ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФОНАРЬ-СВЕТИЛЬНИК

Полезная модель относится к автономным устройствам наружного освещения и может быть использовано при их производстве, установке и эксплуатации.
Уровень техники
Известен солнечный светильник [RU 2182287], состоящий из солнечной батареи, химического аккумулятора, контроллера заряда аккумулятора, соединительных проводников и люминесцентной лампы. Недостатком указанного известного светильника является низкий КПД преобразования солнечной энергии, падающей на солнечную батарею, в световую энергию люминесцентной лампы.
Известен также солнечный фотоэлектрический светильник [RU 2241176], содержащий солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда аккумулятора, соединительные проводники и светильник на основе скоммутированных светодиодов, который выбран в качестве прототипа данного предлагаемой полезной модели. Недостатком указанного фотоэлектрического светильника также является недостаточно высокий КПД преобразования солнечной энергии, падающей на солнечную батарею, в световую энергию светильника. Целью данной полезной модели является устранение указанного недостатка и повышение КПД преобразования солнечной энергии, падающей на солнечную батарею, в полезную световую энергию светильника и соответственно уменьшение размеров и стоимости указанной солнечной батареи и улучшение качества освещенности, создаваемой указанным фонарем - светильником.
Раскрытие полезной модели
Указанные цели достигаются за счет того, что в известном солнечном фотоэлектрическом светильнике, включающем солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер, соединительные проводники и светильник на основе светодиодов, указанная солнечная батарея выполнена двусторонней и закреплена на несущей штанге, соединенной с поворотным механизмом, способным изменять ступенчато ориентацию плоскости указанной солнечной батареи в направлении восток - запад, указанный аккумулятор является литий ионным, а указанный контроллер выполнен таким, что дополнительно к контролю зарядки аккумулятора способен выполнять функцию управления указанным поворотным механизмом и функцию управления яркостью светильника в зависимости от изменения уровня естественной освещенности и требований к освещенности в различные периоды времени суток, а также за счет того, что указанная солнечная батарея установлена лицевой стороной в южном направлении (при установке в северном полушарии) или в северном направлении (при установке в южном полушарии) и закреплена на указанной несущей штанге, соединенной с указанным поворотным механизмом так, что ось поворота указанной солнечной батареи в направлении восток - запад расположена под углом к горизонту, равным географической широте места установки фотоэлектрического фонаря - светильника с поправкой на отличие линии горизонта от окружности для места указанной установки и за счет того, что указанный поворотный механизм включает шаговый электродвигатель с реверсом.
Описание работы предлагаемого фонаря - светильника
На Фигуре схематически изображен предлагаемый фотоэлектрический фонарь - светильник, где 1 - двусторонняя солнечная батарея, 2 - несущая штанга, 3 - поворотный механизм, 4 - литий ионный аккумулятор электрической энергии, 5 - светильник на основе светодиодов, 6 - контроллер.
Предлагаемый фотоэлектрический фонарь - светильник работает следующим образом. Фотоэлектрический фонарь - светильник устанавливается на несущей конструкции так, что лицевая сторона указанной солнечной батареи (1) в астрономический полдень по местному времени обращена к югу (при установке в северном полушарии) или к северу (при установке в южном полушарии) с наклоном под углом к горизонту, равным географической широте места установки. Этим обеспечивается максимально возможный среднесуточный поток солнечного света на поверхность неподвижной солнечной батареи. В случае установки предлагаемого фотоэлектрического фонаря - светильника в гористой местности указанный угол наклона следует поправить с учетом отличия линии горизонта от окружности. Указанная поправка находится экспериментально в таком случае. Применение неподвижной двусторонней солнечной батареи дает увеличение ее мощности от 50% до 80% по сравнению с неподвижной односторонней батареей при одинаковых размерах.
Выход указанной двусторонней солнечной батареи соединен с управляющим входом контроллера (6), и внутри контроллера через первый коммутатор с системой зарядки указанного литий ионного аккумулятора электрической энергии (4), применение которого уменьшает вес, увеличивает долговечность и надежность предлагаемого фотоэлектрического фонаря-светильника. В свою очередь указанный аккумулятор соединен с системой питания контроллера и внутри него через второй коммутатор - с системой питания указанного поворотного механизма (3), а через третий коммутатор - с системой питания светильника на основе светодиодов (5).
Отметим особо, что указанная солнечная батарея, кроме своей основной функции (преобразования энергии солнечного света в электрическую энергию для питания светильника) в данной полезной модели является также датчиком уровня естественной освещенности. При понижении уровня естественной освещенности в месте установки автономного фотоэлектрического фонаря - светильника в вечернее время до заданного на основе данных, поступающих на управляющий вход указанного контроллера, последний вырабатывает сигнал включения указанного светильника на основе светодиодов на минимальном уровне тока светодиодов и постепенного увеличения тока до максимального. В утренние часы обеспечивается, соответственно, постепенное понижение указанного тока светодиодов до их полного отключения. Применяемое таким образом управление током светодиодов светильника обеспечивает увеличение времени его свечения при прочих равных условиях в среднем на 20%. Увеличение времени свечения светильника может получаться также за счет того, что в применяемом контроллере заложена функция понижения уровня освещенности в поздние ночные часы, когда в конкретных условиях это предусматривается штатным режимом эксплуатации предлагаемого фотоэлектрического фонаря - светильника.
Дополнительное увеличение КПД двусторонней солнечной батареи при применении предлагаемой полезной модели обеспечивается за счет того, что указанная батарея не является неподвижной, а ступенчато (например, каждый час) в дневное время поворачивается в направлении с востока на запад, отслеживая положение солнца на небе так, что солнечные лучи в среднем в течение года попадают на ее лицевую сторону под углом близким к 90°. Для этого в светлое время суток, периодически, с заранее заданной частотой указанный контроллер вырабатывает команды на ступенчатое изменение положения указанной солнечной батареи в направлении с востока на запад, например, ежечасно на 15°. Указанные команды поступают на вход указанного поворотного механизма и исполняются его двигателем, например шаговым, через передачу (например, шестеренчатую) вращения указанной несущей штанги (2). При наступлении вечернего времени суток одновременно с указанным сигналом включения светильника указанный контроллер вырабатывает сигнал реверса двигателя указанного поворотного механизма, который осуществляет ступенчатый поворот плоскости солнечной батареи в направлении с запада на восток ровно на столько ступенчатых изменений угла указанной плоскости сколько их было от начала ступенчатого поворота в утренний час до указанного сигнала реверса. Очевидно, что такой алгоритм управления поворотом плоскости солнечной батареи, заложенный в контроллер, обеспечивает и увеличение числа ступеней поворота плоскости солнечной батареи при увеличении светового дня в период времени между 21 декабря и 22 июня и, напротив, сокращение их числа между 22 июня и 21 декабря (при установке в северном полушарии) и соответственно противоположно при установке в южном полушарии. И при этом обеспечивается отслеживание положение солнца на небе так, что солнечные лучи в среднем в течение года попадают на лицевую сторону солнечной батареи под углом близким к 90°. Возможны, конечно, и другие алгоритмы, закладываемые в программу работы указанного контроллера. Достигаемые при этом условия падения солнечных лучей на плоскость солнечной батареи во - первых существенно увеличивают эффективный поток солнечного света, падающего на плоскость солнечной батареи, и за счет существенного увеличения угла падения лучей на плоскость увеличивают их поглощение солнечной батареей. В результате, несмотря на некоторые затраты энергии на работу поворотного механизма, КПД солнечной батареи возрастает дополнительно еще на 20-30%.
Таким образом, применение данной полезной модели обеспечивает достижение поставленных целей, а именно, повышение КПД преобразования солнечной энергии, падающей на солнечную батарею, в полезную световую энергию светильника и соответственно уменьшение размеров и стоимости указанной солнечной батареи и улучшение качества освещенности, создаваемой указанным фонарем - светильником.
Пример реализации полезной модели
Предлагаемая полезна модель была реализована ООО «Новые энергетические технологии» частично в работе по освещению автомобильной дороги в Белгородской области длиной 3 км. Фотоэлектрические фонари-светильники снабжены двусторонними солнечными батареями фирм «Солэкс», «Солнечный ветер» размером 158,5 на 80,5 см, литий ионными аккумуляторами фирм «Санье», «Тошиба» емкостью 28 Ампер·часов и светодиодными светильниками фирмы «Фокус», «Ледел». Контроллер, выполненный в частичном соответствии с предлагаемой полезной моделью, обеспечивает включение и ступенчатое повышение тока светильников в вечернее и понижение указанного тока и его выключение в утреннее время. Примененные фотоэлектрические фонари-светильники показали высокую надежность при эксплуатации в течение продолжительного времени.
С другой стороны в ООО «Новые энергетические технологии» разработан экспериментальный образец предлагаемого фонаря светильника в полном соответствии с предлагаемой полезной моделью. Применение предложенного механизма ежечасного ступенчатого поворота плоскости солнечной батареи с использованием 24-х полюсного шагового электродвигателя и контроллера, обеспечивающего предложенный алгоритм поворота, обеспечивает полную зарядку аккумулятора фирмы «Санье», емкостью 28 Ампер·часов за 7 часов вместо 10 часов, необходимых в условиях неподвижной солнечной батареи. Таким образом, реализуемость и полезность предложенной полезной модели была показана на практике.