ES2311469T3 - Aparato alimentado por energia solar. - Google Patents

Abstract

Un aparato alimentado por energía solar que comprende unos medios (12) de células solares para responder a la luz incidente con el fin de proveer una señal eléctrica de salida dependiente del nivel de luz detectado, unos medios (10) de fuente de energía recargables que se recargan de la señal de salida de los medios (12) de células solares, unos medios (7) de salida alimentados eléctricamente de los medios (10) de fuente de energía para proporcionar una salida del aparato, y unos medios de circuito (11) que responden a la señal de salida de los medios (12) de células solares y en dependencia del nivel de luz detectado para proponer una hora para alimentar los medios (7) de salida, cuyos medios (7) de salida se alimentan de los medios (10) de fuente de energía de acuerdo con la hora propuesta, caracterizado porque los medios de circuito (11) obtienen una representación de una acumulación a lo largo de todo un período de tiempo de nivel de luz detectado sucesivamente por los medios (12) de células solares durante ese período, y porque la hora propuesta para alimentar los medios (7) de salida depende de la representación obtenida.

Description

Aparato alimentado por energía solar.

Este invento se refiere a un aparato alimentado por energía solar de la clase que comprende unos medios de células solares para responder a la luz incidente con el fin de suministrar una señal eléctrica de salida dependiente del nivel de luz detectado, unos medios de fuente de energía recargables que se recargan a partir de la salida de señal de los medios de células solares, unos medios de salida alimentados eléctricamente desde los medios de fuente de energía para proporcionar una salida del aparato, y unos medios de circuito que responden a la señal de salida de los medios de células solares y dependiendo del valor de luz detectado para proponer un tiempo para alimentar los medios de salida, cuyos medios de salida se alimentan de la fuente de energía de acuerdo con el tiempo propuesto.

El aparato alimentado por energía solar de la clase anteriormente especificada es conocido a partir del documento WO-A-96/20369 para alimentar una lámpara usada en el alumbrado de calles. El suministro de energía a la lámpara desde una batería que se recarga de células solares, se controla de acuerdo con la información guardada de niveles luminosos durante todo el año con cielo despejado para el emplazamiento de la lámpara, y también dependiendo de la luz ambiental detectada por las células solares.

Es un objeto del presente invento proveer un aparato alimentado por energía solar de la clase anteriormente especificada que aventaja al aparato conocido.

De acuerdo con el presente invento, el aparato alimentado por energía solar de la clase anteriormente especificada se caracteriza porque los medios de circuito obtienen una representación de una acumulación en el transcurso de un período de tiempo de valores de luz detectados sucesivamente por los medios de células solares durante ese período, y porque el tiempo propuesto para alimentar los medios de salida depende de la representación obtenida.

El aparato de acuerdo con el invento tiene la ventaja de que la alimentación de los medios de salida se temporiza de acuerdo con el citado tiempo propuesto en lugar de, como en el aparato conocido, directamente de acuerdo con el nivel de luz actualmente detectado. Esto tiene importancia, en especial cuando el aparato es tal como una baliza para señales de tráfico y los medios de salida son una lámpara u otra fuente luminosa, puesto que ello permite que el funcionamiento de la lámpara o de la otra fuente luminosa se relacione con la tendencia en nivel de luz ambiental en lugar de en el nivel instantáneo. Con ello es posible establecer, por ejemplo, un patrón diario para el funcionamiento de la lámpara o de la otra fuente luminosa que se adapte automáticamente a las variaciones diarias en la temporización del anochecer y la duración de la oscuridad.

Además, el presente invento tiene la ventaja de que permite que las dos acciones de alimentar los medios de salida y recargar los medios de fuente de energía se realicen desde los medios de células solares sin sustancialmente interferencia alguna entre ellas. En particular, la señal de salida instantánea procedente de los medios de células solares resultará afectada mientras se esté usando para recargar los medios de fuente de energía, y si el criterio para alimentar los medios de salida fuese la salida instantánea de los medios de células solares, se podría esperar un funcionamiento inconsecuente y en el que se desperdicie energía. Además, la separación eficaz de las dos acciones de alimentar los medios de salida y recargar los medios de fuente de energía, permite fácilmente que la recarga tenga lugar incluso cuando se están alimentando los medios de salida. Más especialmente, en el contexto de la aplicación del invento a una baliza para señales de tráfico, los medios de fuente de energía se podrían recargar a partir de la salida de los medios de células solares mientras la fuente luminosa se está alimentando por impulsos; por ejemplo, los medios de células solares podrían responder a la luz artificial de los vehículos para suministrar corriente eléctrica con el fin de recargar los medios de fuente de energía.

Los medios de fuente de energía podrían ser una o más baterías recargables, pero además, o alternativamente, podrían implicar uno o más condensadores de almacenamiento de carga eléctrica.

El aparato del presente invento, cuando se aplica a la provisión de una baliza para señales de tráfico, podría adoptar la forma de una unidad para su fijación a un cono o poste de señales de tráfico; alternativamente, se podría incorporar a un cono o poste de señales de tráfico.

A continuación se describe un cono de tráfico que incorpora una baliza para señales de tráfico de acuerdo con el presente invento, a título de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es un alzado frontal del cono parcialmente fraccionado con el fin de mostrar detalles de la baliza de acuerdo con el invento; y

La Figura 2 es una representación parcialmente esquemática de los circuitos eléctricos de la baliza de la Figura 1.

Refiriéndose a la Figura 1, el cono de tráfico tiene un cuerpo1 que está formado de una pieza moldeada hueca de un polímero con colores brillantes con una base 2 con contrapeso. El cuerpo 1 tiene unos orificios de ventilación 3 para drenaje y está dotado en su extremo superior 4 de un casquillo 5 que porta una unidad de baliza 6. La unidad 6 incluye una lámpara 7 que se aloja dentro de una cubierta clara y transparente 8 dentro de una lente exterior coloreada y troncocónica 9 que constituye la parte más alta del cono.

La lámpara 7 se alimenta de un bloque de baterías recargables 10 bajo el control de un circuito electrónico 11, ambos montados dentro del casquillo 5. El circuito 11 controla la activación de la lámpara 7 y también la recarga del bloque de baterías 10 a partir de la salida de un módulo o panel 12 de células solares de película delgada que está montado en la parte exterior del casquillo 5 para exponerse a las luces de los faros de los vehículos que circulen así como a la luz del día ambiental. En la Figura 2 se muestran detalles del circuito 11 y a continuación se describen junto con el funcionamiento del circuito 11 en el control del suministro de energía a la lámpara 7 y en la recarga del bloque de baterías 10.

Con referencia a la Figura 2, el circuito 11 incluye un microprocesador 20 (que tiene un requisito de bajo consumo de energía) que se alimenta mediante un convertidor analógico-digital 21 con una representación digital de la tensión de salida del panel 12 de células solares. El procesador 20 responde a esta señal digital para controlar la activación de la lámpara 7. En este sentido, el procesador 20, que tiene un circuito de reloj 22 en relación de asociación con él, suministra una señal a la base de un transistor de conmutación 23 que tiene su camino de corriente de colector-emisor conectado en serie con el bloque de baterías 10 y la lámpara 7. La señal suministrada es, o bien una señal por impulsos para conmutar el transistor 23 entre los estados de conexión y desconexión periódicamente y causar los destellos de la lámpara 7, o bien una polarización para mantener al corte al transistor 23. El hecho de cuál de estas dos señales se suministre depende de la comparación entre la hora del día determinada por el procesador 20 a partir del circuito de reloj 22, y las horas propuestas identificadas como "anochecer" y "amanecer" dentro del procesador 20.

Las propuestas de "anochecer" y "amanecer" que se renuevan dentro del procesador con carácter recurrente a intervalos de cinco minutos, definen las horas en que los destellos de la lámpara 7 tienen que encenderse y apagarse, respectivamente. Estas propuestas se obtienen de una tabla de muestras del nivel de luz ambiental representado por la salida del panel 12. Más particularmente, la salida del panel 12 se muestrea 256 veces durante cada período sucesivo de treinta minutos (es decir, nominalmente a intervalos de 7 segundos), y las representaciones de las muestras se acumulan mediante el procesador 20 para las 24 horas inmediatamente precedentes. La tabla de muestras se depura o promedia cada cinco minutos a través de una secuencia de funcionamiento de seis muestras, y las lecturas medias de luz más baja y más alta se seleccionan luego para su uso en calcular un valor umbral de luz como un criterio para las propuestas de "anochecer" y "amanecer". El valor umbral d luz se calcula sumando al valor promedio más bajo de luz un veinte por ciento de la diferencia entre los valores promedio más alto y más bajo. Este valor umbral calculado, que corresponde al veinte por ciento del máximo valor medio de luz por encima del promedio mínimo, se usa para determinar a partir de la tabla acumulada de muestras, cuándo durante las veinticuatro horas inmediatamente precedentes el nivel de luz del día cayó por debajo de él, y luego subió a través de ese umbral. Los valores identificados de horas proporcionan las
propuestas de "anochecer" y "amanecer" para que los destellos de la lámpara 7 empiecen y terminen respectivamente.

El mantenimiento de los destellos de la lámpara 7 depende del estado de carga del bloque de baterías 10, y la salida del panel 12 de células solares se usa durante la luz del día, cuando el transistor 23 normalmente se mantiene desconectado, para recargarlo. En este sentido, el procesador 20 se alimenta de un convertidor analógico-digital 24 en los intervalos nominales de 7 segundos con una señal digital representativa de la tensión de salida instantánea del bloque de baterías 10. Mientras el transistor 23 se mantiene desconectado y la tensión de batería representada no es mayor que la tensión de salida del panel 12 de células solares, el procesador 20 activa un relé 25 para conectar el bloque de baterías 10 a través del panel 12 para recargar. El muestreo de la salida del panel 12 en los intervalos nominales de 7 segundos para la acumulación mediante el procesador 20 de la tabla de muestras de luz ambiental, continúa mientras se está desarrollando la recarga. Sin embargo, la activación del relé 25 desde el procesador 20 se interrumpe para desconectar el bloque de baterías 10 del panel 12 durante la toma de la muestra, para que la muestra no se distorsione por el estado de carga del bloque de baterías 10.

La salida del panel 12 de células solares se usa también intermitentemente para recargar el bloque de baterías 10, mientras la lámpara está dando destellos. En este sentido, si, mientras la lámpara 7 se está activando por la conmutación periódica de los estados conectado y desconectado del transistor 23, el panel 12 se activa por la luz procedente de los faros de los coches u otras fuentes de luz artificiales para suministrar una tensión de salida en exceso de la tensión de batería, el procesador responde a esta acción para activar el relé 25. El relé 25 se activa de forma transitoria para conectar el bloque de baterías 10 en paralelo con el panel 12 para cargar en los intervalos entre la conmutación del transistor 23 al estado conectado. Pero también en este caso, el proceso de carga se interrumpe cuando quiera que tenga que tomarse una muestra de la salida del panel 12 durante el ciclo nominal de 7 segundos.

La recarga del bloque de baterías10, aunque se realiza en cierto modo a partir de luz artificial mientras la lámpara 7 está centelleando, tiene lugar principalmente durante la luz del día, cuando la lámpara 7 no está funcionando. Pueden existir circunstancias, en particular en invierno, cuando el bloque de baterías 10 esté insuficientemente cargado para mantener a la lámpara 7 dando destellos a lo largo de todo el período comprendido entre las propuestas de "anochecer" y "amanecer". Con el fin de compensar en estas circunstancias, el procesador 20, alimentado en los intervalos de 7 segundos nominales del convertidor 24 con la representación digital de la tensión de salida del bloque de baterías 10, calcula la energía disponible. Este cálculo se usa en conjunción con las propuestas de "anochecer" y "amanecer" para estimar si la energía de batería es adecuada para mantener un ciclo estándar de destellos de la lámpara 7 a lo largo de todo el intervalo entre ellos.

Si, de acuerdo con la estimación, la energía disponible es adecuada, el procesador 20 establece la relación estándar marca-espacio (o relación de impulso de trabajo a impulso de reposo) conectado-desconectado de 1:5 para los impulsos del transistor 23 Por otra parte, si la estimación indica que la energía disponible es inadecuada, el procesador 20 calcula si sería adecuada para mantener a la lámpara 7 dando destellos con una relación conectado-desconectado menos onerosa entre 1:5 y 1:10 para los impulsos del transistor 23, y si lo es, para establecer para ese fin la máxima relación en ese intervalo. En el caso de que la energía disponible sea inadecuada para soportar una relación de impulsos tan alta como 1:10. el procesador 20 establece la relación de impulsos en 1:10, luego ajusta las propuestas de "anochecer" y "amanecer" de tiempos igualmente en sentidos contrarios entre sí, con el fin de reducir el intervalo entre ellos hasta un grado tal que la energía de batería sea adecuada para que la lámpara 7 continúe dando destellos en los impulsos 1: 10 a lo largo de todo el intervalo.

Por tanto, el funcionamiento de la baliza se desarrolla de acuerdo con un programa repetitivo ejecutado por el procesador 20. El programa tiene tres secuencias principales una, identificada como secuencia A, se realiza 256 veces en cada período sucesivo de treinta minutos (es decir, al régimen nominal de 7 segundos), de la manera siguiente:

(a)

recibir representación digital de la tensión de salida del panel 12 de células solares;

(b)

sumar la representación de la etapa (a) a un funcionamiento acumulado total [véase (i) de la secuencia B más adelante];

(c)

recibir y guardar la representación digital de la tensión de salida del bloque de baterías 10;

(d)

comparar entre sí las representaciones de las etapas (a) y (c) y

(e)

si, de acuerdo con la comparación de la etapa (d), la tensión de salida del panel 12 es mayor que la del bloque 10, activar el relé 25 para recargar el bloque de baterías 10 del panel 12.

Una segunda de las tres secuencias, la secuencia B, realizada cada treinta minutos, es la siguiente:

(f)

leer el funcionamiento total acumulado de la etapa (b) de la secuencia A;

(g)

a partir del funcionamiento total de la etapa (f), obtener el valor de la tensión media de salida (sobre el intervalo de treinta minutos inmediatamente precedente) para el panel 12 de de células solares;

(h)

introducir la tensión media de salida obtenida en una tabla de dichas tensiones de salida acumuladas durante ciclos sucesivos de esta secuencia B sobre las últimas veinticuatro horas;

(i)

reiniciar el funcionamiento total de representaciones de la tensión de salida del panel 12 de células solares.

La tercera secuencia, secuencia C, realizada cada cinco minutos, es como sigue:

(j)

copiar la tabla de la etapa (h) de la secuencia B;

(k)

depurar la tabla copiada de la etapa (i) con una ventana promedio de funcionamiento de seis valores;

(l)

a partir de la tabla depurada de la etapa (k), determinar el mínimo valor representado;

(m)

a partir de la tabla depurada de la etapa (k), determinar el máximo valor representado;

(n)

calcular el veinte por ciento de la diferencia entre los valores máximo y mínimo determinados en las etapas (m) y (l) y añadirlo al valor mínimo determinado en la etapa (l) para obtener un valor umbral para esta secuencia C;

(o)

buscar en la tabla de la etapa (j) para determinar la hora en que el valor de la tensión de salida cayó por debajo del valor umbral obtenido en la etapa (n), y registrar ese valor como una propuesta de "anochecer";

(p)

buscar en la tabla de la etapa (j) para determinar la hora en que el valor de la tensión de salida subió a través del valor umbral obtenido en la etapa (n), y registrar este valor como una propuesta de "amanecer";

(q)

a partir de la representación digital guardada de la tensión de salida del bloque de baterías 10 de la etapa (c) de la secuencia A, calcular la energía remanente en el bloque de baterías 10;

(r)

determinar si la energía remanente calculada de la etapa (q) es adecuada para mantener una relación esperada de marca - espacio de 1:5 para los impulsos del transistor 25 durante un período que, si el transistor 23 está actualmente con la polarización desconectada, es el que está entre las propuestas de horas entre el "anochecer" y el "amanecer" de las etapas (0) y (p), o de lo contrario es el que está entre la hora actual y la propuesta de hora del "amanecer";

(s)

si se determina que la energía remanente calculada de la etapa (q) es adecuada bajo la etapa (r ), configurar la relación marca a espacio a 1:5, pero si no es así, repetir la etapa (r ) disminuyéndola relación esperada de marca a espacio progresivamente desde 1:5 hasta 1:10

(t)

si la energía remanente calculada de la etapa (q) se ha considerado adecuada para una relación disminuida esperada de marca - espacio bajo la etapa (s), configurar la relación de marca - espacio a esa relación, pero si no, incluso para una relación esperada de marca - espacio de 1:10, configurar la relación de marca - espacio a 1:10;

(u)

si la energía remanente calculada de la etapa (q) se considera inadecuada para la relación esperada marca-espacio de 1:10, entonces, si el transistor 23 tiene la polarización al corte, ajustar las propuestas de horas del "anochecer" y del "amanecer" de las etapas (0) y (p) igualmente para reducir el intervalo entre ellas con el fin de comunicar adecuación de la energía remanente bajo la etapa (q), o de lo contrario ajustar la propuesta de hora del "amanecer" hacia la hora actual al mismo extremo;

(v)

si la hora actual está comprendida entre las propuestas de horas del "anochecer" y del "amanecer" de las etapas (o) y (p) según se haya ajustado como sea aplicable bajo la etapa (u), activar por impulsos el transistor 23 en la relación marca-espacio configurada bajo la etapa (s) o (t), de lo contrario polarizar al corte el transistor 23.

El funcionamiento de la baliza de acuerdo con las secuencias anteriores permite hacer un uso óptimo de la energía solar recibida y aprovechar la luz procedente de otras fuentes, sin perjudicar las funciones fundamentales de la baliza.

Por medio de una interfaz 26, se han tomado medidas para obtener informes del régimen actual y estado de carga (y otros aspectos sanitarios) del bloque de baterías 10, y para confirmar la integridad operativa del circuito 11 y lámpara 7. La interfaz 26 se podría usar también para cargar el bloque de baterías 10 de una fuente externa y como un puerto de entrada para uso en la reprogramación del procesador 20 (por ejemplo, permitiendo al usuario modificar el algoritmo operativo). La conexión externa a la interfaz 26 podría ser por contactos, o sin contactos, y en particular la transferencia de datos a y desde podría ser por radio o por transmisión de infrarrojos. Sin embargo, la entrada de datos al circuito 11 se podría efectuar por medio del panel 12 de células solares (o parte de él) usando luz modulada, y con tal que las características de respuesta fuesen adecuadas para transmisión de luz modulada, se podría usar la lámpara 7 para la salida de datos.

La fuente de luz de la baliza de tráfico podría estar provista de uno o más diodos emisores de luz (en adelante LED) en lugar de la lámpara 7.

La unidad de baliza 6, o sólo el panel 12 de células solares, podrían ser ajustables en acimut con respecto al cuerpo 1 del cono para conseguir una orientación óptima con respecto al sol y a la circulación del tráfico. Más especialmente, la unidad 6 podría incluir un sistema de servocontrol para activar el panel 12 de manera que siga al sol durante el día y por la noche obtener un beneficio máximo de las luces de los faros y de otras luces. De un modo alternativo y más sencillo, el panel 12 podría ensancharse para extenderse alrededor de la circunferencia de la unidad 6, para conseguir esencialmente el mismo efecto.

Claims (12)

1. Un aparato alimentado por energía solar que comprende unos medios (12) de células solares para responder a la luz incidente con el fin de proveer una señal eléctrica de salida dependiente del nivel de luz detectado, unos medios (10) de fuente de energía recargables que se recargan de la señal de salida de los medios (12) de células solares, unos medios (7) de salida alimentados eléctricamente de los medios (10) de fuente de energía para proporcionar una salida del aparato, y unos medios de circuito (11) que responden a la señal de salida de los medios (12) de células solares y en dependencia del nivel de luz detectado para proponer una hora para alimentar los medios (7) de salida, cuyos medios (7) de salida se alimentan de los medios (10) de fuente de energía de acuerdo con la hora propuesta, caracterizado porque los medios de circuito (11) obtienen una representación de una acumulación a lo largo de todo un período de tiempo de nivel de luz detectado sucesivamente por los medios (12) de células solares durante ese período, y porque la hora propuesta para alimentar los medios 87) de salida depende de la representación obtenida.

2. Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 1, en el que dichos valores de nivel de luz son valores medios de nivel de luz detectados por los medios (12) de células solares durante intervalos sucesivos de dicho periodo.

3. Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 1 o con la Reivindicación 2, en el que dicho periodo de tiempo es el periodo precedente de veinticuatro horas.

4. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 3, en el que la hora propuesta se refiere a la temporización dentro de dicho periodo cuando la representación de los valores acumulados de nivel de luz cae por debajo de un valor umbral, cuyo valor umbral es intermedio entre los valores máximo y mínimo de nivel de luz aplicables durante dicho período.

5. Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 4, en el que dicho valor umbral se calcula como una proporción de la diferencia entre dichos valores máximo y mínimo, por encima de dicho valor mínimo.

6. Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 4 o con la Reivindicación 5, en el que la alimentación de los medios de salida (7) desde los medios de fuente de energía (10) se determina de acuerdo con una hora adicional propuesta, cuya hora adicional propuesta está relacionada con la temporización dentro de dicho periodo cuando la representación de los valores acumulados de nivel de luz subió por encima de dicho valor umbral.

7. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 6, en el que dichos medios de salida (7) se alimentan por impulsos.

8. Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 7, en el que los medios de circuito (11) calculan la energía remanente en dichos medios (10) de fuente de energía y a partir de este valor determinan si la energía remanente calculada es adecuada para mantener la alimentación por impulsos de los medios de salida (7) con una relación marca-espacio predeterminada lo largo de todo un intervalo propuesto de tiempo que comienza con la hora propuesta, y, en el que los medios de salida (7) se alimentan por impulsos en la relación marca-espacio predeterminada en el caso de que se determine que la energía remanente calculada es adecuada según se ha mencionado anteriormente, y de lo contrario se alimentan por impulsos con una relación marca-espacio reducida.

9. Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 8, en el que la relación marca-espacio reducida se determina como la máxima que se puede mantener a lo largo de todo el intervalo propuesto de tiempo con la energía remanente calculada.

10. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las Reivindicaciones 7 a 8, en el que la recarga de los medios (10) de fuente de energía a partir de los medios (12) de células solares se habilita en los intervalos entre los impulsos de energía.

11. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que los medios de salida son una fuente de luz (7).

12. Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 11 para uso como una baliza de tráfico (6).