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無線電子工学および電気工学の百科事典 中庭の照明。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
名前（農場照明、街路灯）に関係なく、屋外照明はどの家でも非常に魅力的に見えます。 街路灯は美的機能に加えて、安全性を確保する役割もあります。 照明のない道がどれほど危険になるかは誰もが知っています。 柵のないプールはどうですか？ 道沿いやプールの周りに小さなライトを設置すると、歩行中の事故を防ぐことができます。 この章では、太陽エネルギーを利用した屋外照明を設置するための推奨事項について説明します。
システム機能 動作原理によれば、外部照明は基本的に前の章で説明した非常照明と似ています。 太陽光発電は鉛蓄電池の充電にも使用され、鉛蓄電池がランプに電力を供給します。 ただし、大きな違いもあります。 非常照明システムは時々しか点灯しません。 実際、これはネットワークへの電力供給が中断されている場合にのみ必要となります。 残りの時間はシステムはアイドル状態になります。 対照的に、屋外照明は一年中毎晩使用する必要があります。 この場合、システム全体が一年中いつでも、どのような気象条件でも機能するように、十分に大きなバッテリー容量と太陽光発電コンバータの電力を備えたシステムを開発する必要があります。 非常用照明を開発する際には、これらの要件は考慮されていませんでした。 システムデザイン デザインは器具自体から始まります。 低電圧向けに設計されているため、太陽エネルギーコンバータを使用する電源システムに非常に適しています。 このようなランプには多くの異なるモデルがあるという事実にもかかわらず、それらはすべて 12 V の電圧で動作します。ランプのセットに含まれるランプは、原則として同じ 12 W の電力で設計されているため、消費電力は各1A。 まず、システム内で必要なフィクスチャの数を決定する必要があります。 この数はそれぞれの具体的なケースによって異なります。 5 つを選択したのは、この量で前庭の芝生と歩道を照らすのに十分だからです。 したがって、私の電源は 6 A を消費するシステムに電力を供給する必要があります。XNUMX つのランプを選択した場合は、XNUMX A が必要になります。 5 アンペアの電流は過剰ではなく、いくつかの市販の鉛蓄電池から簡単に得られます。 唯一の問題は、必要なバッテリーのサイズです。 開発のこの部分は多少複雑です。 提示された質問に正しく答えるには、いくつかの計算を実行し、いくつかの仮定を立てる必要があります。 まず、バッテリーがどのようなパラメータによって特徴付けられるかを検討します。 すべてのバッテリー (鉛蓄電池など) はアンペア時 (Ah と呼ばれることが多い) で評価されます。 1Ah は、バッテリーが 1 A を 1 時間供給できることを意味し、同様に、バッテリーが 5 A を 1 時間供給できる場合、そのバッテリーの容量は 5Ah になります。 1Aの電流を5時間流しても同じ容量が得られますが、電池の容量は電圧に関係なく、電流の強さと流れの合計時間の積で数値的に決まります。 したがって、システムは 5 A の電流を消費することがわかりました。ただし、バッテリーを適切に選択するには、4 日あたりの外部照明システムの動作時間を知る必要があります。 毎晩のこの時間を XNUMX 時間とします。 ここで、ランプによって消費される電流の値に、ランプが 5 日に動作する時間を掛けると、必要なアンペア時数が得られます。 この例では、4 A x 20 h = XNUMX Ah です。 これが一日のエネルギー消費量です。 つまり、夜間の照明には容量 20 Ah のバッテリーで十分であるということになります。 ただし、朝になるとバッテリーは完全に放電しており、再度使用するには再度充電する必要があります。 次の日ずっと雨が降ったとします。 太陽光発電コンバータはどのようにしてバッテリーを充電するのでしょうか? 太陽光がなければ機能しません。 この事実を考慮すると、バッテリーの容量を増やす必要があることがすぐに明らかになります。 40 Ah バッテリーは照明システムに 2 日間、60 Ah バッテリーは 3 日間電力を供給します。 次に、もう 3 つの条件を定義する必要があります。充電サイクル間の平均時間を選択し、再充電せずにバッテリーがどのくらい持続するかを決定します。 このパラメータは、個人的なプロットを照明する場合にはそれほど重要ではありません。 バッテリーに 60 日分のエネルギーが十分に蓄えられていると仮定しましょう。 したがって、XNUMXAhのバッテリーが必要です。 上記を要約すると、太陽電池と蓄電池に必要なパラメータの簡単な計算手順を定式化できます。
今ではすべてが順調です。 ランプの数が選択され、日中のランプの動作時間が設定され、この動作を保証するために必要なバッテリ容量が計算されます。 あとは、バッテリーを充電する特定の方法にこだわるだけです。 太陽光発電コンバーターの要件 太陽電池の要件は、照明システムの動作条件によって決まります。 少し推測することもできます。 それほど時間はかかりません。 照明システムの動作には 20 日あたり XNUMX Ah が必要であると想定されました。 また、バッテリーがエネルギーを提供することも知られており、したがって、夕方に消費されたエネルギーは、比喩的に言えば、翌日に戻される必要があります。 残念ながら、完璧なバッテリーは存在しません。 一般に、鉛蓄電池を充電するには、放出されたエネルギーより 20% 多いエネルギーを供給する必要があります。 したがって、バッテリーから 20 Ah を受け取るごとに、24 Ah を返さなければなりません。 次のステップは、24 日あたり XNUMX Ah を生成する太陽電池アレイの開発です。 これを達成するには、利用可能な日射量を知る必要があります。 この値は、有効日照時間数、つまり、太陽が必要な働きをしていると想定できる XNUMX 日あたりの時間 (時間単位) によって決まります。 任意の場所の有効日照時間を決定するには 3 つの方法があります。 まず、第 XNUMX 章で説明した日射計を直接使用します。 XNUMX. または、同じ章に示されているマップに基づいて、より一般的な意味を使用することもできます。 この地図は、季節の変化と天候の一般的な性質を考慮して編集されています。 上記の照明システムの場合、計算には有効照明の持続時間が選択され、これは 4,5 日あたり平均 XNUMX 有効日照時間に相当します。 地図からわかるように、この数字は米国本土のほとんどの地域で同じです。 ここで、バッテリーの充電に必要なアンペアアワー数 (24 Ah) を平均有効日照時間 (4,5 時間) で割ると、太陽電池が生成する電流量が得られます: 5,3 A。 理論的には、この要件は、5,3 V の電圧で 12 A の電流を生成するバッテリーによって満たされます。ただし、まだ考慮されていない他の要因もあります。 これらには、接続導体での損失、レギュレータによるエネルギー消費などが含まれます。したがって、信頼性を確保するために、一定の電力マージンを確保することは悪い考えではありません。 たとえば、10% のマージンは問題ありません。 したがって、太陽電池が生成する最小電流は約 6 A になります。逆の計算を行うと、つまり 6 A に 4,5 時間を掛けると、太陽電池は 27 日あたり平均 XNUMX Ah を生成することがわかります。 リターンが少ない日もあれば、それが多い日もあります。 もちろん、バッテリーの毎日の充電に27 Ahは必要なく、日によって不足する太陽エネルギーはバッテリーによって補充されることを覚えておく必要があります。 ただし、照明システムが正常に機能するためには、平均値は 27 Ah である必要があります。 太陽電池 特定の太陽電池はさまざまな方法で作成できます。 小型モジュールを並列接続して必要な電力 87 W を達成することも可能ですが、これは非常に高価になります。 一般に、電池を組み立てるモジュールのサイズが大きくなるほど、太陽電池が発電する1Wの電気のコストは安くなります。 説明したシステムでは、それぞれ 2 A の電流を生成する 10 つのモジュールが使用されました。すべてのモジュールは、直径 XNUMX cm を超える円形の比較的安価な太陽電池でできていました。 要素から太陽電池を独立して組み立てる場合は、単結晶からの直径10 cmの丸い要素、または多結晶材料からの10x10 cm2の正方形の要素を使用することをお勧めします。 正方形のセルは円形の単結晶セルほど効率的ではなく、安価ですが、より多くのセルが必要になります。 照明システムの周期的な動作 (日中はオフ、夜間はオン) を保証するには、タイマーが必要です。 ほとんどの照明システムは、特定の時間に照明をオン/オフする機械式時計タイマーを使用しています。 しかし、これはエネルギーの無駄遣いのように思えます。 なぜ日が沈む前に電気をつけるのでしょうか？ 従来のタイマーの場合、唯一の解決策は、太陽周期に合わせて手動でタイマーを設定することであり、これは非常に頻繁に行われます。 ただし、夕日を「強制」してタイマーを開始するのが最善です。 これは図に示す電子回路を使用して行われます。 1. 彼女の仕事について考えてみましょう。 感光性フォトレジスタ素子として、直射日光で照らされる PC1 フォトセルが使用されます。 フォトセルに当たる光の強度が変化すると、フォトセルの抵抗も比例して変化します。 日中は抵抗値が非常に小さくなります（約100オーム）。 しかし、暗闇が始まると、この値は 100 倍以上に増加し、500 kΩ 以上の値に達します。
抵抗器 VR1 はフォトレジスタと直列に接続されて分圧器を形成し、その出力電圧はフォトレジスタ PC1 の抵抗値に依存します。 光が多ければ多いほど出力電圧は低くなり、その逆も同様です。 電圧値は XNUMX つのコンパレータによって制御されます。 下部のものは非反転バージョンのインクルージョンで使用され、上部のものは反転バージョンで使用されることに注意してください。 これは、入力電圧がゼロの場合、下位のコンパレータはローレベルの電圧を出力し、上位のコンパレータはハイレベルの電圧を出力することを意味します。 コンパレータは、下側のコンパレータが上側のコンパレータよりも低い入力電圧で切り替わるように接続されています。 PC 1 の電圧が上昇すると (日が沈むと)、最初のコンパレータが切り替わり、その出力が高電圧レベルに設定されます。 これで、両方のコンパレータの出力が高レベル電圧に設定されます。 この場合、7 つの論理要素 AND-NOT (2C11) のチェーンは、/C3 チップのピン XNUMX にハイレベルの電圧を出力します。 /C3 チップはプログラム可能なタイマーです。 最大 2 日までの時間間隔を測定できます。 このチップの内部にはキャリースルーバイナリカウンタがあり、その出力を時間を設定するために使用できます。 切り替えることで応答時間を4倍やXNUMX倍にすることも簡単です。 タイマーの公称応答時間は、抵抗 R8 と静電容量 C1 によって決まります。 図に示されている値では R8 と C1、ピン 8 の電圧は 4 時間後に増加します カウンタの下位桁に接続されているピン 7 には 2 時間後に電圧が現れ、ピン 6 には 1 時間後に電圧が現れます。電位はピン 11 に印加されます。 タイマー動作時間はスイッチ 51「Time」によって選択され、作業サイクルの開始時にはすべての出力が低電位になります。 リレー接点 RL1 は、トランジスタ Q1 と /C2 チップにより、これらの条件下では閉じられます。 外部照明に電気が供給され、照明が点灯します。 夜がふけるにつれて、PC 1 の電圧は上昇し続けます。 すぐに上部コンパレータがトリガーされ、その出力に低電圧が設定されます。 これにより、IC2 の入力の状態が変化し、IC3 の入力に低レベルの電圧が印加されます。 ただし、この変更はタイマーの動作には影響しません。 指定された間隔が終了すると、IC3 は自動的にリセットされます。 リセットは、マイクロ回路の出力から来るフィードバックパルスによって実行されます。 ピン 11 の電位が低いため、チップは再起動しません。 また、これによりリレーがオフし、照明が消灯します。 翌朝、太陽が昇るとPC1の抵抗が徐々に減少し、その結果コンパレータの入力電圧が減少します。 これにより、上部のコンパレータが下部のコンパレータよりも先に起動し、タイマーの入力に高電位が印加され、タイマーが再起動される可能性があります。 タイマーが日の出時に作動するのを防ぐために、小さな正のフィードバックが抵抗器 R5 を介して上部コンパレータに導入されます。 これにより、下側のコンパレータが切り替わるまで応答が遅れるヒステリシスが生じます。 両方の出力に同時に高電位を印加することはできず、タイマーは起動しません。 それにもかかわらず、夕方までにサイクルが繰り返され始め、コンパレータは「夜間」状態に戻ります。 コンパレータの動作レベルは、可変抵抗器 VR1 の「感度」によって正確に設定されます。 屋外照明が夕暮れ直後に点灯するように、その抵抗値を調整する必要があります。 デザイン タイマーの設計はプリント配線を使用しています。 PCB 構成を図に示します。 リレーは基板に直接はんだ付けすることも、照明を接続するためにソケットに配置することもできます。
組み立てたタイマーは不透明な箱に入れ、フォトレジスタ PC1 は日光が当たるように蓋の上に置く必要があります。 タイマーには 12 つの出力しかありません。共通アース、バッテリーからの +XNUMX V 電力を接続するための配線、および照明システムに接続された相線です。 湿気の侵入を防ぐために、ハウジングに開けられたすべての穴が適切に密閉され、防水されていることを確認してください。
構造ユニットの最終接続 これで、照明システムを作成するために必要な要素が XNUMX つを除いてすべて判明しました。 システムには充電レギュレーターも装備する必要があります。 充電レギュレーターがないと、バッテリーが過充電になり、その結果寿命が短くなる可能性を排除できません。 日が長く夜が短い夏には、この確率が特に高くなります。 このような条件下では、バッテリーセルに電荷が徐々に蓄積され、過充電が容易に発生する可能性があります。
現場にライトを設置することでシステムの組み立てを開始できます。 ここには制限はなく、より便利な場所にライトを設置できます。 ランプは太い配線で並列に接続されています。 適切なワイヤキットが使用される場合、必要なワイヤは必ずその構成に含まれます。 そうでない場合は、No.18 フラット ライトニング ケーブルを推奨します。 ライトにつながる電線はタイマー回路に接続されています。 タイマーは、通過する車のヘッドライトやその他の外部光源ではなく、太陽光線にさらされるように設置する必要があります。 タイマーは 12 V バッテリーに接続されていますが、バッテリーの寿命は使用するバッテリーの種類によって異なります。 必要に応じて車のバッテリーを使用することもできますが、定期的な作業の過酷な条件では長くは持ちません。 ボートバッテリーを使用した方が良いです。 このようなバッテリーは、深放電サイクルが繰り返される条件下で動作するように設計されています。 価格は少し高くなりますが、通常の車のバッテリーよりもはるかに長持ちします。 充電調整器は太陽電池と蓄電池の間に接続されています。 充電レギュレータに最適です。 このレギュレーター。 レギュレータの出力をバッテリーに接続し、入力を極性を確認しながら太陽電池に接続するだけです。 太陽電池アレイの前面パネルは南方向に位置します。 日没後の照明が必要な時間にタイマーを設定します。 季節の変わり目は天候に合わせてタイマーを調整する必要があるかもしれませんが、今では日没後も家の近くの小道がライトアップされます。 著者：バイヤーズT。
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