КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ НА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ С ПРЕДЕЛЬНО НИЗКИМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ Российский патент 2017 года по МПК H05B37/02 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Системы уличного освещения на солнечной энергии находятся в коммерческом использовании. Системы уличного освещения на солнечной энергии получают солнечную энергию от солнца в форме света. Фотоны света преобразуются в электричество посредством панели солнечной батареи. Аккумуляторная система сохраняет электроэнергию и затем из нее может извлекаться электричество, чтобы при необходимости питать уличный фонарь. Блок управления регулирует как входящую в аккумулятор электроэнергию, так и выходящую из аккумулятора энергию, чтобы защитить аккумулятор от чрезмерной зарядки или чрезмерной разрядки, а также выполняет другие фундаментальные функции, регулирующие хранение энергии и управление включением/выключением освещения. Чтобы делать это, блок управления использует схему, которая преобразует постоянный ток (DC) в переменный ток для транспортировки энергии, а затем преобразует переменный ток обратно в постоянный ток для хранения энергии или для питания светодиодных фонарей. Блок управления дополнительно включает в себя широтно-импульсный модулятор (PWM) для регулировки напряжения.

Традиционные коммерческие системы уличного освещения на солнечной энергии стремятся к возможности обеспечения освещения в течение трех последовательных дождливых дней. Однако существующие коммерческие уличные фонари на солнечной энергии неспособны достигать этой цели в некоторых нормальных и обычных ситуациях. Таким образом, улицы, оборудованные такими уличными фонарями на солнечной энергии, часто остаются темными.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретатели провели исследование, чтобы тщательно выявить все первопричинные ключевые проблемы, которые могут (по отдельности или вместе) привести к появлению вышеупомянутых проблем. Они дополнительно разработали конструкции, чтобы решить каждую из независимых первопричинных ключевых проблем, чтобы совместно преодолеть проблему. Одна из проблем связана с непрерывным потреблением энергии (24 часа в сутки) блоком управления для DC-AC-DC преобразований, регулировок напряжения зарядки/разрядки и защиты аккумулятора. Согласно изобретенным принципам, описанным в материалах настоящей заявки, постоянный ток используется напрямую без преобразователей или регуляторов, чтобы пассивно защищать аккумуляторы. Более того, блок управления выполняет только функции переключения. Таким образом, система потребляет предельно низкое количество энергии, как описано в данном патентом раскрытии.

Эта сущность изобретения приведена для представления в упрощенной форме подборки концепций, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Эта сущность изобретения не предназначена для выделения ключевых признаков или существенных признаков заявленного предмета изобретения и также не предназначена для использования в качестве вспомогательного средства при определении объема заявленного предмета изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Чтобы описать способ, которым могут быть получены изложенные выше преимущества и признаки, более конкретное описание различных вариантов осуществления будет представлено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Понимая, что эти чертежи изображают всего лишь примерные варианты осуществления, а поэтому не должны считаться ограничивающими объем изобретения, варианты осуществления будут описаны и пояснены более конкретно и подробно посредством использования прилагаемых чертежей, на которых:

Фигура 1 абстрактно иллюстрирует систему фонаря с панелью солнечной батареи согласно принципам, описанным в материалах настоящей заявки.

Фигура 2 иллюстрирует пример переключателя, переводимого из включенного состояния в выключенное состояние, который соединяет питание с приводом установки/пусковой схемой и отсоединяет питание от привода сброса/пусковой схемы.

Фигура 3 иллюстрирует пример переключателя, переводимого из выключенного состояния во включенное состояние, который соединяет питание с приводом сброса/пусковой схемой и отсоединяет питание от привода установки/пусковой схемы.

Фигура 4 иллюстрирует пример сконструированного блока управления, использующего два реле с фиксацией состояния в качестве переключателей, который состоит из схемы сбора данных, схемы логического определения, пусковых схем привода установки и сброса и схем привода установки и привода сброса.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Традиционные коммерческие системы фонарей на солнечной энергии стремятся к возможности обеспечения освещения в течение трех последовательных дождливых дней. Однако существующие коммерческие уличные фонари на солнечной энергии неспособны достигать этой цели в некоторых нормальных и обычных ситуациях (что указывается ссылкой в материалах настоящей заявки, как «установленная проблема»).

Изобретатели провели исследование, чтобы тщательно выявить все первопричинные ключевые проблемы, которые могут (по отдельности или вместе) привести к появлению установленной проблемы. Обнаруженные первопричинные ключевые проблемы относятся к: (1) неправильная ориентация панели солнечной батареи, которая снижает реальное количество собираемой солнечной энергии (по сравнению со случаем, в котором панель ориентирована правильно для приема солнечной энергии); (2) фонари не работают в полном диапазоне напряжения на зажимах аккумулятора; таким образом, только часть энергии, сохраненной в аккумуляторе, может использоваться для освещения; (3) связанный блок управления выполняет DC-AC-DC преобразования, регулируя напряжения зарядки/разрядки и защищая аккумулятор 24 часа в сутки, таким образом, потребляя значительное (большое) количество ежедневной энергии, что приводит к очень небольшому чистому приращению энергии в солнечные дни или к очень большому дефициту энергии в темные дни; и (4) практика встраивания в систему неподходящих подсистем.

Изобретатели разработали конструкции, чтобы решить каждую из первопричинных ключевых проблем, чтобы совместно преодолеть проблему. Одна из проблем связана с непрерывным (24 часа в день) чрезмерным потреблением энергии блоком управления (третья в списке из четырех основных причин). Изобретатели нашли способ использовать электроэнергию в форме постоянного тока (DC) напрямую без преобразователей или регуляторов, чтобы пассивно защищать аккумуляторы, а также сконструировали блок управления так, чтобы он выполнял только функции переключения. Таким образом, блок управления потребляет предельно малые количества энергии. Конструкции контроллеров, которые устраняют эту основную причину, будут дополнительно описаны в материалах настоящей заявки.

Системы фонарей на солнечной энергии включают в себя четыре подсистемы, а именно: 1) панель солнечной батареи, которая принимает фотоны солнечного света и преобразует часть соответствующей световой энергии в электричество, 2) аккумулятор, который принимает и сохраняет электричество, генерируемое панелью солнечной батареи, 3) фонарь, который потребляет электричество из аккумулятора, когда он должен излучать свет, и 4) блок управления. Традиционный блок управления управляет несколькими вещами, включающими в себя: (a) когда фонарь должен быть включен и выключен; (b) когда начинать и прекращать зарядку аккумулятора; и (c) выполнение DC-AC-DC преобразований; (d) регулировка напряжений для зарядки/разрядки аккумулятора и (e) защита аккумулятора от состояний чрезмерной зарядки или чрезмерной разрядки. При объединении с фонарем, построенным с пассивной цепью (описанным в совместно рассматриваемой и принадлежащей тому же заявителю патентной заявке с серийным номером 13/312,902, поданной 6 декабря 2011 года, все содержимое которой включено в материалы настоящей заявки посредством ссылки), блок управления выполняет не только указанные выше функции, но также управляет количеством электроэнергии, подаваемой на фонарь, когда фонарь включен.

Следовательно, блок управления, описанный в материалах настоящей заявки, может быть разделен на две части. Одна из двух частей (называемая «первой частью» далее в материалах настоящей заявки) называется «блоком управления» или «контроллером». Эта часть относится к конструкциям схем, которые управляют действиями переключателей; и выполняет первые две функции, указанные выше, а именно: (a) когда фонарь включен и выключен; (b) когда начинать и прекращать зарядку аккумулятора. Конструкции и устройства для первой части будут более подробно описаны далее в материалах настоящей заявки.

Вторая часть блока управления (указываемая ссылкой как «вторая часть» далее в материалах настоящей заявки) встроена в (и является частью) светодиодные фонари, как описано в связанной патентной заявке, ранее включенной посредством ссылки. Эта вторая часть блока управления (с помощью использования объединения в сеть СИД и резисторов) может не только управлять фонарем в полном диапазоне напряжений аккумулятора в форме DC без каких-либо DC-AC-DC преобразований или регулировок напряжения зарядки/разрядки; но вторая часть также может управлять тем, сколько электроэнергии подается на фонарь, когда он включен; и также может защищать аккумулятор от состояний чрезмерной зарядки или чрезмерной разрядки при надлежащем конструировании. Эта вторая часть блока управления относится к идее использования изобретенного объединения в сеть СИД и резисторов, чтобы изменить I-V характеристики светодиодных фонарей. Она очень отличается от первой части блока управления, которая использует конструкции схем, чтобы управлять действиями переключателей. Таким образом, вторая часть блока управления описана более подробно в связанной патентной заявке, ранее включенной посредством ссылки, в то время как данная патентная заявка фокусируется на первой части контроллера.

Блок управления включает в себя: 1) изобретенный блок управления или «контроллер», как описано в материалах настоящей заявки (указываемый ссылкой как «первая часть»), и 2) новые конструкции светодиодных фонарей, использующие изобретенное объединение в сеть СИД и резисторов, чтобы изменить I-V характеристики светодиодных фонарей (как описано в связанной патентной заявке, ранее включенной посредством ссылки, называемые «второй частью» в материалах настоящей заявки). Были построены прототипы, чтобы подтвердить, что эти фонари действительно могут использоваться во всем диапазоне аккумуляторного хранилища энергии напрямую в форме DC (без DC-AC-DC преобразований). Системы могут также улучшить свою эффективность, когда аккумуляторное хранилище энергии разряжается, чтобы обеспечить вышеупомянутую требуемую яркость. Иными словами, новая система может непрерывно (и/или шаг за шагом) повышать эффективность, когда аккумуляторное хранилище энергии разряжается, а также эффективно использовать полную емкость своего хранилища энергии. Более того, было подтверждено, что эти прототипы могут предотвращать чрезмерную зарядку или чрезмерную разрядку аккумулятора. Эти прототипы (построенные вместе со второй частью блока управления) подтвердили, что блок управления может обеспечивать дополнительную работоспособность освещения в течение большого количества последовательных темных дней; даже при использовании той же панели солнечной батареи и аккумулятора, как и в традиционной коммерческой системе.

Так как вышеупомянутые сконструированные светодиодные фонари могут также обеспечивать функции предотвращения чрезмерной зарядки или чрезмерной разрядки аккумулятора, первая часть блока управления может быть освобождена от своей традиционной обязанности «защиты аккумулятора», а также от DC-AC-DC преобразований и регулировок напряжения (что потребляет значительное количество энергии). Соответственно блок управления, описанный в материалах настоящей заявки, потребляет лишь небольшое количество энергии, так как блок управления может быть занят переключением, а не защитой аккумулятора, DC-AC-DC преобразованиями или регулировками напряжения.

Далее более подробно описывается часть блока управления этого блока управления; а именно блок управления, который выполняет лишь функции переключения, состоящие в том, 1) заряжать или не заряжать аккумулятор от панели солнечной батареи, или 2) разряжать или не разряжать электричество аккумулятора на светодиодных фонарях для освещения.

Описав общие принципы вариантов осуществления, описанных в материалах настоящей заявки, далее будут описаны примеры самих вариантов осуществления относительно фигур 1 - 4.

Фигура 1 иллюстрирует систему 100 фонаря на солнечной энергии, которая включает в себя четыре подсистемы, такие как аккумулятор 110, панель 120 солнечной батареи, фонарь 130 и контроллер 140. Солнечный свет падает на панель 120 солнечной батареи. Панель 120 солнечной батареи может являться одиночной панелью солнечной батареи или сетью из панелей солнечных батарей. Более того, панель солнечной батареи может являться существующей в настоящее время панелью солнечной батареи, или может являться панелью солнечной батареи, которая будет разработана в будущем. Тем не менее, как упомянуто выше, повышенная эффективность может быть получена даже при использовании существующих панелей солнечных батарей. Панель 120 солнечной батареи преобразует по меньшей мере часть падающего света в электричество с определенной эффективностью, которая может меняться в зависимости от типа панели солнечной батареи.

Схема 121 направления сбора энергии сконфигурирована, чтобы направлять электроэнергию от панели 120 солнечной батареи к аккумулятору 110, когда панель 120 солнечной батареи и аккумулятор 110 соединены, как проиллюстрировано. Таким образом, схема 121 направления сбора энергии передает электричество от панели 120 солнечной батареи к аккумулятору 110, чтобы зарядить аккумулятор и тем самым увеличить его запас энергии в солнечных условиях. В то время как аккумулятор 120 может являться любым типом аккумулятора, принципы, описанные в материалах настоящей заявки, обеспечивают повышенную эффективность даже при использовании такого же аккумулятора, как и в традиционных системах фонарей на солнечной энергии. Фактически принципы, описанные в материалах настоящей заявки, могут быть расширены на случай, в котором элемент 110 является любым источником электроэнергии, таким как, например, устройство источника питания, поддерживаемое электрической сетью. В этом случае не было бы необходимости в том, чтобы система 100 фонаря включала в себя панель 120 солнечной батареи или схему 121 направления сбора энергии. Таким образом, система фонаря может не содержать никакого физического «аккумулятора». Фактически аккумулятор 110 может быть заменен «источником электроэнергии». Аккумулятор 110 будет описан далее в материалах настоящей заявки и он является лишь примером такого источника электроэнергии.

Схема 122 направления потребления энергии сконфигурирована, чтобы выборочно направлять электроэнергию от аккумулятора 110 (или, в более широком смысле, от «источника электроэнергии») к фонарю 130, когда аккумулятор 110 и фонарь 130 соединены, как проиллюстрировано. Таким образом, схема 122 направления потребления энергии направляет электричество от аккумулятора 110 (или, в более широком смысле, от «источника электроэнергии») к фонарю 130, когда фонарь потребляет электричество в темных условиях. В некоторых вариантах осуществления фонарь 130 может излучать свет из одного или более светодиодов (СИД) и/или может являться уличным фонарем, который поднят над улицей, дорогой, тротуаром или площадью.

Контроллер 140 выполнен с возможностью выборочно направлять электричество от панели 120 солнечной батареи к аккумулятору 110 через схему 121 направления сбора энергии в светлых условиях и выполнен с возможностью выборочно направлять электричество от аккумулятора 110 к фонарю 130 в темных условиях. Контроллер 140 может быть очень простым, так как он выполняет простую функцию включения и выключения. Соответственно ежедневное потребление энергии контроллером может быть очень низким, как упоминалось выше. В зависимости от источника электроэнергии в некоторых случаях (например, в случае электрической сети) такая выборочная передача не будет необходима.

Система 100 фонаря на солнечной энергии сконфигурирована так, что когда схема 122 направления потребления энергии направляет электроэнергию от аккумулятора 110 (или, в более широком смысле, от «источника электроэнергии») к фонарю 130, система 100 регулирует количество энергии, доставляемой в нисходящем направлении через схему 122 направления потребления энергии, как функцию оставшегося количества доступной электроэнергии в аккумуляторе. Как упоминалось выше, так как напряжение на зажимах V является функцией оставшейся электроэнергии в аккумуляторе, это может быть выполнено, используя напряжение на клеммах. В более общем случае источника электроэнергии это может быть выполнено на основании любого параметра, который связан с доступной энергией в источнике электроэнергии. Более того, как упоминалось выше, это уменьшение потребления энергии может быть больше по относительной величине, чем уменьшение излучения света, благодаря повышенной эффективности при более низком потреблении энергии.

В некоторых вариантах осуществления уменьшение в потреблении энергии, когда напряжение на зажимах (или в более общем случае, доступная энергия или мощность в источнике электроэнергии) снижается, может быть выполнено, используя пассивную цепь. Например, пассивная цепь 131 может быть встроена в фонарь и может включать в себя светодиоды и, возможно, резисторы. Однако принципы настоящего изобретения не ограничены такой конструкцией. Например, пассивная цепь может направлять ток через спады напряжения так, что когда напряжение на входе пассивной цепи более высокое (отражая более высокое напряжение на зажимах аккумулятора), больше светодиодов в пассивной цепи активно излучают свет, чем в случае, когда напряжение на входе пассивной цепи более низкое. Таким образом, по мере того как напряжение на зажимах снижается, уменьшается и количество и интенсивность светодиодов, которые излучают свет в пассивной цепи.

Принципы, описанные в материалах настоящей заявки, не ограничены конкретной функциональной связью между энергией, потребляемой фонарем 130, и напряжением на зажимах аккумулятора 110. Тем не менее, выгоднее всего, когда эта связь определена так, что снижение в потреблении энергии вызывает пропорционально меньшее снижение в излучении света.

По меньшей мере один вариант осуществления, описанный в материалах настоящей заявки, относится к конструкции и устройству, такому как блок управления. В одном из вариантов осуществления устройство состоит из двух переключателей, четырех управляющих схем, четырех соответствующих пусковых схем и схем для сбора данных логического определения. Фигура 2 показывает переключатель 201 и его соответствующие вспомогательные схемы. Контроллер 140 включает в себя два переключателя: один - для соединения и разъединения аккумулятора 110 (или «источника электроэнергии») с панелью 120 солнечной батареи, и один - для соединения и разъединения аккумулятора 110 (или «источника электроэнергии») с фонарем 130. Фигура 2 иллюстрирует ситуацию, в которой переключатель 201 включен, а фигура 3 иллюстрирует ситуацию, в которой переключатель 201 выключен. Как проиллюстрировано на фигурах 2 и 3, каждый переключатель 201 связан с двумя управляющими схемами 202A и 202B. Одна управляющая схема 202A переводит соответствующий переключатель из выключенного состояния во включенное состояние; а другая управляющая схема 202B переводит соответствующий переключатель из включенного состояния в выключенное состояние. Каждая управляющая схема 202A и 202B связана с соответствующей пусковой схемой 203A и 203B, которая запускает управляющую схему по обнаружении соответствующего условия. Подсистема 204 схемы сбора данных и логического определения предоставляет сигнал пусковой схеме 203A и 203B, когда наступает это подходящее условие. Таким образом, энергия потребляется только во время реального управляющего действия, таким образом, достигая цели конструкции, состоящей в предельно низком потреблении энергии.

Иными словами, каждый из двух переключателей (двух экземпляров переключателя 201) оборудован группой из одинаковых (или неодинаковых) управляющих и пусковых подсистем. Рассмотрим условие, в котором одна группа вышеупомянутых подсистем (назовем ее «первая подсистема») соединена с источником питания, как в режиме ожидания, ожидая сигнала (от подсистемы логического определения), чтобы активировать управляющее действие, которое переводит переключатель из одного состояния в другое состояние (из включенного в выключенное или из выключенного во включенное). В то время как первая подсистема находится в таком режиме ожидания, другая группа (назовем ее «второй группой») отсоединена от источника питания так, что она находится в режиме покоя; так что никакое действие не может быть вызвано, даже если сигналы активации передаются на эту покоящуюся подсистему.

Переключатели дополнительно сконструированы, чтобы управлять подключением/отключением питания двух групп управляющих/пусковых подсистем так, что: (a) когда группа в режиме ожидания активируется, чтобы управлять переключателем, действие также отключает источник питания этой группы в режиме ожидания, что переводит эту группу в режим покоя; и (b) одновременно это действие подключает другую группу, чтобы перевести ее в режим ожидания. Далее приводится подробное рассмотрение конструкции переключателей, управляющих схем, пусковых схем и схем для сбора данных логического определения соответственно.

Один из двух переключателей (то есть «переключатель разрядки аккумулятора») сконструирован, чтобы выполнять две следующие функции: (a) как проиллюстрировано на фигуре 2, чтобы начать разрядку аккумулятора, переключатель разрядки аккумулятора переводится из выключенного состояния во включенное состояние (также указывается ссылкой в материалах настоящей заявкикак «установка» переключателя разрядки аккумулятора), или (b) как проиллюстрировано на фигуре 3, чтобы остановить разрядку аккумулятора, переключатель разрядки аккумулятора переводится из включенного состояния в выключенное состояние (также указывается ссылкой в материалах настоящей заявки как «сброс» переключателя разрядки аккумулятора). Другой переключатель (то есть, «переключатель зарядки аккумулятора») сконструирован, чтобы выполнять две следующие функции: (a) Как проиллюстрировано на фигуре 2, чтобы начать зарядку аккумулятора, переключатель зарядки аккумулятора переводится из выключенного состояния во включенное состояние (также указывается ссылкой в материалах настоящей заявки, как «установка» переключателя зарядки аккумулятора), или (b) Как проиллюстрировано на фигуре 3, чтобы остановить зарядку аккумулятора, переключатель зарядки аккумулятора переводится из включенного состояния в выключенное состояние (также указывается ссылкой в материалах настоящей заявки, как «сброс» переключателя зарядки аккумулятора).

При нормальной работе, возможно, производилось бы совсем немного действий перевода переключателей в день. Для экономии энергии каждый из переключателя разрядки аккумулятора и переключателя зарядки аккумулятора остается в одном состоянии до тех пор, пока не переводится в другое состояние. Например, как проиллюстрировано на фигуре 4, каждый переключатель мог бы быть реализован в виде реле с фиксацией состояния. Реле с фиксацией состояния - это реле, которое не потребляет никакой энергии, когда остается в одном состоянии; но вместо этого потребляет энергию, когда меняет состояния. В случае когда каждый переключатель является реле с фиксацией состояния (со ссылкой на переключатель 401), каждый переключатель связан с двумя управляющими схемами (приводами), а именно: (1) «привод установки» 202A, который проиллюстрирован на фигуре 3, подает энергию, которая может включить переключатель из его выключенного состояния, и (2) «привод сброса» 202B подает энергию, которая может выключить переключатель из его включенного состояния, как проиллюстрировано на фигуре 2. Каждый переключатель также сконструирован, чтобы управлять энергией, подаваемой на его соответствующие два привода. Когда он находится во включенном состоянии, переключатель соединяет питание со своим приводом сброса и отсоединяет питание от привода установки; что подготавливает привод сброса переключателя в режиме ожидания, а его привод установки в режиме покоя. В то время как он находится в выключенном состоянии, переключатель подготавливает свой привод установки в режиме ожидания, а привод сброса в режиме покоя. Эта конструкция защищает переключатель от самых вредных действий ложного переключения; а именно перевод переключателя одновременно на установку и сброс. Пусковые схемы могут быть сконструированы, чтобы защищать свое питание подобным образом; могут находиться либо в режиме ожидания, либо в режиме покоя, в том же состоянии, как и привод, который они готовы запустить.

Чтобы дополнительно осмыслить ключевые аспекты, сформулированные выше, их можно переформулировать следующим образом: в режиме ожидания привод соединен с питанием аккумулятора, ожидая запуска, чтобы выполнить определенное действие; либо включить, либо выключить переключатель. Когда действие выполняется, привод переключается из режима ожидания в режим покоя в этот же момент времени. Находясь в режиме покоя, этот привод теряет свою управляющую способность, так как он отсоединен от источника питания. Другими словами, когда привод находится в режиме ожидания, привод соединен с аккумулятором и ожидает запуска. Когда привод запустят, он будет потреблять энергию аккумулятора, чтобы питать и выполнять определенное действие. Затем привод меняет состояние переключателя (с включенного состояния на выключенное состояние; или с выключенного состояния на включенное состояние). Это действие также отсоединяет питание аккумулятора от этого привода, переводя привод в режим покоя; это действие переводит другой привод из режима покоя в режим ожидания в этот же момент времени.

Следовательно, только один из приводов может выполнять действие переключения (при запуске), чтобы менять состояние переключателя; в этом случае вредные ложные действия происходить не могут. Более того, продолжительность управляющего действия обычно составляет несколько сотых секунды. Таким образом, даже обычный привод реле с фиксацией состояния мощностью 5 ватт потреблял бы менее 0,01 джоулей энергии за каждое действие переключения. Система обычно выполняет менее 10 действий переключения в день, и, таким образом, контроллер в среднем потреблял бы менее 0,1 джоуля в день; или менее 0,01 А⋅ч энергии (из 12-вольтового аккумулятора). Это является незначительным количеством энергии (для обычных систем фонарей на солнечной энергии).

Схемы сбора данных и логики собирают информацию (данные), усиливают данные при необходимости и определяют (принимают решение), действовать или нет на основании применения логического рассмотрения существенных данных. Когда принимается решение действовать, это решение заставляет схемы передавать подходящий сигнал на правильные пусковые схемы; чтобы активировать правильный привод в режиме ожидания, чтобы обеспечить энергией движение переключателя, которое производит действие переключения. Обычно подсистема сконструирована, чтобы выполнять это принятие решения один раз в течение каждых 15-30 минут; менее 100 действий за день. Выполнение определенных функций использует несколько мВт с периодом времени действия менее 0, 01 секунды. Следовательно, функции сбора данных и принятия решений потребляют менее 1 джоуля в день; опять же незначительное количество энергии в системах фонарей на солнечной энергии.

Были построены прототипы в соответствии с вышеприведенными описаниями; в которых блок управления был сконструирован, используя два реле с фиксацией состояния в качестве переключателей. Как проиллюстрировано на фигуре 4, один переключатель сконструирован, чтобы: (a) начинать (переводить из выключенного состояния во включенное состояние) разрядку аккумулятора, или (b) останавливать (переводить из включенного состояния в выключенное состояние) разрядку аккумулятора; другой переключатель сконструирован, чтобы: (a) начинать (переводить из выключенного состояния во включенное состояние) зарядку аккумулятора, или (b) останавливать (переводить из включенного состояния в выключенное состояние) зарядку аккумулятора. Так как потребление энергии отсутствует при поддержании состояний двух реле с фиксацией состояния, сконструированные прототипы (блоки управления) потребляют электроэнергию только тогда, когда требуется изменить их состояния. Каждое изменение состояния может быть выполнено в течение очень короткого периода времени и с помощью импульсной мощности в несколько ватт. При нормальной работе может происходить совсем немного (менее 5) действий перевода переключателей на каждый переключатель в день. Следовательно, сконструированный блок управления в этом случае потребляет незначительное количество энергии из аккумулятора.

Для прототипов, работающих с 12-вольтовым аккумулятором и с 10 переводами переключателя в день на каждый переключатель; измеренное потребление энергии сконструированного блока управления составляет менее 0,01 ампер-часов в день. Это означает, что такая конструкция существенно экономит энергию. Таким образом, замена традиционного блока управления данным изобретением может дополнительно улучшить работоспособность.

РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЙ

Принципы, описанные в материалах настоящей заявки, с одной стороны, изменяют конструкцию контроллера и фонарей. В результате системы могут повысить свою эффективность во время разрядки их хранилищ энергии. Фонари также могут работать в полном диапазоне аккумуляторного хранилища энергии напрямую без DC-AC-DC преобразований, чтобы обеспечить вышеупомянутую требуемую яркость. Таким образом, эта система может обеспечить дополнительную работоспособность освещения в течение большого количества темных дней, даже при использовании такой же панели солнечной батареи и аккумулятора. Другими словами, варианты осуществления, описанные в материалах настоящей заявки, могут сделать снижение в потреблении энергии намного более быстрым, чем снижение их яркости, благодаря повышенной эффективности, испытываемой при снижении потребления энергии. Таким образом, энергия одного дня зарядки существующей панели солнечной батареи может обеспечить работу на сниженной мощности более трех дней в состоянии низкого запаса хранилища энергии, даже с такой же панелью солнечной батареи и аккумулятором.

Чтобы сохранить возможность обеспечения требуемой яркости, подсистема освещения сконструирована с тем, чтобы она улучшала свою эффективность, когда аккумуляторное хранилище энергии разряжается. Другими словами, чем меньше оставшейся энергии хранится в аккумуляторе, тем меньше ее потребление фонарями; и все же фонари все еще обеспечивают требуемую яркость освещения посредством повышения эффективности системы во время разрядки аккумулятора. Это происходит по той причине, что снижение потребления световой энергии пропорционально намного быстрее, чем результирующее снижение яркости.

Более того, так как сконструированная подсистема освещения может менять свое потребление энергии, эта система была дополнительно встроена в фонари, чтобы потреблять всю получаемую дневную энергию, когда аккумулятор близок к состоянию полного заряда; таким образом, предотвращая ситуацию чрезмерной зарядки аккумулятора. Эта система была дополнительно встроена в фонари, чтобы потреблять менее четверти ежедневно собираемой панелью солнечной батареи энергии, когда аккумуляторное хранилище энергии близко к разряженному состоянию. Чем ближе состояние полной разрядки, тем меньше потребляет фонарь, приближаясь к нулевому потреблению энергии в разряженном состоянии аккумулятора, что предотвращает ситуацию чрезмерной разрядки.

Таким образом, варианты осуществления подсистемы освещения, описанные выше, обеспечивают два преимущества: (1) зарядка от солнца в течение одного солнечного дня может сохранить в аккумуляторе достаточно энергии для более чем трех дней ночного освещения без дополнительной подачи энергии, как показано в вариантах осуществления; и (2) чрезмерная зарядка или чрезмерная разрядка аккумулятора предотвращаются без активного вмешательства блока управления. Варианты осуществления делают возможным блок управления, который лишь выполняет функции включения и выключения переключателей для зарядки и разрядки аккумулятора. Эта функция переключения потребляет незначительное количество ежедневной энергии с помощью изобретенных конструкций, описанных в материалах настоящей заявки.

Как показано в вариантах осуществления, при замене светодиодных осветительных блоков и связанного блока управления посредством встраивания изобретений коммерческая система может обеспечивать лучшую яркость освещения в течение первых трех ночей, начиная с полной емкости аккумулятора. После этого она все еще может поддерживать освещение выше требуемой яркости в течение трех дополнительных ночей, без какой-либо подачи энергии в течение этих шести последовательных дней. Более того, эта система может стоить меньше изначальной системы.

При оптимизации производительности системы, а также с ценой системы, ограниченной сверху ценой коммерческих уличных фонарей на солнечной энергии, новые сконструированные системы могут поддерживать работу в течение более чем девяти последовательных дождливых дней. Она обеспечивает лучшую яркость, чем коммерческие панели солнечных батарей, в течение первых трех ночей. Затем система продолжает обеспечивать более 90 процентов яркости предыдущего дня в течение дополнительных шести последовательных темных дней без выключения света. Более того, эта система вновь обретает способность обеспечения освещения в течение более чем трех дополнительных ночей всего с 4 часами эффективного солнечного света на 10-й день. Таким образом, когда эти принципы объединяются, они могут преодолеть проблему, рассматриваемую совместно, как описано.

Изобретение относится к конструкции контроллера для системы светодиодного фонаря на солнечной энергии. Техническим результатом является снижение потребления энергии контроллером и системой светодиодного фонаря в целом. Результат достигается тем, что блок управления включает в себя контроллер, который содержит переключающую цепь и который выборочно заряжает аккумулятор от панели солнечной батареи и выборочно разряжает аккумулятор, чтобы питать фонарь. Сам фонарь включает в себя вторую часть блока управления, которая предотвращает состояния чрезмерной зарядки и чрезмерной разрядки аккумулятора. Это может быть выполнено, используя пассивную цепь низкой мощности из СИД и резисторов, оставляя самому контроллеру лишь выполнять переключение. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Контроллер для системы светодиодного освещения, причем контроллер является первой частью блока управления и содержит:

переключатель зарядки аккумулятора для выборочного соединения панели солнечной батареи с аккумулятором для выборочного начала и остановки зарядки аккумулятора;

привод (202А) установки зарядки аккумулятора, который при запуске предписывает переключателю (201) зарядки аккумулятора установиться во включенное состояние, причем привод (202А) установки зарядки аккумулятора может быть запущен, если привод установки зарядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод установки зарядки аккумулятора находится в режиме покоя;

привод (202В) сброса зарядки аккумулятора, который при запуске предписывает переключателю (201) зарядки аккумулятора сброситься в выключенное состояние, причем привод (202В) сброса зарядки аккумулятора может быть запущен, если привод сброса зарядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод сброса зарядки аккумулятора находится в режиме покоя; и

переключатель разрядки аккумулятора для выборочного соединения аккумулятора с фонарем для выборочного включения и выключения фонаря,

при этом фонарь содержит вторую часть блока управления для защиты аккумулятора от состояний чрезмерной зарядки и чрезмерной разрядки с тем, чтобы вторая часть блока управления не находилась в контроллере.

2. Контроллер по п. 1, причем контроллер не выполняет преобразований постоянного тока в переменный ток и не выполняет преобразований переменного тока в постоянный ток.

3. Контроллер по п. 1, причем контроллер не выполняет функцию широтно-импульсной модуляции и не выполняет регулировку напряжения.

4. Контроллер по п. 1, в котором переключатель разрядки аккумулятора выполнен с возможностью находиться в предыдущем состоянии до тех пор, пока не подается энергия, чтобы перевести переключатель разрядки в противоположное следующее состояние.

5. Контроллер по п. 1, в котором переключатель разрядки аккумулятора является реле с фиксацией состояния.

6. Контроллер по п. 1, дополнительно содержащий:

привод установки разрядки аккумулятора, который, при запуске, предписывает переключателю разрядки аккумулятора устанавливаться во включенное состояние, при этом привод установки разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме покоя;

привод сброса разрядки аккумулятора, который, при запуске, предписывает переключателю разрядки аккумулятора сбрасываться в выключенное состояние, при этом привод сброса разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме покоя;

причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится во включенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме покоя,

причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится в выключенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме покоя.

7. Контроллер по п. 1, в котором переключатель зарядки аккумулятора выполнен с возможностью находиться в предыдущем состоянии до тех пор, пока не подается энергия, чтобы перевести переключатель разрядки в противоположное следующее состояние.

8. Контроллер по п. 7, в котором переключатель зарядки аккумулятора является реле с фиксацией состояния.

9. Контроллер по п. 1,

причем когда переключатель зарядки аккумулятора находится во включенном состоянии, переключатель зарядки аккумулятора соединяет питание с приводом сброса зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса зарядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода установки зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки зарядки аккумулятора в режиме покоя,

причем когда переключатель зарядки аккумулятора находится в выключенном состоянии, переключатель зарядки аккумулятора соединяет питание с приводом установки зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки зарядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода сброса зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса зарядки аккумулятора в режиме покоя.

10. Контроллер по п. 1, в котором вторая часть блока управления управляет тем, сколько электроэнергии подается на фонарь, когда фонарь включен.

11. Контроллер по п. 1, дополнительно содержащий:

привод установки разрядки аккумулятора, который, при запуске, предписывает переключателю разрядки аккумулятора устанавливаться во включенное состояние, при этом привод установки разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме покоя;

привод сброса разрядки аккумулятора, который, при запуске, предписывает переключателю разрядки аккумулятора сбрасываться в выключенное состояние, при этом привод сброса разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме покоя;

причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится во включенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме покоя,

причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится в выключенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме покоя,

причем, когда переключатель зарядки аккумулятора находится во включенном состоянии, переключатель зарядки аккумулятора соединяет питание с приводом сброса зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса зарядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода установки зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки зарядки аккумулятора в режиме покоя,

причем, когда переключатель зарядки аккумулятора находится в выключенном состоянии, переключатель зарядки аккумулятора соединяет питание с приводом установки зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки зарядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода сброса зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса зарядки аккумулятора в режиме покоя.

12. Контроллер по п. 1, в котором переключатель разрядки аккумулятора переключается менее 12 раз в день.

13. Контроллер по п. 12, в котором переключатель зарядки аккумулятора переключается менее 12 раз в день.

14. Система светодиодного фонаря, содержащая:

контроллер;

светодиодный фонарь; и

аккумулятор,

при этом контроллер содержит первую часть блока управления, которая включает в себя переключатель разрядки аккумулятора для выборочного соединения аккумулятора с фонарем для выборочного включения и выключения светодиодного фонаря, причем переключатель разрядки аккумулятора имеет как привод установки разрядки аккумулятора, который при запуске предписывает переключателю разрядки аккумулятора устанавливаться во включенное состояние, при этом привод установки разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме покоя, так и привод сброса разрядки аккумулятора, который при запуске предписывает переключателю разрядки аккумулятора сбрасываться в выключенное состояние, при этом привод сброса разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме покоя,

при этом светодиодный фонарь содержит вторую часть блока управления для регулировки потребления энергии фонарем в соответствии с состоянием хранилища энергии в аккумуляторе с тем, чтобы вторая часть блока управления не находилась в контроллере.

15. Система светодиодного фонаря по п. 14, причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится во включенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме покоя,

причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится в выключенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме покоя.

16. Система светодиодного фонаря, содержащая:

контроллер;

светодиодный фонарь; и

аккумулятор;

при этом контроллер содержит первую часть блока управления, которая включает в себя переключатель зарядки аккумулятора для выборочного соединения панели солнечной батареи с аккумулятором для выборочного начала и остановки зарядки аккумулятора; и переключатель разрядки аккумулятора для выборочного соединения аккумулятора с фонарем для выборочного включения и выключения фонаря, причем переключатель зарядки аккумулятора имеет как привод установки зарядки аккумулятора, который при запуске предписывает переключателю зарядки аккумулятора устанавливаться во включенное состояние, при этом привод установки зарядки аккумулятора может быть запущен, если привод установки зарядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод установки зарядки аккумулятора находится в режиме покоя, так и привод сброса зарядки аккумулятора, который при запуске предписывает переключателю зарядки аккумулятора сбрасываться в выключенное состояние, при этом привод сброса зарядки аккумулятора может быть запущен, если привод сброса зарядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод сброса зарядки аккумулятора находится в режиме покоя,

при этом светодиодный фонарь содержит вторую часть блока управления для защиты аккумулятора от состояний чрезмерной зарядки и чрезмерной разрядки с тем, чтобы вторая часть блока управления не находилась в контроллере.

17. Система светодиодного фонаря по п. 16, в которой контроллер дополнительно содержит:

привод установки разрядки аккумулятора, который, при запуске, предписывает переключателю разрядки аккумулятора устанавливаться во включенное состояние, при этом привод установки разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме покоя;

привод сброса разрядки аккумулятора, который, при запуске, предписывает переключателю разрядки аккумулятора сбрасываться в выключенное состояние, при этом привод сброса разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме покоя;

причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится во включенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме покоя,

причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится в выключенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме покоя.

18. Система светодиодного фонаря по п. 16, причем, когда переключатель зарядки аккумулятора находится во включенном состоянии, переключатель зарядки аккумулятора соединяет питание с приводом сброса зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса зарядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода установки зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки зарядки аккумулятора в режиме покоя,

причем когда переключатель зарядки аккумулятора находится в выключенном состоянии, переключатель зарядки аккумулятора соединяет питание с приводом установки зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки зарядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода сброса зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса зарядки аккумулятора в режиме покоя.

19. Система светодиодного фонаря по п. 16, в которой контроллер дополнительно содержит:

привод установки разрядки аккумулятора, который, при запуске, предписывает переключателю разрядки аккумулятора устанавливаться во включенное состояние, при этом привод установки разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод установки разрядки аккумулятора находится в режиме покоя;

привод сброса разрядки аккумулятора, который, при запуске, предписывает переключателю разрядки аккумулятора сбрасываться в выключенное состояние, при этом привод сброса разрядки аккумулятора может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме ожидания, но не может быть запущен, если привод сброса разрядки аккумулятора находится в режиме покоя;

причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится во включенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме покоя,

причем когда переключатель разрядки аккумулятора находится в выключенном состоянии, переключатель разрядки аккумулятора соединяет питание с приводом установки разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки разрядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода сброса разрядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса разрядки аккумулятора в режиме покоя,

причем когда переключатель зарядки аккумулятора находится во включенном состоянии, переключатель зарядки аккумулятора соединяет питание с приводом сброса зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса зарядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода установки зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки зарядки аккумулятора в режиме покоя,

причем когда переключатель зарядки аккумулятора находится в выключенном состоянии, переключатель зарядки аккумулятора соединяет питание с приводом установки зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод установки зарядки аккумулятора в режиме ожидания, и отсоединяет питание от привода сброса зарядки аккумулятора, чтобы подготовить привод сброса зарядки аккумулятора в режиме покоя.

20. Система светодиодного фонаря по п. 16, дополнительно содержащая панель солнечной батареи.

21. Система светодиодного фонаря по п. 16, дополнительно содержащая аккумулятор.

22. Устройство управления питанием, содержащее:

переключатель;

первую подсистему, содержащую:

первую управляющую схему, выполненную с возможностью переводить переключатель из выключенного состояния во включенное состояние при запуске; и

первую пусковую схему, выполненную с возможностью запускать первую управляющую схему, когда первая пусковая схема принимает первый сигнал, сгенерированный, когда наступает первое условие; и

вторую подсистему, содержащую:

вторую управляющую схему, выполненную с возможностью переводить переключатель из включенного состояния в выключенное состояние при запуске; и

вторую пусковую схему, выполненную с возможностью запускать первую управляющую схему, когда вторая пусковая схема принимает второй сигнал, сгенерированный, когда наступает второе условие; при этом:

переключатель управляет соединением и разъединением источника питания с первой подсистемой и второй подсистемой с тем, чтобы переключатель соединял только одну из первой и второй подсистем за раз с источником питания, переводя соединенную подсистему в режим ожидания, и отсоединяя другую из первой и второй подсистем, таким образом, переводя ее в режим покоя,

причем когда первая подсистема находится в режиме ожидания и принимается первый сигнал, первая пусковая схема приводит в действие переключатель и также отсоединяет источник питания от первой подсистемы, предписывая первой подсистеме переходить в режим покоя, а также соединяет источник питания со второй подсистемой, предписывая второй подсистеме переходить в режим ожидания;

причем когда вторая подсистема находится в режиме ожидания и принимается второй сигнал, вторая пусковая схема приводит в действие переключатель и также отсоединяет источник питания от второй подсистемы, предписывая второй подсистеме переходить в режим покоя, а также соединяет источник питания с первой подсистемой, предписывая первой подсистеме переходить в режим ожидания.