СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТИЛЬНИК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F21S9/00 

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и последующего использования электрической энергии для освещения улиц, зданий и подземных сооружений.

Известен солнечный светильник, состоящий из солнечной батареи, химического аккумулятора, контроллера заряда, соединительных проводников электрической линии и люминесцентной лампы. При большой мощности светильника используют дополнительно инвертор и трансформатор (см. Солнечный светильник. Технологии и оборудование возобновляемой энергетики. Каталог изделий, разработанных и производимых в системе ВИЭСХ. - М.: ВИЭСХ, 2001. - С.7). Недостатком известного устройства является низкий КПД светильника и потери энергии в соединительных проводах. Другим недостатком является возможность короткого замыкания соединительных проводников.

Известен солнечный светильник, в котором вместо люминесцентной лампы используют светодиоды. Такой светильник имеет высокий КПД преобразования электрической энергии в световую 50-70% (см. Шахтный светильник индивидуального использования. Патент № 2187039, опубл. 10.03.2002 г. Бюл. № 22). Недостатками известного светильника являются потери электрической энергии в проводниках линии и высокая стоимость арматуры светильника, в которой закрепляют светодиоды. Другим недостатком является опасность короткого замыкания в проводах линии, что может вызвать взрыв горючего газа.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости светильника, потерь энергии и предотвращение короткого замыкания в линии.

Технический результат достигается тем, что солнечный светильник содержит солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, к линии соединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3...n), каждый из светильников состоит из m параллельно включенных пар светодиодов (m=1, 2, 3...m), а каждая пара светодиодов состоит из двух включенных параллельно-встречно светодиодов, второй вывод каждого светильника соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела.

В другом варианте в солнечном светильнике, который содержит солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильник на основе скоммутированных светодиодов, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты и соединен последовательно через две симметричные емкости с первичной обмоткой резонансного высокочастотного трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, внутренний высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен однопроводной линией с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, последовательно с однопроводной линией включены n светильников n=1, 2, 3...n, и каждый из n светильников состоит из m параллельно включенных пар светодиодов m=1, 2, 3...m, и каждая пара светодиодов состоит из двух включенных встречно-параллельно светодиодов, а количество n последовательно включенных светильников и количество m параллельно включенных пар светодиодов связаны с амплитудой тока iл и напряжения Uл в однопроводной линии соотношением

Uл>n×Uсв;

iл>2m×iсд,

где Uсв - напряжение светильника; iсд - ток светодиода.

В другом варианте солнечного светильника, который содержит солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен через две симметрично включенные емкости с резонансным высокочастотным повышающим трансформатором с разомкнутым сердечником, внутренний высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен однопроводной линией с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, последовательно с однопроводной линией подключено i-комплектов светильников, i=1, 2, 3...i, каждый комплект светильников состоит из n пар светильников n=1, 2, 3...n, каждый светильник состоит из m последовательно включенных светодиодов, m=1, 2, 3...m, светодиоды в каждой паре светильников соединены встречно.

Еще в одном варианте солнечного светильника, который содержит солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты и напряжения, соединен с резонансным высокочастотным повышающим трансформатором с разомкнутым сердечником или без сердечника, внутренний вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен однопроводной линией с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, последовательно с однопроводной линией подключены n светильников, n=1, 2, 3...k, а каждый из n светильников состоит из m параллельно включенных пар светодиодов, m=1, 2, 3...m, и каждая пара светодиодов состоит из двух включенных параллельно-встречно светодиодов, а количество n последовательно включенных светильников и количество m параллельно включенных пар светодиодов связаны с амплитудой тока Iл и напряжения Uл в однопроводной линии соотношением

Uл>n×Uсв

Iл>2m×Iсд

где Uсв - напряжение светильника; Iсд - ток светодиода.

В другом варианте солнечного светильника, который содержит солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен последовательно через две симметрично включенные емкости с первичной обмоткой резонансного высокочастотного трансформатора с разомкнутым сердечником, внутренний высокопотенциальный вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с разветвленной сетью из однопроводных линий (k=1, 2, 3...k), конец каждой однопроводной линии соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, последовательно с каждой однопроводной линией включено i (i=1, 2, 3...i) светильников, состоит из m пар встречно-параллельно включенных светодиодов.

Еще в одном варианте солнечного светильника, который содержит солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен последовательно через две симметрично включенные емкости с резонансным высокочастотным повышающим трансформатором с разомкнутым сердечником, внутренний высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, в последовательно с однопроводной линией включено i-комплектов светильников, i=1, 2, 3...i, каждый комплект светильников состоит из n согласно параллельно включенных светильников и одного параллельно встречно включенного выпрямляющего диода, n=1, 2, 3...n, каждый светильник состоит из m последовательно включенных светодиодов, m=1, 2, 3...m, а ток выпрямляющего диода Iδ и ток светодиода i_сδ связаны соотношением

Iδ=ni_сδ

В солнечном светильнике в качестве естественной емкости использована емкость однопроводной линии. В солнечном светильнике изолированное проводящее тело, представляющее естественную емкость, выполнено в виде металлизированных корпусов светильников.

Устройство солнечного светильника, схемы подключения и принцип работы поясняют фиг.1-5. На фиг.1 представлена общая схема подключения светильников к однопроводной линии. На фиг.2 представлены два последовательно подключенных светильника, каждый из которых состоит из двух пар встречно-параллельно соединенных светодиодов, работающих с одной достаточной естественной емкостью. На фиг.3 представлен солнечный светильник, состоящий из двух цепей последовательно соединенных светодиодов, каждая цепь содержит по четыре светодиода, включенных встречно. На фиг.4 представлен солнечный светильник, имеющий два светильника, содержащих по четыре пары встречно-параллельно включенных светодиодов, соединенных в “звезду”. На фиг.5 представлены два светильника, каждый из которых содержит по две встречно включенных цепи, состоящих из двух последовательно включенных светодиодов, с параллельно включенными диодами.

На фиг.1 электрическая энергия от солнечной батареи 1 через диод 2 или от аккумулятора 3 с контроллером заряда 4 подается на вход преобразователя 5, а затем через резонансные конденсаторы 16 на низковольтную обмотку 6 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 7. Диод 2 препятствует разряду аккумулятора 3. Низкопотенциальный вывод 14 высоковольтной обмотки 8 через разделительный конденсатор 17 соединены с землей. Высоковольтная обмотка 8 высокочастотного резонансного трансформатора 7 своим высоковольтным выводом 9 соединена однопроводной линией 10 со светильниками 11, имеющими естественную емкость 15. Благодаря этому осуществляется подача электрической энергии к светильникам и их работа.

На фиг.2 электрическая энергия от солнечной батареи 1 через диод 2 или от аккумулятора 3 с контроллером заряда 4 подается на вход преобразователя 5, а затем на низковольтную обмотку 6 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 7. Диод 2 препятствует разряду аккумулятора 3, Низкопотенциальный вывод 14 высоковольтной обмотки 8 соединен с землей. Высоковольтная обмотка 8 высокочастотного резонансного трансформатора 7 своим высоковольтным выводом 9 соединена однопроводной линией 10 с последовательно соединенными светильниками 11. Каждый светильник 11 выполнен из двух пар встречно-параллельно соединенных светодиодов 12 и 13. В конце однопроводной линии 10 светильник 11 соединен одним выводом к однопроводной линии, а другим выводом с естественной емкостью 15 в виде изолированного проводящего тела.

На фиг.3 собственно светильник 11 содержит две цепи по четыре последовательно соединенных светодиодов 12 и 13, включенных встречно-параллельно и соединенных с естественной емкостью 15.

На фиг.4 представлен солнечный светильник, состоящий из двух светодиодных светильников-излучателей 11, содержащих по четыре пары встречно-параллельно включенных светодиодов 12 и 13, соединенных в разветвляющую сеть.

На фиг.5 представлен солнечный светильник, состоящий из двух светодиодных светильников-излучателей 11, каждый из которых содержит по две встречно включенные цепи из двух последовательно соединенных светодиодов 12 и 13, параллельно которым подключены диоды.

Солнечный светильник работает следующим образом. Электрическую энергию от источников энергии 1 или 3 преобразуют по частоте в преобразователе частоты 5, повышают по напряжению с помощью повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 7 и создают резонансные колебания тока и напряжения в первичной обмотке 6, вторичной обмотке 8 и в однопроводной линии 10 с частотой fo=1-100 кГц, равной частоте преобразователя частоты 5.

Так как однопроводная линия 10 относительно обмотки 8 разомкнута, между током и напряжением существует фазовый сдвиг 90 градусов. Ток опережает напряжение на 90 градусов и перезаряжает емкость однопроводной линии 10, емкость светильников 11 и естественную емкость 15.

Электромагнитная энергия в виде потока волн тока и напряжения перемещается от вывода 9 с высоким потенциалом через светильники 11 к естественной емкости 15 с более низким потенциалом вдоль эквипотенциальных линий кулонова электрического поля, поэтому джоулевы потери энергии в незамкнутом проводнике 10 малы. Положительная полуволна тока и напряжения проходит через светодиоды, включенные в прямом направлении, создавая на них падение напряжения 2-6 В. Положительные полуволны вызывают свечение согласно включенных светодиодов, а отрицательные полуволны тока и напряжения вызывают свечение встречно включенных светодиодов.

Пример выполнения устройства солнечного светильника.

Солнечная батарея мощностью 30 Вт напряжением 12 В и аккумуляторная батарея 12 В включены для работы с преобразователем частоты 50 кГц мощностью 15 Вт с выходным напряжением 12 В. Повышающий высокочастотный резонансный трансформатор содержит 8 витков низковольтной обмотки и 2500 витков высоковольтной обмотки, при этом на высоковольтном выводе генерируется потенциал с напряжением 1,5 кВ при частоте 50 кГц. Светильник состоит из 4 пар встречно-параллельно соединенных светодиодов типа СКЛ-19 белого свечения с рабочим напряжением 6 В, силой света по 450 мкд и рабочим током до 30 мА каждый.

За счет потребления высокочастотной электрической энергии в резонансном режиме осуществляется работа светильников с высоким КПД, равным 70-75%, с передачей энергии от источника энергии к светильнику по однопроводной линии с малыми потерями в проводнике. При питании светильника по однопроводной линии исключается возможность короткого замыкания, так как отсутствуют проводники с разностью потенциалов между ними, как это имеет место в обычной электрической сети. В качестве источника электрической энергии может быть использована не только солнечная батарея, но и любой другой источник энергии.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и последующего использования электрической энергии для освещения улиц, зданий и подземных сооружений. Техническим результатом изобретения является снижение стоимости светильника, потерь энергии и предотвращение короткого замыкания в линии. Сущность: солнечный светильник содержит солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов. Инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, соединенного с высокочастотным повышающим резонансным трансформатором, внутренний высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией. К линии подсоединены параллельно или последовательно светильники, состоящие из двух включенных встречно светодиодов. К линии светильники подсоединены параллельно, одним выводом к высоковольтной линии, второй вывод каждого светильника соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела. Предложены еще четыре варианта выполнения солнечного светильника. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Солнечный светильник, содержащий солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, отличающийся тем, что инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, к линии соединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3 ...n), каждый из светильников состоит из параллельно включенных m пар светодиодов (m=1, 2, 3, ...m), а каждая пара светодиодов состоит из двух включенных параллельно-встречно светодиодов, второй вывод каждого светильника соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела.2. Солнечный светильник по п.1, отличающийся тем, что в качестве естественной емкости использована емкость однопроводной линии.3. Солнечный светильник по п.1, отличающийся тем, что изолированное проводящее тело выполнено в виде металлизированных корпусов светильника.4. Солнечный светильник, содержащий солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, отличающийся тем, что инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен через две симметрично включенные емкости с первичной обмоткой резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен однопроводной линией с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, последовательно с однопроводной линией подключено i комплектов светильников (i=1, 2, 3 ...i), каждый комплект светильников состоит из n пар (n=1, 2, 3 ...n), каждый светильник состоит из m последовательно включенных светодиодов, (m=1, 2, 3 ...m), светодиоды в каждой паре светильников соединены параллельно-встречно.5. Солнечный светильник по п.4, отличающийся тем, что в качестве естественной емкости использована емкость однопроводной линии.6. Солнечный светильник по п.4, отличающийся тем, что изолированное проводящее тело выполнено в виде металлизированных корпусов светильника.7. Солнечный светильник, содержащий солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, отличающийся тем, что инвертор выполнен в виде преобразователя частоты и напряжения, соединен с резонансным высокочастотным повышающим трансформатором с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен однопроводной линией с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, последовательно с однопроводной линией подключены n светильников (n=1, 2, 3 ...n), а каждый из n светильников состоит из m параллельно включенных пар светодиодов (m=1, 2, 3 ...m) и каждая пара светодиодов состоит из двух включенных параллельно-встречно светодиодов, а количество n последовательно включенных светильников и количество m параллельно включенных пар светодиодов связаны с амплитудой тока Iл и напряжения Uл в однопроводной линии соотношением

Uл>n×Ucв,

Iл>2m>Iсд,

где Uсв - напряжение светильника;

Iсд - ток светодиода.

I_Д=nI_СД.