ITMI20101091A1 - Lampione ad energia fotovoltaica. - Google Patents

Description

LAMPIONE AD ENERGIA FOTOVOLTAICA

DESCRIZIONE

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un lampione isolato, utile per il settore privato e per quello pubblico, alimentato tramite pannello fotovoltaico.

PROBLEMA E SOLUZIONE

E’ da tempo sentita la necessità di ridurre i consumi di energia elettrica, fornendo sistemi sempre più efficienti, facendo anche uso delle nuove forme di energia, con il conseguente sviluppo di dispositivi di illuminazione che possano fruire di fonti di energia alternative rispetto alla tradizionale rete elettrica; in particolare, l’interesse si rivolge a dispositivi di illuminazione per esterni, quali lampioni che fanno uso di energia fotovoltaica. Tipicamente, simili lampioni sono genericamente costituiti da un palo, sulla cui sommità à ̈ disposto un pannello fotovoltaico.

Il trovato secondo l’invenzione à ̈ rivolto ad un lampione utile per l’illuminazione stradale pubblica come per quella privata, alimentato tramite pannello fotovoltaico, che sia di facile programmazione, comporti una riduzione dei costi di gestione e di manutenzione e fornisca una possibilità di modulazione della luminosità sulla base dei fattori ambientali ad esso circostanti.

Detto scopo à ̈ ottenuto mediante un lampione avente le caratteristiche secondo la rivendicazione principale qui allegata; le rivendicazioni secondarie riguardando alcune preferite caratteristiche del trovato.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risultano comunque meglio evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo ed illustrata nei disegni allegati, nei quali:

fig.1 à ̈ una vista laterale del lampione secondo l’invenzione;

fig.2 à ̈ una vista in prospettiva, in esploso, del lampione secondo l’invenzione; fig. 3 à ̈ una vista in prospettiva, in esploso, del corpo illuminante del lampione secondo l’invenzione,

fig. 4 à ̈ una vista in prospettiva del pannello di controllo del lampione secondo l’invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA PREFERITA FORMA DI ATTUAZIONE

Il lampione secondo l’invenzione à ̈ costituito da un palo 1, preferibilmente a sezione quadrangolare, che si innesta inferiormente in un basamento 2 di forma troncopiramidale, e la cui sommità comprende un sistema di illuminazione 3. Il palo 1 à ̈ sormontato poi da un pannello fotovoltaico 4 di opportuno materiale (ad esempio silicio monocristallino) ed opportuna potenza, montato su bracci 5 solidali al palo 1 ed angolato di 40° rispetto alla direzione orizzontale in modo da ottenere la migliore incidenza media di radiazione possibile nelle stagioni con irraggiamento medio-basso.

Come ben si osserva da fig.2, internamente al palo 1 sono previsti gli altri elementi costitutivi del lampione secondo l’invenzione, e cioà ̈ un accumulatore 6, un controller 7 ed elementi di connessione elettrica C, costituiti da un cavo quadripolare, per mantenere un collegamento bidirezionale di tipo seriale tra il pannello fotovoltaico 4, il sistema di illuminazione 3 e l’accumulatore 6.

Il sistema di illuminazione 3 à ̈, in particolare, costituito da un dispositivo ottico 8 - che opera sull’intero arco orizzontale di 360° ed à ̈ suddiviso in quattro settori, corrispondenti, nella forma di esecuzione illustrata, ai quattro lati del palo 1 - e da sensori di presenza 24 associati a lenti di Fresnel 9, atti a rilevare il movimento di un corpo animato all'interno di una zona di intercettazione (il raggio di detta zona essendo regolabile nel campo 5÷15m). Le lenti di Fresnel 9 sono disposte in prossimità della sommità del palo 1, una per ogni lato del palo 1, e i segnali provenienti da ciascuna di esse vengono utilizzati per controllare il funzionamento di un rispettivo settore di illuminazione del dispositivo ottico 8. Il dispositivo ottico 8 à ̈ a sua volta formato da un corpo illuminante 10, al cui riguardo si tratterà in maggior dettaglio con riferimento a fig. 3, protetto lateralmente da un riparo trasparente 11, e superiormente da un cappuccio 12. Una coppia di guarnizioni inferiore e superiore 13a, 13b, preferibilmente di gomma EPAM, si frappongono tra il corpo illuminante 10 e, rispettivamente, il palo 1 e la base dei bracci 5 di supporto del pannello 4.

Come ben si osserva in fig.3, il corpo illuminante 10 à ̈ composto da una serie di elementi tra loro montati in modo da poter fornire l’effetto desiderato di illuminazione. In particolare, esso à ̈ costituito da una combinazione di elementi elettronici per la gestione di quattro schede LED 14, una per ognuno dei settori di illuminazione del dispositivo ottico 8, e da un elemento riflettore 15 a sezione sostanzialmente quadrangolare in alluminio anodizzato. Le schede LED 14 vanno a costituire sorgenti luminose, composte da due o tre diodi LED 14a bianchi ad alta efficienza ed intensità, che sono tra loro completamente indipendenti. In particolare, le sorgenti luminose associate alle schede LED sono realizzate con LED bianchi Cree XP-G ad alta efficienza (130lm/W, CCT 5000÷8300K, CRI 75).

Le schede LED 14 sono montate su un’apposita piastra 16 di supporto e di raffreddamento, fissata alla sommità del riflettore 15, in modo tale che le schede 14 risultano inserite all’interno del riflettore. Per il funzionamento delle schede LED 14 sono ulteriormente previsti una scheda CPU LED 17 ed una scheda driver LED 18, connesse tra loro e fissate ad una piastra 19 a sua volta fissata alla base del riflettore 15. Alla scheda 18 sono anche fissate quattro schede 24, che costituiscono i sensori di presenza associati alle lenti 9 disposte sul palo 1.

La scheda CPU LED 17 à ̈ una scheda a microprocessore che controlla le funzioni del sistema di illuminazione 3 e risponde ai comandi e alle richieste provenienti dal controller 7 alloggiato nel basamento 2. La scheda 17 à ̈ in grado di attivare le singole sorgenti luminose di ogni scheda LED 14 e controllarne indipendentemente l'intensità luminosa in funzione dei comandi ricevuti. Essa riceve i segnali dai sensori di movimento 24, e su richiesta fornisce l'informazione di movimento rilevata. La connessione con il controller 7 à ̈ di tipo seriale.

La scheda driver LED 18 gestisce ciascuno dei dispositivi di alimentazione delle lampade, che forniscono una sorgente di corrente per il pilotaggio del LED nella zona di massima efficienza luminosa e consentono la regolazione dell'intensità tra il 10% e il 100% di tale valore. La regolazione à ̈ effettuata con tecnica PWM per evitare variazioni di temperatura di colore della luce emessa al variare dell'intensità.

Come si può facilmente notare, il riflettore 15 à ̈ sagomato in modo da presentare, su ogni suo lato, fori 20 di posizionamento ed alloggiamento dei LED 14a montati sulle schede LED 14 – in modo tale che la luce emessa da detti LED colpisca la superficie esterna del riflettore 15 – e setti angolari 21 per la diffusione uniforme del fascio luminoso entro corrispondenti settori di illuminazione, ciascuno di ampiezza pari a 90°. I setti angolari 21 sono costituiti da lamierini in alluminio anodizzato ottico a superficie satinata; le superfici piane principali del riflettore 15, costituite dallo stesso materiale dei setti angolari 21, presentano invece preferibilmente una lavorazione a specchio della superficie riflettente e una moderata inclinazione verso l’alto.

Come si comprende dalla fig.4, per l’utilizzatore la gestione del lampione à ̈ assai semplice: à ̈ infatti previsto di associare al controller 7 una tastiera 22 dall’uso assai semplificato, con tasti facilmente comprensibili e dal significato intuitivo. In particolare, la tastiera 22 à ̈ di tipo a bolle e consente di inserire/modificare agevolmente i parametri di funzionamento del lampione. É dotata di quattro tasti cursore, due tasti funzione, tasto selezione, tasto di escape, tasto per l'accensione/spegnimento immediato della lampada.

Uno schermo 23, preferibilmente LCD bianco e nero a matrice di punti (128x32) con retroilluminazione a LED, consente poi la visualizzazione dei parametri di funzionamento del lampione (stato di funzionamento, carica della batteria, corrente erogata al carico) e di tutti i parametri che possono essere evidenziati. La presentazione à ̈ fatta con icone per semplificare la gestione dell'interfaccia e la comprensione dell'utente. Tastiera 22 e schermo 23 sono anch’essi racchiusi all’interno del basamento 2 del lampione.

Per rendere ottimale il trovato, la batteria 13 à ̈ del tipo priva di manutenzione con elettrolita liquido o gelatinoso. Come si comprende facilmente, la batteria può avere capacità diverse a seconda delle richieste del cliente ed à ̈ di tipo ciclico, per massimizzare la durata nelle condizioni tipiche di impiego (ciclo quotidiano inferiore al 30% della capacità complessiva).

Il controller 7 à ̈ costituito da una scheda a microprocessore, cuore del sistema, che consente la gestione delle funzioni di illuminazione, raccolta dell’energia e carica della batteria. Per favorire le operazioni di gestione e controllo dell’impianto, sono previste ulteriormente un’interfaccia HMI, mezzi per consentire l’aggiornamento del sistema e uno slot di espansione per l’inserimento di moduli opzionali che consentano di aggiungere funzioni non contemplate nella versione base.

Per l’ancoraggio del dispositivo al terreno, si fa uso di sistemi tradizionali. Infatti, la base del lampione prevede quattro fori per tasselli, ad esempio M12, che vanno avvitati su di un plinto in cemento opportunamente dimensionato. Può essere fornita una struttura in ferro da annegare nel plinto in cemento da usare in luogo dei tasselli chimici. In alternativa può essere fornita una base a quattro bracci dotata di viti da terreno per il fissaggio a terra senza plinto.

La struttura così realizzata presenta due elementi funzionali, tra loro strettamente correlati, così che il lampione à ̈ un dispositivo totalmente autonomo: la produzione di energia elettrica e l’erogazione di luce, e conseguentemente i due sistemi verranno ora descritti in successione.

La funzione di trasformazione e immagazzinamento dell’energia, governata da microprocessore, consente di massimizzare l'efficienza del lampione dell’invenzione variando il punto di lavoro del caricabatteria in funzione dell'irraggiamento effettivo. Viene utilizzato un algoritmo MPPT per la ricerca del punto di massima potenza del pannello e il consumo dei dispositivi a valle del pannello viene adeguato di conseguenza.

La carica della batteria avviene secondo un algoritmo a tre zone che garantisce il rispetto delle condizioni ottimali di carica della batteria AGM, evitando danni dovuti ad uso improprio:

- zona 1: carica a corrente costante;

- zona 2: carica a tensione costante, in funzione della temperatura;

- zona 3: mantenimento della carica raggiunta.

Il caricabatteria, governato dal controller 7, à ̈ realizzato con tecnica PWM per ottimizzare l'efficienza ed à ̈ perfettamente integrato sia a livello software che a livello hardware con la funzione di raccolta ed immagazzinamento di energia.

Come à ̈ comprensibile, à ̈ prevista una funzione di aggiornamento del lampione dell’invenzione per permettere di aggiornare il firmware residente per consentire l'implementazione di nuove funzioni e il recupero di eventuali anomalie. Per procedere in tal senso, à ̈ possibile prevedere nel controller 7 una porta dedicata o una porta di espansione, che consente la connessione di ulteriori dispositivi al microprocessore principale: in particolare sono possibili la gestione di rete wireless, telecomando, diagnostica remota, videosorveglianza, diffusione sonora, ecc.

Per quanto riguarda invece l’illuminazione, la particolare suddivisione del corpo illuminante in quattro settori separati, ognuno dei quali può essere parzializzato, acceso o spento indipendentemente dagli altri, consente un’estrema flessibilità nelle prestazioni del prodotto. L'intensità di illuminazione in ogni singolo settore può essere infatti impostata in modo indipendente dagli altri. Le impostazioni vengono salvate in una memoria non volatile per evitare perdita di dati in caso di scarica profonda della batteria.

E’ infatti possibile gestire in modo differente l’illuminazione secondo le seguenti modalità di funzionamento :

- modalità crepuscolare (GIORNO/NOTTE);

- modalità profilo orario;

- modalità profilo orario crepuscolare;

- modalità test.

Nel caso di modalità crepuscolare, il comportamento del lampione à ̈ dettato dagli eventi di GIORNO/NOTTE. Alla ricezione dello stato NOTTE il lampione si accende con le modalità previste di intensità luminosa per i LED e, se così programmato, in funzione dei sensori di presenza. Lo spegnimento avviene alla generazione dell’evento GIORNO, nel caso di crepuscolare puro, oppure allo scadere del timer di accensione.

Qualora si faccia affidamento al profilo orario, il comportamento del lampione à ̈ dettato dallo stato LED selezionato per la fascia oraria in cui cade l’ora letta dall’orologio. Ogni profilo orario può prevedere sino ad un massimo di 10 fasce orarie.

E’ possibile gestire sino ad un massimo di 4 profili orari per altrettante fasce stagionali. Anche in questo caso il lampione si accende con le modalità previste dalle impostazioni di intensità luminosa e in funzione delle indicazioni provenienti dai sensori di presenza 24.

Se si desidera fare uso della combinazione profilo orario crepuscolare, l’effettiva validità dell’informazione stato LED desunta dalla fascia oraria viene condizionata anche allo stato GIORNO/NOTTE: se à ̈ GIORNO i LED rimangono spenti indipendentemente dallo stato previsto dalla fascia oraria.

E’ naturalmente possibile sottoporre il lampione a test di funzionamento, forzando l’accensione dei LED ad un particolare valore o il loro spegnimento sino a che non viene conclusa la fase di test, al termine della quale viene ripristinata la condizione di partenza. Un evento GIORNO/NOTTE, nel caso di funzionamento crepuscolare, oppure un cambio di fascia oraria, nella modalità a profilo orario, concludono questa modalità. Questa modalità viene attivata/disattivata tramite apposito pulsante di accensione/spegnimento.

Nel caso siano abilitati i sensori di presenza 24, questi condizionano l’accensione complessiva del lampione. In sostanza le informazioni di comando luci vengono limitate in base ad un valore abbinato ai sensori di presenza: se disabilitati, oppure abilitati e attivi con timeout di accensione non ancora scaduto, viene fatta passare la selezione, altrimenti il valore à ̈ quello indicato dal parametro abbinato ai sensori. Se i sensori sono abilitati, à ̈ impostabile il timer di spegnimento, che definisce il prolungamento del periodo di accensione a partire dall’istante in cui i sensori di presenza non rilevano più nulla.

Si à ̈ così ottenuto un lampione per il settore privato e per quello pubblico, a basso impatto ambientale ed elevato risparmio energetico, alimentato tramite pannello fotovoltaico, dotato di sorgente luminosa a tecnologia LED ad alta efficienza e bassissima manutenzione – à ̈ prevista una durata fino a 50.000 ore – con corpo illuminante ottimizzato. Il lampione secondo l’invenzione fornisce inoltre un accurato controllo automatico dei parametri operativi – luminosità, durata intervento, attivazione dei singoli settori di illuminazione – sulla base di una serie di impostazioni predefinite tramite la tastiera 22 e in funzione delle condizioni di luminosità e temperatura dell'ambiente.

Inoltre, il lampione secondo l’invenzione comprende anche un programma di autoregolazione in grado di ottimizzare in modo automatico la durata della capacità illuminante del lampione nel tempo, in funzione delle condizione di luce, di irraggiamento solare, di stato di carica della batteria, della presenza di persone, del calendario e della storia precedente.

Ancora, il controller 7 presenta una porta di comunicazione per un'espansione delle funzionalità del lampione, che consenta l’uso di strumenti di gestione, quali telecomando, collegamento wireless, monitoraggio dei parametri di funzionamento e diagnostica, integrazione su rete domotica, diffusione audio e videosorveglianza.

Inoltre ancora, si à ̈ ottenuto un rendimento dell'ottica, inteso come il rapporto tra flusso luminoso che fuoriesce dall'apparecchio e flusso luminoso emesso dalla sorgente luminosa, superiore al 60%.

Infine, perchà ̈ possa essere commercializzato, il trovato soddisfa i requisiti delle normative vigenti. In particolare, l’illuminamento al suolo à ̈ in accordo con le esigenze tipiche delle applicazioni di destinazione, e l'illuminamento medio (Ä’) e l'uniformità generale dell'illuminamento (Uo) sono calcolati e misurati in conformità alla EN 13201-3 e alla EN 13201-4. Inoltre, il corpo illuminante rispetta i requisiti per la limitazione della dispersione verso l'alto del flusso luminoso imposti dalle leggi regionali italiane. Infine, l'abbagliamento proprio del corpo illuminante à ̈ valutato secondo i requisiti imposti dalla normativa per la sicurezza fotobiologica EN62471.

Per garantire la compattezza e la sicurezza contro atti vandalici del trovato, si evidenzia che nel lampione secondo l’invenzione il pannello fotovoltaico à ̈ completamente integrato nella struttura, non sono previste viti a vista sul corpo del lampione, e le viti di fissaggio a terra del basamento 2 non sono a vista.

Come si comprende le caratteristiche sopra indicate riguardano una forma d’esecuzione particolarmente preferita del lampione dell’invenzione: eventuali modifiche e perfezionamenti, alla ovvia portata di un tecnico del ramo, rientrano dunque nell’ambito di protezione nell’invenzione, che risulta definito esclusivamente dalle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1) Lampione per esterni del tipo composto da un palo (1) comprendente un sistema di illuminazione (3), un pannello fotovoltaico (4), un accumulatore (6), un controller (7) ed elementi (C) di connessione elettrica tra detto controller (7), il pannello fotovoltaico (4), l’accumulatore (6) e il sistema di illuminazione (3), caratterizzato da ciò che detto sistema di illuminazione (3) comprende un dispositivo ottico (8) che si sviluppa su un arco orizzontale di 360° ed à ̈ suddiviso in più settori di illuminazione a funzionamento indipendente.
2. 2) Lampione come in 1), in cui detto palo (1) comprende inoltre, in corrispondenza di ognuno di detti settori di illuminazione, un sensore di presenza (24) a lente di Fresnel (9).
3. 3) Lampione come in 2), in cui detto dispositivo di illuminazione (8) contiene un corpo illuminante (10) composto da un riflettore (15) che porta, sulla sommità, una piastra (16) di supporto e di raffreddamento di schede LED (14), inserite all’interno del riflettore (15) e, sulla base, una piastra (19) di supporto e di raffreddamento di una scheda CPU LED (17), una scheda driver LED (18) e schede di sensori di presenza (24).
4. 4) Lampione come in 3), in cui le schede LED (14), la scheda CPU LED (17) e la scheda driver LED (18) sono in comunicazione con il controller (7), che ne controlla il funzionamento in base ai dati ricevuti da dette schede sensori di presenza (24) ed a parametri di funzionamento predefiniti.
5. 5) Lampione come in una qualsiasi delle rivendicazioni 3) o 4), in cui detto riflettore 15 prevede, in corrispondenza di ogni suo lato, fori (20) per il posizionamento e l’alloggiamento di LED (14a) montati su dette schede LED 14, e setti angolari (21) laterali per diffondere uniformemente il fascio luminoso entro un corrispondente settore di illuminazione.
6. 6) Lampione come in 5), in cui le superfici riflettenti principali del riflettore (15) hanno superficie a specchio mentre le superfici riflettenti di detto setti angolari (21) hanno superficie satinata.
7. 7) Lampione come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui a detto controller (7) sono ulteriormente connessi un’interfaccia HMI per la programmazione delle modalità di funzionamento, mezzi per consentire la diagnostica e l’aggiornamento del sistema e uno slot per l’inserimento di un’espansione di comunicazione verso il mondo esterno e di espansione delle funzioni del sistema.
8. 8) Lampione come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il controller (7) e l’accumulatore (6) sono racchiusi entro una porzione di basamento (2) di detto palo (1).
9. 9) Lampione come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto pannello fotovoltaico (4) Ã ̈ completamente integrato nella struttura portante del palo (1), e non sono previste viti a vista su detto palo (1) e relativo basamento (2).
10. 10) Lampione come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui sono ulteriormente previsti una tastiera (22) a bolle di comando del controller 7 ed uno schermo (23), per l’inserimento, la modifica e la visualizzazione dei parametri di funzionamento del lampione.
11. 11) Lampione come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni in cui il controller (7), in aggiunta alle funzioni base e a quelle di inserimento/modifica dei parametri di funzionamento del lampione, comprende un programma di autoregolazione in grado di ottimizzare la durata della capacità illuminante del lampione nel tempo in funzione delle condizione di luce, di irraggiamento solare, di stato di carica della batteria, della presenza di persone, del calendario e della storia precedente.