначенный на Фиг. 2. Минимальная требуемая величина яркости обозначена как линия 233; и соответствующая мощность обозначена как линия 223. Эта линия 223 может спадать в области, определенной как 212. Таким образом, фонари должны быть выполнены с возможностью работы в области выше 212a для обеспечения большего, чем заданный уровень яркости. К тому же, соответствующее напряжения области 213 мощности (скажем, 12,3-13,5 вольт) должно совпадать с большей частью разработанной рабочей области мощности (выше области 212b). Для нашей конструкции соответствующий диапазон напряжения аккумулятора для разработанной рабочей области составляет от 11,5 до 13,5 вольт. Другими словами, вольт-амперная характеристика разработанных фонарей образована, чтобы соответствовать этому требованию.
Нет никакого ограничения на функциональное соотношение между энергией, передаваемой к фонарю и напряжением на клеммах. Однако Фиг. 3 иллюстрируют графическое соотношение 300, в котором соотношение 301 представляет собой ступенчатую функцию. Фиг. 4 иллюстрирует графическое соотношение 400, в котором соотношение 401 представляет собой непрерывную функцию. Фактическая функция может быть совокупностью ступенчатой функции и непрерывной функции.
Фиг. 5 иллюстрирует пассивную цепь 500, которая может использоваться в качестве пассивной цепи 131 на Фиг. 1. Пассивная цепь 500 включает в себя множество пассивных компонентов, включающих в себя совокупность диодов LED и резисторов. Как показано на Фиг. 5, узел освещения состоит из 24 светодиодов (замаркированных с LD1 по LD24), которые включены в цепь двумя группами, каждая группа соединена параллельно между клеммами V+ и V- аккумулятора.
Одна из групп светодиодов состоит из последовательного соединения четырех подгрупп светодиодов. Каждая подгруппа светодиодов состоит из различного количества светодиодов, находящихся в параллельных соединениях. Например, одна группа светодиодов состоит из последовательности четырех подгрупп, в которой первая подгруппа светодиодов состоит из четырех параллельных светодиодов с LD3 по LD6, вторая подгруппа светодиодов состоит из трех параллельных светодиодов с LD10 по LD12, третья подгруппа светодиодов состоит из трех параллельных светодиодов с LD16 по LD18, и четвертая подгруппа светодиодов состоит из четырех параллельных светодиодов с LD21 по LD24. Еще одна группа светодиодов также состоит из последовательного соединения четырех подгрупп светодиодов, состоящих из различного количества светодиодов, соединенных параллельно. Например, эта другая группа светодиодов состоит из последовательности четырех подгрупп, в которой первая подгруппа светодиодов состоит из двух параллельных светодиодов с LD1 по LD2, вторая подгруппа светодиодов состоит из трех параллельных светодиодов с LD7 по LD9, третья подгруппа светодиодов состоит из трех параллельных светодиодов с LD13 по LD15, и четвертая подгруппа светодиодов состоит из двух параллельных светодиодов с LD19 по LD20. Отметим, что первая подгруппа светодиодов с LD3 по LD6 в первой группе светодиодов также соединена параллельно с 16 резисторами с R1 по R16, и, что четвертая подгруппа светодиодов с LD21 по LD24 также соединена параллельно с 16 резисторами с R17 по R32.
Эта цепь светодиодов может рассматриваться в качестве цепи напряжения, определяемых переменных сопротивлений; и, таким образом, цепь будет нести различные токи, когда напряжение на клеммах отличается. Чем меньше напряжение на клеммах, тем меньше ток в этой цепи. Таким образом, чем меньше напряжение на клеммах, тем меньше величина энергии, потребляемой цепью.
Таблица 1 перечисляет измеренные потребления энергии этого узла (цепи) с напряжениями на клеммах, находящимися в диапазоне от 13,5 вольт до 10,5 вольт, следующим образом:
Таблица 1
Напряжения (В)
Ток (А)
Потребление энергии (Вт)
лм
лм/Вт
13,5
2,98
40,2
2331,6
58,0
13,0
1,51
19,63
1315,4
67,0
12,8
1,39
17,79
1231,3
69,2
12,5
1,23
15,38
1116,2
72,6
12,3
1,10
13,53
1019,5
75,4
12,0
0,88
10,56
842,9
79,8
11,5
0,58
6,67
580,7
87,1
11,0
0,32
3,52
329,2
93,5
10,8
0,22
2,38
231,6
97,3
10,5
0,1
1,05
104,2
99,2
Как показано, потребление энергии однообразно снизилось от 40,2 ватт при 13,5 вольт до 6,67 ватт при 11,5 вольт (примерно в 6 раз).
Разумеется, световой поток этого узла (цепи светодиодов) также изменяется в зависимости от проводимого тока. Чем меньше проводимый ток, тем меньше световой поток, который может быть произведен. Другими словами, чем меньше энергия, потребляемая этой цепью светодиодов, тем меньше световой поток, который цепь светодиодов будет обеспечивать. Если мы наложили требование коммерческого указанного минимального светового потока, лм > 1500 лм; и мы намерены использовать 3 параллельных узла для обеспечения освещения. Требование светового потока для каждого узла должно быть выше 500 лм.
Как показано в Таблице 1, измеренный световой поток снизился от 2331,6 люменов с 40,2 ватт потребления энергии (при 13,5 вольт) монотонно до 580,7 люменов с 6,67 ватт потребления энергии (при 11,5 вольт). Можно ожидать из того, что световой поток этих 3 узлов, объединенных с фонарем, должен излучать более 6994,8 лм при 13,5 вольт; и должен излучать более 1740 лм, когда напряжение на клеммах аккумулятора выше 11,5 вольт (что соответствует более чем 1500 лм требования освещения).
Измерения выполнены для определения запаса энергии, используя два приобретенных аккумулятора на 110 ампер-часов с получением совокупности энергоемкостей на 220 ампер-часов. Было определено, что при напряжении от 10,5 до 11,5 вольт емкость составит около 50 ампер-часов; и также при напряжении от 10,5 до 13,5 вольт емкость составит около 225 ампер-часов. Таким образом, выход энергии при разряде аккумулятора на 220 ампер-часов от 13,5 вольт до 11,5 вольт будет более 170 ампер-часов в энергии более чем (220-50)/220=77,27% энергоемкостей аккумулятора.
Время разряда было также измерено. Выполненное измерение использует фонарь, состоящий из 3 блоков разработанных выше элементов освещения. Этот фонарь разряжает аккумулятор на 220 ампер-часов от V=13,5 вольт до V=11,5 вольт и далее до 10,5 вольт. Измеренный результат показывает, что требуется более 75 часов времени разрядки, чтобы достигнуть от 13,5 до 11,5 вольт согласно эксперименту. В связи с этим мы ожидаем, что фонарь может обеспечивать поток выше требуемого светового потока в течение более 6 ночей (с 12 часами освещения на ночь). Оставшаяся энергия ниже 11,5 вольт до 10,5 вольт все же может обеспечивать уменьшенный световой поток в течение более чем 38 дополнительных часов.
Таким образом, без ввода энергии общее измеренное время освещения может превышать 9 ночей (12 часов/ночь). Система может обеспечивать освещение более 6 ночей выше требуемого уровня, и более 3 дополнительных ночей с уменьшенным уровнем освещения в конце. Также один нормальный солнечный день (с 4 часами эффективного солнечного освещения на 10 день) может вернуть систему обратно с запасом энергии для обеспечения освещения по меньшей мере 3 ночей.
При расчете эффективность этого узла (цепи светодиодов) однообразно увеличилась от 58 люменов на ватт при 13,5 вольт до более 87 люменов на ватт при 11,5 вольт. Расчетное значение эффективности увеличилось от 99,2 лм на ватт при 10,5 вольт; как приведено в таблице.
Настоящее изобретение может быть осуществлено в других определенных формах без отхода от его замысла или существенных характеристик. Описанные варианты осуществления следует во всех отношениях рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие. В связи с этим объем охраны изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения, а не вышеприведённым описанием. Все изменения, которые подпадают под значение и диапазон эквивалентов формулы изобретения, подразумеваются охватываемыми объемом изобретения.