CC BY
3УДК 620.92
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ СВЕТИЛЬНИК С ПИТАНИЕМ ОТ СОЛНЕЧНЫХ
БАТАРЕЙ
Сермягина Е.К., студент группы 16ЭЭ(ба)-3, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: sermyagina-ek@mail.ru
Пищугин Д.А., студент группы 16ЭЭ(ба)-2, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: pishygin@mail.ru
Федюнин А.А., студент группы 16ЭЭ(ба)-3, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: fogislol@gmail.com
Научный руководитель: Валиуллин К.Р., преподаватель кафедры электро- и теплоэнергетики Оренбургский государственный университет, Оренбург
Актуальность исследуемой проблемы обусловлена интенсивным развитием альтернативных источников энергии, возможностью экономии средств и востребованностью для населения городов. Большим достоинством солнечной энергии является возможность генерации у конечного потребителя и сокращения потерь при передаче электроэнергии. Одной из возможных сфер применения солнечной энергии является питании систем освещения. В данной статье описываются этапы создания энергосберегающего светодиодного светильника с питанием от солнечных батарей, представлена упрощенная методика расчета емкости аккумулятора для устройств данного типа. В результате расчетов были подобраны оптимальные параметры светильника, а также реализован его прототип, доказавший свою работоспособность.
Ключевые слова: Солнечная батарея, аккумулятор, солнечная энергия, светодиоды, фонарь, энергоэффективность.
В настоящее время внедрение альтернативных источников энергии является одним из перспективных направлений развития электроэнергетической отрасли. В стратегии развития энергетики до 2030 года особое внимание уделяется развитию солнечной энергетики в России [1].
Можно выделить следующие достоинства использования энергии солнца:
1. Обильность - потенциал солнечной энергии огромен - поверхность Земли облучается 120 тыс. тераваттами солнечной энергии, что значительно превышает общемировую потребность в энергии. [2].
2. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как для выработки энергии в данном случае не требуется топлива.
3. Экологическая чистота - отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.
4. Возобновляемость.
Внедрение альтернативных источников происходит по двум основным направлениям - строительство крупных электростанций, использующих энергию солнца, ветра или других возобновляемых источников, либо использование альтернативных источников энергии для питания отдельных потребителей электрической энергии. Наиболее эффективной является выработка электрической энергии непосредственно у потребителя, так как это позволяет уменьшить потери, связанные с передачей электрической энергии.
Одним из наиболее распространённых в бытовом секторе потребителей электроэнергии являются осветительные приборы. В крупных городах, на долю освещения может приходиться до 40 % от всей потребляемой энергии [3]. Исходя из этих цифр, в данной области очень большой потенциал экономии, который можно реализовать с помощью разработки осветительных приборов с питанием от альтернативных источников энергии.
Современные фонари на солнечных батареях - это рациональное решение позволяющее освещать труднодоступные для прокладывания электрических кабелей районы, а также уменьшить расходы на электроэнергию и постоянное эксплуатационное обслуживание. Рассмотрим основные этапы создания энергоэффективного светильника с питанием от солнечных батарей (СБ).
В связи с тем, что выработка электрической энергии СБ осуществляется в светлое время суток, а освещение требуется ночью, встает вопрос необходимости хранения выработанной СБ электроэнергии. Для этой цели было решено использовать литиево-ионный аккумулятор. Данный тип аккумуляторов имеет безусловные преимущества перед всеми существующими на сегодняшний день аналогами. В данной области применения наиболее существенными достоинствами является отсутствие эффекта памяти -аккумулятор не требует полной разрядки перед циклом заряда, а также возможность эксплуатации в широком диапазоне температур (от -40°С +50°С). Для контроля зарядки и разрядки аккумулятора используется модуль зарядки ТР4056, характеристики которого представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики модуля зарядки ТР4056
Параметр Значение
Точность определения уровня заряда 1,5 %
Напряжение питания 5 Вольт
Максимальный зарядный ток 1 Ампер
Максимальное напряжение полного заряда 4,2 Вольт
Рабочая температура -10 °С - +85 °С
В связи с тем, что в зависимости от количества солнечных лучей, напряжение на СБ может варьироваться в диапазоне от 8 до 15 В, а для зарядки аккумулятора требуется напряжение в 5 В, для стабилизации напряжения используется преобразователь постоянного напряжения, характеристики которого представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Характеристики преобразователя напряжения
Параметр Значение
Входное напряжение 8 В-36 В
Выходное напряжение 1,25 В-32 В
Выходной ток до 5А
Эффективность преобразования 95 %
Рабочая температура -40 °С до + 85 °С
Запасенная в аккумуляторе энергия используется в темное время суток для питания 5 светодиодов (напряжение питания - 3В, потребляемый ток: 20тА) . Светодиоды выбраны как наиболее экономичный источник света. Структурная схема светильника представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема светильника
В связи с тем, что мощность СБ, емкость аккумуляторов и мощность светодиодов могут быть выбраны в широких пределах, встал вопрос о подборе оптимальной емкости аккумулятора, одновременно обеспечивающей работу светильника в течение всей ночи и в то же время, имеющей возможность запасти всю выработанную солнечной панелью энергию.
Количество электроэнергии, выработанное солнечной батареей за день можно найти по формуле:
Wсб=Pсб•tд (1)
где Рсб - мощность солнечной батареи, Вт;
1;д - продолжительность светлого времени суток, ч.
Количество электроэнергии, необходимое для питания светодиодов, можно найти по формуле:
Wсд=Pсд•tн (2)
где Рсд - мощность светодиодов, Вт
1;н - продолжительность темного времени суток, ч.
Основной сложностью является тот факт, что продолжительность светлого и темного времени суток изменяется в течение года, причем максимальная продолжительность ночи для Оренбурга составляет 12 часов [4].
Для экспериментального прототипа были выбраны светодиоды мощностью в 1 Вт и солнечная батарея мощностью 3 Вт. Исходя из этих значений, были построены графики зависимости количества запасенной в аккумуляторах энергии и энергии, требуемой для питания светодиодов, от продолжительности светлого времени суток. Такие факторы как КПД преобразователя и зарядного устройства, а также нестабильность солнечного излучения в течение дня были учтены упрощенно, путем повышения мощности светодиодов и снижения мощности солнечной батареи. Количество электроэнергии, необходимое для питания светодиодов было выражено через продолжительность светлого времени суток по формуле:
Wсд=Pсд•(24-4-tд) (3)
где - 4 часа - средняя продолжительность сумеречного времени [5].
График зависимости потраченной и накопленной энергии представлен на рисунке 2.
Левая часть графика (область 1), представляет собой продолжительность светового дня, при которой энергии, выработанной СБ не хватит для питания светодиодов течение всей ночи. Точка пересечения графиков показывает продолжительность дня, при которой количество выработанной энергии будет равно количеству потребленной энергии, а правая область (2) - число часов, когда СБ будет вырабатывать больше энергии, чем потребят светодиоды. Исходя из пересечения графиков, была подобрана оптимальная емкость аккумулятора в 15 Вт*ч.
Рисунок 2 - График зависимости потраченной и накопленной энергии
В результате проделанной работы был разработан прототип энергоэффективного светильника на солнечных батареях, подобраны элементы и параметры схемы. Исходя из продолжительности светового дня в г. Оренбурге была подобрана емкость аккумулятора равная 15 Вт*ч. Внешний вид разработанного светильника представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Внешний вид разработанного светильника
Надежность и простота конструкции, использование слабых токов делают прибор абсолютно безопасным для человека. В дальнейшем планируется добавление к конструкции датчиков движения и освещенности для увеличения энергоэффективности устройства.
Литература
1. Министерство энергетики: Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://minenergo.gov.ru/node/1026 - (дата обращения: 21.05.2017).
2. Преимущества и недостатки солнечной энергии. [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://solarelectro.ru/articles/preimuschestva-i-nedostatki-solnechnoj-energii -(дата обращения: 21.05.2017).
3. Семенова, Н.Г. Интеллектуальная система энергоэффективного управления уличным освещением на основе нейросетевых технологий / Н.Г.Семенова, К.Р. Валиуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2015. - № 4 (179). - С. 183-188.
4. Время восхода и захода солнца в г. Оренбург. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://voshod-solnca.ru/Оренбург.html - (дата обращения: 21.05.2017).
5. Информация о солнце в Оренбурге, Россия. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.365.wiki/world/russia/orenburg/sun/ - (дата обращения: 21.05.2017).
