Автономное светосигнальное устройство
Предлагаемая полезная модель относится к автономным светосигнальным и осветительным устройствам, электропитание которых осуществляется с использованием солнечной энергии, и может быть использована в различных секторах экономики: для обозначения зон, требующих повышенного внимания участников дорожного движения, наружного освещения дорог, переездов, парковых, дворовых и других территорий и т.п. Автономное светосигнальное устройство содержит светоизлучающий прибор, размещенный на опоре, солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер, подключенный к аккумулятору электрической энергии, солнечной батарее и светоизлучающему прибору, аккумулятор энергии состоит из нескольких электрически соединенных аккумуляторных модулей, суммарное рабочее напряжение которых максимально приближено к рабочему напряжению солнечной батареи, аккумулятор дополнительно снабжен системой контроля и управления, обеспечивающей непрерывное выравнивание напряжения на аккумуляторных модулях, а контроллер дополнительно регулирует величину тока заряда аккумулятора с обеспечением максимальной мощности, отбираемой от солнечной батареи, отключает аккумулятор от светоизлучающего прибора при уровне разряда аккумулятора ниже допустимого, подключает аккумулятор к светоизлучающему прибору при повышении уровня заряда аккумулятора выше заданного и отключает солнечную батарею от аккумулятора при достижении его полного заряда, при этом балансировка напряжения на аккумуляторных модулях системой контроля и управления осуществляется либо путем перераспределения энергии между по-разному заряженными аккумуляторными модулями, либо рассеянием избытков энергии на шунтирующих аккумуляторные модули балластных сопротивлениях. Решаемая техническая задача: создание автономных светосигнальных устройств с повышенными эффективностью преобразования энергии солнечного излучения, сроком службы аккумуляторных батарей и степенью гарантированности работы.
Предлагаемая полезная модель относится к автономным светосигнальным устройствам, источником электропитания которых является фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии, и может быть использована в различных секторах экономики: для обозначения пешеходных переходов, зон ремонтных, строительных и прочих работ, предупреждения пешеходов и водителей об опасных участках дорог и т.п.
Известны светосигнальные устройства, содержащие светоизлучающий прибор, размещенный на опоре, и контроллер, подключенный к светоизлучающему прибору и электрической сети и обеспечивающий электропитание светосигнального устройства в соответствии с требуемым световым режимом его работы.
Основными недостатками таких устройств является зависимость их работоспособности от электрической сети, и невозможность использования в местах с отсутствием в непосредственной близости электрической сети.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является автономное светосигнальное устройство, содержащее светоизлучающий прибор, размещенный на опоре, солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер, подключенный к аккумулятору электрической энергии, солнечной батарее и светоизлучающему прибору, обеспечивающий зарядку аккумулятора энергией, вырабатываемой солнечной батарей и управление токами светосигнального устройства в соответствии с требуемым световым режимом его работы,
Основными недостатками этого устройства являются невысокая эффективность использования энергии, вырабатываемой солнечной батареей, обусловленная неоптимальными режимами заряда и разряда аккумулятора, и пониженный срок службы аккумулятора электрической энергии, обусловленный допущением режимов глубокого его разряда и тем самым пониженная степень гарантированности работы. (Автономный фотоэлектрический фонарь-светильник; патент РФ 93931, МПК F21S 9/00 с приоритетом от 28.12.2009 г, прототип).
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу повышения эффективности использования энергии солнечного излучения, увеличения срока службы аккумуляторных батарей в составе устройства, повышения степени гарантированности работы автономного светосигнального устройства.
Поставленная техническая задача решается тем, что в автономном светосигнальном устройстве, содержащем светоизлучающий прибор, размещенный на опоре, солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер, подключенный к аккумулятору электрической энергии, солнечной батарее и светоизлучающему прибору, обеспечивающий зарядку аккумулятора энергией, вырабатываемой солнечной батареей и управление токами светосигнального устройства в соответствии с требуемым световым режимом его работы, аккумулятор энергии состоит из нескольких электрически соединенных аккумуляторных модулей, суммарное рабочее напряжение которых максимально приближено к рабочему напряжению солнечной батареи, аккумулятор дополнительно снабжен системой контроля и управления, обеспечивающей непрерывное выравнивание напряжения на аккумуляторных модулях, а контроллер дополнительно регулирует величину тока заряда аккумулятора с обеспечением максимальной мощности, отбираемой от солнечной батареи, отключает аккумулятор от светоизлучающего прибора при уровне разряда аккумулятора ниже допустимого, подключает аккумуляторную батарею к светоизлучающему прибору при повышении уровня заряда аккумулятора выше заданного и отключает солнечную батарею от аккумулятора при достижении его полного заряда. При этом балансировка напряжения на аккумуляторных модулях системой контроля и управления осуществляется либо путем перераспределения энергии между по разному заряженными аккумуляторными модулями, либо рассеянием избытков энергии на шунтирующих аккумуляторные модули балластных сопротивлениях.
Такое выполнение автономного осветительного устройства в результате применения аккумулятора, состоящего из нескольких электрически соединенных аккумуляторных модулей, суммарное рабочее напряжение которых максимально приближено к рабочему напряжению солнечной батареи, позволяет увеличить емкость аккумулятора, сократить вероятность его глубокого разряда и увеличить срок его службы, более точно согласовать рабочие напряжения солнечной батареи и аккумулятора, что обеспечивает повышение эффективности использования энергии солнечного излучения.
Дополнительное снабжение аккумулятора системой контроля и управления, обеспечивающей непрерывное выравнивание напряжения на аккумуляторных модулях, и выполнение контроллером дополнительных функций регулирования величины тока заряда аккумулятора с обеспечением максимальной мощности, отбираемой от солнечной батареи, отключения аккумулятора от светоизлучающего прибора при уровне разряда аккумулятора ниже допустимого, подключения аккумуляторной батареи к светоизлучающему прибору при повышении уровня заряда аккумулятора выше заданного и отключения солнечной батареи от аккумулятора при достижении его полного заряда, позволяет одновременно повысить эффективность использования энергии солнечного излучения, увеличить срок службы аккумуляторных батарей в составе устройства и повысить степень гарантированности работы автономного светосигнального устройства.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунками на фиг. 1.
Автономное светосигнальное устройство содержит светоизлучающий прибор 1, размещенный на опоре 2, солнечную батарею 3, аккумулятор электрической энергии 4, состоящий из нескольких электрически соединенных аккумуляторных модулей 6, контроллер 5, подключенный к аккумулятору электрической энергии 4, солнечной батарее 3 и светоизлучающему прибору 1, и систему контроля и травления аккумулятора 7.
Предлагаемое автономное светосигнальное устройство работает следующим образом. Солнечная батарея 3 преобразует энергию потока солнечного излучения в электроэнергию, которая с помощью контроллера 5 направляется для электропитания светоизлучающего прибора 1, размещенного на опоре 2, и в случае избытка генерируемой мощности или при выключенном светоизлучающем приборе для заряда аккумулятора 4. При недостатке генерируемой мощности электропитание светоизлучающего прибора 1 осуществляется и от аккумулятора 4. Контроллер 5 осуществляет управление токами устройства, изменяя токи в цепях в зависимости от значений напряжений и заданных уставок, в соответствии с требуемым световым режимом работы светоизлучающего прибора 1. При этом контроллер 5 также регулирует величину тока заряда аккумулятора 4 с обеспечением максимальной мощности, отбираемой от солнечной батареи 3, отключает аккумулятор 7 от светоизлучающего прибора 1 при уровне разряда аккумулятора ниже допустимого, подключает аккумулятор 4 к светоизлучающему прибору 1 при повышении уровня заряда аккумулятора выше заданного и отключает солнечную батарею 3 от аккумулятора при достижении его полного заряда. Система контроля и управления 7 аккумулятора 4, набираемого из нескольких электрически соединенных аккумуляторных модулей 6, суммарное рабочее напряжение которых (напряжение на клеммах аккумулятора) максимально приближено к рабочему напряжению солнечной батареи 3, обеспечивает непрерывное выравнивание напряжения на аккумуляторных модулях 6, обеспечивая тем самым равномерный уровень заряда модулей. При этом балансировка напряжения на аккумуляторных модулях 6 системой контроля и управления 7 осуществляется либо путем перераспределения энергии между по разному заряженными аккумуляторными модулями 6, либо рассеянием избытков энергии на шунтирующих аккумуляторные модули балластных сопротивлениях.
Установленная мощность солнечной батареи и суммарная емкость аккумуляторных модулей выбирается с учетом мощности и режима работы сигнального устройства и климатических условий его эксплуатации, исходя из требуемого показателя гарантированности работы устройства в различные периоды года.
Достоинствами предлагаемого автономного светосигнального устройства является высокая энергетическая эффективность, повышенный срок службы аккумуляторной батареи и высокая степень гарантированности работы,
Автономное светосигнальное устройство может найти применение при обозначении зон, в которых от участников дорожного движения требуется повышенное внимание, при обозначении зон строительных, ремонтных и прочих работ, при наружном освещении дорог, переездов, парковых, дворовых и других территорий и т.п.
Наиболее экономично использование предлагаемых автономных светосигнальных устройств в местах, удаленных от электрических сетей или районах, обладающих существенным потенциалом солнечной энергии, где подключение к сетям технически или экономически затруднено,.
Автономное светосигнальное устройство является экологически чистым.
В Объединенном институте высоких температур РАН выполнены оптимизационные расчеты автономного светосигнального устройства для различных климатических условий эксплуатации, изготовлены экспериментальные образцы устройства и проведены полевые испытания, подтвердившие эффективность заявляемых технических решений.
1. Автономное светосигнальное устройство, содержащее светоизлучающий прибор, размещенный на опоре, солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер, подключенный к аккумулятору электрической энергии, солнечной батарее и светоизлучающему прибору, обеспечивающий зарядку аккумулятора энергией, вырабатываемой солнечной батареей, и управление токами светосигнального устройства в соответствии с требуемым световым режимом его работы, отличающееся тем, что аккумулятор энергии состоит из нескольких электрически соединенных аккумуляторных модулей, суммарное рабочее напряжение которых максимально приближено к рабочему напряжению солнечной батареи, аккумулятор дополнительно снабжен системой контроля и управления, обеспечивающей непрерывное выравнивание напряжения на аккумуляторных модулях, а контроллер дополнительно регулирует величину тока заряда аккумулятора с обеспечением максимальной мощности, отбираемой от солнечной батареи, отключает аккумулятор от светоизлучающего прибора при уровне разряда аккумулятора ниже допустимого, подключает аккумулятор к светоизлучающему прибору при повышении уровня заряда аккумулятора выше заданного и отключает солнечную батарею от аккумулятора при достижении его полного заряда.
2. Автономное светосигнальное устройство по п. 1, отличающееся тем, что балансировка напряжения на аккумуляторных модулях системой контроля и управления осуществляется либо путем перераспределения энергии между по-разному заряженными аккумуляторными модулями, либо рассеянием избытков энергии на шунтирующих аккумуляторные модули балластных сопротивлениях.
РИСУНКИ
