Система освещения приусадебного участка

Независимо от названия (освещение приусадебного участка, уличный светильник) внешнее освещение выглядит весьма привлекательно у каждого дома. Кроме своей эстетической функции уличное освещение служит и в целях обеспечения безопасности. Каждый знает, насколько опасной может стать неосвещенная дорожка. А неогороженный плавательный бассейн? Небольшие светильники, расположенные вдоль дорожки или вокруг бассейна, могут предотвратить несчастный случай во время прогулки. В данной главе приводятся рекомендации по установке внешнего освещения, использующего солнечную энергию.

По принципу действия внешнее освещение в основном подобно аварийному, рассмотренному в предыдущей главе. Фотоэлектричество также используется для заряда свинцово-кислотной батареи, от которой в свою очередь работают лампы.

Однако имеется и существенное различие. Система аварийного освещения включается лишь изредка. Фактически она требуется только при перерывах в подаче электроэнергии в сети; остальное время система бездействует. Внешнее освещение, напротив, должно использоваться в течение каждой ночи круглый год. В этом случае необходимо разработать систему, имеющую достаточно большую емкость батареи и мощность фотоэлектрического преобразователя, чтобы система в целом функционировала в любое время года и при любых погодных условиях. Эти требования не учитывались при разработке аварийного освещения.

Конструирование начинается с самих светильников. Они рассчитаны на низкое напряжение и благодаря этому весьма удобны для системы электропитания, в которой используются преобразователи солнечной энергии.

Несмотря на наличие множества различных моделей таких светильников, все они работают от напряжения 12 В. Лампы, входящие в комплект светильников, рассчитаны, как правило, на одинаковую мощность 12 Вт и, следовательно, потребляют ток 1 А каждая. Сначала необходимо определить необходимое число светильников в системе. Это число зависит от каждого конкретного случая. Я выбрал пять, потому что этого количества вполне хватило для освещения газона перед домом и дорожки. Следовательно, мой источник энергии должен питать систему, потребляющую ток 5 А. Если бы я выбрал шесть ламп, потребовалось бы 6 А.

Сила тока в 5 А не является чрезмерной, и ее легко получить от нескольких свинцово-кислотных батарей, имеющихся в продаже. Вопрос заключается лишь в необходимых размерах батареи. Эта часть разработки несколько сложнее. Чтобы правильно ответить на поставленный вопрос, необходимо выполнить некоторые вычисления и сделать несколько предположений.

Во-первых, рассмотрим, какими параметрами характеризуется батарея. Все батареи (свинцово-кислотные и прочие) характеризуются емкостью в ампер-часах (часто обозначаемой А-ч). 1 А-ч означает, что батарея может снабжать нагрузку током в 1 А в течение 1 ч. Аналогично если батарея может давать ток 5 А в течение 1 ч, то ее емкость составляет 5 А-ч. Та же емкость достигается при токе 1 А в течение 5 ч. Независимо от величины напряжения емкость батареи численно определяется произведением силы тока на полное время его протекания.

Итак, было установлено, что система будет потреблять ток 5 А. Однако для грамотного выбора батареи необходимо знать продолжительность функционирования системы внешнего освещения за сутки. Пусть эта продолжительность в течение каждого вечера составляет 4 ч. Теперь, умножив значение тока, потребляемого светильниками, на время их работы за сутки, мы получим требуемое количество ампер-часов. В нашем случае 5 Ах4 ч=20 А-ч. Это — суточное потребление энергии.

Отсюда следует, что батареи емкостью 20 А-ч вполне достаточно для вечернего освещения. Однако утром батарея будет полностью разряжена, и для последующей работы ее необходимо будет снова зарядить. Предположим, что весь следующий день будет идти дождь. Как же фотоэлектрические преобразователи зарядят батарею? Без солнечных лучей они не работают.

С учетом этого факта тотчас станет ясно, что необходимо увеличить емкость батареи. Батарея емкостью 40 А-ч будет питать осветительную систему в течение 2 дней, а 60 А-ч — в течение 3 дней. Теперь необходимо определить еще одно условие: выбрать среднее время между циклами заряда и решить, как долго должна работать батарея без подзаряда. Этот параметр не слишком критичен в случае освещения приусадебного участка. Предположим, что запаса энергии в батарее на 3 дня будет вполне достаточно. Следовательно, необходима батарея емкостью 60 А-ч.

Резюмируя сказанное выше, можно сформулировать последовательность простого расчета необходимых параметров солнечной и аккумуляторной батарей:

1) определить ток, потребляемый лампой;

2) определить число светильников в системе;

3) определить требуемое время работы освещения каждый вечер;

4) перемножить значения, полученные в пп. 1—3; полученный результат будет представлять собой суточное потребление энергии в ампер-часах;

5) оценить число пасмурных дней с недостаточной интенсивностью солнечного излучения, в течение которых аккумуляторная батарея должна обеспечивать энергией систему без подзарядки;

6) перемножение результатов, полученных в пп. 4 и 5, позволит определить емкость аккумуляторной батареи в ампер-часах;

7) увеличить результат п. 4 (в ампер-часах) на 33 % (на 1/3) и определить тем самым среднее значение энергии, необходимое для подзаряда батареи за день;

8) определить длительность периода облученности солнечной радиацией для данного района (см. гл. 3);

9) разделить величину, полученную в п. 7, на длительность, найденную в п. 8;

10) величина, полученная в п. 9,— сила тока, который должна генерировать солнечная батарея. Величина, полученная в п. 6,— емкость аккумуляторной батареи.

Теперь все в порядке. Выбрано число светильников, установлена продолжительность их работы в течение суток и вычислена емкость батареи, необходимой для обеспечения этой работы. Осталось теперь только остановиться на определенном способе заряда батареи.

Требования, предъявляемые к солнечной батарее, определяются условиями работы осветительной системы. Можно немного порассуждать; это не займет много времени.

Было сделано допущение, что для работы осветительной системы требуется 20 А-ч в сутки. Известно также, что энергию дает аккумуляторная батарея, следовательно, затраченная в вечернее время энергия должна быть, выражаясь фигурально, возвращена на следующий день.

К сожалению, ни одна батарея не является идеальной. Как правило, чтобы зарядить свинцово-кислотный аккумулятор, необходимо подвести на 20 % больше энергии, чем было выделено. Следовательно, на каждые 20 А-ч, полученные от аккумулятора, необходимо возвратить 24 А -ч.

Следующий шаг — разработка фотоэлектрической батареи, генерирующей 24 А-ч в сутки. Чтобы добиться этого, необходимо знать имеющуюся в распоряжении инсоляцию. Эта величина определяется количеством полезных солнечных часов, иными словами, промежутком времени (в часах) за день, в течение которого можно считать, что солнце производит необходимую нам работу.

Определить количество полезных солнечных часов для любой местности можно двумя способами. Во-первых, непосредственно используя измеритель инсоляции, описанный в гл. 3. Или можно воспользоваться более общим значением на основании карты, приведенной в той же главе. Карта составлена с учетом сезонных изменений и общего характера погоды.

В случае описанной осветительной системы для расчетов была выбрана длительность полезного освещения, соответствующая в среднем 4,5 полезных солнечных часов за сутки. Как видно из карты, эта цифра одинакова для большинства районов континентальной части США. Теперь, если разделить количество ампер-часов (24 А-ч), требуемых для подзарядки аккумуляторной батареи, на среднее значение полезных солнечных часов (4,5 ч), можно получить величину тока, которую должна генерировать солнечная батарея: 5,3 А.

Теоретически этому требованию удовлетворяет батарея, генерирующая ток 5,3 А при напряжении 12 В. Однако имеются другие, еще не рассмотренные нами факторы. К ним относятся потери в соединительных проводниках, потребление энергии регулятором и т. д. Следовательно, для обеспечения надежности неплохо создать определенный запас по мощности; вполне подойдет, например, 10-процентный запас.

Таким образом, минимальный ток, вырабатываемый солнечной батареей, должен составлять около 6 А. Произведя обратный расчет, т. е. умножив 6 А на 4,5 ч, получим, что солнечная батарея за сутки будет выдавать в среднем 27 А-ч. В некоторые дни отдача может быть меньше, в другие — больше. Следует помнить, конечно, что для ежедневной зарядки аккумуляторной батареи не требуется 27 А*ч, недостающее количество солнечной энергии в некоторые дни будет восполнено аккумуляторной батареей. Однако для нормального функционирования осветительной системы среднее значение должно составлять 27 А-ч.

Конкретную солнечную батарею можно изготовить множеством способов. Можно параллельно соединить небольшие модули и достичь необходимой мощности 87 Вт, но это будет стоить очень дорого.

Как правило, чем больше размер модулей, из которых собирается батарея, тем дешевле стоимость 1 Вт электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей. Для описываемой системы были использованы три модуля, каждый из которых генерировал ток 2 А. Все модули были изготовлены из круглых, относительно дешевых солнечных элементов диаметром более 10 см.

Если самостоятельно собирать солнечную батарею из элементов, то можно посоветовать использовать круглые элементы диаметром 10 см из монокристалла или квадратные элементы 10x10 см2 из поликристаллического материала. Хотя квадратные элементы не столь эффективны, как круглые монокристаллические, они дешевле' Однако их потребуется больше. Чтобы обеспечить цикличную работу осветительной системы (выключение в дневное время и включение в вечернее время), необходим таймер. В большинстве осветительных систем используются механические часы-таймеры, которые включают и выключают свет в определенное время; однако кажется, что это— напрасная трата энергии. Зачем зажигать свет раньше, чем зайдет солнце? Единственный выход в случае обычных таймеров — вручную устанавливать таймер, подстраиваясь под солнечный цикл, что делается довольно часто.

Однако лучше всего «заставить» заходящее солнце запускать таймер. Это делается с помощью электронной схемы, представленной на рис. 1. Рассмотрим ее работу.

В качестве светочувствительного фоторезистор ного элемента используется фотоэлемент PC 1, освещаемый прямыми солнечными лучами. С изменением интенсивности света, падающего на фотоэлемент, пропорционально изменяется его сопротивление. В дневное время его сопротивление очень мало (порядка 100 Ом). Однако о наступлением темноты оно увеличивается в 100 и более раз и достигает величины более 500 кОм.

Система освещения приусадебного участка

Рис. 1

Последовательно с фоторезистором включен резистор УR1, образуя делитель, выходное напряжение которого зависит от величины сопротивления фоторезистора PC 1. Чем больше света, тем меньше выходное напряжение, и наоборот.

Величину напряжения контролируют два компаратора. Необходимо отметить, что нижний используется в неинвертирующем варианте включения, а верхний — в инвертирующем. Это означает, что при нулевом входном напряжении нижний компаратор выдает напряжение низкого уровня, а верхний — высокого.

Компараторы включены таким образом, что нижний компаратор переключается при более низком входном напряжении, чем верхний. Как только напряжение на PC 1 увеличивается (при заходе солнца), первый компаратор переключается, на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения. Теперь на выходах обоих компараторов устанавливается напряжение высокого уровня.

В этом случае цепочка из двух логических элементов И-НЕ (7С2) выдает на вывод 11 микросхемы IСЗ напряжение высокого уровня. Микросхема IСЗ представляет собой программируемый таймер. Он может измерять интервалы времени длительностью вплоть до суток. Внутри этой микросхемы имеется двоичный счетчик со сквозным переносом, выходы которого можно использовать для установки времени. Переключая их, легко увеличить время срабатывания в 2 или 4 раза.

Номинальное время срабатывания таймера определяется сопротивлением R8 и емкостью С1. При указанных на схеме величинах R8 и Cl напряжение на выводе 8 увеличивается через 4 ч. На подключенном к младшему разряду счетчика выводе 7 напряжение появится через 2 ч, на выводе 6 — через 1 ч. Работа таймера начнется при подаче высокого потенциала на вывод 11.

Время срабатывания таймера выбирается переключателем S1 «Время», В начале цикла работы на всех выходах — низкий потенциал. Контакты реле RL1 в этих условиях замкнуты благодаря транзистору Q1 и микросхеме IС2. Электроэнергия подводится к внешнему освещению — и фонари горят. С наступлением ночи напряжение на PC1 продолжает увеличиваться. Вскоре верхний компаратор срабатывает и на его выходе устанавливается напряжение низкого уровня. При этом изменяется состояние входов IС2 и на вход IСЗ поступает напряжение низкого уровня. Тем не менее никакого влияния на работу таймера это изменение не оказывает.

По окончании заданного интервала микросхема IСЗ автоматически приходит в исходное состояние. Сброс производится импульсом обратной связи, поступающим с выхода микросхемы. Поскольку на выводе 11 теперь низкий потенциал, повторного запуска микросхемы не происходит. Кроме того, в результате выключается реле и освещение гаснет.

На следующее утро с восходом солнца постепенно снижается сопротивление PC1 и, как следствие, уменьшается входное напряжение компараторов. Это могло бы привести к срабатыванию верхнего компаратора раньше нижнего, к подаче на вход таймера высокого потенциала и повторному запуску таймера.

Во избежание срабатывания таймера при восходе солнца в верхний компаратор введена небольшая положительная обратная связь через резистор R5. Это приводит к появлению гистерезиса, что задерживает срабатывание, пока не переключится нижний компаратор. Высокий потенциал не может быть подан на оба выхода одновременно, и запуска таймера не произойдет.

Тем не менее к вечеру цикл начнет повторяться и компараторы вернутся в свое «ночное» состояние. Уровень срабатывания компараторов устанавливается точно переменным резистором VR1 «Чувствительность». Необходимо отрегулировать значение его сопротивления таким образом, чтобы наружное освещение включалось сразу после наступления сумерек.

В конструкции таймера используется печатный монтаж. Конфигурация печатной платы представлена на рис. 2, а размещение на ней элементов схемы — на рис 3. Реле можно припаять непосредственно к плате или разместить в розетке для подключения освещения.

Собранный таймер необходимо поместить в непрозрачную коробку, а фоторезистор PC 1 следует разместить на крышке так, чтобы на него попадали солнечные лучи. Таймер имеет всего три вывода: общую землю, провод для подключения питания +12 В от аккумуляторной батареи и фазовый провод, подключаемый к осветительной системе. Необходимо убедиться в том, что все проделанные отверстия в корпусе надежно уплотнены и водонепроницаемы во избежание проникновения влаги.

Система освещения приусадебного участка

Рис. 2

 

Система освещения приусадебного участка

Рис. 3

Теперь известны все элементы, необходимые для создания осветительной системы, кроме одного. Систему необходимо также снабдить регулятором заряда. Без регулятора заряда не исключена возможность перезаряда аккумуляторной батареи и вызванного этим снижения срока ее службы. Подобная вероятность особенно велика в летнее время, когда дни продолжительны, а ночи коротки. В этих условиях наблюдается постепенное накопление заряда в аккумуляторных элементах, которое легко может привести к перезаряду.

Система освещения приусадебного участка

Рис. 4

Начать сборку системы можно с размещения фонарей на участке. Здесь нет никаких ограничений, можно установить фонари там, где от них будет больше пользы. Лампы соединяются параллельно о помощью толстых проводов. Если используется соответствующий комплект проводов, то необходимый провод обязательно входит в его состав. Если нет, то рекомендуется плоский осветительный кабель № 18.

Электрические провода, ведущие к фонарям, присоединяются к схеме таймера. Таймер необходимо разместить так, чтобы на него могли падать солнечные лучи, а не свет фар проезжающих автомобилей или иных внешних источников.

Таймер подключается к аккумуляторной батарее напряжением 12 В. От типа используемой батареи зависит ее срок службы. При Желании можно воспользоваться автомобильным аккумулятором, но он долго не прослужит в тяжелых условиях периодической работы.

Лучше использовать лодочный аккумулятор. Подобные аккумуляторы созданы для работы в условиях многократных циклов глубокого разряда. Хотя они стоят несколько дороже, но прослужат гораздо дольше, чем обычный автомобильный аккумулятор.

Регулятор заряда включается между солнечной и аккумуляторной батареями. В качестве регулятора заряда прекрасно подойдет конструкция, описанная в гл. 6. Необходимо просто подключить выход регулятора к аккумулятору, а вход — к солнечной батарее, соблюдая полярность.

Лицевая панель солнечной батареи располагается в направлении на юг. Таймер устанавливается на время, в течение которого после захода солнца необходимо освещение. Возможно, для более полного соответствия погодным условиям потребуется подстройка таймера при смене сезонов Теперь дорожки около дома будут освещаться даже после захода солнца.

Список деталей

Резисторы

R1, R3, R4, R5 — 100 кОм

R2 — 2,2 кОм

R6, R7, ЯП—10 кОм

R8—470 кОм

R9—22 кОм

R10—47 кОи

R12—1 кОм

Конденсаторы

С1—220 мкФ, 16 В

С2—0,05 мкФ

СЗ — 0,1 мкФ

С4—100 мкФ, 16 В

Полупроводники

D1 — 1N4001

ІС1— LM339

ІС2—CD4011

IСЗ—UA2240

Q1— 2N2222

Остальные детали

PC 1 — фотоэлемент на сульфиде кадмия (Radio Shack 726-116)

RL1 — реле (Ridio Shack 275-218)

S1— переключатель на три положения, одно направление

VR1 — потенциометр 10 кОм

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.

2 1766 На солнечных батареях
освещение солнечная энергия солнечная батарея
cashback