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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Iluminação de um terreno pessoal. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Independentemente do nome (iluminação de jardim, poste), a iluminação externa fica muito atraente em todas as casas. Além da função estética, a iluminação pública também serve para garantir a segurança. Todo mundo sabe o quão perigoso pode se tornar um caminho escuro. Que tal uma piscina sem cerca? Pequenas luzes colocadas ao longo do caminho ou ao redor da piscina podem evitar acidentes durante a caminhada. Este capítulo fornece diretrizes para a instalação de iluminação externa movida a energia solar.
Recursos do sistema De acordo com o princípio de funcionamento, a iluminação externa é basicamente semelhante à iluminação de emergência discutida no capítulo anterior. A energia fotovoltaica também é usada para carregar a bateria de chumbo-ácido, que por sua vez alimenta as lâmpadas. No entanto, também há uma diferença significativa. O sistema de iluminação de emergência só é ligado ocasionalmente. Na verdade, só é necessário durante interrupções no fornecimento de energia à rede; no resto do tempo, o sistema fica ocioso. A iluminação exterior, por outro lado, deve ser utilizada todas as noites durante todo o ano. Neste caso, é necessário desenvolver um sistema que possua bateria com capacidade de bateria e potência de conversor fotovoltaico suficientemente grandes para que o sistema como um todo funcione em qualquer época do ano e em todas as condições climáticas. Estes requisitos não foram levados em consideração no desenvolvimento da iluminação de emergência. Projeto de sistema O design começa com as próprias lâmpadas. Eles são projetados para baixa tensão e, portanto, são muito adequados para sistemas de alimentação que utilizam conversores de energia solar. Apesar da disponibilidade de diversos modelos dessas lâmpadas, todas elas operam com tensão de 12 V. As lâmpadas incluídas no conjunto de lâmpadas são projetadas, via de regra, para a mesma potência de 12 W e, portanto, consomem uma corrente de 1 A cada. Primeiro você precisa determinar o número necessário de lâmpadas no sistema. Este número depende de cada caso específico. Escolhi cinco porque eram suficientes para iluminar o gramado da frente e a passarela. Portanto, minha fonte de energia deve alimentar um sistema que consome 5 A de corrente. Se eu tivesse escolhido seis lâmpadas, seriam necessários 6 A. 5A de corrente não é excessiva e é facilmente obtida a partir de várias baterias de chumbo-ácido disponíveis no mercado. A única questão é o tamanho necessário da bateria. Esta parte do desenvolvimento é um pouco mais complicada. Para responder a esta pergunta corretamente, você precisa realizar alguns cálculos e fazer algumas suposições. Primeiro, vamos considerar quais parâmetros a bateria é caracterizada. Todas as baterias (de chumbo-ácido e outras) são caracterizadas pela sua capacidade em amperes-hora (frequentemente referidas como Ah). 1 Ah significa que uma bateria pode fornecer uma carga de 1 A durante 1 hora. Da mesma forma, se uma bateria pode fornecer 5 A durante 1 hora, sua capacidade é de 5 Ah. A mesma capacidade é alcançada com uma corrente de 1 A durante 5 horas.Independentemente do valor da tensão, a capacidade da bateria é determinada numericamente pelo produto da intensidade da corrente e do tempo total de seu fluxo. Assim, constatou-se que o sistema consumirá uma corrente de 5 A. Porém, para selecionar corretamente uma bateria, é necessário saber o tempo de funcionamento do sistema de iluminação externa por dia. Deixe que esta duração para cada noite seja de 4 horas. Agora, multiplicando o valor da corrente consumida pelas lâmpadas pelo tempo de funcionamento por dia, obteremos o número necessário de amperes-hora. No nosso caso, 5 A x 4 h = 20 Ah. Este é o consumo diário de energia. Conclui-se que uma bateria de 20 Ah é suficiente para iluminação noturna. No entanto, pela manhã a bateria estará completamente descarregada e precisará ser recarregada antes de poder ser usada novamente. Vamos supor que chova durante todo o dia seguinte. Como os conversores fotovoltaicos carregam uma bateria? Eles não funcionam sem luz solar. Diante deste fato, ficará imediatamente claro que é necessário aumentar a capacidade da bateria. Uma bateria de 40Ah alimentará o sistema de iluminação durante 2 dias e uma bateria de 60Ah alimentará o sistema de iluminação durante 3 dias. Agora você precisa determinar mais uma condição: escolher o tempo médio entre os ciclos de carga e decidir quanto tempo a bateria deve durar sem recarregar. Este parâmetro não é muito crítico no caso de iluminação de um terreno pessoal. Suponhamos que a reserva de energia da bateria para 3 dias seja suficiente. Portanto, é necessária uma bateria com capacidade de 60 Ah. Resumindo o acima exposto, podemos formular uma sequência para cálculo simples dos parâmetros necessários de baterias solares e baterias:
Agora está tudo bem. Foi selecionado o número de lâmpadas, determinada a duração do seu funcionamento durante o dia e calculada a capacidade da bateria necessária para garantir este funcionamento. Tudo o que resta agora é definir um método específico de carregamento da bateria. Requisitos para conversores fotovoltaicos Os requisitos para uma bateria solar são determinados pelas condições operacionais do sistema de iluminação. Você pode especular um pouco; não leva muito tempo. Foi assumido que o sistema de iluminação necessitava de 20 Ah por dia para funcionar. Sabe-se também que a energia é fornecida pela bateria, portanto, a energia gasta à noite deverá ser, figurativamente falando, devolvida no dia seguinte. Infelizmente, nenhuma bateria é perfeita. Normalmente, para carregar uma bateria de chumbo-ácido, é necessário fornecer 20% mais energia do que foi fornecido. Portanto, para cada 20 Ah recebidos da bateria, 24 Ah deverão ser devolvidos. O próximo passo é desenvolver uma bateria fotovoltaica que gere 24 Ah por dia. Para isso é necessário conhecer a insolação disponível. Este valor é determinado pelo número de horas úteis de sol, ou seja, o período de tempo (em horas) por dia durante o qual podemos assumir que o sol está fazendo o trabalho que necessitamos. Existem duas maneiras de determinar o número de horas úteis de sol para qualquer área. Primeiro, utilizando diretamente o medidor de insolação descrito no Cap. 3. Ou você pode usar um significado mais geral baseado no mapa fornecido no mesmo capítulo. O mapa é compilado levando em consideração as mudanças sazonais e o padrão climático geral. No caso do sistema de iluminação descrito, foi escolhida para os cálculos a duração da iluminação útil, correspondente a uma média de 4,5 horas solares úteis por dia. Como você pode ver no mapa, esse número é o mesmo para a maioria das áreas do território continental dos Estados Unidos. Agora, se você dividir o número de amperes-hora (24 Ah) necessários para recarregar a bateria pela média de horas úteis de sol (4,5 horas), você pode obter a quantidade de corrente que a bateria solar deve gerar: 5,3 A. Teoricamente, este requisito é atendido por uma bateria que gera uma corrente de 5,3 A a uma tensão de 12 V. No entanto, existem outros fatores que ainda não consideramos. Estes incluem perdas na conexão dos condutores, consumo de energia do regulador, etc. Portanto, para garantir a confiabilidade, é uma boa ideia criar uma certa reserva de energia; Por exemplo, uma margem de 10% é bastante adequada. Assim, a corrente mínima gerada pela bateria solar deve ser em torno de 6 A. Fazendo o cálculo inverso, ou seja, multiplicando 6 A por 4,5 horas, descobrimos que a bateria solar produzirá em média 27 Ah por dia. Em alguns dias o retorno pode ser menor, em outros pode ser maior. Deve-se lembrar, é claro, que não são necessários 27 Ah para carregar a bateria todos os dias; a quantidade de energia solar que falta será fornecida pela bateria em alguns dias. Porém, para que o sistema de iluminação funcione corretamente, o valor médio deve ser de 27 Ah. Bateria solar Uma determinada célula solar pode ser fabricada de diversas maneiras. É possível conectar pequenos módulos em paralelo e atingir a potência necessária de 87 W, mas isso será muito caro. Via de regra, quanto maior o tamanho dos módulos a partir dos quais a bateria é montada, mais barato será o custo de 1 W de eletricidade gerada pela bateria solar. Para o sistema descrito, foram utilizados três módulos, cada um dos quais gerava uma corrente de 2 A. Todos os módulos eram feitos de células solares redondas e relativamente baratas, com diâmetro superior a 10 cm. Se você montar independentemente uma bateria solar a partir de elementos, pode aconselhar o uso de elementos redondos com diâmetro de 10 cm de um único cristal ou elementos quadrados de 10x10 cm2 de material policristalino. Embora as células quadradas não sejam tão eficientes quanto as células monocristalinas redondas, elas são mais baratas, mas serão necessárias mais delas. Para garantir o funcionamento cíclico do sistema de iluminação (desligando durante o dia e ligando à noite), é necessário um temporizador. A maioria dos sistemas de iluminação usa temporizadores mecânicos que acendem e apagam as luzes em horários específicos; no entanto, isso parece ser um desperdício de energia. Por que acender a luz antes do sol se pôr? A única saída com os temporizadores convencionais é acertar o temporizador manualmente, ajustando-o ao ciclo solar, o que é feito com bastante frequência. Porém, o melhor a fazer é “forçar” o sol poente a iniciar o cronômetro. Isto é feito usando o circuito eletrônico mostrado na Fig. 1. Considere o trabalho dela. A fotocélula PC1 é usada como elemento fotorresistor fotossensível, iluminado pela luz solar direta. À medida que a intensidade da luz incidente em uma fotocélula muda, sua resistência muda proporcionalmente. Durante o dia, sua resistência é muito baixa (cerca de 100 Ohms). No entanto, ao anoitecer aumenta 100 vezes ou mais e atinge um valor superior a 500 kOhm.
O resistor VR1 é conectado em série com o fotorresistor, formando um divisor, cuja tensão de saída depende do valor da resistência do fotorresistor PC1. Quanto mais luz, menor será a tensão de saída e vice-versa. O valor da tensão é controlado por dois comparadores. Ressalta-se que o inferior é utilizado na versão não inversora da conexão, e o superior na versão inversora. Isso significa que na tensão de entrada zero, o comparador inferior produz uma tensão baixa e o comparador superior produz uma tensão alta. Os comparadores são conectados de forma que o comparador inferior comute com uma tensão de entrada mais baixa que o superior. Assim que a tensão no PC 1 aumenta (ao pôr do sol), o primeiro comparador comuta, sua saída é ajustada para um nível de tensão alto. Agora as saídas de ambos os comparadores estão configuradas para um nível de alta tensão. Neste caso, uma cadeia de dois elementos lógicos AND-NOT (7C2) emite uma tensão de alto nível para o pino 11 do microcircuito /C3. O chip /C3 é um temporizador programável. Ele pode medir intervalos de tempo de até um dia. Este IC contém um contador binário carry-through cujas saídas podem ser usadas para definir a hora. Ao trocá-los, é fácil aumentar o tempo de resposta em 2 ou 4 vezes. O tempo de resposta nominal do temporizador é determinado pela resistência R8 e pela capacitância C1. Com os valores indicados no diagrama R8 e C1, a tensão no pino 8 aumenta após 4 horas. No pino 7 conectado ao dígito de ordem inferior do contador, a tensão aparecerá após 2 horas, no pino 6 - após 1 hora. O temporizador iniciará quando um alto potencial é aplicado ao pino 11. O tempo de resposta do temporizador é selecionado pela chave “Tempo” 51. No início do ciclo de operação, todas as saídas têm potencial baixo. Os contatos do relé RL 1 são fechados nestas condições graças ao transistor Q1 e ao microcircuito /C2. A eletricidade é fornecida para a iluminação externa - e as luzes são acesas. À medida que a noite cai, a voltagem no PC 1 continua a aumentar. Logo o comparador superior é acionado e um nível de baixa tensão é estabelecido em sua saída. Neste caso, o estado das entradas do IC2 muda e uma tensão de baixo nível é aplicada à entrada do IC3. No entanto, esta alteração não tem qualquer efeito no funcionamento do temporizador. Ao final do intervalo especificado, o IC3 retorna automaticamente ao seu estado original. O reset é realizado por um pulso de feedback vindo da saída do microcircuito. Como o pino 11 agora tem potencial baixo, o chip não reinicia. Além disso, como resultado, o relé desliga e a iluminação se apaga. Na manhã seguinte, à medida que o sol nasce, a resistência do PC 1 diminui gradativamente e, como resultado, a tensão de entrada dos comparadores diminui. Isto pode fazer com que o comparador superior dispare antes do inferior, fazendo com que o temporizador seja elevado e reiniciando o temporizador. Para evitar que o temporizador seja acionado quando o sol nasce, um pequeno feedback positivo é introduzido no comparador superior através do resistor R5. Isto resulta em histerese, que atrasa a operação até que o comparador inferior seja comutado. O potencial alto não pode ser aplicado a ambas as saídas ao mesmo tempo e o temporizador não será iniciado. No entanto, à noite o ciclo começará a se repetir e os comparadores retornarão ao seu estado “noturno”. O nível de resposta dos comparadores é definido precisamente pelo resistor variável VR1 “Sensibilidade”. É necessário ajustar o valor da sua resistência para que a iluminação exterior acenda imediatamente após o anoitecer. projeto O design do temporizador usa fiação impressa. A configuração da placa de circuito impresso é mostrada na Fig. 2, e a colocação dos elementos do circuito nele é mostrada na Fig. 3. O relé pode ser soldado diretamente na placa ou colocado em um soquete para conexão de iluminação.
O temporizador montado deve ser colocado em uma caixa opaca, e o fotorresistor PC1 deve ser colocado na tampa para que fique exposto à luz solar. O temporizador possui apenas três terminais: um terra comum, um fio para conectar a alimentação de +12 V da bateria e um fio de fase conectado ao sistema de iluminação. Você deve garantir que todos os furos feitos na caixa estejam bem vedados e impermeáveis para evitar a penetração de umidade.
Conexão final de unidades estruturais Agora são conhecidos todos os elementos necessários para criar um sistema de iluminação, exceto um. O sistema também deve estar equipado com um regulador de carga. Sem um regulador de carga, não se pode excluir a possibilidade de sobrecarga da bateria e a consequente redução da sua vida útil. Esta probabilidade é especialmente elevada no verão, quando os dias são longos e as noites curtas. Nessas condições, ocorre um acúmulo gradual de carga nas células da bateria, o que pode facilmente levar à sobrecarga.
Você pode começar a montar o sistema colocando as luzes no local. Não há restrições aqui; você pode instalar luzes onde elas serão mais úteis. As lâmpadas são conectadas em paralelo por meio de fios grossos. Se o kit de fios apropriado for usado, o fio necessário estará necessariamente incluído nele. Caso contrário, recomenda-se um cabo de iluminação plano nº 18. Os fios elétricos que conduzem às luzes estão conectados ao circuito do temporizador. O cronômetro deve ser posicionado de forma que os raios solares possam incidir sobre ele, e não a luz dos faróis dos carros que passam ou outras fontes externas. O temporizador está conectado a uma bateria de 12 V. Sua vida útil depende do tipo de bateria utilizada. Se desejar, você pode usar uma bateria de carro, mas ela não durará muito em condições adversas de operação periódica. É melhor usar uma bateria de barco. Essas baterias são projetadas para operar sob condições de ciclos repetidos de descarga profunda. Embora custem um pouco mais, duram muito mais do que uma bateria de carro normal. O regulador de carga é alternado entre as baterias solares e de bateria. Perfeito como regulador de carga este regulador. Basta conectar a saída do regulador à bateria e a entrada à bateria solar, observando a polaridade. O painel frontal da bateria solar está localizado na direção sul. O temporizador está definido para o tempo durante o qual a iluminação é necessária após o pôr do sol. Talvez, para melhor se adequar às condições climáticas, o cronômetro precise ser ajustado quando as estações mudarem, agora os caminhos próximos à casa ficarão iluminados mesmo após o pôr do sol. Autor: Byers T.
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