DE4107107A1 - Solarbetriebene beleuchtungseinrichtung, insbesondere strassenleuchte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine solarbetriebene Beleuchtungs­ einrichtung, insbesondere eine Straßenleuchte, mit einer von einer fotovoltaischen Anordnung gespeisten Batterie und mit einer elektronischen Steuervorrichtung zur Steuerung einer die Batterie nur bei Dunkelheit mit wenigstens einer Leuchte verbindenden Schalteinrichtung.

Bei solarbetriebenen Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere auch bei Straßenleuchten, ist die zur Verfügung stehende Fläche zur Unterbringung von Solarzellen zum einen durch das Design der jeweiligen Beleuchtungseinrichtung und zum anderen durch die entstehenden Kosten begrenzt. Eine be­ grenzte Fläche und ein zumindest in vielen Regionen begrenztes Energieangebot erfordern einen sehr effizienten Umgang mit der zur Verfügung stehenden, gespeicherten Energie. Die Beleuchtungseinrichtung sollte also immer nur dann Licht abgeben, wenn das Licht dringend benötigt wird.

Bekannte solarbetriebene Beleuchtungseinrichtungen leuchten entweder während der ganzen Nacht oder während einer fest­ gelegten Zeit, z. B. 6 Stunden. Dies führt beispielsweise im Sommer zu unnötig langen Leuchtzeiten. Zwar steht im Sommer ein größeres Energieangebot zur Verfügung, jedoch führt die erhöhte Belastung der Batterie zu einer kürzeren Lebensdauer. Weitere bekannte Beleuchtungseinrichtungen benötigen eine aufwendige Uhr mit den dabei verbundenen Nachteilen, wie das Stellen der Uhr bei der Inbetriebnahme, das Verstellen der Uhr auf Grund von Ungenauigkeiten und bei Totalausfall ein neues Stellen der Uhr. Bei einer großen Anzahl von Beleuchtungseinrichtungen, also z. B. gerade bei Straßenleuchten, wäre der Wartungsaufwand unzulässig hoch und würde zu einer verminderten Akzeptanz der Fotovoltaik führen.

Gibt man einer derartigen Beleuchtungseinrichtung eine fest vorgegebene, gleichbleibende Brenndauer vor, so nimmt bei kontinuierlich schlechter Einstrahlung z. B. bei sich ver­ kürzenden Tagen und gleichzeitig vorherrschendem schlechten Wetter der Speicherinhalt immer weiter ab, bis er so weit abgesunken ist, daß beispielsweise ein Tiefentladungsschutz die Beleuchtungseinrichtung vorzeitig vom Speicher trennt. Ab diesem Zeitpunkt kann das System nur noch mit der Energie­ menge arbeiten, die über die fotovoltaische Anordnung täglich zugeführt wird. Bei schlechtem Wetter führt dies oft zu sehr kurzen Brenndauern, oder ein Einschalten der Beleuch­ tungseinrichtung unterbleibt ganz.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die keine Wartung oder Bedienung erfordert und eine automatische Anpassung an sich verändernde Einstrahl­ bedingungen rechtzeitig vornimmt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektronische Steuereinrichtung als lernendes System ausge­ bildet ist, das in Abhängigkeit des Ladepegels der Batterie und/oder der tagsüber durch die fotovoltaische Anordnung aufgenommenen Lichtmenge die Vorgabe der nächtlichen Brenn­ dauer der wenigstens einen Leuchte im gleichen Sinne ver­ ändert.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird rechtzeitig, also noch vor Erreichen der Tiefentladungsgrenze der Batterie, die Brenndauer reduziert, und zwar so lange, vorzugsweise schrittweise, bis sich die Batterie wieder erholt. Die einge­ sparte Energiemenge steht dann an ganz schlechten Tagen zur Verfügung. Hierdurch wird eine kontinuierliche Betriebs­ weise erreicht, das heißt, die Brenndauer verändert sich nie sprunghaft, sondern immer allmählich. Hierdurch wird nicht nur die Batterie geschont, sondern ein stetig arbeiten­ des Fotovoltaik-System wird auch besser akzeptiert. Ein­ stellungen sind hierbei in keiner Weise erforderlich. Selbst eine Ersteinstellung kann entfallen, da das lernende System nach wenigen Tagen eine der Lichteinstrahlung angepaßte Brenndauer selbständig eingestellt hat. Da die Lebensdauer der Batterie vom Energiedurchsatz oder die Lebensdauer bei­ spielsweise der Leuchte von den Brennstunden abhängt, wird die Lebensdauer des Gesamtsystems erhöht, wobei sich der Wartungsaufwand und die Wiederbeschaffungskosten entsprechend vermindern.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen solarbetriebenen Beleuchtungs­ einrichtung möglich.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind Mittel zur Ver­ kürzung der Brenndauer bei Unterschreitung und zur Verlänge­ rung der Brenndauer bei Überschreitung eines ersten vorgeb­ baren Ladepegels und/oder einer vorgebbaren aufgenommenen Lichtmenge vorgesehen. Hierdurch kann die Veränderung und die Anpassung der Brenndauer über ein sehr einfaches Kriterium erfolgen.

Als Tiefentladungsschutz können noch zusätzlich Mittel zur Abschaltung der wenigstens einen Leuchte bei Unterschreitung eines zweiten, gegenüber dem ersten niedrigeren minimalen Ladepegels vorgesehen sein.

Um im Sommer eine unnötig lange Brenndauer zu verhindern, sind in vorteilhafter Weise Mittel zur Vorgabe einer von der Jahreszeit abhängigen maximalen Brenndauer vorgesehen. Auch hier erfolgt die Einstellung derselben vollautomatisch.

In der elektronischen Steuervorrichtung ist zweckmäßigerweise die Brenndauer als Funktion der Jahreszeit enthalten, bei­ spielsweise in tabellarischer Form oder als funktionale Abhängigkeit.

Um einen manuellen Eingriff zur Berücksichtigung individueller Wünsche vornehmen zu können, sind manuelle Einstellmittel zur Veränderung der vorgegebenen Funktion vorgesehen.

Zur Erfassung der Jahreszeit wird im einfachsten Fall die Tages- oder Nachtlänge erfaßt. Hierzu sind Mittel zur Er­ fassung der fotovoltaisch erzeugten Energie vorgesehen, wobei Zeiten unterhalb eines vorgesehenen Werts die Nacht­ länge und Zeiten oberhalb eines vorgesehenen Werts die Tag­ länge vorgeben. Hierdurch kann die Jahreszeit über eine einfache Vergleichseinrichtung in Verbindung mit einem Zähl­ vorgang erfaßt werden.

Die festgelegte nächtliche Brenndauer kann nach dem abend­ lichen Einschaltzeitpunkt vollständig ablaufen, oder sie kann auch teilweise vor dem morgendlichen Ausschaltzeitpunkt ablaufen.

Die elektronische Steuervorrichtung ist zweckmäßigerweise als Mikrorechner ausgebildet. Ein erforderlicher Laderegler für die Batterie kann bis auf die Endstufe im Mikrorechner integriert sein, so daß eine kostengünstige und kleinvolumige Anordnung erzielt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer solarbetriebenen Beleuchtungseinrichtung, und

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Solarzellenanordnung 10 als fotovoltaische Anordnung mit einem Anschluß direkt und mit dem anderen Anschluß über eine Diode 11 mit einer aufladbaren Batterie 12 verbunden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Blei-Akku oder um einen NC-Akku handeln. Die Batterie 12 ist über einen Halbleiterschalter 13 mit einer Leuchte 14 verbunden, der noch weitere Leuchten parallelgeschaltet sein können, wie dies gestrichelt dargestellt ist. Die Leuchte 14 oder ge­ gebenenfalls weitere Leuchten sind Bestandteil einer nicht näher dargestellten Beleuchtungseinrichtung, wie einer solar­ betriebenen Straßenleuchte, Gartenleuchte, Schaufenster­ beleuchtung od. dgl.

Als elektronische Steuervorrichtung ist ein Mikrocomputer 15 vorgesehen, der in bekannter Weise mit einem integrierten EEPROM-Speicher für die Software und einem ebenfalls inte­ grierten A/D-Wandler zur Erfassung von Analoggrößen versehen ist. Auf diese Einzelheiten wurde zur Vereinfachung der Darstellung verzichtet. Der Mikrocomputer 15 ist parallel zur Batterie 12 geschaltet, wobei ein Gleichspannungswandler 16 eine Anpassung an die erforderliche Betriebsspannung und - falls erforderlich - auch noch eine Spannungsstabilisie­ rung vornimmt.

Zur Erfassung der in die Solarzellenanordnung 10 eingestrahl­ ten Lichtmenge und damit der fotovoltaisch erzeugten elektri­ schen Energie ist parallel zur Solarzellenanordnung 10 ein aus zwei Widerständen 17,18 bestehender Spannungsteiler geschaltet, dessen Abgriffsspannung U₁ einem ersten Analog­ eingang 19 des Mikrocomputers 15 zugeführt ist. Entsprechend ist zur Erfassung der Batteriespannung ein zweiter, ebenfalls aus zwei Widerständen 20, 21 bestehender Spannungsteiler parallel zur Batterie 12 geschaltet, wobei die am Spannungs­ abgriff abgegriffene Spannung U₂ einem zweiten Analogeingang 22 des Mikrocomputers 15 zugeführt wird. Um eine temperatur­ korrigierte Ladeschlußspannung zu erzielen, ist ein als NTC-Widerstand ausgebildeter temperaturabhängiger Widerstand 23 an oder in der Batterie 12 angeordnet, dessen beide An­ schlüsse ebenfalls Eingängen des Mikrocomputers 15 zugeführt sind.

Als Laderegler ist ein weiterer Halbleiterschalter 24 par­ allel zur Solarzellenanordnung 10 geschaltet. Dieser Halb­ leiterschalter 24, wie auch der erste Halbleiterschalter 13, sind im Ausführungsbeispiel als n-Kanal-Enhancement-Mos­ fets ausgebildet, die über digitale Ausgänge des Mikrocom­ puters 15 gesteuert werden. Selbstverständlich sind hierfür auch andere Arten von Halbleiterschaltern einsetzbar.

Zur manuellen Veränderung der Brenndauer ist ein einstell­ barer Widerstand 25 am Mikrocomputer 15 angeschlossen. Bei Bedarf können selbstverständlich auch noch andere manuelle Eingriffe vorgesehen sein, die jedoch prinzipiell nicht erforderlich sind.

Bei dem dargestellten minimalen Hardware-Aufwand gemäß Fig. 1 kann ein geringer Eigenstromverbrauch von beispielsweise 500 µA erreicht werden.

Das in Fig. 2 dargestellte Flußdiagramm dient zur Erläuterung der Wirkungsweise des Mikrocomputers 15 in Verbindung mit den übrigen Bauteilen.

Sobald der Mikrocomputer 15 vom Gleichspannungswandler 16 die erforderliche Betriebsspannung erhält, beginnt sein Programmablauf zunächst mit einer üblichen Start- und Ini­ tialisierungsphase 26. Danach erfolgt im Schritt 27 ein Vergleich der am Spannungsteiler 17, 18 abgegriffenen Spannung U₁ mit einer vorgegebenen Spannung U_x, die dem Grenzwert zwischen Helligkeit und Dunkelheit bzw. Tag und Nacht ent­ spricht. Zur Erläuterung wird jetzt davon ausgegangen, daß die Spannung U₁ gerade die Spannung U_x überschreitet, daß also der Tag angebrochen ist. Nun wird im Schritt 28 eine neue Messung der Tageslänge T gestartet. Dann wird im Schritt 29 durch Ansteuerung des Halbleiterschalters 13 die Lampe 14 ausgeschaltet. Anschließend erfolgt eine Rückkehr zum Schritt 27. Diese Schleife wird so lange durchlaufen, bis die Spannung U₁ wieder unter die Spannung U_x absinkt, das heißt, bis die Nacht anbricht.

Nun wird im Schritt 30 die Messung der Tageslänge T beendet, die beispielsweise durch einen Zählvorgang zwischen dem Meßstart und dem Meßende ermittelt wird. Im darauffolgenden Rechenschritt 31 wird nun eine maximale Brenndauer L₀ als Funktion der ermittelten Tageslänge T bestimmt. Diese maxi­ male Brenndauer L₀ ist im Sommer, also bei langer Tages­ länge T, kürzer als im Winter. Die Festlegung von L₀ kann durch im Speicher abgelegte Tabellen oder durch arithmetische Operationen anhand vorgegebener funktionaler Zusammenhänge erfolgen.

Nun wird im Schritt 32 geprüft, ob die am Spannungsteiler 20, 21 abgegriffene, ein Maß für den Ladezustand der Batterie 12 bildende Spannung U₂ größer als ein Minimalwert U_m für die Batteriespannung ist. Diese Prüfung dient als Tiefentlade­ schutz für die Batterie 12, da bei Unterschreiten dieser Mindestspannung U_m die Lampe im Schritt 29 ausgeschaltet, im vorliegenden Falle also gar nicht eingeschaltet wird. Ist die Mindestspannung U_m dagegen überschritten, so wird im darauffolgenden Schritt 33 die vom Batterieladezustand abhängige Spannung U₂ mit einem vorgegebenen Wert U_k ver­ glichen, der einem zwar abgesunkenen, jedoch noch nicht kritischen Lagezustand der Batterie 12 entspricht. Ist diese Spannung U_k unterschritten, so wird die Brenndauer L im Schritt 34 um einen kleinen Betrag L₁ reduziert. Liegt die Spannung U₂ dagegen oberhalb der Spannung U_k, so wird ent­ sprechend im Schritt 35 die Brenndauer L um diesen kleinen Betrag L₁ erhöht. Diese Erhöhung wird jedoch maximal so lange durchgeführt, bis die maximale Brenndauer L₀ erreicht ist. Diese maximale Brenndauer L₀ wird nicht überschritten.

Nun wird im darauffolgenden Schritt 36 die Lampe 14 durch Ansteuerung des Halbleiterschalters 13 eingeschaltet. Danach wird im Schritt 37 die Zeit t für die Brenndauer L gestartet. Im darauffolgenden Schritt 38 wird so lange eine Schleife durchlaufen, bis die Brenndauer L erreicht ist. Dann wird im Schritt 29 die Lampe 14 ausgeschaltet.

Alternativ zum dargestellten Ablauf könnte die Prüfung im Hinblick auf den Tiefentladungsschutz gemäß Schritt 32 auch in der Schleife des Schrittes 38 vorgesehen sein. Hierdurch könnte eine Abschaltung erfolgen, wenn während des Betriebs die Tiefentladung erreicht wird, ein Zustand, der durch den gesamten Ablauf eigentlich gerade verhindert wird.

Alternativ oder zusätzlich zur Veränderung der Brenndauer L durch Vergleich der batteriepegelabhängigen Spannung U₂ mit einem festen Wert U_k könnte auch die am vorangegangenen Tag aufgenommene Lichtmenge mit einer vorgegebenen kritischen Lichtmenge verglichen werden. Wird diese kritische Licht­ menge nicht erreicht, dann kann ebenfalls die Brenndauer verkürzt werden.

Die Verkürzung der Brennweite stufenweise in Abhängigkeit der Unter- bzw. Überschreitung eines vorgegebenen Werts könnte auch durch eine kompliziertere Anordnung ersetzt werden, bei der beispielsweise die Spannung U₂ mit verschiede­ nen, abgestuften Werten verglichen wird. In Abhängigkeit der Ergebnisse könnte dann eine Veränderung der Brenndauer in verschieden großen Schritten oder im Grenzfall auch stufen­ los erfolgen.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Lampe mit Eintritt der Dunkelheit eingeschaltet und nach Ablauf der jeweiligen Brenndauer ausgeschaltet, da ein Brennen der Lampe während der gesamten Nacht einerseits aus energeti­ schen Gründen bei ausreichender Helligkeit kaum durchführ­ bar und darüber hinaus auch unnötig ist. Alternativ hierzu kann die Brenndauer selbstverständlich auch in zwei Brenn­ intervalle aufgeteilt werden, von denen das erste mit Ein­ tritt der Dunkelheit beginnt und das zweite vor Einsetzen der Dämmerung abläuft. Das Einsetzen der Dämmerung kann durch den Mikrorechner anhand der Werte der vorangegangenen Tage vorausberechnet werden.

Der durch den Halbleiterschalter 24 und Funktionen im Mikro­ rechner 15 gebildete, als Shunt-Regler ausgebildete Lade­ regler ist selbstjustierend, und es sind keine Potentio­ meter zur Einstellung der Schaltschwellen erforderlich.

Der auf die beschriebene Weise arbeitende Mikrocomputer 15 stellt ein selbstlernendes System dar, da er zum einen die Brenndauer automatisch an die jeweilige Jahreszeit und an die Lichteinstrahlung während des Tages bzw. an den Spei­ cherpegel anpaßt. Durch diese automatische Anpassung sind keinerlei Einstellungen erforderlich. Durch den einstell­ baren Widerstand 25 ist es jedoch möglich, eine Veränderung der maximalen Brenndauer L₀ vorzunehmen, z. B. durch Par­ allelverschiebung der Funktion für die maximale Brenndauer oder durch Veränderung eines Faktors.

Claims (11)

1. Solarbetriebene Beleuchtungseinrichtung, insbesondere eine Straßenleuchte, mit einer von einer fotovoltaischen Anordnung gespeisten Batterie und mit einer elektronischen Steuervorrichtung zur Steuerung einer die Batterie nur bei Dunkelheit mit wenigstens einer Leuchte verbindenden Schalt­ einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (15) als lernendes System ausgebildet ist, das in Abhängigkeit des Ladepegels der Batterie (12) und/oder der tagsüber durch die fotovoltaische Anordnung (10) aufgenommenen Lichtmenge die Vorgabe der nächtlichen Brenndauer der wenigstens einen Leuchte (14) im gleichen Sinne verändert.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel zur Verkürzung der Brenndauer bei Unter­ schreitung und zur Verlängerung derselben bei Überschreitung eines ersten vorgebbaren Ladepegels (U_k) und/oder einer vorgebbaren aufgenommenen Lichtmenge vorgesehen sind.

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel zur Abschaltung der wenigstens einen Leuchte (14) bei Unterschreitung eines zweiten, gegenüber dem ersten niedrigeren minimalen Ladepegels (U_m) vorgesehen sind.

4. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Vorgabe einer von der Jahreszeit abhängigen maximalen Brenndauer (L₀) vorgesehen sind.

5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der elektronischen Steuervorrichtung (15) die maximale Brenndauer (L₀) als Funktion der Jahreszeit enthalten ist.

6. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß manuelle Einstellmittel (25) zur Veränderung der vorgegebenen Funktion vorgesehen sind.

7. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tageslänge (T) oder Nacht­ länge zur Erfassung der Jahreszeit vorgesehen ist.

8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel (17, 18) zur Erfassung der fotovoltaisch erzeugten Energie vorgesehen sind und daß Zeiten unterhalb eines vorgesehenen Werts (U_x) die Nachtlänge und oberhalb dieses vorgesehenen Werts die Taglänge vorgeben.

9. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nächtliche Brenn­ dauer (L) nach dem abendlichen Einschaltzeitpunkt oder auch teilweise vor dem morgendlichen Ausschaltzeitpunkt abläuft.

10. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuervorrichtung (15) als Mikrorechner ausgebildet ist.

11. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Laderegler für die Batterie (12) bis auf die Endstufe (24) im Mikrorechner (15) integriert ist.