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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Hofbeleuchtung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Unabhängig vom Namen (Bauernhofbeleuchtung, Straßenlaterne) sieht die Außenbeleuchtung in jedem Zuhause sehr attraktiv aus. Neben ihrer ästhetischen Funktion dient Straßenbeleuchtung auch der Gewährleistung der Sicherheit. Jeder weiß, wie gefährlich ein unbeleuchteter Weg werden kann. Was ist mit dem nicht eingezäunten Schwimmbad? Kleine Lichter entlang des Weges oder rund um das Becken können Unfälle beim Gehen verhindern. Dieses Kapitel enthält Empfehlungen für die Installation von Außenbeleuchtung, die Solarenergie nutzt.
Systemintegration Vom Funktionsprinzip her ähnelt die Außenbeleuchtung grundsätzlich der im vorherigen Kapitel besprochenen Notbeleuchtung. Mithilfe von Photovoltaik wird außerdem eine Blei-Säure-Batterie geladen, die wiederum die Lampen mit Strom versorgt. Allerdings gibt es auch einen wesentlichen Unterschied. Die Notbeleuchtungsanlage wird nur gelegentlich eingeschaltet. Tatsächlich ist es nur bei Unterbrechungen der Stromversorgung des Netzes erforderlich; die restliche Zeit ist das System im Leerlauf. Im Gegensatz dazu sollte die Außenbeleuchtung das ganze Jahr über jede Nacht genutzt werden. In diesem Fall ist es notwendig, ein System zu entwickeln, das über eine ausreichend große Batteriekapazität und Photovoltaik-Wandlerleistung verfügt, damit das Gesamtsystem zu jeder Jahreszeit und bei allen Wetterbedingungen funktioniert. Diese Anforderungen wurden bei der Entwicklung der Notbeleuchtung nicht berücksichtigt. System-Design Design beginnt bei den Armaturen selbst. Sie sind für Niederspannung ausgelegt und eignen sich daher sehr gut für ein Stromversorgungssystem, das Solarenergiewandler verwendet. Obwohl es viele verschiedene Modelle solcher Lampen gibt, arbeiten sie alle mit einer Spannung von 12 V. Die im Lampenset enthaltenen Lampen sind in der Regel für die gleiche Leistung von 12 W ausgelegt und verbrauchen daher Jeweils 1 A. Zunächst müssen Sie die erforderliche Anzahl an Vorrichtungen im System ermitteln. Diese Zahl hängt vom jeweiligen Einzelfall ab. Ich habe mich für fünf entschieden, weil diese Menge ausreichte, um den Vorgarten und den Gehweg zu beleuchten. Daher muss meine Stromquelle ein System speisen, das 5 A verbraucht. Wenn ich sechs Lampen wählen würde, wären 6 A erforderlich. Eine Stromstärke von 5 Ampere ist nicht zu hoch und kann problemlos mit mehreren handelsüblichen Blei-Säure-Batterien erreicht werden. Die einzige Frage ist die benötigte Größe der Batterie. Dieser Teil der Entwicklung ist etwas komplizierter. Um die gestellte Frage richtig zu beantworten, müssen einige Berechnungen durchgeführt und mehrere Annahmen getroffen werden. Überlegen Sie zunächst, durch welche Parameter sich die Batterie auszeichnet. Alle Batterien (Blei-Säure-Batterien und andere) werden in Amperestunden (oft als Ah bezeichnet) angegeben. 1 Ah bedeutet, dass die Batterie 1 Stunde lang 1 A liefern kann. Wenn eine Batterie 5 Stunde lang 1 A liefern kann, hat sie eine Kapazität von 5 Ah. Die gleiche Kapazität wird bei einem Strom von 1 A für 5 Stunden erreicht. Unabhängig von der Spannung wird die Batteriekapazität numerisch durch das Produkt aus der Stromstärke und der Gesamtzeit ihres Stromflusses bestimmt. Es wurde also festgestellt, dass das System einen Strom von 5 A verbraucht. Für eine kompetente Batterieauswahl ist es jedoch notwendig, die Betriebsdauer des externen Beleuchtungssystems pro Tag zu kennen. Diese Dauer soll für jeden Abend 4 Stunden betragen. Wenn wir nun den Wert des von den Lampen verbrauchten Stroms mit ihrer täglichen Betriebszeit multiplizieren, erhalten wir die erforderliche Anzahl an Amperestunden. In unserem Fall sind 5 A x 4 h = 20 Ah. Dies ist der tägliche Energieverbrauch. Daraus folgt, dass für die Abendbeleuchtung ein Akku mit einer Kapazität von 20 Ah ausreicht. Allerdings ist der Akku morgens vollständig entladen und muss für eine erneute Nutzung wieder aufgeladen werden. Angenommen, es regnet den ganzen nächsten Tag. Wie laden Photovoltaik-Wandler eine Batterie? Ohne Sonnenlicht funktionieren sie nicht. Angesichts dieser Tatsache wird sofort klar, dass die Kapazität der Batterie erhöht werden muss. Eine 40-Ah-Batterie versorgt das Beleuchtungssystem zwei Tage lang mit Strom, eine 2-Ah-Batterie drei Tage lang. Jetzt müssen Sie noch eine weitere Bedingung definieren: Wählen Sie die durchschnittliche Zeit zwischen den Ladezyklen und entscheiden Sie, wie lange der Akku ohne Aufladen halten soll. Dieser Parameter ist bei der Beleuchtung eines Privatgrundstücks nicht allzu kritisch. Gehen wir davon aus, dass die Energiereserve im Akku für 3 Tage völlig ausreicht. Daher ist eine 60-Ah-Batterie erforderlich. Zusammenfassend können wir den Ablauf einer einfachen Berechnung der erforderlichen Parameter von Solar- und Speicherbatterien formulieren:
Jetzt ist alles in Ordnung. Die Anzahl der Lampen wird ausgewählt, die Dauer ihres Betriebs während des Tages eingestellt und die für diesen Betrieb erforderliche Batteriekapazität berechnet. Jetzt muss nur noch auf eine bestimmte Methode zum Laden des Akkus eingegangen werden. Anforderungen an Photovoltaik-Konverter Die Anforderungen an eine Solarbatterie werden durch die Betriebsbedingungen der Beleuchtungsanlage bestimmt. Sie können ein wenig spekulieren; es braucht nicht viel Zeit. Es wurde davon ausgegangen, dass die Beleuchtungsanlage zum Betrieb 20 Ah pro Tag benötigt. Es ist auch bekannt, dass die Batterie Energie liefert, daher muss die am Abend verbrauchte Energie bildlich gesprochen am nächsten Tag zurückgegeben werden. Leider ist keine Batterie perfekt. In der Regel muss zum Laden einer Blei-Säure-Batterie 20 % mehr Energie zugeführt werden, als abgegeben wurde. Daher müssen für jeweils 20 Ah, die die Batterie erhält, 24 Ah zurückgegeben werden. Der nächste Schritt ist die Entwicklung einer Photovoltaikanlage mit einer Kapazität von 24 Ah pro Tag. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, die verfügbare Sonneneinstrahlung zu kennen. Dieser Wert wird durch die Anzahl der nützlichen Sonnenstunden bestimmt, also durch die Zeitspanne (in Stunden) pro Tag, in der wir davon ausgehen können, dass die Sonne die von uns benötigte Arbeit leistet. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Anzahl der nützlichen Sonnenstunden für einen beliebigen Standort zu ermitteln. Zunächst direkt mit dem in Kap. beschriebenen Einstrahlungsmessgerät. 3. Oder Sie können eine allgemeinere Bedeutung verwenden, die auf der Karte im selben Kapitel basiert. Die Karte wurde unter Berücksichtigung jahreszeitlicher Veränderungen und der allgemeinen Natur des Wetters zusammengestellt. Bei der beschriebenen Beleuchtungsanlage wurde für die Berechnungen die Nutzungsdauer der Beleuchtung gewählt, die durchschnittlich 4,5 nutzbaren Sonnenstunden pro Tag entspricht. Wie Sie auf der Karte sehen können, ist diese Zahl für die meisten Gebiete des amerikanischen Kontinents gleich. Wenn wir nun die Anzahl der zum Aufladen der Batterie erforderlichen Amperestunden (24 Ah) durch die durchschnittlich nutzbaren Sonnenstunden (4,5 Stunden) dividieren, erhalten wir die Strommenge, die die Solarbatterie erzeugen sollte: 5,3 A. Theoretisch wird diese Anforderung durch eine Batterie erfüllt, die bei einer Spannung von 5,3 V einen Strom von 12 A erzeugt. Allerdings gibt es noch weitere Faktoren, die wir noch nicht berücksichtigt haben. Dazu gehören Verluste bei den Anschlussleitern, der Energieverbrauch des Reglers usw. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, ist es daher keine schlechte Idee, einen gewissen Leistungsspielraum zu schaffen; Eine Marge von 10 % ist beispielsweise in Ordnung. Daher sollte der von der Solarbatterie erzeugte Mindeststrom etwa 6 A betragen. Wenn wir die umgekehrte Berechnung durchführen, d. h. indem wir 6 A mit 4,5 Stunden multiplizieren, erhalten wir, dass die Solarbatterie durchschnittlich 27 Ah pro Tag produziert. An manchen Tagen kann die Rendite geringer ausfallen, an anderen mehr. Dabei ist natürlich zu bedenken, dass für die tägliche Ladung der Batterie keine 27 Ah benötigt werden, die fehlende Menge an Sonnenenergie wird an manchen Tagen durch die Batterie wieder aufgefüllt. Für die normale Funktion der Beleuchtungsanlage sollte der Durchschnittswert jedoch 27 Ah betragen. Solarbatterie Eine bestimmte Solarzelle kann auf verschiedene Arten hergestellt werden. Es ist möglich, kleine Module parallel zu schalten und die erforderliche Leistung von 87 W zu erreichen, aber das ist sehr teuer. Generell gilt: Je größer die Module, aus denen die Batterie zusammengesetzt ist, desto günstiger sind die Kosten für 1 W Strom, der von der Solarbatterie erzeugt wird. Für das beschriebene System wurden drei Module verwendet, die jeweils einen Strom von 2 A erzeugten. Alle Module bestanden aus runden, relativ günstigen Solarzellen mit einem Durchmesser von mehr als 10 cm. Wenn Sie eine Solarbatterie selbstständig aus Elementen zusammenbauen, können Sie runde Elemente mit einem Durchmesser von 10 cm aus einem Einkristall oder quadratische Elemente von 10 x 10 cm2 aus einem polykristallinen Material verwenden. Obwohl quadratische Zellen nicht so effizient sind wie runde monokristalline Zellen, sind sie zwar billiger, aber es wird mehr benötigt. Um den zyklischen Betrieb der Beleuchtungsanlage (tagsüber aus und abends an) sicherzustellen, ist eine Zeitschaltuhr erforderlich. Die meisten Beleuchtungssysteme verwenden mechanische Zeitschaltuhren, die das Licht zu bestimmten Zeiten ein- und ausschalten. Dies scheint jedoch eine Energieverschwendung zu sein. Warum das Licht anmachen, bevor die Sonne untergeht? Der einzige Ausweg bei herkömmlichen Zeitschaltuhren besteht darin, die Zeitschaltuhr manuell einzustellen und sich dabei an den Sonnenzyklus anzupassen, was häufig geschieht. Es ist jedoch am besten, die untergehende Sonne zu „zwingen“, den Timer zu starten. Dies geschieht mit der in Abb. gezeigten elektronischen Schaltung. 1. Betrachten Sie ihre Arbeit. Als lichtempfindliches Fotowiderstandselement wird eine PC1-Fotozelle verwendet, die durch direktes Sonnenlicht beleuchtet wird. Wenn sich die Intensität des auf eine Fotozelle fallenden Lichts ändert, ändert sich ihr Widerstand proportional. Tagsüber ist sein Widerstand sehr gering (ca. 100 Ohm). Mit Einbruch der Dunkelheit steigt er jedoch um das Hundertfache oder mehr an und erreicht einen Wert von über 100 kOhm.
Ein Widerstand VR1 ist in Reihe mit dem Fotowiderstand geschaltet und bildet einen Teiler, dessen Ausgangsspannung vom Widerstandswert des Fotowiderstands PC1 abhängt. Je mehr Licht, desto geringer die Ausgangsspannung und umgekehrt. Der Spannungswert wird durch zwei Komparatoren gesteuert. Es ist zu beachten, dass der untere in der nicht invertierenden Version des Einschlusses und der obere in der invertierenden Version verwendet wird. Das bedeutet, dass bei einer Eingangsspannung von Null der untere Komparator eine niedrige Spannung und der obere Komparator eine hohe Spannung ausgibt. Die Komparatoren sind so angeschlossen, dass der untere Komparator bei einer niedrigeren Eingangsspannung schaltet als der obere. Sobald die Spannung an PC 1 ansteigt (bei Sonnenuntergang), schaltet der erste Komparator, sein Ausgang wird auf einen hohen Spannungspegel gesetzt. Jetzt werden die Ausgänge beider Komparatoren auf eine hohe Spannung gesetzt. In diesem Fall gibt eine Kette aus zwei Logikelementen AND-NOT (7C2) eine Spannung mit hohem Pegel an Pin 11 des /C3-Chips aus. Der /C3-Chip ist ein programmierbarer Timer. Es kann Zeitintervalle bis zu einem Tag messen. In diesem Chip befindet sich ein Durchlauf-Binärzähler, dessen Ausgänge zum Einstellen der Zeit verwendet werden können. Durch den Austausch kann die Reaktionszeit ganz einfach um das Zwei- oder Vierfache erhöht werden. Die nominelle Reaktionszeit des Timers wird durch den Widerstand R8 und die Kapazität C1 bestimmt. Mit den im Diagramm angegebenen Werten R8 und C1, die Spannung an Pin 8 steigt nach 4 Stunden. An Pin 7, der mit der niederwertigen Ziffer des Zählers verbunden ist, erscheint die Spannung nach 2 Stunden, an Pin 6 - nach 1 Stunde. Der Timer startet, wenn ein High Potenzial liegt an Pin 11 an. Die Timer-Betriebszeit wird über den Schalter 51 „Time“ ausgewählt. Zu Beginn des Arbeitszyklus liegen alle Ausgänge auf Low-Potential. Die Relaiskontakte RL 1 sind unter diesen Bedingungen aufgrund des Transistors Q1 und des /C2-Chips geschlossen. Die Außenbeleuchtung wird mit Strom versorgt – und das Licht brennt. Mit Einbruch der Nacht steigt die Spannung an PC 1 weiter an. Bald wird der obere Komparator ausgelöst und an seinem Ausgang eine niedrige Spannung eingestellt. Dadurch ändert sich der Zustand der Eingänge von IC2 und eine Spannung mit niedrigem Pegel wird an den Eingang von IC3 angelegt. Diese Änderung hat jedoch keinen Einfluss auf den Betrieb des Timers. Am Ende des angegebenen Intervalls wird IC3 automatisch zurückgesetzt. Das Zurücksetzen erfolgt durch einen Rückkopplungsimpuls, der vom Ausgang der Mikroschaltung kommt. Da Pin 11 nun Low-Potential ist, startet der Chip nicht neu. Außerdem schaltet das Relais ab und die Beleuchtung erlischt. Am nächsten Morgen, wenn die Sonne aufgeht, nimmt der Widerstand von PC 1 allmählich ab und infolgedessen sinkt die Eingangsspannung der Komparatoren. Dies könnte dazu führen, dass der obere Komparator vor dem unteren zündet, ein hohes Potenzial an den Eingang des Timers anlegt und den Timer neu startet. Um zu verhindern, dass der Timer bei Sonnenaufgang startet, wird über den Widerstand R5 eine kleine positive Rückkopplung in den oberen Komparator eingeführt. Dies führt zu einer Hysterese, die die Reaktion verzögert, bis der untere Komparator schaltet. Es kann nicht gleichzeitig an beide Ausgänge ein hohes Potenzial angelegt werden und der Timer startet nicht. Dennoch beginnt sich der Zyklus am Abend zu wiederholen und die Komparatoren kehren in ihren „Nacht“-Zustand zurück. Der Betriebspegel der Komparatoren wird durch den variablen Widerstand VR1 „Sensitivity“ genau eingestellt. Der Widerstandswert muss so angepasst werden, dass die Außenbeleuchtung sofort nach Einbruch der Dunkelheit eingeschaltet wird. Design Das Design des Timers verwendet gedruckte Verkabelung. Die Platinenkonfiguration ist in Abb. dargestellt. 2 und die Platzierung der Schaltungselemente darauf ist in Abb. 3 dargestellt. Das Relais kann direkt auf die Platine gelötet oder in eine Fassung gesteckt werden, um die Beleuchtung anzuschließen.
Der zusammengebaute Timer muss in eine undurchsichtige Box gelegt werden und der Fotowiderstand PC1 muss so auf dem Deckel platziert werden, dass er dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Der Timer verfügt nur über drei Ausgänge: eine gemeinsame Masse, ein Kabel zum Anschluss der +12-V-Stromversorgung von der Batterie und ein Phasenkabel, das an das Beleuchtungssystem angeschlossen ist. Stellen Sie sicher, dass alle im Gehäuse angebrachten Löcher ordnungsgemäß abgedichtet und wasserdicht sind, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern.
Endgültige Verbindung von Baueinheiten Jetzt sind bis auf eines alle Elemente bekannt, die zum Erstellen eines Beleuchtungssystems erforderlich sind. Das System muss außerdem mit einem Laderegler ausgestattet sein. Ohne einen Laderegler ist eine Überladung des Akkus und eine daraus resultierende Verkürzung seiner Lebensdauer nicht auszuschließen. Besonders hoch ist diese Wahrscheinlichkeit im Sommer, wenn die Tage lang und die Nächte kurz sind. Unter diesen Bedingungen kommt es zu einem allmählichen Ladungsaufbau in den Batteriezellen, der leicht zu einer Überladung führen kann.
Sie können mit der Montage des Systems beginnen, indem Sie Lichter auf der Baustelle platzieren. Hier gibt es keine Einschränkungen, Sie können Lichter dort installieren, wo sie nützlicher sind. Lampen werden mit dicken Drähten parallel geschaltet. Wenn ein entsprechender Kabelsatz verwendet wird, ist der erforderliche Draht unbedingt in der Zusammensetzung enthalten. Wenn nicht, wird das flache Beleuchtungskabel Nr. 18 empfohlen. Die zu den Lichtern führenden elektrischen Leitungen sind an den Zeitschaltkreis angeschlossen. Der Timer muss so platziert werden, dass er der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist und nicht den Scheinwerfern vorbeifahrender Autos oder anderen externen Quellen. Der Timer wird an eine 12-V-Batterie angeschlossen. Die Batterielebensdauer hängt vom verwendeten Batterietyp ab. Wenn Sie möchten, können Sie eine Autobatterie verwenden, diese hält jedoch unter den rauen Bedingungen regelmäßiger Arbeiten nicht lange. Es ist besser, eine Bootsbatterie zu verwenden. Solche Batterien sind für den Betrieb unter Bedingungen wiederholter Tiefentladungszyklen ausgelegt. Obwohl sie etwas mehr kosten, halten sie viel länger als eine normale Autobatterie. Der Laderegler wird zwischen Solar- und Speicherbatterie geschaltet. Ideal für einen Laderegler. dieser Regler. Sie müssen lediglich den Ausgang des Reglers an die Batterie und den Eingang an die Solarbatterie anschließen und dabei die Polarität beachten. Die Frontplatte der Solaranlage ist in Richtung Süden ausgerichtet. Der Timer ist auf die Zeit eingestellt, in der die Beleuchtung nach Sonnenuntergang benötigt wird. Bei einem Wechsel der Jahreszeiten kann es notwendig sein, den Timer anzupassen, um ihn besser an das Wetter anzupassen. Jetzt werden die Wege in der Nähe des Hauses auch nach Sonnenuntergang beleuchtet. Autor: Byers T.
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