CC BY
9
УДК 620.9
МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО РЕЖИМА РАБОТЫ ПОРТАТИВНЫХ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Р.Х. ТУКШАИТОВ*, Я.Ш. АЛХАМСС*, Р.М. НИГМАТУЛЛИН**, Р.Р. ШИРИЕВ*
*Казанский государственный энергетический университет ** Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН
В работе описана методика обеспечения энергосберегающего режима работы портативных светодиодных светильников, питаемых от гальванических батарей и предназначенных для длительной эксплуатации их в аварийных и полевых условиях.
Ключевые слова: энергосбережение, освещенность, светодиоды, аварийные условия, гальванические элементы.
Введение
В последнее десятилетие участились стихийные бедствия и промышленные катастрофы. В результате колоссальных затоплений город Крымск и поселок Новая Михайловка в Краснодарском крае ( или Краснодарской области) в июле и августе 2012 года оказались обесточенными, в Московской области в 2011 году остались без энергоснабжения на две недели более 50 тысяч человек, в Калининградской области в том же году более чем на сутки оказался обесточенным военный городок и др. Немало подобных происшествий происходит и за рубежом. Это большая авария в Японии на Фокусимской АЭС в 2011 году, в городе Нью-Йорк и в штате Нью-Йорк в июне, августе, октябре и ноябре 2012 года до 500 тысяч человек оказались надолго без электроэнергии после пронесшихся ураганов.
В связи с этим актуальной является проблема обеспечения аварийного освещения портативными светодиодными светильниками (СДС), питаемыми от гальванических батарей, и повышения их энергоэффективности.
Следует иметь в виду, что в аварийных и полевых условиях основным требованием, предъявляемым к светильнику, является обеспечение длительной его работы даже за счет снижения начального уровня освещенности. Вместе с тем, иногда возникает необходимость, наоборот, в кратковременном обеспечении достаточно высокой освещенности для просмотра удаленных и трудно доступных объектов.
Ранее было установлено, что применяемые режимы питания портативных светодиодных светильников и портативных измерительных приборов вызывают практически значительный или даже полный разряд батарей за несколько первых часов непрерывной работы [1-5]. Это обусловлено тем, что питание их осуществляется от трех или четырех батарей, суммарное напряжение которых существенно превышает номинальное напряжение светодиодов и вызывает значительную силу тока в момент включения питания и первые десять-двадцать минут его работы. В результате, к концу первых суток снижение уровня освещенности портативных светильников происходит в 30-50 раз.
В случае питания СДС от двух батарей начальная освещенность в несколько раз меньше [6]. При этом одновременно сокращается и длительность работы светильника.
© Р.Х. Тукшаитов, Я.Ш. Алхамсс, Р.М. Нигматуллин, Р.Р. Шириев Проблемы энергетики, 2013, № 3-4
Такой режим питания светильников можно применять лишь при использовании гальванических батарей с большой электрической емкостью типа R14 или R20.
При питании СДС от трех или четырех гальванических элементов для предотвращения ускоренной деградации светодиодов и увеличения длительности непрерывной работы светильника от одного комплекта батарей целесообразно использовать ограничительный резистор, который пока в них не применяется. При этом разрядные и ампер-люксовые характеристики гальванической батареи, светодиодного модуля и резистора образуют достаточно сложную нелинейную систему, освещенность которой может быть представлена многофункциональной зависимостью
E = f(UБАТ, 1СДС, %ГР X
где UБАТ = f (1СДС ); 1СДС = f (иСДС ), а %ГР = f (UБАТ, ^СДС ,иСДС ).
При такой сложной нелинейной системе определить аналитически значение сопротивления ограничительного резистора достаточно сложно. В связи с этим возникла необходимость в разработке методики, которая позволила бы обеспечить требуемые светотехнический режим и время непрерывной работы СДС от одного комплекта батарей.
Методика определения параметров энергосберегающего режима
Расчет параметров энергосберегающего режима работы СДС в условиях необходимости увеличения длительности работы гальванических элементов может быть осуществлен в следующей последовательности.
1. Снять ампер-люксовую (АЛХ) и вольт-люксовую (ВЛХ) характеристики портативного светодиодного светильника.
2. Выбрать минимально-допустимый уровень начальной освещенности для обеспечения значительного увеличения длительности непрерывной работы одного комплекта гальванической батареи.
3. Используя АЛХ и ВЛХ, определить рабочие значения силы тока (1сдс ) и
напряжения питания (U сдс ) светодиодного светильника, соответствующие
выбранному уровню освещенности.
4. Выбрать один из типов батарей (R03 AAA, R6 AA, R14, R20) с учетом электроемкости, способный обеспечить необходимую длительность непрерывной работы СДС.
5. Графоаналитическим методом по ампер-вольтовой характеристике (АВХ) выбранного типа гальванического элемента определить начальное напряжение на батарее (Uбат ), соответствующее рабочему значению силы тока ( 1сДС ).
6. Определить значение напряжения, которое требуется погасить на ограничительном резисторе по формуле:
U = иБАТ - Uсдс . (1)
7. Рассчитать сопротивление ограничительного резистора, пользуясь следующим выражением:
^ОГР = U/1 = (UБАТ -UСДС)/ 1СДС. (2)
Результаты апробации методики и их обсуждение
Практическую реализацию предложенной методики расчета параметров энергосберегающего режима светодиодного светильника покажем применительно к светильнику типа IAZZWAY Т1-24, содержащему 24 светодиода [5].
На рис.1 показана экспериментально полученная ампер-люксовая характеристика данного СДС, позволяющая установить по требуемому уровню начальной © Проблемы энергетики, 2013, № 3-4
освещенности необходимое значение силы тока. Освещенность измерялась по оптической оси СДС на расстоянии 50 см по ранее предложенной методике [2].
Е'лк 160 140
120 100
80 60 40 20
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 I, мА Рис. 1. Ампер-люксовая характеристика СДС ЬАТХШАУ Т1-24
На рис. 2 показан график вольт-люксовой характеристики СДС. С его помощью определяем значение напряжения (исдс ), необходимое для обеспечения небольшого или, наоборот, повышенного уровня освещенности.
Е,лк 160 140
120 100
80 60 40 20
0
2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 и, В Рис. 2. Вольт-люксовая характеристика СДС ЬАТХШАУ Т1-24
Наличие точек перегиба на графиках рис. 1 и 2 при силе тока более 250-300 мА и напряжении на светодиодах более 3,2 В обусловлено повышенным протеканием тока через отдельные светодиоды, вызывающим увеличение температуры р-п переходов и, соответственно, снижение их квантового выхода.
Выходное напряжение гальванической батареи определяется величиной сопротивления нагрузки или силой тока в её цепи. На рис. 3 и 4 показаны графики зависимостей напряжения от силы тока для шести основных типов гальванических элементов, имеющих разные исходные электроемкости. © Проблемы энергетики, 2013, № 3-4
U, В 1,7 1,65 1,6 1,55 1,5 1,45 1,4 1,35 1,3
100 200 300 400 500 600 700 I, мА
гис. 3. нормативные ампер-волтвтоввте характеристики
солевых и щелочных гальванических элементов типа R03 AAA и R6 AA
Е,лк 1 7 1,65 1,6 1,55 1,5 1,45 1,4 1,35 1,3
—»—RD14
-RD20
100 200 300 400 500 600
700
I, мА
Рис. 4. Ампер-вольтовые характеристики солевых гальванических элементов типа R14 и R20
Данные графики могут быть использованы в качестве нормативных и пригодны для расчетов режимов работы светильников со сравнительно большим токопотреблением или большим числом светодиодов (до 50). Нередко для расчетов можно также воспользоваться результатами аппроксимации графиков, представленных на рис. 3 и 4.
Графики, отражающие зависимость напряжения гальванических элементов от силы тока, аппроксимируются с достаточной точностью линейными уравнениями. Так, для солевых и щелочных гальванических элементов типа R03 AAA и R6 AA они могут быть описаны следующими соответствующими выражениями:
0
0
и БАТ = 1,69 - 0,0008I, R = 0,96
U БАТ = 1,68 - 0,0005I, R = 0,98
U БАТ = 1,64 - 0,0002I,R2 = 0,99
U БАТ = 1,64 - 0,0005I, R = 0,97
Для солевых батарей с большей электроемкостью типа R14 и R20 графики аппроксимируются несколько иными выражениями:
U БАТ = 1,61 - 0,0002I, R = 0,97
U БАТ = 1,61 - 0,0003I, R2 = 0,99
Полученные высокие коэффициенты дискриминации свидетельствуют о достаточно высокой точности аппроксимации экспериментальных зависимостей.
Пример. Допустим, с целью энергосбережения выберем начальный уровень освещенности, равный 40 лк. Данный уровень освещенности, согласно графику рис. 1, обеспечивается при силе тока 85 мА и напряжении питания 3,03 В. В описываемом примере для питании СДС JAZZWAY T1-24 применим три солевых гальванических элемента (ГЭ) типа R6 АА. Как видно из рис. 3, при потреблении 85 мА напряжение на одном гальваническом элементе составляет 1,64 В, а на трех - соответственно 4,92 В при требуемом напряжении питания СДС, равном 3,03 В. Следовательно, для обеспечения необходимой силы тока в цепи СДС требуется погасить 1,89 В с помощью дополнительного резистора.
На основе полученных значений Uбат , Uсдс и 1сдс можно по формуле
(2) определить, что значение сопротивления ограничительного резистора при выбранном уровне освещенности 40 лк и питании СДС от трех гальванических элементов типа R6 АА должно быть равно 22 Ом.
Аналогичным образом, используя предложенную методику, можно определить требуемое значение сопротивления резистора при обеспечении в экстремальных условиях, наоборот, достаточно высокой освещенности, используя запредельные значения силы тока, но на короткие интервалы времени.
Выводы
На основе предложенной методики можно расчетным путем определить оптимальные режимы работы светодиодных светильников, необходимые для эксплуатации их в аварийных условиях и питании от разных типов гальванических элементов.
Summary
This paper describes a method of providing power-saving mode for portable LED lights powered by battery cells, and intended for the duration of their use in extreme conditions.
Keywords: energy, lighting, LED diodes, extreme conditions, galvanic cells.
Литература
1. Недзвецкая Р.Я., Тукшаитов Р.Х., Нигматуллин Р.М. Повышение длительности работы портативных мобильных приборов на основе анализа разрядных характеристик гальванических источников питания / Известия вузов. Проблемы энергетики. 2009. № 5-6. С. 126-131.
2. Тукшаитов Р.Х., Сайфутдинова В.Р., Алхамсс Я.Ш., Шириев Р.Р. Обеспечение энергоресурсосбережения при питании светодиодных ламп от гальванических элементов / Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 11-12. С. 108-114.
3. Тукшаитов Р.Х. Недзвецкая Р.Я. О роли разрядных кривых гальванических батарей в обеспечении длительности работы электронных приборов в теплоэнергетике//Сб. докл. 19-ой
Всероссийской межвуз. научно-техн. конф. «Электротехнические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная и акустическая диагностика, приборы и методы контроля природной среды. Казань, 2007. С. 65-66.
4. Киямутдинова А.Р., Айхайти Исыхафэту, Тукшаитов Р.Х. Исследования эксплуатационных характеристик светильника IAZZWAY, питаемого от гальванических элементов / Тез. докл. 18-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. М.: МЭИ, 2012. С. 187.
5. Тукшаитов Р.Х., Нигматуллин Р.М., Недзвецкая Р.Я., Нуруллин Р.Г., Писклова Н.В. Повышение длительности работы кислородомера МАРК-302Т в теплоэнергетике на основе изучения энергоресурсов гальванических батарей типа 6F 22 9В //Труды академэнерго. 2007. № 6. С. 54-62.
Поступила в редакцию 14 ноября 2012 г.
Тукшаитов Рафаил Хасьянович - профессор кафедры «Светотехника и медико-биологическая электроника» (СМЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 519-42-79.
Алхамсс Ясер Шафик - аспирант кафедры «Светотехника и медико-биологическая электроника» (СМЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 519-42-79
Нигматуллин Рустэм Мухамедович - старший научный сотрудник лаборатории энергосберегающих технологий и перспективных источников энергии Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН. Тел. 8 (843) 293-33-09.
Шириев Равиль Рафисович - доцент кафедры «Светотехника и медико-биологическая электроника» (СМЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 519-42-79.
