Незалежно від назви (освітлення присадибної ділянки, вуличний світильник) зовнішнє освітлення виглядає досить привабливо біля кожного будинку. Крім своєї естетичної функції вуличне освітлення служить і в цілях забезпечення безпеки. Кожен знає, наскільки небезпечною може стати неосвітлена доріжка. А невідгородженої плавальний басейн? Невеликі світильники, розташовані уздовж доріжки або навколо басейну, можуть запобігти нещасний випадок під час прогулянки. У даній главі приводяться рекомендації по установці зовнішнього освітлення, що використовує сонячну енергію.

За принципом дії зовнішнє освітлення в основному подібно аварійного, розглянутому в попередньому розділі. Фотоелектрика також використовується для заряду свинцево-кислотної батареї, від якої в свою чергу працюють лампи.

Однак є і істотна відмінність. Система аварійного освітлення включається лише зрідка. Фактично вона потрібна тільки при перервах в подачі електроенергії в мережі; решту часу система не діє. Зовнішнє освітлення, навпаки, повинно використовуватися протягом кожної ночі круглий рік. У цьому випадку необхідно розробити систему, що має досить велику ємність батареї і потужність фотоелектричного перетворювача, щоб система в цілому функціонувала в будь-який час року і при будь-яких погодних умовах. Ці вимоги не враховувалися при розробці аварійного освітлення.

Конструювання починається з самих світильників. Вони розраховані на низьку напругу і завдяки цьому вельми зручні для системи електроживлення, в якій використовуються перетворювачі сонячної енергії.

Незважаючи на наявність безлічі різних моделей таких світильників, всі вони працюють від напруги 12 В. Лампи, що входять в комплект світильників, розраховані, як правило, на однакову потужність 12 Вт і, отже, споживають струм 1 А кожна. Спочатку необхідно визначити необхідне число світильників в системі. Це число залежить від кожного конкретного випадку. Я вибрав п’ять, тому що цієї кількості цілком вистачило для освітлення газону перед будинком і доріжки. Отже, мій джерело енергії повинен живити систему, що споживає струм 5 А. Якщо б я вибрати шість ламп, знадобилося б 6 А.

Сила струму в 5 А не є надмірною, і її легко отримати від декількох свинцево-кислотних батарей, які є у продажу. Питання полягає лише в необхідних розмірах батареї. Ця частина розробки дещо складніше. Щоб правильно відповісти на поставлене запитання, необхідно виконати деякі обчислення і зробити кілька припущень.

По-перше, розглянемо, якими параметрами характеризується батарея. Всі батареї (свинцево-кислотні та інші) характеризуються ємністю в ампер-годинах (часто позначається А-ч). 1 А-ч означає, що батарея може постачати навантаження струмом в 1 А протягом 1 ч. Аналогічно якщо батарея може давати струм 5 А протягом 1 год, то її ємність становить 5 А-ч. Та ж ємність досягається при струмі 1 А протягом 5 ч. Незалежно від величини напруги ємність батареї чисельно визначається добутком сили струму на повний час його протікання.

Отже, було встановлено, що система буде споживати струм 5 А. Однак для грамотного вибору батареї необхідно знати тривалість функціонування системи зовнішнього освітлення за добу. Нехай ця тривалість протягом кожного вечора становить 4 ч. Тепер, помноживши значення струму, споживаного світильниками, на час їх роботи за добу, ми отримаємо необхідну кількість ампер-годин. У нашому випадку 5 Ах4 ч = 20 А-ч. Це – добове споживання енергії.

Звідси випливає, що батареї ємністю 20 А-ч цілком достатньо для вечірнього освітлення. Однак вранці батарея буде повністю розряджена, і для подальшої роботи її необхідно буде знову зарядити. Припустимо, що весь наступний день буде йти дощ. Як же фотоелектричні перетворювачі зарядять батарею? Без сонячних променів вони не працюють.

З урахуванням цього факту негайно стане ясно, що необхідно збільшити ємність батареї. Батарея ємністю 40 А-ч буде живити освітлювальну систему протягом 2 днів, а 60 А-ч – протягом 3 днів. Тепер необхідно визначити ще одну умову: вибрати середній час між циклами заряду і вирішити, як довго повинна працювати батарея без підзарядки. Цей параметр не занадто критичний в разі освітлення присадибної ділянки. Припустимо, що запасу енергії в батареї на 3 дні буде цілком достатньо. Отже, необхідна батарея ємністю 60 А-ч.

Резюмуючи сказане вище, можна сформулювати послідовність простого розрахунку необхідних параметрів сонячної та акумуляторної батарей:

1) визначити струм, споживаний лампою;

2) визначити число світильників в системі;

3) визначити необхідний час роботи освітлення щовечора;

4) перемножити значення, отримані в пп. 1-3; отриманий результат буде являти собою добове споживання енергії в ампер-годинах;

5) оцінити число похмурих днів з недостатньою інтенсивністю сонячного випромінювання, протягом яких акумуляторна батарея повинна забезпечувати енергією систему без підзарядки;

6) перемножування результатів, отриманих в пп. 4 і 5, дозволить визначити ємність акумуляторної батареї в ампер-годинах;

7) збільшити результат п. 4 (в ампер-годинах) на 33% (на 1/3) і визначити тим самим середнє значення енергії, необхідне для підзарядки батареї за день;

8) визначити тривалість періоду опромінення сонячною радіацією для даного району (див. гл. 3);

9) розділити величину, отриману в п. 7, на тривалість, знайдену в п. 8;

10) величина, отримана в п. 9, – сила струму, який має генерувати сонячна батарея. Величина, отримана в п. 6, – ємність акумуляторної батареї.

Тепер все в порядку. Вибрані число світильників, встановлено тривалість їх роботи протягом доби і обчислена ємність батареї, необхідної для забезпечення цієї роботи. Залишилося тепер тільки зупинитися на певному способі заряду батареї.

Вимоги, що пред’являються до сонячній батареї, визначаються умовами роботи освітлювальної системи. Можна трохи поміркувати; це не займе багато часу.

Було зроблено припущення, що для роботи освітлювальної системи потрібно 20 А-ч в добу. Відомо також, що енергію дає акумуляторна батарея, отже, витрачена у вечірній час енергія повинна бути, висловлюючись фігурально, повернута на наступний день.

На жаль, жодна батарея не є ідеальною. Як правило, щоб зарядити свинцево-кислотний акумулятор, необхідно підвести на 20% більше енергії, ніж було виділено. Отже, на кожні 20 А-ч, отримані від акумулятора, необхідно повернути 24 А-ч.

Наступний крок – розробка фотоелектричної батареї, генеруючої 24 А-ч в добу. Щоб добитися цього, необхідно знати наявну в розпорядженні інсоляцію. Ця величина визначається кількістю корисних сонячних годин, іншими словами, проміжком часу (в годинах) за день, протягом якого можна вважати, що сонце виробляє необхідну нам роботу.

Визначити кількість корисних сонячних годин для будь-якої місцевості можна двома способами. По-перше, безпосередньо використовуючи вимірювач інсоляції, описаний в гл. 3. Або можна скористатися більш загальним значенням на підставі карти, наведеної в тій же главі. Карта складена з урахуванням сезонних змін і загального характеру погоди.

У разі описаної освітлювальної системи для розрахунків була обрана тривалість корисного освітлення, відповідна в середньому 4,5 корисних сонячних годин за добу. Як видно з карти, ця цифра однакова для більшості районів континентальної частини США. Тепер, якщо розділити кількість ампер-годин (24 А-ч), необхідних для підзарядки акумуляторної батареї, на середнє значення корисних сонячних годин (4,5 год), можна отримати величину струму, яку повинна генерувати сонячна батарея: 5,3 А.

Теоретично цій вимозі задовольняє батарея, що генерує струм 5,3 А при напрузі 12 В. Однак є інші, ще не розглянуті нами фактори. До них відносяться втрати в сполучних провідниках, споживання енергії регулятором і т. д. Отже, для забезпечення надійності непогано створити певний запас по потужності; цілком підійде, наприклад, 10-відсотковий запас.

Таким чином, мінімальний струм, що виробляється сонячною батареєю, повинен становити близько 6 А. Провівши зворотний розрахунок, тобто помноживши 6 А на 4,5 год, отримаємо, що сонячна батарея за добу буде видавати в середньому 27 А-ч. У деякі дні віддача може бути менше, в інші – більше. Слід пам’ятати, звичайно, що для щоденної зарядки акумуляторної батареї не потрібно 27 А * год, відсутню кількість сонячної енергії в деякі дні буде заповнена акумуляторною батареєю. Однак для нормального функціонування освітлювальної системи середнє значення повинне становити 27 А-ч.

Конкретну сонячну батарею можна виготовити безліччю способів. Можна паралельно з’єднати невеликі модулі і досягти необхідної потужності 87 Вт, але це буде коштувати дуже дорого.

Як правило, чим більше розмір модулів, з яких збирається батарея, тим дешевше вартість 1 Вт електроенергії, вироблюваної сонячною батареєю. Для описуваної системи були використані три модулі, кожен з яких генерував струм 2 А. Всі модулі були виготовлені з круглих, відносно дешевих сонячних елементів діаметром більше 10 см.

Якщо самостійно збирати сонячну батарею з елементів, то можна порадити використовувати круглі елементи діаметром 10 см з монокристала або квадратні елементи 10×10 см2 з полікристалічного матеріалу. Хоча квадратні елементи не настільки ефективні, як круглі монокристалічні, вони дешевше ‘Однак їх потрібно більше. Щоб забезпечити циклічну роботу освітлювальної системи (вимикання в денний час і включення у вечірній час), необхідний таймер. У більшості освітлювальних систем використовуються механічні годинники-таймери, які включають і вимикають світло в певний час; однак здається, що це-марна витрата енергії. Навіщо запалювати світло раніше, ніж зайде сонце? Єдиний вихід у випадку звичайних таймерів – вручну встановлювати таймер, підлаштовуючись під сонячний цикл, що робиться досить часто.

Однак найкраще «змусити» призахідне сонце запускати таймер. Це робиться за допомогою електронної схеми, представленої на рис. 1. Розглянемо її роботу.

В якості світлочутливого фоторезистор ного елемента використовується фотоелемент PC 1, освітлюваний прямими сонячними променями. Зі зміною інтенсивності світла, падаючого на фотоелемент, пропорційно змінюється його опір. У денний час його опір дуже мало (порядку 100 Ом). Однак про настанням темряви воно збільшується в 100 і більше разів і досягає величини більше 500 кОм.

  

Рис. 1

Послідовно з фоторезисторів включений резистор УR1, утворюючи дільника, вихідна напруга якого залежить від величини опору фоторезистора PC 1. Чим більше світла, тим менше вихідна напруга, і навпаки.

Величину напруги контролюють два компаратора. Необхідно відзначити, що нижній використовується в неінвертуючий варіанті включення, а верхній – в інвертується. Це означає, що при нульовому вхідному напрузі нижній компаратор видає напруга низького рівня, а верхній – високого.

Компаратори включені таким чином, що нижній компаратор перемикається при більш низькому вхідній напрузі, ніж верхній. Як тільки напруга на PC 1 збільшується (при заході сонця), першого компаратора перемикається, на його виході встановлюється високий рівень напруги. Тепер на виходах обох компараторів встановлюється напруга високого рівня.

У цьому випадку ланцюжок з двох логічних елементів І-НЕ (7С2) видає на висновок 11 мікросхеми Iсз напруга високого рівня. Мікросхема Iсз являє собою програмований таймер. Він може вимірювати інтервали часу тривалістю аж до доби. Усередині цієї мікросхеми є двійковий лічильник із наскрізним перенесенням, виходи якого можна використовувати для установки часу. Перемикаючи їх, легко збільшити час спрацьовування в 2 або 4 рази.

Номінальний час спрацьовування таймера визначається опором R8 і ємністю С1. За вказаних на схемі величинах R8 і Cl напруга на виводі 8 збільшується через 4 ч. На підключеному до молодшого розряду лічильника виводі 7 напругу з’явиться через 2 год, на виведення 6 – через 1 год Робота таймера почнеться при подачі високого потенціалу на висновок 11.

Час спрацьовування таймера вибирається перемикачем S1 «Час», На початку циклу роботи на всіх виходах – низький потенціал. Контакти реле RL1 в цих умовах замкнуті завдяки транзистору Q1 і мікросхемі IС2. Електроенергія підводиться до зовнішнього освітлення – і ліхтарі горять. З настанням ночі напруга на PC1 продовжує збільшуватися. Незабаром верхній компаратор спрацьовує і на його виході встановлюється напруга низького рівня. При цьому змінюється стан входів IС2 і на вхід Iсз надходить напруга низького рівня. Тим не менше ніякого впливу на роботу таймера це зміна не робить.

По закінченні заданого інтервалу мікросхема Iсз автоматично приходить у вихідний стан. Скидання проводиться імпульсом зворотного зв’язку, що надходять з виходу мікросхеми. Оскільки на виведення 11 тепер низький потенціал, повторного запуску мікросхеми не відбувається. Крім того, в результаті вимикається реле і освітлення гасне.

На наступний ранок зі сходом сонця поступово знижується опір PC1 і, як наслідок, зменшується вхідна напруга компараторів. Це могло б привести до спрацьовування верхнього компаратора раніше нижнього, до подачі на вхід таймера високого потенціалу та повторного запуску таймера.

Щоб уникнути спрацьовування таймера при сході сонця у верхній компаратор введена невелика позитивна зворотній зв’язок через резистор R5. Це призводить до появи гістерезису, що затримує спрацьовування, поки не переключиться нижній компаратор. Високий потенціал не може бути поданий на обидва виходи одночасно, і запустити таймер не відбудеться.

Тим не менше до вечора цикл почне повторюватися і компаратори повернуться у свій «нічний» стан. Рівень спрацьовування компараторів встановлюється точно змінним резистором VR1 «Чутливість». Необхідно відрегулювати значення його опору таким чином, щоб зовнішнє освітлення вмикалося відразу після настання сутінків.

У конструкції таймера використовується друкований монтаж. Конфігурація друкованої плати представлена ​​на рис. 2, а розміщення на ній елементів схеми – на рис 3. Реле можна припаяти безпосередньо до плати або розмістити в розетці для підключення освітлення.

Зібраний таймер необхідно помістити в непрозору коробку, а фоторезистор PC 1 слід розмістити на кришці так, щоб на нього потрапляли сонячні промені. Таймер має всього три висновки: спільну землю, провід для підключення живлення +12 В від акумуляторної батареї і фазовий провід, що підключається до освітлювальної системі. Необхідно переконатися в тому, що всі виконані отвори в корпусі надійно ущільнені і водонепроникні щоб уникнути проникнення вологи.

Рис. 2

Рис. 3

Тепер відомі всі елементи, необхідні для створення освітлювальної системи, крім одного. Систему необхідно також забезпечити регулятором заряду. Без регулятора заряду не виключена можливість перезаряду акумуляторної батареї і викликаного цим зниження терміну її служби. Подібна ймовірність особливо велика в літній час, коли дні тривалі, а ночі короткі. У цих умовах спостерігається поступове накопичення заряду в акумуляторних елементах, яке легко може привести до перезаряду.

Рис. 4

Почати збірку системи можна з розміщення ліхтарів на ділянці. Тут немає ніяких обмежень, можна встановити ліхтарі там, де від них буде більше користі. Лампи з’єднуються паралельно про допомогою товстих дротів. Якщо використовується відповідний комплект проводів, то необхідний провід обов’язково входить до його складу. Якщо ні, то рекомендується плоский освітлювальний кабель № 18.

Електричні дроти, що ведуть до ліхтарів, приєднуються до схеми таймера. Таймер необхідно розмістити так, щоб на нього могли падати сонячні промені, а не світло фар проїжджаючих автомобілів чи інших зовнішніх джерел.

Таймер підключається до акумуляторної батареї напругою 12 В. Від типу використовуваної батареї залежить її термін служби. При бажанні можна скористатися автомобільним акумулятором, але він довго не прослужить в тяжких умовах періодичної роботи.

Краще використовувати човновий акумулятор. Подібні акумулятори створені для роботи в умовах багаторазових циклів глибокого розряду. Хоча вони коштують трохи дорожче, але прослужать набагато довше, ніж звичайний автомобільний акумулятор.

Регулятор заряду включається між сонячною і акумуляторної батареями. В якості регулятора заряду чудово підійде конструкція, описана в гол. 6. Необхідно просто підключити вихід регулятора до акумулятора, а вхід – до сонячній батареї, дотримуючись полярності.

Лицьова панель сонячної батареї розташовується в напрямку на південь. Таймер встановлюється на час, протягом якого після заходу сонця необхідно освітлення. Можливо, для більш повного відповідності погодних умов потрібно підстроювання таймера при зміні сезонів Тепер доріжки біля будинку будуть висвітлюватися навіть після заходу сонця.

   Список деталей

   Резистори

R1, R3, R4, R5 – 100 кОм

R2 – 2,2 кОм

R6, R7, ЯП-10 кОм

R8-470 кОм

R9-22 кОм

R10-47 Коі

R12-1 кОм

   Конденсатори

С1-220 мкФ, 16 В

С2-0, 05 мкФ

СЗ – 0,1 мкФ

С4-100 мкФ, 16 В

   Напівпровідники

   D1 — 1N4001

ІС1-LM339

ІС2-CD4011

Iсз-UA2240

   Q1— 2N2222

   Інші деталі

PC 1 – фотоелемент на сульфіді кадмію (Radio Shack 726-116)

RL1 – реле (Ridio Shack 275-218)

S1-перемикач на три положення, один напрямок

VR1 – потенціометр 10 кОм

Література: Байєрс Т. 20 конструкцій з сонячними елементами: Пер. з англ. – М.: Мир, 1988 рік.