Источник питания для уличного освещения на солнечных батареях
Изобретение относится к области светотехники. Источник питания на солнечных элементах для уличного освещения, предусматривающий наличие защиты от отказа высокопроизводительных литиевых аккумуляторных батарей из-за спада рабочих характеристик в условиях критически низких температур, включает модуль из множества солнечных элементов для фотоэлектрического преобразования световой энергии в электрическую; главную аккумуляторную батарею литиевых вторичных источников тока, заряжаемую постоянным током, генерируемым модулем солнечных элементов, и питающую электроэнергией приборы уличного освещения; устройство обогрева и тепловой защиты главной аккумуляторной батареи; вспомогательный источник питания, питающий устройство обогрева, сохраняющий работоспособность при критически низких температурах; регулятор зарядки главной батареи электроэнергией постоянного тока, генерируемой модулем солнечных элементов; датчик температуры главной батареи; и системный контроллер, управляющий вспомогательным источником питания обогревателя при показании температуры ниже заданного минимального значения. Технический результат - повышение надежности работы источника питания при низких температурах. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.
Данное изобретение относится к источнику электропитания для уличного освещения с использованием батареи солнечных элементов, в частности к источнику электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, предусматривающему наличие защиты от отказа высокопроизводительных литиевых аккумуляторных батарей (батарей литиевых вторичных источников питания) из-за спада рабочих характеристик в условиях крайне низких температур.
Известный уровень техники
Несмотря на то, что производство электроэнергии с использованием солнечного света имеет такие недостатки, как зависимость от продолжительности светового дня, потребность в обширных площадях для выработки значительного количества электроэнергии, высокая стоимость производства по сравнению с другими видами электроэнергии для сетей общего пользования и первичная выработка постоянного тока, в настоящее время такое производство активно развивается в силу преимуществ, которыми оно также обладает, как то: экологическая чистота процесса получения солнечной энергии, отсутствие подвижных частей оборудования и элементов, находящихся под воздействием высоких температур и давлений, простота обслуживания и ремонта солнечных энергетических установок, возможность работы солнечных электростанций в полностью автоматическом режиме, наличие неограниченного источника производства энергии в промышленных объемах, и возможность масштабирования энергоустановок в зависимости от потребностей. Недаром солнечную энергию выделяют как будущее энергетики.
Солнечные элементы (или фото[чувствительные]элементы), преобразующие солнечную энергию в электрическую в гелиоэнергетических установках, не предусматривают возможность автономного хранения электроэнергии, генерируемой солнечным светом. Поэтому солнечная энергетическая установка или устройство, работающее на солнечной батарее, обычно оснащается батареей, аккумулирующей электричество. В течение светового дня аккумуляторная батарея заряжается электротоком, генерируемым элементами солнечной батареи и потребляемым в дальнейшем по мере надобности.
В последние годы для уличного и дорожного освещения используют солнечные батареи. Уличные светильники, работающие от солнечной энергии, в большинстве случаев оборудованы аккумуляторной батареей для накопления электрической энергии, полученной от солнечных элементов.
Другими словами, поскольку солнечные фотоэлементы сами по себе не могут сохранять электроэнергию, вырабатываемую под воздействием солнечных лучей, средства уличного освещения с солнечными элементами дополнительно оборудуются аккумуляторными батареями.
Таким образом, на известном уровне техники система наружного освещения, работающая от солнечной энергии, должна быть оснащена батареей вторичных (или перезаряжаемых) источников питания, заряжающихся электроэнергией днем и отдающих ее на нужды потребления в темное время суток.
Такая аккумуляторная батарея может состоять из свинцовых, никель-металлогидридных (Ni-MH) или никель-кадмиевых (Ni-Cd), литий-ионных (Li-ion) или литий-полимерных и т.п. вторичных источников тока. Исходя из зарядной емкости в зависимости от массы и объема батареи, а также учитывая частоту использования, данному назначению по своим эксплуатационным свойствам лучше всего соответствует литиевая аккумуляторная батарея.
Слабыми сторонами никель-металл-гидридной (Ni-MH) или никель-кадмиевой (Ni-Cd) батареи являются короткий срок службы из-за „эффекта памяти", низкое выходное напряжение 1,2 В и низкий КПД, однако их преимущество - дешевизна.
В противоположность этому батарея литиевых вторичных источников тока характеризуется длительным сроком службы в силу отсутствия эффекта памяти, высоким выходным напряжением 4,2 В и большой емкостью, высокой плотностью энергии каждого элемента, превосходными показателями цикла зарядки и разрядки и способностью долго сохранять номинальные выходные значения, тем не менее, эксплуатационные характеристики таких батарей значительно ухудшаются в условиях низких температур.
Так, литиевая аккумуляторная батарея обеспечивает 100%-ную производительность в диапазоне температур от 0 до 40°C и теряет свои разрядные характеристики при выходе за его пределы. Так, литиевые аккумуляторные батареи, используемые в системах уличного освещения на солнечных батареях в низкотемпературных условиях, скажем, в районах крайнего севера, теряют свои качества по продолжительности и эффективности службы.
Говоря иначе, зафиксированы следующие показатели резкого снижения разрядных характеристик батареи литиевых вторичных источников тока при понижении температуры ниже комнатной: до -10°C КПД снижается до 70-80%, до -20°C снижается до 50-60%, до -40°C снижается до 12%.
Более того, при резкой смене погодных условий возможен отказ системы уличного освещения на солнечных батареях, что может привести к опасной дорожной ситуации.
В патенте Республики Корея №10-0992397 предложено малобюджетное и эффективное устройство управления светодиодными СИД-светильниками на солнечных элементах, интегрированное с преобразователем постоянного тока (DC-DC конвертер), за счет чего упрощено задание параметров срабатывания и обеспечена индикация рабочего состояния на дисплее в реальном времени. Блок управления СИД-светильниками на солнечных элементах, интегрированный с преобразователем постоянного тока включает: модуль солнечных элементов, генерирующий под воздействием солнечного света постоянный ток определенных характеристик; аккумуляторную батарею; СИД-светильник и блок управления СИД-светильниками, управляющий зарядкой аккумуляторной батареи от модуля солнечных элементов, ШИМ (/PWM/ широтно-импульсный модулятор), который стабилизирует постоянный ток аккумуляторной батареи и подает его на СИД-светильники.
Блок управления СИД-светильниками включает: регулятор солнечных элементов, управляющий модулем солнечных элементов; регулятор зарядки батареи как источника питания в составе модуля солнечных элементов; схему защиты аккумуляторной батареи от перезаряда и глубокого разряда; жидкокристаллический дисплей (ЖКД) для индикации рабочих параметров; блок управления ЖКД по управляющему сигналу; датчик температуры; регулятор преобразования постоянного тока и стабилизации напряжения/тока, преобразующий напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи для включения СИД-светильников по управляющему сигналу широтно-импульсной модуляции (ШИМ); блок RS232C обмена данными с компьютером; и главный контроллер, который при подключении к компьютеру через блок обмена данными RS232C управляет зарядкой и разрядкой аккумуляторной батареи посредством регулятора зарядки, отображает на ЖКД состояние заряда аккумулятора, получая данные от блока управления ЖКД и от датчика температуры для термокомпенсации.
В дополнение к этому в состав главного контроллера входит устройство пуска обогревателя по управляющему сигналу термоконтроля для создания тепловой защиты аккумуляторной батареи, когда температура опускается ниже заданной величины.
Тем не менее, если система уличного освещения на солнечных элементах оснащена одиночной, в особенности литиевой, аккумуляторной батареей, служащей одновременно для запитки обогревателя, как предложено в патенте Республики Корея №10-0992397, при понижении окружающей температуры ниже нуля происходит резкое ухудшение разрядных характеристик литиевой аккумуляторной батареи даже при наличии остаточной емкости, в результате чего включение освещения на солнечных батареях не срабатывает.
Более того, если система уличного освещения на солнечных батареях, раскрытая в патенте Республики Корея №10-0992397, установлена в экстремально холодной климатической зоне, сокращается срок службы, происходят отказы, возрастают расходы на техническое обслуживание.
Вдобавок, данное схемотехническое решение блока управления СИД-светильниками предусматривает только включение нагревателя, когда температура среды опускается ниже заданного показателя, для тепловой защиты батареи, но не оповещает своевременно о необходимости включения теплозащиты. Также из-за запитки пусковой цепи обогревателя от общей литиевой аккумуляторной батареи, служащей одновременно сигнальным источником тока, нагреватель может быть не запущен.
Раскрытие изобретения
Техническая задача
Для решения названных выше задач или преодоления указанных недостатков в настоящем изобретении предложен источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, предусматривающий защиту от отказа высокопроизводительной главной аккумуляторной батареи литиевых вторичных источников тока из-за спада рабочих характеристик в условиях критически низких температур.
Другим объектом настоящего изобретения является источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, оснащенный вспомогательным источником питания в виде суперконденсатора (электрохимического конденсатора сверхбольшой емкости), на работу которого не влияют даже критически низкие температуры и за счет которого обеспечивается тепловая защита главной литиевой аккумуляторной батареи и предотвращается ее отказ в случае понижения температуры до или ниже заданного значения.
Еще одним объектом данного изобретения является источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, оснащенный поверхностным теплогенератором для эффективной тепловой защиты литиевой аккумуляторной батареи без ее перегрева.
Цели заявляемого изобретения не ограничены названными выше объектами, и неуказанные задачи и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания и представленных вариантов исполнения. Кроме того, очевидно, что цели и преимущества изобретения могут быть осуществлены с использованием элементов, представленных в пунктах формулы изобретения, и их сочетаний.
Техническое решение
Одним из аспектов решения сформулированных выше и сопутствующих задач изобретения является источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, в конструкцию которого включены: модуль из множества солнечных элементов для фотоэлектрического преобразования световой энергии в электрическую; главная аккумуляторная батарея литиевых вторичных источников тока, заряжаемая постоянным током, генерируемым модулем солнечных элементов, и питающая электроэнергией приборы уличного освещения; устройство обогрева и тепловой защиты главной аккумуляторной батареи; вспомогательный источник питания для пуска обогревателя, устойчивый к воздействию предельно низких атмосферных температур; регулятор зарядки главной батареи электроэнергией постоянного тока, генерируемой модулем солнечных элементов; датчик температуры главной батареи; и системный контроллер, управляющий вспомогательным источником питания обогревателя при показании температуры ниже заданного минимального значения.
Преимущества конструкции
Как описано выше, источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения согласно изобретению оснащен вспомогательным источником питания в виде суперконденсатора, не подверженного воздействию критически низких температур, служащего для создания тепловой защиты высокопроизводительной главной литиевой (например, литий-ионной) аккумуляторной батареи и для предотвращения ее отказа при понижении температуры до или ниже заданного значения до критически низких показателей.
Дополнительно, в источнике электропитания на солнечных элементах для уличного освещения согласно настоящему изобретению использован поверхностный теплогенератор для обеспечения эффективной теплоизоляции литиевой аккумуляторной батареи без ее перегрева, что упрощает управление системой.
Описание фигур
Фигура 1 (FIG.1) представляет собой предпочтительный вариант принципиальной блочной схемы источника электропитания на солнечных элементах для уличного освещения согласно изобретению; на фигуре 2 (FIG.2) представлен вид в перспективе обогревателя для тепловой защиты одноэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно изобретению; на фигуре 3 (FIG.3) представлен вид в перспективе обогревателя для теплозащиты одноэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; на фигуре 4 (FIG.4) представлен вид в перспективе обогревателя для теплозащиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; на фигуре 5 (FIG.5) представлен вид в перспективе модифицированного обогревателя для тепловой защиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; на фигурах 6, 7 (FIG.6, 7) представлены виды в разрезе конструкций, которые могут быть использованы в устройствах обогрева, показанных на фигугах 2-5; на фигуре 8 (FIG.8) представлен вид в плане конфигурации поверхностного теплогенератора, используемого в качестве устройства тепловой защиты на фигурах 6 и 7; фигуры 9А и 9B (FIG.9A, 9В) представляют блок-схему системы электропитания уличного освещения на солнечных элементах в соответствии с заявляемым изобретением.
Наилучший способ осуществления
Объекты, признаки и преимущества изобретения станут очевидными из приведенных примеров конструктивных решений, проиллюстрированных в сопроводительных фигурах и детализированных в приведенном ниже описании. Соответственно технологическая концепция изобретения доступна для понимания специалистами в данной области без отклонения от сущности и объема изобретения.
В дальнейшем при описании изобретения детализация связанных с ним общеприменимых технологических или конструктивных решений, способная излишне усложнить предмет рассмотрения, будет опускаться. Далее будут подробно рассмотрены предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие фигуры.
Фигура 1 представляет принципиальную блочную схему предпочтительной компоновки источника электропитания на солнечных элементах для уличного освещения в соответствии с настоящим изобретением.
Как видно на фигуре 1, в предпочтительный схемотехнический вариант источника электропитания на солнечных элементах для уличного освещения согласно изобретению включены: модуль солнечных элементов 11, регулятор зарядки 12, преобразователь постоянного тока 13, уличный осветительный прибор 14, главная аккумуляторная батарея 15, вспомогательный источник питания 16, первая схема коммутации 17, вторая схема коммутации 18, обогреватель 19, системный контроллер 20 (центральный процессор (ЦП)), датчик освещенности 21 и датчик температуры 22.
Прежде всего электроприборы уличного освещения 14, питаемые постоянным или переменным током от источника энергоснабжения для уличного освещения в соответствии с данным изобретением, устанавливают на обочине. В уличном осветительном приборе 14 в качестве источника света могут быть использованы любые типы ламп, например ртутные, металлогалоидные, натриевые, плазменные и светодиодные (СИД-светильники).
В описанном ранее конструктивном решении системы уличного освещения 14 преимущественно использованы СИД-светильники, характеризующиеся долговечностью и высоким КПД при низком энергопотреблении. Данная компоновка предполагает наличие преобразователя 13 выходного напряжения постоянного тока аккумуляторной батареи в питающее напряжение Vcc уличного освещения 14.
Однако если в качестве источников света для уличного освещения 14 применяют газоразрядные лампы, такие как ртутные и натриевые, источник электроснабжения в соответствии с настоящим изобретением должен быть снабжен стабилизатором, необходимым для пуска газоразрядных ламп вместо преобразователя постоянного тока 13.
Модуль солнечных элементов 11, включающий множество солнечных фотоэлементов, вырабатывает постоянный ток посредством фотоэлектрического преобразования световой энергии в электрическую. Модуль солнечных элементов 11 может быть оснащен блоком наведения на солнце солнечных элементов для повышения КПД фотоэлектрического преобразования.
Главная аккумуляторная батарея 15 выполнена с возможностью ее зарядки в дневное время постоянным электрическим током, генерируемым модулем солнечных элементов 11, и разрядки накопленной ею электроэнергии в темное время суток для питания уличного освещения 14. Литиевая аккумуляторная батарея (Li BAT) характеризуется продолжительным сроком службы без эффекта памяти, высоким выходным напряжением 4,2 В, высокой плотностью энергии и высоким КПД. Литиевая аккумуляторная батарея может состоять из литий-ионных или литий-полимерных вторичных источников тока.
Учитывая отрицательное воздействие низких температур на эксплуатационные характеристики литиевых аккумуляторных батарей, в настоящем изобретении предусмотрен обогреватель 19, создающий тепловую защиту главной батареи 15 при понижении температуры окружающего воздуха ниже заданной.
В дополнение к этому в настоящем изобретении предусмотрен вспомогательный источник питания 16, сохраняющий работоспособность даже в критически холодных условиях, обеспечивая уличное освещение 14 электропитанием постоянного тока (Vcc) от главной аккумуляторной батареи 15 на литиевых элементах при резком понижении температуры окружающей среды. Таким вспомогательным источником питания 16 может служить конденсатор большой емкости, такой как электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC).
Как показано на фигурах 2-5, в обогревателе 19 использован рамочный обогреватель 191, окружающий наружную поверхность главной аккумуляторной батареи 15, выполненной из прямоугольных элементов питания с определенной площадью, что более подробно будет описано позже.
Изобретение предусматривает включение в схему после модуля солнечных элементов 11 регулятора зарядки 12 и первой схемы коммутации 17, которые управляют чередованием зарядки главной аккумуляторной батареи 15 и вспомогательного источника питания 16 электроэнергией, генерируемой модулем солнечных элементов 11. Первая схема коммутации 17 может представлять собой тумблер.
Регулятор зарядки 12 одновременно соединен с преобразователем постоянного тока 13 и с первой схемой коммутации 17, которая, в свою очередь, поочередно подключает выходной терминал регулятора зарядки 12 к главной аккумуляторной батарее 15 или к вспомогательному источнику питания 16 в ответ на первый сигнал выбора контроллера системы 20.
Подвижный контакт первой схемы коммутации 17 соединяет выходной терминал регулятора зарядки 12 предпочтительно с главной аккумуляторной батареей 15, пока она заряжается. После полной зарядки главной аккумуляторной батареи 15 подвижный контакт первой схемы коммутации 17 переходит в соединение со вспомогательным источником питания 16 для его зарядки.
Регулятор зарядки 12 контролирует процесс зарядки, например, в режиме постоянного напряжения постоянного тока (CCCV), когда заряжаемая электроэнергией от модуля солнечных элементов 11 главная аккумуляторная батарея 15 является батареей литиевых вторичных источников тока.
При этом в схему регулятора зарядки 12 входят контур постоянного напряжения и контур постоянного тока, посредством которых он управляет зарядкой главной аккумуляторной батареи 15 постоянным током, сначала - до заданного предварительного верхнего предела напряжения, а затем - до верхнего предельного напряжения. Поскольку в режиме стабилизированного напряжения величина тока уменьшается, зарядка заканчивается в момент времени, когда величина тока главной аккумуляторной батареи 15 достигает заданного показателя.
Зарядка выполняется при зарядном токе 1 К (кулон) или меньше в режиме зарядки током постоянной величины до достижения вольтажа верхнего предельного напряжения 4,2 В в том случае, если главная аккумуляторная батарея 15 представляет собой, например, одноэлементный литий-ионный источник тока, и до достижения верхнего предела напряжения 8,4 В, если главная аккумуляторная батарея 15 представляет собой, например, двухэлементный литий-ионный источник тока, после чего режим зарядки током постоянной величины переходит в режим зарядки напряжением постоянной величины, если напряжение аккумуляторной батареи достигает верхнего предельного напряжения, при котором проходит зарядка.
Безусловно, зарядка батареи литий-ионных автономных источников питания постоянным током с постоянным напряжением (CCCV) может быть заменена любым другим известным способом зарядки.
В дополнение к этому, питание обогревателя 19 может выборочно осуществляться от главной аккумуляторной батареи 15 или от вспомогательного источника питания 16, чем управляет системный контроллер 20 через вторую схему коммутации 18. Вторая схема коммутации 18 может быть выполнена в виде контактного реле или бесконтактного твердотельного логического элемента или т.п.
В первую очередь вторая схема коммутации 18 остается в состоянии контакта со вспомогательным источником питания 16. Вторая схема коммутации 18 служит для переключения питания обогревателя 19 со вспомогательного источника 16 на главную аккумуляторную батарею 15, когда она работает в нормальном режиме при выработке электроэнергии модулем солнечных элементов 11.
Переключение подвижного контакта второй схемы коммутации 18 происходит по второму сигналу выбора системного контроллера 20.
Системный контроллер 20, выполненный как блок обработки сигналов, содержит, например, микропроцессор (ЦП), накопитель данных и программу управления системой, распознает дневное и ночное время, сопоставляя показания датчика освещенности 21 с опорным значением, введенным в память, и рассчитывает включение и выключение уличного освещения, управляя при этом его яркостью.
Кроме того, системный контроллер 20 с помощью термодатчика 22 определяет температуру главной, в частности литий-ионной, аккумуляторной батареи 15, и при необходимости включает обогреватель 19, исходя из введенного в память опорного значения температуры между нижним и верхним пределами.
Если, предположим, батарея литиевых вторичных источников тока обеспечивает 100%-ную производительность в диапазоне температур от 0 до 40°C, системный контроллер 20 управляет пуском обогревателя 19, создавая теплозащиту главной аккумуляторной батареи 15 и предупреждая ее охлаждение ниже предельно отрицательной температуры, например 0°C, в случае использования уличного освещения в зонах критически холодного климата. В случае если показания температуры превышают установленный верхний предел, например 10°C, обогреватель 19 отключается во избежание перерасхода электроэнергии.
Фигура 2 представляет вид в перспективе обогревателя для тепловой защиты одноэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно изобретению; фигура 3 представляет вид в перспективе обогревателя для теплозащиты одноэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; фигура 4 представляет вид в перспективе обогревателя для теплозащиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; фигура 5 представляет вид в перспективе модифицированного обогревателя для тепловой защиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением.
Далее рассмотрим детали устройства тепловой защиты в соответствии с данным изобретением и фигурами 2-5.
На фигуре 2 главная одноэлементная аккумуляторная батарея 15 скомпонована из одиночного литий-ионного источника тока 15а в виде пластины в форме прямоугольного параллелепипеда.
Устройство обогрева 19 может представлять собой рамочный обогреватель 191, опоясывающий по периметру элемент литиево-ионной аккумуляторной батареи 15а, выполненной в виде пластины в форме прямоугольного параллелепипеда.
Как показано на фигуре 3, термозащита главной батареи в соответствии с изобретением может быть усилена за счет применения поверхностного обогревателя 192, выполненного в форме прямоугольной панели, закрывающей фронтальную и/или тыльную стороны литий-ионной батареи.
На фигуре 4 дан вид в перспективе обогревателя для теплозащиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением. Трехсекционная аккумуляторная батарея составлена из трех литий-ионных элементов 15а-15с, каждый из которых выполнен в виде пластины в форме прямоугольного параллелепипеда. Устройство обогрева 19 может представлять собой рамочный обогреватель 191, опоясывающий по внешнему периметру все элементы литиево-ионной аккумуляторной батареи 15а-15с и снабженный промежуточными сегментами обогрева 193а и 193b, которые разбивают элементы литиево-ионной аккумуляторной батареи 15а-15с на соответствующие секции.
Как показано на фигуре 5, термозащита главной батареи в соответствии с изобретением может быть усилена за счет применения поверхностного обогревателя 192а в форме прямоугольной панели, закрывающей фронтальную и/или тыльную стороны литий-ионных элементов батареи.
В зависимости от конфигурации главной аккумуляторной батареи 15, формирующейся в зависимости от формы составляющих ее литий-ионных элементов питания 15а-15с, имеющих, например, в рассмотренном выше варианте вид пластин в форме прямоугольного параллелепипеда, конструкция обогревателя, который окружает эти элементы аккумуляторной батареи 15а-15с, может видоизменяться.
Рамочный обогреватель 191а, межсекционные сегменты обогревателя 193а и 193b и поверхностные обогреватели 192 и 192а, формирующие устройство обогрева 19, могут быть скомпонованы с обогревателем поверхностного типа, как показано на фиг.6 или 7.
Обогреватель поверхностного типа включает теплопроводящую основу 41, связующий слой 42, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) и защитный слой 44. Теплопроводящая основа 41 служит подложкой для нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b), которая стабильно и равномерно проводит выделяемую нагревательными элементами поверхностного типа 43 (43а и 43b) теплоту к элементам литиево-ионной аккумуляторной батареи 15а-15с. Теплопроводящую основу 41 изготавливают из материалов с наибольшей теплопроводностью, таких как Al, Cu и Ag, или их сплавов. В данной реализации для теплопроводящей основы 41 использован алюминий (Al) как дешевый, легкий и технологичный материал.
При изготовлении теплопроводящей основы 41 из алюминия (Al) достаточно, например, слоя толщиной 0,5 мм для достижения высокого коэффициента теплопроводности при низких материальных затратах.
При применении алюминиевой листовой фольги толщиной 0,5 мм в качестве теплопроводящей подложки 41 нагревательных элементов поверхностного типа для обогрева литий-ионных элементов аккумуляторной батареи 15а-15с даже в случае снижения тепловой мощности обогревателя сохраняется преимущество быстрой передачи тепла литий-ионным источникам тока 15а-15с.
Связующий слой 42 состоящий, например, из кремнийорганического соединения (силикона), должен обладать электроизолирующими свойствами и выполнять роль буферного и адгезивного слоя для крепления, амортизации и защиты нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b).
Как показано на фигуре 8, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) могут быть выполнены путем формирования из тонколистового металла матриц теплопроводящих дорожек, например, в виде последовательных или параллельных соединенных между собой зигзагов или прямых линий.
Завершающим покрытием нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) служит защитный слой 44 силикона, служащий для изоляции и герметизации устройства обогрева 19.
При этом на фигуре 7 представлен вариант конструкции обогревателя 19 без теплопроводящей основы 41, где нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) запрессованы между двумя слоями синтетической смолы 40а и 40b.
Нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) должны иметь большое удельное сопротивление, обычно в пределах от 1,0 до 1,4 Ω мм2/м, как материалы, проводящие тепло. Тем не менее, при условии, что значение удельного сопротивления составляет единицу (1) или большее число, применим любой доступный по стоимости металл или сплав.
Нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) могут быть изготовлены из любого из тонколистовых сплавов FeCrAl, таких как Fe-(14~21%)Cr-(2~10%)Al, нихромовых теплопроводящих сплавов и аморфных тонколистовых (ленточных) материалов.
Сплав в пропорции Fe-15Cr-5Al или Fe-20Cr-5Al-РЗМ (редкоземельные металлы) может быть использован как предпочтительный вариант тонколистового сплава FeCrAl. Кроме этого, тонкие пластины изготавливают из аморфных материалов на основе железа (Fe) или кобальта (Со). Преимущество тонколистовых аморфных материалов на основе Fe в том, что они относительно дешевы.
Наиболее предпочтительными материалами для нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) являются Fe-15Cr-5Al или на основе Fe. Если Fe-15Cr-5Al подвергнуть термической обработке, на поверхности сплава образуется защитный слой Al2O3 (оксида алюминия), придающий ему свойства высокого термосопротивления и коррозионностойкости, что помогает решить задачи окисления черных металлов.
Аморфные тонколистовые (ленточные) материалы на основе Fe имеют удельное сопротивление от 1,3 до 1,4 Ω мм2/м, что аналогично высокотермопроводящему материалу. Из этого следует, что аморфные тонколистовые (ленточные) материалы на основе Fe обладают соответствующими характеристиками как теплопроводящие материалы. В дополнение следует сказать, что поскольку аморфные материалы на основе Fe относительно дешевы по сравнению с известными высокотеплопроводными материалами и одновременно доступны в тонколистовой (ленточной) форме, эти материалы применены для нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) согласно данному изобретению.
Кроме прочего, аморфные материалы имеют такие превосходные свойства, как высокая износостойкость, высокая коррозионностойкость и высокая магнитная мягкость. Аморфные ленточные материалы на Fe-основе имеют то преимущество, что могут быть приобретены наполовину дешевле, чем общепринятый кремниевый нагреватель.
Таким образом, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b), изготовленные из тонколистового [ленточного] металла толщиной 10-50 мкм, имеют площадь в 10-20 или более раз превышающую другие, спиралевидные, термопроводники с такой же площадью поперечного сечения. Отсюда следует, что нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) генерируют низкотемпературное тепло на большей площади при равной выработке электроэнергии и, следовательно, удовлетворяют требованиям как низкотемпературные средства обогрева. Нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) выполнены из тонких металлических пластин, в силу чего плотность генерируемого теплового потока на 1 см2 низка, и, следовательно, нагревательная способность тоже не велика.
Как результат нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b), изготовленные из ленточных или тонколистовых металлов или аморфных материалов, не требуют большой толщины слоя теплостойкого или теплоизоляционного защитного покрытия их наружной поверхности по сравнению с традиционными спиральными нихромовыми термопроводниками, характеризующихся избыточным по интенсивности и/или температуре теплообразованием. Таким образом, подобные нагревательные элементы обеспечивают высокую эффективность теплопроводности и теплообмена.
В дополнение к этому, если в случае локального короткого замыкания нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) температура мгновенно возрастет до точки возгорания или выше, такие материалы, как аморфные сплавы нагревательных элементов поверхностного типа, кристаллизуются и мгновенно разъединят цепь, выполняя функцию плавких вставок.
Другими словами, с точки зрения кристаллографии в аморфных тканях атомы ориентированы в случайном порядке по сравнению с металлами, в силу чего удельное сопротивление оказывается значительным, однако аморфные ткани стремятся к кристаллизации с образованием кристаллических участков, вследствие чего удельное сопротивление понижается. Кроме того, аморфные материалы используют в качестве покрытия пленочного типа или линейных нагревательных элементов, вызывая, таким образом, разъединение аморфных структур под воздействием сильного электрического тока.
Благодаря этому нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b), выполненные из аморфных материалов, не вызывают возгорание в результате перегрева, а выключаются из цепи с утратой функции нагрева, таким образом, самопроизвольно обеспечивая безопасность.
Одно из технических решений настоящего изобретения предлагает для изготовления устройства обогрева использовать вместо нагревательных элементов поверхностного типа токопроводящую мастику, в частности графитовую пасту, которая наносится как нагревательный элемент. В этом случае перед формированием нагревательных элементов субстрат сначала покрывают слоем силикона, затем методом печати и спекания наносят графитовой пастой проводящий рисунок зигзагообразной конфигурации, который затем вместе с субстратом вновь покрывают слоем силикона.
Дальше, с опорой на блок-схему на фигурах 9А и 9B описан процесс энергоснабжения системы уличного освещения на солнечных элементах в соответствии с настоящим изобретением.
Сначала, когда система уличного освещения на солнечных элементах, оборудованная источником электропитания в соответствии с настоящим изобретением, уже включена, системный контроллер 20 по показаниям термодатчика 22 оценивает состояние окружающей температуры относительно нижнего предельного значения, заданного и введенного в память пользователем, допустим 0°C (S30).
По результатам оценки, если температура окружающего воздуха ниже нижнего предельного значения, заданного пользователем, например 0°C, системный контроллер 20 посылает сигнал второго выбора второй схеме коммутации 18, подвижный контакт которой переключается на выходной терминал вспомогательного источника питания 16, сохраняющего работоспособность при морозе ниже 0°C, таким образом, запитывая от него устройство обогрева 19 (S31).
В результате устройство обогрева 19 создает тепловую защиту главной аккумуляторной батареи 15 литий-ионных элементов питания для поддержания ее в условиях температуры выше нижнего предельного значения.
Затем системный контроллер 20 по показаниям термодатчика 22 оценивает, не стала ли превышать окружающая температура верхнее предельное значение, заданное и введенное в память пользователем (S32). Если температура среды превосходит верхнее предельное значение, системный контроллер 20 передает сигнал второго выбора второй схеме коммутации 18, подвижный контакт которой разъединяется с выходным терминалом вспомогательного источника питания 16, отключая питание обогревателя 19 (S33).
Затем системный контроллер 20 с помощью регулятора зарядки 12 оценивает, вырабатывает ли электроэнергию модуль солнечных элементов 11 (S331). По результатам оценки, если элементы солнечного модуля вырабатывают электроэнергию, системный контроллер 20 посылает сигнал второго выбора второй схеме коммутации 18, подвижный контакт которой соединяется с выходным терминалом главной аккумуляторной батареи 15 для сокращения потребления электроэнергии от вспомогательного источника питания 16, имеющего небольшую емкость, и запитки обогревателя 19 электроэнергией от главной аккумуляторной батареи 15.
Если температура окружающего воздуха сохраняется на уровне между нижним и верхним предельными значениями, питание обогревателя 19 осуществляется от главной аккумуляторной батареи 15.
Далее, по результатам оценки, если солнечные элементы генерируют электроэнергию, системный контроллер 20 управляет зарядкой главной аккумуляторной батареи 15 в режиме постоянного напряжения постоянного тока (CCCV). Для этого регулятор зарядки 12 управляет зарядкой главной аккумуляторной батареи 15 током постоянной величины внутреннего контура постоянного тока до достижения верхнего предельного напряжения (S35).
Системный контроллер 20 проверяет, достигло ли напряжение зарядки главной аккумуляторной батареи 15 от регулятора зарядки 12 верхнего предельного напряжения (S36). Если напряжение достигает верхнего предельного вольтажа, главная аккумуляторная батарея 15 непрерывно заряжается в режиме напряжения постоянной величины контуром постоянного напряжения при поддержании верхнего предельного напряжения (S37).
Поскольку в режиме стабилизированного напряжения величина тока уменьшается, зарядка прекращается в момент, когда величина тока главной аккумуляторной батареи достигает заданного показателя (S3 8).
Если главная аккумуляторная батарея 15 представляет собой, например, двухэлементный литий-ионный источник тока, она начинает заряжаться током заряда в 1 Кл или меньше, в режиме зарядки током постоянной величины до достижения напряжения верхнего предельного вольтажа 8,4 В, и затем, если зарядное напряжение главной аккумуляторной батареи 15 достигает верхнего предельного вольтажа, режим зарядки током постоянной величины переходит в режим зарядки напряжением постоянной величины для зарядки, таким образом, главной аккумуляторной батареи 15.
Если зарядка главной аккумуляторной батареи 15 выполнена в соответствии с приведенным выше описанием, системный контроллер 20 посылает сигнал первого выбора первой схеме коммутации 17, подвижный контакт которой соединяется с выходным терминалом вспомогательного источника питания 16, инициируя его зарядку.
Затем системный контроллер 20 сравнивает текущий показатель, получаемый от датчика освещенности 21, с опорным значением, предварительно введенным в память (S40), и если показатель освещенности превышает опорное значение, системный контроллер 20 подает первой схеме коммутации 17 сигнал на включение уличного освещения. Соответственно выходное напряжение постоянного тока главной аккумуляторной батареи 15 трансформируется преобразователем постоянного тока 13 в напряжение постоянного тока (Vcc) электропитания уличного освещения 14 (S41). В данном случае предпочтительно, чтобы системный контроллер 20 управлял яркостью уличного освещения 14 обратно пропорционально числовому значению освещенности.
Далее, системный контроллер 20 посредством регулятора зарядки 12 оценивает зарядное напряжение главной аккумуляторной батареи 15, приложенное к преобразователю постоянного тока 13, и определяет, не достигла ли остаточная емкость главной батареи 15 минимального допустимого напряжения разрядки (S42). По результатам оценки, если остаточная емкость главной аккумуляторной батареи 15 достигла минимального допустимого напряжения разрядки, то есть если остаточная емкость главной батареи 15 достигла уровня блокировки переразрядки аккумуляторной батареи, системный контроллер 20 командует отключение питания уличного освещения 14 (S43), предотвращая глубокую разрядку аккумуляторной батареи.
Выше говорилось, что в настоящем изобретении в качестве главной аккумуляторной батареи 15 и вспомогательного источника питания 16 использованы соответственно батарея литиевых вторичных источников тока, характеризующаяся высоким КПД, и суперконденсатор, сохраняющий работоспособность даже при крайне низких температурах. Если температура среды опускается ниже заданного значения, для батареи литиевых вторичных источников тока (например, литий-ионной аккумуляторной батареи), выполняющей роль главной аккумуляторной батареи 15, с помощью вспомогательного источника питания 16 создается тепловая защита, предупреждающая отказ батареи литиевых вторичных источников тока и одновременно продляющая срок ее службы.
Далее, эффективная тепловая защита батареи литий-ионных вторичных источников тока и предотвращение ее глубокой разрядки обеспечивается в настоящем изобретении за счет применения нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) в устройстве обогрева 19, что, кроме прочего, упрощает управление всей системой.
Как описано выше, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) выполнены с использованием в качестве материала нагревательных элементов пластин тонколистового металла толщиной 10-50 мкм, что обеспечивает увеличение площади поверхности в 10-20 или более раз по сравнению с другими высокотемпературными термопроводниками в виде спирали с такой же площадью поперечного сечения. Соответственно нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) обогревают низкотемпературным теплом большую площадь при тех же энергозатратах.
В дополнение к этому нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b), выполненные из пластин тонколистового металла, создают низкую плотность теплового потока выделяемой теплоты на 1 см2, что обеспечивает также низкую нагревательную способность.
Более того, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) сами служат источником тепла, обеспечивая таким образом очень быстрый нагрев до заданной температуры - в пределах одной минуты. В результате предотвращается отказ главной аккумуляторной батареи 15 при эксплуатации на территориях с чрезвычайно холодным климатом, где возможны резкие колебания окружающей температуры.
При этом настоящее изобретение не ограничивается описанным выше вариантом конструктивного решения обогревателя поверхностного типа. Для теплозащиты батареи литиевых вторичных источников тока могут быть применены любые типы обогревателей с пригодными для этого нагревательными элементами, работающими от электричества. Например, могут быть использованы теплопроводники, греющие электрокабели или термоэлектрические элементы Пельтье и т.п.
Как сказано ранее, настоящее изобретение описано на примере предпочтительных вариантов осуществления. Однако представленное изобретение не ограничено вышеуказанными вариантами исполнения, и каждый, кто достаточно компетентен на существующем уровне техники, вправе создавать различные модификации и вариации, не отступая от технической сущности данного изобретения. В силу этого объем правовой защиты данного изобретения не ограничен его подробным описанием, но определяется представленной ниже патентной формулой и технической сущностью изобретения.
Промышленная применимость
Представленное изобретение применимо в системе электроснабжения уличного освещения на солнечных элементах с дублированной компоновкой автономных источников питания, где батарея литиевых вторичных источников тока с превосходными эксплуатационными характеристиками и суперконденсатор с рабочими параметрами, не зависящими от критически низких температур, используются, соответственно как главная аккумуляторная батарея и как вспомогательный источник питания, благодаря чему при понижении температуры среды ниже заданного значения для литиевой аккумуляторной батареи, выполняющей роль главной аккумуляторной батареи, создается тепловая защита за счет задействования вспомогательного источника питания, что предотвращает отказ литиевой аккумуляторной батареи.
1. Источник питания на солнечных элементах для уличного освещения, включающий:
модуль из множества солнечных элементов для фотоэлектрического преобразования световой энергии в электрическую;
главную аккумуляторную батарею литиевых вторичных источников тока, заряжаемую постоянным током, генерируемым модулем солнечных элементов, и питающую электроэнергией приборы уличного освещения;
устройство обогрева и тепловой защиты главной аккумуляторной батареи;
вспомогательный источник питания для пуска устройства обогрева, устойчивый к воздействию предельно низких атмосферных температур;
регулятор зарядки главной аккумуляторной батареи электроэнергией постоянного тока, генерируемой модулем солнечных элементов;
датчик температуры главной батареи; и
системный контроллер, управляющий вспомогательным источником питания устройства обогрева при понижении температуры ниже заданного минимального значения;
первую схему коммутации, которая под контролем системного контроллера выполняет переключение между регулятором зарядки и выходными терминалами главной аккумуляторной батареи или вспомогательного источника питания и селективно переключает передачу выходного сигнала регулятора зарядки на один из выходных терминалов главной аккумуляторной батареи или вспомогательного источника питания; вторую схему коммутации, которая под контролем системного контроллера выполняет переключение между выходными терминалами главной аккумуляторной батареи, вспомогательного источника питания и устройства обогрева, и селективно соединяет один из выходных терминалов главной аккумуляторной батареи или вспомогательного источника питания с устройством обогрева;
при этом системный контроллер распознает выходной сигнал регулятора зарядки и управляет первой схемой коммутации по завершении зарядки, переключая выходной терминал регулятора зарядки на выходной терминал вспомогательного источника питания; а
системный контроллер распознает посредством регулятора зарядки наличие генерации электроэнергии модулем солнечных элементов, чтобы по результату распознавания передать второй схеме коммутации управляющий сигнал на переключение выходного терминала вспомогательного источника питания на устройство обогрева;
при этом литиевая аккумуляторная батарея представляет собой батарею литий-ионных или литий-полимерных вторичных источников тока, а вспомогательный источник питания представляет собой суперконденсатор.
2. Источник питания уличного освещения по п. 1, в котором регулятор зарядки включает контур постоянного напряжения и контур постоянного тока и управляет зарядкой в режиме, при котором зарядка постоянным током выполняется до достижения заданного верхнего предельного вольтажа, после чего зарядка прекращается в момент времени достижения заданной величины тока при поддержании верхнего предельного напряжения.
3. Источник питания уличного освещения по п. 1, включающий преобразователь постоянного тока, преобразующий выходное напряжение постоянного тока главной аккумуляторной батареи в питающее напряжение уличного освещения.
4. Источник питания уличного освещения по п. 1, в котором системный контроллер оценивает остаточную емкость главной аккумуляторной батареи, расходуемую через преобразователь постоянного тока под контролем регулятора зарядки, и, таким образом, определяет достижение остаточной емкостью главной аккумуляторной батареи установленного минимального допустимого напряжения разрядки для отключения питания уличного освещения и предотвращения глубокой разрядки аккумуляторной батареи в случае достижения установленного минимального допустимого напряжения разрядки.
5. Источник электропитания уличного освещения по п. 1, в котором устройство обогрева включает рамочный обогреватель, опоясывающий по внешнему периметру литиевую аккумуляторную батарею, состоящую по меньшей мере из одного элемента питания; и снабженный промежуточными сегментами обогрева, помещенными между элементами литиевой аккумуляторной батарея.
6. Источник электропитания уличного освещения по п. 1, включающий обогреватель поверхностного типа, представляющий собой прямоугольную панель, закрывающую с одной или с обеих сторон литиевую аккумуляторную батарею.
7. Источник электропитания уличного освещения по п. 1, в котором устройство обогрева выполнено из тонколистового металла и собрано путем покрытия изолирующим слоем теплогенератора поверхностного типа, смонтированного из множества теплопроводящих зигзагообразных матриц или ленточных полос.
8. Источник электропитания уличного освещения по п. 7, в котором поверхностный теплогенератор выполнен из тонколистового сплава FeCrAl или тонколистового аморфного материала.
9. Источник электропитания уличного освещения по п. 1, в котором устройство обогрева включает теплогенератор поверхностного типа с теплопроводящим зигзагообразным рисунком, выполненным из теплопроводящей пасты.
