RU2561724C2

RU2561724C2 - Power source for street lighting based on solar panels

Info

Publication number: RU2561724C2
Application number: RU2013149057/07A
Authority: RU
Inventors: Джин Пьо ПАРК; Вон Сан НА; Ин Юнг КИМ
Original assignee: Амолюкс Ко. Лтд
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-09-10
Also published as: KR20140058230A; RU2013149057A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention refers to lighting engineering. Power source with solar panels for street lighting providing protection against failure of high capacity lithium batteries due to drop of the work characteristics at critical low temperatures includes module containing multiple solar panels for photoelectric conversion of the light energy to the electric energy; main battery of lithium secondary current sources charged by direct current generated by the module of solar panels, and ensuring power supply of the street lighting devices; heating and thermal protection device of main battery; secondary power source for the heating device keeping operability at critical low temperatures; regulator of the main battery charging by direct current generated by the module of solar panels; temperature sensor of main battery; and system controller to control secondary power source of the heater at temperature below the set minimum value.

EFFECT: increased operation reliability of the power source at low temperatures.

9 cl, 10 dwg

Description

Данное изобретение относится к источнику электропитания для уличного освещения с использованием батареи солнечных элементов, в частности к источнику электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, предусматривающему наличие защиты от отказа высокопроизводительных литиевых аккумуляторных батарей (батарей литиевых вторичных источников питания) из-за спада рабочих характеристик в условиях крайне низких температур.This invention relates to a power source for street lighting using a battery of solar cells, in particular to a power source for solar cells for street lighting, providing protection against failure of high-performance lithium batteries (lithium secondary batteries) due to a decline in performance in conditions of extremely low temperatures.

Известный уровень техникиPrior art

Несмотря на то, что производство электроэнергии с использованием солнечного света имеет такие недостатки, как зависимость от продолжительности светового дня, потребность в обширных площадях для выработки значительного количества электроэнергии, высокая стоимость производства по сравнению с другими видами электроэнергии для сетей общего пользования и первичная выработка постоянного тока, в настоящее время такое производство активно развивается в силу преимуществ, которыми оно также обладает, как то: экологическая чистота процесса получения солнечной энергии, отсутствие подвижных частей оборудования и элементов, находящихся под воздействием высоких температур и давлений, простота обслуживания и ремонта солнечных энергетических установок, возможность работы солнечных электростанций в полностью автоматическом режиме, наличие неограниченного источника производства энергии в промышленных объемах, и возможность масштабирования энергоустановок в зависимости от потребностей. Недаром солнечную энергию выделяют как будущее энергетики.Despite the fact that the production of electricity using sunlight has such disadvantages as being dependent on the length of daylight, the need for vast areas to generate a significant amount of electricity, the high cost of production compared to other types of electricity for public networks and the primary generation of direct current , currently such production is actively developing due to the advantages that it also possesses, such as: environmental friendliness of the process radiation of solar energy, the absence of moving parts of equipment and elements exposed to high temperatures and pressures, the ease of maintenance and repair of solar power plants, the ability to operate solar power plants in fully automatic mode, the availability of an unlimited source of energy production in industrial volumes, and the ability to scale power plants in depending on needs. No wonder solar energy is allocated as the future of energy.

Солнечные элементы (или фото[чувствительные]элементы), преобразующие солнечную энергию в электрическую в гелиоэнергетических установках, не предусматривают возможность автономного хранения электроэнергии, генерируемой солнечным светом. Поэтому солнечная энергетическая установка или устройство, работающее на солнечной батарее, обычно оснащается батареей, аккумулирующей электричество. В течение светового дня аккумуляторная батарея заряжается электротоком, генерируемым элементами солнечной батареи и потребляемым в дальнейшем по мере надобности.Solar cells (or photo [sensitive] cells) that convert solar energy to electrical energy in solar power plants do not provide for the autonomous storage of electricity generated by sunlight. Therefore, a solar power plant or solar-powered device is typically equipped with an electric storage battery. During daylight hours, the battery is charged by electric current generated by the elements of the solar battery and consumed in the future as needed.

В последние годы для уличного и дорожного освещения используют солнечные батареи. Уличные светильники, работающие от солнечной энергии, в большинстве случаев оборудованы аккумуляторной батареей для накопления электрической энергии, полученной от солнечных элементов.In recent years, solar panels have been used for street and road lighting. Solar powered street lights are in most cases equipped with a rechargeable battery for storing electrical energy received from solar cells.

Другими словами, поскольку солнечные фотоэлементы сами по себе не могут сохранять электроэнергию, вырабатываемую под воздействием солнечных лучей, средства уличного освещения с солнечными элементами дополнительно оборудуются аккумуляторными батареями.In other words, since solar photovoltaic cells alone cannot store electricity generated by exposure to sunlight, street lighting with solar cells is additionally equipped with rechargeable batteries.

Таким образом, на известном уровне техники система наружного освещения, работающая от солнечной энергии, должна быть оснащена батареей вторичных (или перезаряжаемых) источников питания, заряжающихся электроэнергией днем и отдающих ее на нужды потребления в темное время суток.Thus, in the prior art, an outdoor lighting system powered by solar energy must be equipped with a battery of secondary (or rechargeable) power sources that charge with electricity during the day and give it away for consumption in the dark.

Такая аккумуляторная батарея может состоять из свинцовых, никель-металлогидридных (Ni-MH) или никель-кадмиевых (Ni-Cd), литий-ионных (Li-ion) или литий-полимерных и т.п. вторичных источников тока. Исходя из зарядной емкости в зависимости от массы и объема батареи, а также учитывая частоту использования, данному назначению по своим эксплуатационным свойствам лучше всего соответствует литиевая аккумуляторная батарея.Such a battery may consist of lead, nickel metal hydride (Ni-MH) or nickel-cadmium (Ni-Cd), lithium-ion (Li-ion) or lithium-polymer, etc. secondary current sources. Based on the charging capacity, depending on the mass and volume of the battery, and also taking into account the frequency of use, a lithium battery is best suited for this purpose in terms of its operational properties.

Слабыми сторонами никель-металл-гидридной (Ni-MH) или никель-кадмиевой (Ni-Cd) батареи являются короткий срок службы из-за „эффекта памяти", низкое выходное напряжение 1,2 В и низкий КПД, однако их преимущество - дешевизна.The weaknesses of nickel-metal hydride (Ni-MH) or nickel-cadmium (Ni-Cd) batteries are their short battery life, low output voltage of 1.2 V and low efficiency, but their advantage is low cost .

В противоположность этому батарея литиевых вторичных источников тока характеризуется длительным сроком службы в силу отсутствия эффекта памяти, высоким выходным напряжением 4,2 В и большой емкостью, высокой плотностью энергии каждого элемента, превосходными показателями цикла зарядки и разрядки и способностью долго сохранять номинальные выходные значения, тем не менее, эксплуатационные характеристики таких батарей значительно ухудшаются в условиях низких температур.In contrast, a lithium secondary current source battery is characterized by a long service life due to the absence of a memory effect, a high output voltage of 4.2 V and a large capacity, high energy density of each cell, excellent charge and discharge cycle indicators and the ability to maintain nominal output values for a long time, however, the performance of such batteries is significantly degraded at low temperatures.

Так, литиевая аккумуляторная батарея обеспечивает 100%-ную производительность в диапазоне температур от 0 до 40°C и теряет свои разрядные характеристики при выходе за его пределы. Так, литиевые аккумуляторные батареи, используемые в системах уличного освещения на солнечных батареях в низкотемпературных условиях, скажем, в районах крайнего севера, теряют свои качества по продолжительности и эффективности службы.Thus, a lithium battery provides 100% performance in the temperature range from 0 to 40 ° C and loses its discharge characteristics when it goes beyond its limits. So, lithium batteries used in street lighting systems on solar panels in low-temperature conditions, say, in the regions of the far north, lose their quality in terms of duration and efficiency of service.

Говоря иначе, зафиксированы следующие показатели резкого снижения разрядных характеристик батареи литиевых вторичных источников тока при понижении температуры ниже комнатной: до -10°C КПД снижается до 70-80%, до -20°C снижается до 50-60%, до -40°C снижается до 12%.In other words, the following indicators were recorded of a sharp decrease in the discharge characteristics of the battery of lithium secondary current sources when the temperature drops below room temperature: to -10 ° C, the efficiency decreases to 70-80%, to -20 ° C decreases to 50-60%, to -40 ° C is reduced to 12%.

Более того, при резкой смене погодных условий возможен отказ системы уличного освещения на солнечных батареях, что может привести к опасной дорожной ситуации.Moreover, with a sharp change in weather conditions, a solar-powered street lighting system may fail, which can lead to a dangerous traffic situation.

В патенте Республики Корея №10-0992397 предложено малобюджетное и эффективное устройство управления светодиодными СИД-светильниками на солнечных элементах, интегрированное с преобразователем постоянного тока (DC-DC конвертер), за счет чего упрощено задание параметров срабатывания и обеспечена индикация рабочего состояния на дисплее в реальном времени. Блок управления СИД-светильниками на солнечных элементах, интегрированный с преобразователем постоянного тока включает: модуль солнечных элементов, генерирующий под воздействием солнечного света постоянный ток определенных характеристик; аккумуляторную батарею; СИД-светильник и блок управления СИД-светильниками, управляющий зарядкой аккумуляторной батареи от модуля солнечных элементов, ШИМ (/PWM/ широтно-импульсный модулятор), который стабилизирует постоянный ток аккумуляторной батареи и подает его на СИД-светильники.In the patent of the Republic of Korea No. 10-0992397, a low-budget and effective device for controlling LED LED lamps on solar cells is proposed, integrated with a DC-DC converter (DC-DC converter), due to which it is simplified to set the response parameters and provide an indication of the operating status on the display in real time. The control unit for LED-solar-powered lamps integrated with a direct current converter includes: a solar cell module that generates direct current of certain characteristics under the influence of sunlight; rechargeable battery; An LED luminaire and an LED luminaire control unit that controls battery charging from the solar cell module, PWM (/ PWM / pulse width modulator), which stabilizes the battery constant current and supplies it to the LED luminaires.

Блок управления СИД-светильниками включает: регулятор солнечных элементов, управляющий модулем солнечных элементов; регулятор зарядки батареи как источника питания в составе модуля солнечных элементов; схему защиты аккумуляторной батареи от перезаряда и глубокого разряда; жидкокристаллический дисплей (ЖКД) для индикации рабочих параметров; блок управления ЖКД по управляющему сигналу; датчик температуры; регулятор преобразования постоянного тока и стабилизации напряжения/тока, преобразующий напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи для включения СИД-светильников по управляющему сигналу широтно-импульсной модуляции (ШИМ); блок RS232C обмена данными с компьютером; и главный контроллер, который при подключении к компьютеру через блок обмена данными RS232C управляет зарядкой и разрядкой аккумуляторной батареи посредством регулятора зарядки, отображает на ЖКД состояние заряда аккумулятора, получая данные от блока управления ЖКД и от датчика температуры для термокомпенсации.The control unit for LED lamps includes: a solar cell regulator that controls the solar cell module; battery charging regulator as a power source as part of the solar cell module; circuit protection battery against overcharging and deep discharge; liquid crystal display (LCD) to indicate operating parameters; LCD control unit by a control signal; temperature sensor; a regulator for converting direct current and stabilizing voltage / current, converting the DC voltage of the battery to turn on the LED-lamps according to the control signal of pulse width modulation (PWM); RS232C block of data exchange with a computer; and the main controller, which, when connected to the computer via the RS232C data exchange unit, controls the charging and discharging of the battery through the charge controller, displays the battery charge status on the LCD, receiving data from the LCD control unit and from the temperature sensor for temperature compensation.

В дополнение к этому в состав главного контроллера входит устройство пуска обогревателя по управляющему сигналу термоконтроля для создания тепловой защиты аккумуляторной батареи, когда температура опускается ниже заданной величины.In addition to this, the main controller includes a heater start-up device according to the control signal of thermal control to create thermal protection of the battery when the temperature drops below a predetermined value.

Тем не менее, если система уличного освещения на солнечных элементах оснащена одиночной, в особенности литиевой, аккумуляторной батареей, служащей одновременно для запитки обогревателя, как предложено в патенте Республики Корея №10-0992397, при понижении окружающей температуры ниже нуля происходит резкое ухудшение разрядных характеристик литиевой аккумуляторной батареи даже при наличии остаточной емкости, в результате чего включение освещения на солнечных батареях не срабатывает.However, if the solar-powered street lighting system is equipped with a single, especially lithium, rechargeable battery, which serves to power the heater at the same time, as proposed in the Republic of Korea patent No. 10-0992397, when the ambient temperature drops below zero, there is a sharp deterioration in the discharge characteristics of lithium the battery even in the presence of residual capacity, as a result of which the inclusion of lighting on solar panels does not work.

Более того, если система уличного освещения на солнечных батареях, раскрытая в патенте Республики Корея №10-0992397, установлена в экстремально холодной климатической зоне, сокращается срок службы, происходят отказы, возрастают расходы на техническое обслуживание.Moreover, if the solar-powered street lighting system disclosed in the Republic of Korea Patent No. 10-0992397 is installed in an extremely cold climate zone, the service life is reduced, failures occur, and maintenance costs increase.

Вдобавок, данное схемотехническое решение блока управления СИД-светильниками предусматривает только включение нагревателя, когда температура среды опускается ниже заданного показателя, для тепловой защиты батареи, но не оповещает своевременно о необходимости включения теплозащиты. Также из-за запитки пусковой цепи обогревателя от общей литиевой аккумуляторной батареи, служащей одновременно сигнальным источником тока, нагреватель может быть не запущен.In addition, this circuitry of the LED-lamp control unit provides only for turning on the heater when the temperature of the medium drops below a predetermined figure for thermal protection of the battery, but does not promptly inform about the need to turn on thermal protection. Also, due to the power supply to the heater start-up circuit from a common lithium battery, which simultaneously serves as a signal current source, the heater may not start.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническая задачаTechnical challenge

Для решения названных выше задач или преодоления указанных недостатков в настоящем изобретении предложен источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, предусматривающий защиту от отказа высокопроизводительной главной аккумуляторной батареи литиевых вторичных источников тока из-за спада рабочих характеристик в условиях критически низких температур.To solve the above problems or overcome these drawbacks, the present invention provides a solar cell power supply for street lighting, which provides protection against failure of the high-performance main battery of lithium secondary current sources due to a decline in performance at critically low temperatures.

Другим объектом настоящего изобретения является источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, оснащенный вспомогательным источником питания в виде суперконденсатора (электрохимического конденсатора сверхбольшой емкости), на работу которого не влияют даже критически низкие температуры и за счет которого обеспечивается тепловая защита главной литиевой аккумуляторной батареи и предотвращается ее отказ в случае понижения температуры до или ниже заданного значения.Another object of the present invention is a power supply based on solar cells for street lighting, equipped with an auxiliary power source in the form of a supercapacitor (electrochemical capacitor of extra large capacity), the operation of which is not affected even by critically low temperatures and due to which thermal protection of the main lithium battery is ensured and is prevented its failure in the event of a drop in temperature to or below the set value.

Еще одним объектом данного изобретения является источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, оснащенный поверхностным теплогенератором для эффективной тепловой защиты литиевой аккумуляторной батареи без ее перегрева.Another object of this invention is a solar cell power supply for street lighting, equipped with a surface heat generator for effective thermal protection of a lithium battery without overheating.

Цели заявляемого изобретения не ограничены названными выше объектами, и неуказанные задачи и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания и представленных вариантов исполнения. Кроме того, очевидно, что цели и преимущества изобретения могут быть осуществлены с использованием элементов, представленных в пунктах формулы изобретения, и их сочетаний.The objectives of the claimed invention are not limited to the above objects, and unspecified objectives and advantages of the invention will be clear from the following description and the presented options for execution. In addition, it is obvious that the objectives and advantages of the invention can be realized using the elements presented in the claims, and combinations thereof.

Техническое решениеTechnical solution

Одним из аспектов решения сформулированных выше и сопутствующих задач изобретения является источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения, в конструкцию которого включены: модуль из множества солнечных элементов для фотоэлектрического преобразования световой энергии в электрическую; главная аккумуляторная батарея литиевых вторичных источников тока, заряжаемая постоянным током, генерируемым модулем солнечных элементов, и питающая электроэнергией приборы уличного освещения; устройство обогрева и тепловой защиты главной аккумуляторной батареи; вспомогательный источник питания для пуска обогревателя, устойчивый к воздействию предельно низких атмосферных температур; регулятор зарядки главной батареи электроэнергией постоянного тока, генерируемой модулем солнечных элементов; датчик температуры главной батареи; и системный контроллер, управляющий вспомогательным источником питания обогревателя при показании температуры ниже заданного минимального значения.One aspect of the solution of the above and related objectives of the invention is a solar cell power supply for street lighting, the design of which includes: a module of a plurality of solar cells for photoelectric conversion of light energy into electrical energy; the main rechargeable battery of lithium secondary current sources, charged by direct current generated by the solar module, and powering street lighting devices; device for heating and thermal protection of the main battery; auxiliary power supply for starting the heater, resistant to extremely low atmospheric temperatures; a regulator for charging the main battery with direct current electricity generated by the solar cell module; temperature sensor of the main battery; and a system controller controlling the auxiliary heater power supply when the temperature is displayed below a predetermined minimum value.

Преимущества конструкцииDesign advantages

Как описано выше, источник электропитания на солнечных элементах для уличного освещения согласно изобретению оснащен вспомогательным источником питания в виде суперконденсатора, не подверженного воздействию критически низких температур, служащего для создания тепловой защиты высокопроизводительной главной литиевой (например, литий-ионной) аккумуляторной батареи и для предотвращения ее отказа при понижении температуры до или ниже заданного значения до критически низких показателей.As described above, the solar cell power supply for street lighting according to the invention is equipped with an auxiliary power supply in the form of a supercapacitor, not exposed to critically low temperatures, which serves to provide thermal protection for the high-performance main lithium (e.g. lithium-ion) battery and to prevent it failure when the temperature drops to or below the set value to critically low values.

Дополнительно, в источнике электропитания на солнечных элементах для уличного освещения согласно настоящему изобретению использован поверхностный теплогенератор для обеспечения эффективной теплоизоляции литиевой аккумуляторной батареи без ее перегрева, что упрощает управление системой.Additionally, a surface heat generator is used in a street power solar cell power supply according to the present invention to provide effective thermal insulation of a lithium battery without overheating, which simplifies system management.

Описание фигурDescription of figures

Фигура 1 (FIG.1) представляет собой предпочтительный вариант принципиальной блочной схемы источника электропитания на солнечных элементах для уличного освещения согласно изобретению; на фигуре 2 (FIG.2) представлен вид в перспективе обогревателя для тепловой защиты одноэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно изобретению; на фигуре 3 (FIG.3) представлен вид в перспективе обогревателя для теплозащиты одноэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; на фигуре 4 (FIG.4) представлен вид в перспективе обогревателя для теплозащиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; на фигуре 5 (FIG.5) представлен вид в перспективе модифицированного обогревателя для тепловой защиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; на фигурах 6, 7 (FIG.6, 7) представлены виды в разрезе конструкций, которые могут быть использованы в устройствах обогрева, показанных на фигугах 2-5; на фигуре 8 (FIG.8) представлен вид в плане конфигурации поверхностного теплогенератора, используемого в качестве устройства тепловой защиты на фигурах 6 и 7; фигуры 9А и 9B (FIG.9A, 9В) представляют блок-схему системы электропитания уличного освещения на солнечных элементах в соответствии с заявляемым изобретением.Figure 1 (FIG.1) is a preferred embodiment of a block diagram of a solar cell power source for street lighting according to the invention; figure 2 (FIG.2) presents a perspective view of a heater for thermal protection of a single-cell lithium-ion battery according to the invention; figure 3 (FIG.3) presents a perspective view of a heater for thermal protection of a single-cell lithium-ion battery in accordance with the invention; figure 4 (FIG.4) presents a perspective view of a heater for thermal protection of a three-cell lithium-ion battery in accordance with the invention; figure 5 (FIG.5) presents a perspective view of a modified heater for thermal protection of a three-cell lithium-ion battery in accordance with the invention; in figures 6, 7 (FIG.6, 7) are sectional views of structures that can be used in the heating devices shown in figures 2-5; FIG. 8 (FIG. 8) is a plan view of a configuration of a surface heat generator used as a thermal protection device in FIGS. 6 and 7; figures 9A and 9B (FIG.9A, 9B) are a block diagram of a solar-powered street lighting power system in accordance with the claimed invention.

Наилучший способ осуществленияBest way to exercise

Объекты, признаки и преимущества изобретения станут очевидными из приведенных примеров конструктивных решений, проиллюстрированных в сопроводительных фигурах и детализированных в приведенном ниже описании. Соответственно технологическая концепция изобретения доступна для понимания специалистами в данной области без отклонения от сущности и объема изобретения.The objects, features and advantages of the invention will become apparent from the examples of design solutions illustrated in the accompanying figures and detailed in the description below. Accordingly, the technological concept of the invention is available for understanding by specialists in this field without deviating from the essence and scope of the invention.

В дальнейшем при описании изобретения детализация связанных с ним общеприменимых технологических или конструктивных решений, способная излишне усложнить предмет рассмотрения, будет опускаться. Далее будут подробно рассмотрены предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие фигуры.In the future, when describing the invention, the details of associated generally applicable technological or structural solutions that can unnecessarily complicate the subject matter will be omitted. Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying figures.

Фигура 1 представляет принципиальную блочную схему предпочтительной компоновки источника электропитания на солнечных элементах для уличного освещения в соответствии с настоящим изобретением.Figure 1 is a schematic block diagram of a preferred arrangement of a solar cell power supply for street lighting in accordance with the present invention.

Как видно на фигуре 1, в предпочтительный схемотехнический вариант источника электропитания на солнечных элементах для уличного освещения согласно изобретению включены: модуль солнечных элементов 11, регулятор зарядки 12, преобразователь постоянного тока 13, уличный осветительный прибор 14, главная аккумуляторная батарея 15, вспомогательный источник питания 16, первая схема коммутации 17, вторая схема коммутации 18, обогреватель 19, системный контроллер 20 (центральный процессор (ЦП)), датчик освещенности 21 и датчик температуры 22.As can be seen in figure 1, in a preferred circuit embodiment of a solar cell power source for street lighting according to the invention includes: a solar cell module 11, a charge controller 12, a DC converter 13, a street light 14, a main battery 15, an auxiliary power source 16 , the first switching circuit 17, the second switching circuit 18, a heater 19, a system controller 20 (central processing unit (CPU)), a light sensor 21, and a temperature sensor 22.

Прежде всего электроприборы уличного освещения 14, питаемые постоянным или переменным током от источника энергоснабжения для уличного освещения в соответствии с данным изобретением, устанавливают на обочине. В уличном осветительном приборе 14 в качестве источника света могут быть использованы любые типы ламп, например ртутные, металлогалоидные, натриевые, плазменные и светодиодные (СИД-светильники).First of all, street lighting electrical appliances 14, powered by direct or alternating current from a power source for street lighting in accordance with this invention, are mounted on the side of the road. In the street lighting device 14, any type of lamp can be used as a light source, for example, mercury, metal halide, sodium, plasma and LED (LED lamps).

В описанном ранее конструктивном решении системы уличного освещения 14 преимущественно использованы СИД-светильники, характеризующиеся долговечностью и высоким КПД при низком энергопотреблении. Данная компоновка предполагает наличие преобразователя 13 выходного напряжения постоянного тока аккумуляторной батареи в питающее напряжение Vcc уличного освещения 14.In the previously described constructive solution of the street lighting system 14, LED lamps are mainly used, characterized by durability and high efficiency with low power consumption. This arrangement requires a converter 13 of the output DC voltage of the battery to the supply voltage Vcc of street lighting 14.

Однако если в качестве источников света для уличного освещения 14 применяют газоразрядные лампы, такие как ртутные и натриевые, источник электроснабжения в соответствии с настоящим изобретением должен быть снабжен стабилизатором, необходимым для пуска газоразрядных ламп вместо преобразователя постоянного тока 13.However, if gas discharge lamps such as mercury and sodium are used as street light sources 14, the power supply in accordance with the present invention must be equipped with a stabilizer necessary to start the gas discharge lamps instead of the direct current converter 13.

Модуль солнечных элементов 11, включающий множество солнечных фотоэлементов, вырабатывает постоянный ток посредством фотоэлектрического преобразования световой энергии в электрическую. Модуль солнечных элементов 11 может быть оснащен блоком наведения на солнце солнечных элементов для повышения КПД фотоэлектрического преобразования.The solar cell module 11, including a plurality of solar photocells, produces direct current through the photoelectric conversion of light energy into electrical energy. The solar cell module 11 may be equipped with a solar cell guidance unit for increasing the efficiency of photoelectric conversion.

Главная аккумуляторная батарея 15 выполнена с возможностью ее зарядки в дневное время постоянным электрическим током, генерируемым модулем солнечных элементов 11, и разрядки накопленной ею электроэнергии в темное время суток для питания уличного освещения 14. Литиевая аккумуляторная батарея (Li BAT) характеризуется продолжительным сроком службы без эффекта памяти, высоким выходным напряжением 4,2 В, высокой плотностью энергии и высоким КПД. Литиевая аккумуляторная батарея может состоять из литий-ионных или литий-полимерных вторичных источников тока.The main battery 15 is configured to charge it in the daytime with direct electric current generated by the solar cell module 11 and discharge the accumulated electricity in the dark to power street lighting 14. The lithium battery (Li BAT) is characterized by a long service life without effect memory, high output voltage of 4.2 V, high energy density and high efficiency. A lithium battery may consist of lithium-ion or lithium-polymer secondary current sources.

Учитывая отрицательное воздействие низких температур на эксплуатационные характеристики литиевых аккумуляторных батарей, в настоящем изобретении предусмотрен обогреватель 19, создающий тепловую защиту главной батареи 15 при понижении температуры окружающего воздуха ниже заданной.Given the negative impact of low temperatures on the performance of lithium batteries, the present invention provides a heater 19 that provides thermal protection to the main battery 15 when the ambient temperature drops below a predetermined temperature.

В дополнение к этому в настоящем изобретении предусмотрен вспомогательный источник питания 16, сохраняющий работоспособность даже в критически холодных условиях, обеспечивая уличное освещение 14 электропитанием постоянного тока (Vcc) от главной аккумуляторной батареи 15 на литиевых элементах при резком понижении температуры окружающей среды. Таким вспомогательным источником питания 16 может служить конденсатор большой емкости, такой как электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC).In addition to this, the present invention provides an auxiliary power supply 16, which maintains operability even in critically cold conditions, providing street lighting 14 with DC power (Vcc) from the main lithium cell battery 15 while the ambient temperature drops sharply. Such an auxiliary power source 16 may be a large capacitor, such as an electrochemical double layer capacitor (EDLC).

Как показано на фигурах 2-5, в обогревателе 19 использован рамочный обогреватель 191, окружающий наружную поверхность главной аккумуляторной батареи 15, выполненной из прямоугольных элементов питания с определенной площадью, что более подробно будет описано позже.As shown in figures 2-5, the heater 19 used a frame heater 191, surrounding the outer surface of the main battery 15, made of rectangular batteries with a certain area, which will be described in more detail later.

Изобретение предусматривает включение в схему после модуля солнечных элементов 11 регулятора зарядки 12 и первой схемы коммутации 17, которые управляют чередованием зарядки главной аккумуляторной батареи 15 и вспомогательного источника питания 16 электроэнергией, генерируемой модулем солнечных элементов 11. Первая схема коммутации 17 может представлять собой тумблер.The invention provides for the inclusion in the circuit after the solar cell module 11 of the charge controller 12 and the first switching circuit 17, which control the alternating charging of the main battery 15 and the auxiliary power source 16 with the electric power generated by the solar cell module 11. The first switching circuit 17 may be a toggle switch.

Регулятор зарядки 12 одновременно соединен с преобразователем постоянного тока 13 и с первой схемой коммутации 17, которая, в свою очередь, поочередно подключает выходной терминал регулятора зарядки 12 к главной аккумуляторной батарее 15 или к вспомогательному источнику питания 16 в ответ на первый сигнал выбора контроллера системы 20.The charge controller 12 is simultaneously connected to the DC / DC converter 13 and to the first switching circuit 17, which, in turn, connects the output terminal of the charge controller 12 to the main battery 15 or to the auxiliary power source 16 in response to the first signal of the choice of the system controller 20 .

Подвижный контакт первой схемы коммутации 17 соединяет выходной терминал регулятора зарядки 12 предпочтительно с главной аккумуляторной батареей 15, пока она заряжается. После полной зарядки главной аккумуляторной батареи 15 подвижный контакт первой схемы коммутации 17 переходит в соединение со вспомогательным источником питания 16 для его зарядки.The movable contact of the first switching circuit 17 connects the output terminal of the charge controller 12, preferably to the main battery 15, while it is charging. After the main battery 15 is fully charged, the movable contact of the first switching circuit 17 goes into connection with the auxiliary power source 16 to charge it.

Регулятор зарядки 12 контролирует процесс зарядки, например, в режиме постоянного напряжения постоянного тока (CCCV), когда заряжаемая электроэнергией от модуля солнечных элементов 11 главная аккумуляторная батарея 15 является батареей литиевых вторичных источников тока.The charge controller 12 controls the charging process, for example, in constant current direct current (CCCV) mode, when the main battery 15 charged by the electric power from the solar cell module 11 is a lithium secondary current source battery.

При этом в схему регулятора зарядки 12 входят контур постоянного напряжения и контур постоянного тока, посредством которых он управляет зарядкой главной аккумуляторной батареи 15 постоянным током, сначала - до заданного предварительного верхнего предела напряжения, а затем - до верхнего предельного напряжения. Поскольку в режиме стабилизированного напряжения величина тока уменьшается, зарядка заканчивается в момент времени, когда величина тока главной аккумуляторной батареи 15 достигает заданного показателя.In this case, the charging regulator circuit 12 includes a constant voltage circuit and a direct current circuit, by means of which it controls the charging of the main battery 15 with direct current, first to a predetermined upper voltage limit, and then to the upper voltage limit. Since the current value decreases in the stabilized voltage mode, charging ends at a time when the current value of the main battery 15 reaches a predetermined value.

Зарядка выполняется при зарядном токе 1 К (кулон) или меньше в режиме зарядки током постоянной величины до достижения вольтажа верхнего предельного напряжения 4,2 В в том случае, если главная аккумуляторная батарея 15 представляет собой, например, одноэлементный литий-ионный источник тока, и до достижения верхнего предела напряжения 8,4 В, если главная аккумуляторная батарея 15 представляет собой, например, двухэлементный литий-ионный источник тока, после чего режим зарядки током постоянной величины переходит в режим зарядки напряжением постоянной величины, если напряжение аккумуляторной батареи достигает верхнего предельного напряжения, при котором проходит зарядка.Charging is performed at a charging current of 1 K (pendant) or less in a constant current charging mode until the voltage reaches the upper limit voltage of 4.2 V if the main battery 15 is, for example, a single-cell lithium-ion current source, and until the upper voltage limit of 8.4 V is reached, if the main battery 15 is, for example, a two-cell lithium-ion current source, after which the constant-current charging mode switches to the post-voltage charging mode If the battery voltage reaches the upper limit voltage at which charging takes place.

Безусловно, зарядка батареи литий-ионных автономных источников питания постоянным током с постоянным напряжением (CCCV) может быть заменена любым другим известным способом зарядки.Of course, charging a battery of lithium-ion autonomous DC power supplies with constant voltage (CCCV) can be replaced by any other known charging method.

В дополнение к этому, питание обогревателя 19 может выборочно осуществляться от главной аккумуляторной батареи 15 или от вспомогательного источника питания 16, чем управляет системный контроллер 20 через вторую схему коммутации 18. Вторая схема коммутации 18 может быть выполнена в виде контактного реле или бесконтактного твердотельного логического элемента или т.п.In addition, the heater 19 can be selectively supplied from the main battery 15 or from an auxiliary power source 16, which is controlled by the system controller 20 through the second switching circuit 18. The second switching circuit 18 can be made in the form of a contact relay or a contactless solid state logic element or the like

В первую очередь вторая схема коммутации 18 остается в состоянии контакта со вспомогательным источником питания 16. Вторая схема коммутации 18 служит для переключения питания обогревателя 19 со вспомогательного источника 16 на главную аккумуляторную батарею 15, когда она работает в нормальном режиме при выработке электроэнергии модулем солнечных элементов 11.First of all, the second switching circuit 18 remains in contact with the auxiliary power source 16. The second switching circuit 18 is used to switch the power of the heater 19 from the auxiliary source 16 to the main battery 15 when it is operating in normal mode when electricity is generated by the solar cell module 11 .

Переключение подвижного контакта второй схемы коммутации 18 происходит по второму сигналу выбора системного контроллера 20.Switching the movable contact of the second switching circuit 18 occurs on the second signal selection of the system controller 20.

Системный контроллер 20, выполненный как блок обработки сигналов, содержит, например, микропроцессор (ЦП), накопитель данных и программу управления системой, распознает дневное и ночное время, сопоставляя показания датчика освещенности 21 с опорным значением, введенным в память, и рассчитывает включение и выключение уличного освещения, управляя при этом его яркостью.The system controller 20, designed as a signal processing unit, contains, for example, a microprocessor (CPU), a data storage device and a system management program, recognizes day and night time by comparing the readings of the light sensor 21 with a reference value stored in the memory, and calculates switching on and off street lighting, while controlling its brightness.

Кроме того, системный контроллер 20 с помощью термодатчика 22 определяет температуру главной, в частности литий-ионной, аккумуляторной батареи 15, и при необходимости включает обогреватель 19, исходя из введенного в память опорного значения температуры между нижним и верхним пределами.In addition, the system controller 20 using a temperature sensor 22 determines the temperature of the main, in particular lithium-ion, battery 15, and, if necessary, turns on the heater 19 based on the stored temperature reference value between the lower and upper limits.

Если, предположим, батарея литиевых вторичных источников тока обеспечивает 100%-ную производительность в диапазоне температур от 0 до 40°C, системный контроллер 20 управляет пуском обогревателя 19, создавая теплозащиту главной аккумуляторной батареи 15 и предупреждая ее охлаждение ниже предельно отрицательной температуры, например 0°C, в случае использования уличного освещения в зонах критически холодного климата. В случае если показания температуры превышают установленный верхний предел, например 10°C, обогреватель 19 отключается во избежание перерасхода электроэнергии.If, for example, a lithium secondary current source battery provides 100% performance in the temperature range from 0 to 40 ° C, the system controller 20 controls the start of the heater 19, creating thermal protection of the main battery 15 and preventing it from cooling below an extremely negative temperature, for example 0 ° C, when street lighting is used in critical cold areas. If the temperature readings exceed the set upper limit, for example 10 ° C, the heater 19 is turned off to avoid excessive energy consumption.

Фигура 2 представляет вид в перспективе обогревателя для тепловой защиты одноэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно изобретению; фигура 3 представляет вид в перспективе обогревателя для теплозащиты одноэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; фигура 4 представляет вид в перспективе обогревателя для теплозащиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением; фигура 5 представляет вид в перспективе модифицированного обогревателя для тепловой защиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением.Figure 2 is a perspective view of a heater for thermal protection of a single cell lithium ion secondary battery according to the invention; figure 3 is a perspective view of a heater for thermal protection of a single-cell lithium-ion battery in accordance with the invention; figure 4 is a perspective view of a heater for thermal protection of a three-cell lithium-ion battery in accordance with the invention; figure 5 is a perspective view of a modified heater for thermal protection of a three-cell lithium-ion battery in accordance with the invention.

Далее рассмотрим детали устройства тепловой защиты в соответствии с данным изобретением и фигурами 2-5.Next, we consider the details of the thermal protection device in accordance with this invention and figures 2-5.

На фигуре 2 главная одноэлементная аккумуляторная батарея 15 скомпонована из одиночного литий-ионного источника тока 15а в виде пластины в форме прямоугольного параллелепипеда.In figure 2, the main single cell battery 15 is arranged from a single lithium-ion current source 15a in the form of a plate in the shape of a rectangular parallelepiped.

Устройство обогрева 19 может представлять собой рамочный обогреватель 191, опоясывающий по периметру элемент литиево-ионной аккумуляторной батареи 15а, выполненной в виде пластины в форме прямоугольного параллелепипеда.The heating device 19 may be a frame heater 191, a circumferential element surrounding a lithium-ion battery 15a, made in the form of a plate in the shape of a rectangular parallelepiped.

Как показано на фигуре 3, термозащита главной батареи в соответствии с изобретением может быть усилена за счет применения поверхностного обогревателя 192, выполненного в форме прямоугольной панели, закрывающей фронтальную и/или тыльную стороны литий-ионной батареи.As shown in figure 3, the thermal protection of the main battery in accordance with the invention can be enhanced by the use of a surface heater 192, made in the form of a rectangular panel covering the front and / or back of the lithium-ion battery.

На фигуре 4 дан вид в перспективе обогревателя для теплозащиты трехэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением. Трехсекционная аккумуляторная батарея составлена из трех литий-ионных элементов 15а-15с, каждый из которых выполнен в виде пластины в форме прямоугольного параллелепипеда. Устройство обогрева 19 может представлять собой рамочный обогреватель 191, опоясывающий по внешнему периметру все элементы литиево-ионной аккумуляторной батареи 15а-15с и снабженный промежуточными сегментами обогрева 193а и 193b, которые разбивают элементы литиево-ионной аккумуляторной батареи 15а-15с на соответствующие секции.Figure 4 is a perspective view of a heater for thermal protection of a three-cell lithium-ion battery in accordance with the invention. The three-section battery is composed of three lithium-ion cells 15a-15c, each of which is made in the form of a plate in the shape of a rectangular parallelepiped. The heating device 19 may be a frame heater 191, encircling the outer perimeter of all the elements of the lithium-ion battery 15a-15c and provided with intermediate heating segments 193a and 193b that divide the elements of the lithium-ion battery 15a-15c into the corresponding sections.

Как показано на фигуре 5, термозащита главной батареи в соответствии с изобретением может быть усилена за счет применения поверхностного обогревателя 192а в форме прямоугольной панели, закрывающей фронтальную и/или тыльную стороны литий-ионных элементов батареи.As shown in FIG. 5, the thermal protection of the main battery in accordance with the invention can be enhanced by the use of a surface heater 192a in the form of a rectangular panel covering the front and / or back of the lithium-ion battery cells.

В зависимости от конфигурации главной аккумуляторной батареи 15, формирующейся в зависимости от формы составляющих ее литий-ионных элементов питания 15а-15с, имеющих, например, в рассмотренном выше варианте вид пластин в форме прямоугольного параллелепипеда, конструкция обогревателя, который окружает эти элементы аккумуляторной батареи 15а-15с, может видоизменяться.Depending on the configuration of the main battery 15, which is formed depending on the shape of its constituent lithium-ion batteries 15a-15c, having, for example, in the above embodiment, the shape of the plates in the form of a rectangular parallelepiped, the design of the heater that surrounds these elements of the battery 15a -15s, may vary.

Рамочный обогреватель 191а, межсекционные сегменты обогревателя 193а и 193b и поверхностные обогреватели 192 и 192а, формирующие устройство обогрева 19, могут быть скомпонованы с обогревателем поверхностного типа, как показано на фиг.6 или 7.The frame heater 191a, the intersectional segments of the heater 193a and 193b and the surface heaters 192 and 192a forming the heating device 19 can be arranged with a surface type heater, as shown in FIG. 6 or 7.

Обогреватель поверхностного типа включает теплопроводящую основу 41, связующий слой 42, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) и защитный слой 44. Теплопроводящая основа 41 служит подложкой для нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b), которая стабильно и равномерно проводит выделяемую нагревательными элементами поверхностного типа 43 (43а и 43b) теплоту к элементам литиево-ионной аккумуляторной батареи 15а-15с. Теплопроводящую основу 41 изготавливают из материалов с наибольшей теплопроводностью, таких как Al, Cu и Ag, или их сплавов. В данной реализации для теплопроводящей основы 41 использован алюминий (Al) как дешевый, легкий и технологичный материал.The surface-type heater includes a heat-conducting base 41, a bonding layer 42, surface-type heating elements 43 (43a and 43b) and a protective layer 44. The heat-conducting base 41 serves as a substrate for surface-type heating elements 43 (43a and 43b), which stably and uniformly conducts surface heating elements 43 (43a and 43b) heat to the cells of the lithium-ion secondary battery 15a-15c. The heat-conducting base 41 is made of materials with the highest thermal conductivity, such as Al, Cu and Ag, or their alloys. In this implementation, aluminum (Al) is used for the heat-conducting base 41 as a cheap, lightweight and technologically advanced material.

При изготовлении теплопроводящей основы 41 из алюминия (Al) достаточно, например, слоя толщиной 0,5 мм для достижения высокого коэффициента теплопроводности при низких материальных затратах.In the manufacture of the heat-conducting base 41 from aluminum (Al), for example, a layer with a thickness of 0.5 mm is sufficient to achieve a high coefficient of thermal conductivity at low material cost.

При применении алюминиевой листовой фольги толщиной 0,5 мм в качестве теплопроводящей подложки 41 нагревательных элементов поверхностного типа для обогрева литий-ионных элементов аккумуляторной батареи 15а-15с даже в случае снижения тепловой мощности обогревателя сохраняется преимущество быстрой передачи тепла литий-ионным источникам тока 15а-15с.When using aluminum sheet foil with a thickness of 0.5 mm as a heat-conducting substrate 41 of surface-type heating elements for heating lithium-ion cells of the battery 15a-15c, even in the case of a decrease in the heat output of the heater, the advantage of fast heat transfer to lithium-ion current sources 15a-15s remains .

Связующий слой 42 состоящий, например, из кремнийорганического соединения (силикона), должен обладать электроизолирующими свойствами и выполнять роль буферного и адгезивного слоя для крепления, амортизации и защиты нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b).The bonding layer 42 consisting, for example, of an organosilicon compound (silicone), must have electrical insulating properties and act as a buffer and adhesive layer for fixing, cushioning and protecting surface type heating elements 43 (43a and 43b).

Как показано на фигуре 8, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) могут быть выполнены путем формирования из тонколистового металла матриц теплопроводящих дорожек, например, в виде последовательных или параллельных соединенных между собой зигзагов или прямых линий.As shown in FIG. 8, surface type heating elements 43 (43a and 43b) can be made by forming matrices of heat-conducting paths from sheet metal, for example, in the form of sequential or parallel interconnected zigzags or straight lines.

Завершающим покрытием нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) служит защитный слой 44 силикона, служащий для изоляции и герметизации устройства обогрева 19.The final coating of the heating elements of the surface type 43 (43a and 43b) is a protective layer 44 of silicone, which serves to isolate and seal the heating device 19.

При этом на фигуре 7 представлен вариант конструкции обогревателя 19 без теплопроводящей основы 41, где нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) запрессованы между двумя слоями синтетической смолы 40а и 40b.In this case, FIG. 7 shows a design variant of a heater 19 without a heat-conducting base 41, where surface-type heating elements 43 (43a and 43b) are pressed between two layers of synthetic resin 40a and 40b.

Нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) должны иметь большое удельное сопротивление, обычно в пределах от 1,0 до 1,4 Ω мм²/м, как материалы, проводящие тепло. Тем не менее, при условии, что значение удельного сопротивления составляет единицу (1) или большее число, применим любой доступный по стоимости металл или сплав.Surface type heating elements 43 (43a and 43b) should have a large resistivity, typically in the range of 1.0 to 1.4 Ω mm ² / m, like heat-conducting materials. However, provided that the resistivity is one (1) or greater, any metal or alloy that is affordable is applicable.

Нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) могут быть изготовлены из любого из тонколистовых сплавов FeCrAl, таких как Fe-(14~21%)Cr-(2~10%)Al, нихромовых теплопроводящих сплавов и аморфных тонколистовых (ленточных) материалов.Surface heating elements 43 (43a and 43b) can be made from any of FeCrAl thin-sheet alloys, such as Fe- (14 ~ 21%) Cr- (2 ~ 10%) Al, nichrome heat-conducting alloys and amorphous thin-sheet (tape) materials .

Сплав в пропорции Fe-15Cr-5Al или Fe-20Cr-5Al-РЗМ (редкоземельные металлы) может быть использован как предпочтительный вариант тонколистового сплава FeCrAl. Кроме этого, тонкие пластины изготавливают из аморфных материалов на основе железа (Fe) или кобальта (Со). Преимущество тонколистовых аморфных материалов на основе Fe в том, что они относительно дешевы.An alloy in the proportion Fe-15Cr-5Al or Fe-20Cr-5Al-REM (rare-earth metals) can be used as the preferred version of the FeCrAl thin-sheet alloy. In addition, thin plates are made of amorphous materials based on iron (Fe) or cobalt (Co). The advantage of Fe-based amorphous thin-sheet materials is that they are relatively cheap.

Наиболее предпочтительными материалами для нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) являются Fe-15Cr-5Al или на основе Fe. Если Fe-15Cr-5Al подвергнуть термической обработке, на поверхности сплава образуется защитный слой Al₂O₃ (оксида алюминия), придающий ему свойства высокого термосопротивления и коррозионностойкости, что помогает решить задачи окисления черных металлов.The most preferred materials for surface type 43 heating elements (43a and 43b) are Fe-15Cr-5Al or Fe-based. If Fe-15Cr-5Al is subjected to heat treatment, a protective layer of Al ₂ O ₃ (aluminum oxide) is formed on the surface of the alloy, giving it the properties of high thermal resistance and corrosion resistance, which helps to solve the problems of oxidation of ferrous metals.

Аморфные тонколистовые (ленточные) материалы на основе Fe имеют удельное сопротивление от 1,3 до 1,4 Ω мм²/м, что аналогично высокотермопроводящему материалу. Из этого следует, что аморфные тонколистовые (ленточные) материалы на основе Fe обладают соответствующими характеристиками как теплопроводящие материалы. В дополнение следует сказать, что поскольку аморфные материалы на основе Fe относительно дешевы по сравнению с известными высокотеплопроводными материалами и одновременно доступны в тонколистовой (ленточной) форме, эти материалы применены для нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) согласно данному изобретению.Amorphous thin-sheet (tape) materials based on Fe have a resistivity of 1.3 to 1.4 Ω mm ² / m, which is similar to a highly thermally conductive material. It follows from this that amorphous thin-sheet (ribbon) materials based on Fe possess the corresponding characteristics as heat-conducting materials. In addition, it should be said that since Fe-based amorphous materials are relatively cheap compared to the known high-heat-conducting materials and are simultaneously available in sheet-like (tape) form, these materials are used for surface heating elements 43 (43a and 43b) according to this invention.

Кроме прочего, аморфные материалы имеют такие превосходные свойства, как высокая износостойкость, высокая коррозионностойкость и высокая магнитная мягкость. Аморфные ленточные материалы на Fe-основе имеют то преимущество, что могут быть приобретены наполовину дешевле, чем общепринятый кремниевый нагреватель.Among other things, amorphous materials have such excellent properties as high wear resistance, high corrosion resistance and high magnetic softness. Amorphous Fe-based tape materials have the advantage that they can be purchased at half the cost of a conventional silicon heater.

Таким образом, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b), изготовленные из тонколистового [ленточного] металла толщиной 10-50 мкм, имеют площадь в 10-20 или более раз превышающую другие, спиралевидные, термопроводники с такой же площадью поперечного сечения. Отсюда следует, что нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) генерируют низкотемпературное тепло на большей площади при равной выработке электроэнергии и, следовательно, удовлетворяют требованиям как низкотемпературные средства обогрева. Нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) выполнены из тонких металлических пластин, в силу чего плотность генерируемого теплового потока на 1 см² низка, и, следовательно, нагревательная способность тоже не велика.Thus, surface-type heating elements 43 (43a and 43b) made of thin-sheet metal [tape] 10–50 µm thick have an area 10–20 times or more larger than other spiral-shaped thermal conductors with the same cross-sectional area. It follows that the surface heating elements 43 (43a and 43b) generate low-temperature heat over a larger area with equal power generation and, therefore, satisfy the requirements as low-temperature heating means. The surface heating elements 43 (43a and 43b) are made of thin metal plates, due to which the density of the generated heat flux per 1 cm ² is low, and therefore the heating capacity is also not large.

Как результат нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b), изготовленные из ленточных или тонколистовых металлов или аморфных материалов, не требуют большой толщины слоя теплостойкого или теплоизоляционного защитного покрытия их наружной поверхности по сравнению с традиционными спиральными нихромовыми термопроводниками, характеризующихся избыточным по интенсивности и/или температуре теплообразованием. Таким образом, подобные нагревательные элементы обеспечивают высокую эффективность теплопроводности и теплообмена.As a result, surface heating elements 43 (43a and 43b) made of tape or sheet metals or amorphous materials do not require a large thickness of the layer of heat-resistant or heat-insulating protective coating of their outer surface in comparison with traditional spiral nichrome thermal conductors, characterized by excessive intensity and / or heat generation temperature. Thus, such heating elements provide high efficiency of thermal conductivity and heat transfer.

В дополнение к этому, если в случае локального короткого замыкания нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) температура мгновенно возрастет до точки возгорания или выше, такие материалы, как аморфные сплавы нагревательных элементов поверхностного типа, кристаллизуются и мгновенно разъединят цепь, выполняя функцию плавких вставок.In addition, if, in the event of a local short circuit of surface type heating elements 43 (43a and 43b), the temperature instantly rises to a flash point or higher, materials such as amorphous alloys of surface type heating elements crystallize and instantly disconnect the circuit, acting as fuses inserts.

Другими словами, с точки зрения кристаллографии в аморфных тканях атомы ориентированы в случайном порядке по сравнению с металлами, в силу чего удельное сопротивление оказывается значительным, однако аморфные ткани стремятся к кристаллизации с образованием кристаллических участков, вследствие чего удельное сопротивление понижается. Кроме того, аморфные материалы используют в качестве покрытия пленочного типа или линейных нагревательных элементов, вызывая, таким образом, разъединение аморфных структур под воздействием сильного электрического тока.In other words, from the point of view of crystallography in amorphous tissues, atoms are randomly oriented compared to metals, due to which the resistivity is significant, however, amorphous tissues tend to crystallize with the formation of crystalline regions, as a result of which the resistivity decreases. In addition, amorphous materials are used as a film-type coating or linear heating elements, thus causing the separation of amorphous structures under the influence of a strong electric current.

Благодаря этому нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b), выполненные из аморфных материалов, не вызывают возгорание в результате перегрева, а выключаются из цепи с утратой функции нагрева, таким образом, самопроизвольно обеспечивая безопасность.Due to this, the heating elements of the surface type 43 (43a and 43b) made of amorphous materials do not cause a fire due to overheating, but are switched off from the circuit with the loss of the heating function, thus spontaneously ensuring safety.

Одно из технических решений настоящего изобретения предлагает для изготовления устройства обогрева использовать вместо нагревательных элементов поверхностного типа токопроводящую мастику, в частности графитовую пасту, которая наносится как нагревательный элемент. В этом случае перед формированием нагревательных элементов субстрат сначала покрывают слоем силикона, затем методом печати и спекания наносят графитовой пастой проводящий рисунок зигзагообразной конфигурации, который затем вместе с субстратом вновь покрывают слоем силикона.One of the technical solutions of the present invention proposes to use a conductive mastic, in particular graphite paste, which is applied as a heating element, instead of surface-type heating elements for the manufacture of a heating device. In this case, before the formation of the heating elements, the substrate is first coated with a silicone layer, then a conductive zigzag pattern is applied with graphite paste by printing and sintering, which is then again coated with a silicone layer together with the substrate.

Дальше, с опорой на блок-схему на фигурах 9А и 9B описан процесс энергоснабжения системы уличного освещения на солнечных элементах в соответствии с настоящим изобретением.Further, based on the flowchart in Figures 9A and 9B, the process of power supply of a solar street lighting system in accordance with the present invention is described.

Сначала, когда система уличного освещения на солнечных элементах, оборудованная источником электропитания в соответствии с настоящим изобретением, уже включена, системный контроллер 20 по показаниям термодатчика 22 оценивает состояние окружающей температуры относительно нижнего предельного значения, заданного и введенного в память пользователем, допустим 0°C (S30).First, when the solar-powered street lighting system equipped with the power supply in accordance with the present invention is already turned on, the system controller 20, based on the temperature sensor 22, estimates the state of the ambient temperature with respect to the lower limit value set and entered into the memory by the user, say 0 ° C ( S30).

По результатам оценки, если температура окружающего воздуха ниже нижнего предельного значения, заданного пользователем, например 0°C, системный контроллер 20 посылает сигнал второго выбора второй схеме коммутации 18, подвижный контакт которой переключается на выходной терминал вспомогательного источника питания 16, сохраняющего работоспособность при морозе ниже 0°C, таким образом, запитывая от него устройство обогрева 19 (S31).According to the results of the assessment, if the ambient temperature is below the lower limit set by the user, for example, 0 ° C, the system controller 20 sends a second choice signal to the second switching circuit 18, the movable contact of which switches to the output terminal of the auxiliary power source 16, which maintains operability in case of frost below 0 ° C, thus feeding the heating device 19 from it (S31).

В результате устройство обогрева 19 создает тепловую защиту главной аккумуляторной батареи 15 литий-ионных элементов питания для поддержания ее в условиях температуры выше нижнего предельного значения.As a result, the heating device 19 creates thermal protection of the main battery 15 of the lithium-ion batteries to maintain it at a temperature above the lower limit value.

Затем системный контроллер 20 по показаниям термодатчика 22 оценивает, не стала ли превышать окружающая температура верхнее предельное значение, заданное и введенное в память пользователем (S32). Если температура среды превосходит верхнее предельное значение, системный контроллер 20 передает сигнал второго выбора второй схеме коммутации 18, подвижный контакт которой разъединяется с выходным терминалом вспомогательного источника питания 16, отключая питание обогревателя 19 (S33).Then, the system controller 20 according to the readings of the temperature sensor 22 evaluates whether the ambient temperature has not exceeded the upper limit value set and entered into the memory by the user (S32). If the medium temperature exceeds the upper limit value, the system controller 20 transmits a second-choice signal to the second switching circuit 18, the movable contact of which is disconnected with the output terminal of the auxiliary power source 16, turning off the power to the heater 19 (S33).

Затем системный контроллер 20 с помощью регулятора зарядки 12 оценивает, вырабатывает ли электроэнергию модуль солнечных элементов 11 (S331). По результатам оценки, если элементы солнечного модуля вырабатывают электроэнергию, системный контроллер 20 посылает сигнал второго выбора второй схеме коммутации 18, подвижный контакт которой соединяется с выходным терминалом главной аккумуляторной батареи 15 для сокращения потребления электроэнергии от вспомогательного источника питания 16, имеющего небольшую емкость, и запитки обогревателя 19 электроэнергией от главной аккумуляторной батареи 15.Then, the system controller 20, using the charge controller 12, evaluates whether the solar cell module 11 is generating electricity (S331). According to the results of the assessment, if the elements of the solar module generate electricity, the system controller 20 sends a second-choice signal to the second switching circuit 18, the movable contact of which is connected to the output terminal of the main battery 15 to reduce power consumption from the auxiliary power source 16, which has a small capacity, and power heater 19 electric power from the main battery 15.

Если температура окружающего воздуха сохраняется на уровне между нижним и верхним предельными значениями, питание обогревателя 19 осуществляется от главной аккумуляторной батареи 15.If the ambient temperature is maintained between the lower and upper limit values, the heater 19 is supplied from the main battery 15.

Далее, по результатам оценки, если солнечные элементы генерируют электроэнергию, системный контроллер 20 управляет зарядкой главной аккумуляторной батареи 15 в режиме постоянного напряжения постоянного тока (CCCV). Для этого регулятор зарядки 12 управляет зарядкой главной аккумуляторной батареи 15 током постоянной величины внутреннего контура постоянного тока до достижения верхнего предельного напряжения (S35).Further, according to the evaluation results, if the solar cells generate electricity, the system controller 20 controls the charging of the main battery 15 in the constant voltage constant current (CCCV) mode. For this, the charge controller 12 controls the charging of the main battery 15 with a constant current of the internal DC circuit until the upper voltage limit is reached (S35).

Системный контроллер 20 проверяет, достигло ли напряжение зарядки главной аккумуляторной батареи 15 от регулятора зарядки 12 верхнего предельного напряжения (S36). Если напряжение достигает верхнего предельного вольтажа, главная аккумуляторная батарея 15 непрерывно заряжается в режиме напряжения постоянной величины контуром постоянного напряжения при поддержании верхнего предельного напряжения (S37).The system controller 20 checks whether the charging voltage of the main battery 15 from the charge controller 12 reaches the upper limit voltage (S36). If the voltage reaches the upper limit voltage, the main battery 15 is continuously charged in the constant voltage mode by the constant voltage circuit while maintaining the upper limit voltage (S37).

Поскольку в режиме стабилизированного напряжения величина тока уменьшается, зарядка прекращается в момент, когда величина тока главной аккумуляторной батареи достигает заданного показателя (S3 8).Since the current value decreases in the stabilized voltage mode, charging stops when the current value of the main battery reaches a predetermined value (S3 8).

Если главная аккумуляторная батарея 15 представляет собой, например, двухэлементный литий-ионный источник тока, она начинает заряжаться током заряда в 1 Кл или меньше, в режиме зарядки током постоянной величины до достижения напряжения верхнего предельного вольтажа 8,4 В, и затем, если зарядное напряжение главной аккумуляторной батареи 15 достигает верхнего предельного вольтажа, режим зарядки током постоянной величины переходит в режим зарядки напряжением постоянной величины для зарядки, таким образом, главной аккумуляторной батареи 15.If the main battery 15 is, for example, a two-cell lithium-ion current source, it starts to be charged with a charge current of 1 C or less, in a constant current charging mode until the voltage reaches the upper limit voltage of 8.4 V, and then if the charger the voltage of the main battery 15 reaches the upper limit voltage, the constant current charging mode switches to the constant voltage charging mode for charging, thus, the main battery 15.

Если зарядка главной аккумуляторной батареи 15 выполнена в соответствии с приведенным выше описанием, системный контроллер 20 посылает сигнал первого выбора первой схеме коммутации 17, подвижный контакт которой соединяется с выходным терминалом вспомогательного источника питания 16, инициируя его зарядку.If the main battery 15 is charged in accordance with the above description, the system controller 20 sends a first-choice signal to the first switching circuit 17, the movable contact of which is connected to the output terminal of the auxiliary power source 16, initiating its charging.

Затем системный контроллер 20 сравнивает текущий показатель, получаемый от датчика освещенности 21, с опорным значением, предварительно введенным в память (S40), и если показатель освещенности превышает опорное значение, системный контроллер 20 подает первой схеме коммутации 17 сигнал на включение уличного освещения. Соответственно выходное напряжение постоянного тока главной аккумуляторной батареи 15 трансформируется преобразователем постоянного тока 13 в напряжение постоянного тока (Vcc) электропитания уличного освещения 14 (S41). В данном случае предпочтительно, чтобы системный контроллер 20 управлял яркостью уличного освещения 14 обратно пропорционально числовому значению освещенности.Then, the system controller 20 compares the current indicator obtained from the light sensor 21 with a reference value previously stored in the memory (S40), and if the light indicator exceeds the reference value, the system controller 20 provides a signal to turn on the street lighting to the first switching circuit 17. Accordingly, the direct current output voltage of the main secondary battery 15 is transformed by the direct current converter 13 to the direct current voltage (Vcc) of the street power supply 14 (S41). In this case, it is preferable that the system controller 20 controls the brightness of the street lighting 14 inversely with the numerical value of the illumination.

Далее, системный контроллер 20 посредством регулятора зарядки 12 оценивает зарядное напряжение главной аккумуляторной батареи 15, приложенное к преобразователю постоянного тока 13, и определяет, не достигла ли остаточная емкость главной батареи 15 минимального допустимого напряжения разрядки (S42). По результатам оценки, если остаточная емкость главной аккумуляторной батареи 15 достигла минимального допустимого напряжения разрядки, то есть если остаточная емкость главной батареи 15 достигла уровня блокировки переразрядки аккумуляторной батареи, системный контроллер 20 командует отключение питания уличного освещения 14 (S43), предотвращая глубокую разрядку аккумуляторной батареи.Next, the system controller 20, by means of the charge controller 12, estimates the charging voltage of the main battery 15 applied to the DC / DC converter 13 and determines whether the residual capacity of the main battery 15 has reached the minimum allowable discharge voltage (S42). According to the evaluation results, if the residual capacity of the main battery 15 has reached the minimum permissible discharge voltage, that is, if the residual capacity of the main battery 15 has reached the overdischarge blocking level of the battery, the system controller 20 instructs to turn off the power of the street lighting 14 (S43), preventing the battery from being deeply discharged .

Выше говорилось, что в настоящем изобретении в качестве главной аккумуляторной батареи 15 и вспомогательного источника питания 16 использованы соответственно батарея литиевых вторичных источников тока, характеризующаяся высоким КПД, и суперконденсатор, сохраняющий работоспособность даже при крайне низких температурах. Если температура среды опускается ниже заданного значения, для батареи литиевых вторичных источников тока (например, литий-ионной аккумуляторной батареи), выполняющей роль главной аккумуляторной батареи 15, с помощью вспомогательного источника питания 16 создается тепловая защита, предупреждающая отказ батареи литиевых вторичных источников тока и одновременно продляющая срок ее службы.It was said above that in the present invention, a lithium secondary current source battery, characterized by high efficiency, and a supercapacitor that maintains operability even at extremely low temperatures, respectively, are used as the main battery 15 and the auxiliary power source 16. If the ambient temperature drops below a predetermined value, for a lithium secondary current source battery (for example, a lithium-ion secondary battery) acting as the main secondary battery 15, thermal protection is created using an auxiliary power source 16 to prevent a lithium secondary current source battery failure and at the same time extending its service life.

Далее, эффективная тепловая защита батареи литий-ионных вторичных источников тока и предотвращение ее глубокой разрядки обеспечивается в настоящем изобретении за счет применения нагревательных элементов поверхностного типа 43 (43а и 43b) в устройстве обогрева 19, что, кроме прочего, упрощает управление всей системой.Further, the effective thermal protection of the battery of lithium-ion secondary current sources and the prevention of its deep discharge are provided in the present invention by using surface type heating elements 43 (43a and 43b) in the heating device 19, which, among other things, simplifies the management of the entire system.

Как описано выше, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) выполнены с использованием в качестве материала нагревательных элементов пластин тонколистового металла толщиной 10-50 мкм, что обеспечивает увеличение площади поверхности в 10-20 или более раз по сравнению с другими высокотемпературными термопроводниками в виде спирали с такой же площадью поперечного сечения. Соответственно нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) обогревают низкотемпературным теплом большую площадь при тех же энергозатратах.As described above, surface-type heating elements 43 (43a and 43b) are made using sheets of sheet metal with a thickness of 10-50 microns as heating elements, which provides an increase in surface area of 10-20 or more times compared to other high-temperature thermal conductors in the form of a spiral with the same cross-sectional area. Accordingly, surface type heating elements 43 (43a and 43b) heat a large area with low-temperature heat at the same energy costs.

В дополнение к этому нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b), выполненные из пластин тонколистового металла, создают низкую плотность теплового потока выделяемой теплоты на 1 см², что обеспечивает также низкую нагревательную способность.In addition to this, surface type heating elements 43 (43a and 43b) made of sheets of sheet metal create a low heat flux density of the generated heat per 1 cm ² , which also provides low heating ability.

Более того, нагревательные элементы поверхностного типа 43 (43а и 43b) сами служат источником тепла, обеспечивая таким образом очень быстрый нагрев до заданной температуры - в пределах одной минуты. В результате предотвращается отказ главной аккумуляторной батареи 15 при эксплуатации на территориях с чрезвычайно холодным климатом, где возможны резкие колебания окружающей температуры.Moreover, surface type heating elements 43 (43a and 43b) themselves serve as a heat source, thus providing very fast heating to a predetermined temperature - within one minute. As a result, the failure of the main battery 15 is prevented during operation in areas with extremely cold climates, where sudden fluctuations in ambient temperature are possible.

При этом настоящее изобретение не ограничивается описанным выше вариантом конструктивного решения обогревателя поверхностного типа. Для теплозащиты батареи литиевых вторичных источников тока могут быть применены любые типы обогревателей с пригодными для этого нагревательными элементами, работающими от электричества. Например, могут быть использованы теплопроводники, греющие электрокабели или термоэлектрические элементы Пельтье и т.п.However, the present invention is not limited to the above-described embodiment of a surface type heater. For thermal protection of lithium secondary batteries, any type of heaters with suitable heating elements powered by electricity can be used. For example, heat conductors, heating electric cables or Peltier thermoelectric elements, etc. can be used.

Как сказано ранее, настоящее изобретение описано на примере предпочтительных вариантов осуществления. Однако представленное изобретение не ограничено вышеуказанными вариантами исполнения, и каждый, кто достаточно компетентен на существующем уровне техники, вправе создавать различные модификации и вариации, не отступая от технической сущности данного изобретения. В силу этого объем правовой защиты данного изобретения не ограничен его подробным описанием, но определяется представленной ниже патентной формулой и технической сущностью изобретения.As said earlier, the present invention is described by way of preferred embodiments. However, the presented invention is not limited to the above embodiments, and anyone who is competent enough at the current level of technology has the right to create various modifications and variations without departing from the technical essence of this invention. Due to this, the scope of legal protection of this invention is not limited to its detailed description, but is determined by the patent claims presented below and the technical essence of the invention.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Представленное изобретение применимо в системе электроснабжения уличного освещения на солнечных элементах с дублированной компоновкой автономных источников питания, где батарея литиевых вторичных источников тока с превосходными эксплуатационными характеристиками и суперконденсатор с рабочими параметрами, не зависящими от критически низких температур, используются, соответственно как главная аккумуляторная батарея и как вспомогательный источник питания, благодаря чему при понижении температуры среды ниже заданного значения для литиевой аккумуляторной батареи, выполняющей роль главной аккумуляторной батареи, создается тепловая защита за счет задействования вспомогательного источника питания, что предотвращает отказ литиевой аккумуляторной батареи.The presented invention is applicable to a solar-powered street lighting power supply system with a duplicated arrangement of autonomous power sources, where a lithium secondary current source battery with excellent performance characteristics and a supercapacitor with operating parameters independent of critically low temperatures are used, respectively, as the main storage battery and as auxiliary power supply, due to which, when the temperature of the medium drops below the set value for lithium battery, acting as the main battery, creates thermal protection by using an auxiliary power source, which prevents the failure of the lithium battery.

Claims

1. A solar power source for street lighting, including:
a module from a variety of solar cells for the photoelectric conversion of light energy into electrical energy;
the main battery of lithium secondary current sources, charged by direct current generated by the solar cell module, and powered by street lighting devices;
device for heating and thermal protection of the main battery;
auxiliary power source for starting the heating device, resistant to extremely low atmospheric temperatures;
charge regulator of the main battery with direct current electricity generated by the solar cell module;
temperature sensor of the main battery; and
a system controller that controls the auxiliary power source of the heating device when the temperature drops below a predetermined minimum value;
the first switching circuit, which, under the control of the system controller, switches between the charge controller and the output terminals of the main battery or auxiliary power supply and selectively switches the output of the charge controller to one of the output terminals of the main battery or auxiliary power supply; the second switching circuit, which, under the control of the system controller, switches between the output terminals of the main battery, auxiliary power supply and heating device, and selectively connects one of the output terminals of the main battery or auxiliary power supply to the heating device;
wherein the system controller recognizes the output of the charge controller and controls the first switching circuit when charging is completed by switching the output terminal of the charge controller to the output terminal of the auxiliary power source; but
the system controller recognizes by means of the charging controller the presence of electricity generation by the solar cell module, so that, by the recognition result, the control signal is transmitted to the second switching circuit to switch the output terminal of the auxiliary power source to the heating device;
wherein the lithium secondary battery is a battery of lithium-ion or lithium-polymer secondary current sources, and the auxiliary power source is a supercapacitor.

2. The street lighting power supply according to claim 1, wherein the charging regulator includes a constant voltage circuit and a constant current circuit and controls charging in a mode in which constant current charging is performed until a predetermined upper limit voltage is reached, after which charging stops at the time of reaching set current value while maintaining the upper limit voltage.

3. The street lighting power supply according to claim 1, comprising a direct current converter that converts the DC output voltage of the main battery into a street lighting supply voltage.

4. The street lighting power supply according to claim 1, in which the system controller estimates the residual capacity of the main battery consumed through the DC converter under the control of the charge controller, and thus determines the residual capacity of the main battery reaches the set minimum allowable discharge voltage for turning off the power of street lighting and preventing deep discharge of the battery in case the specified minimum is reached on the discharge voltage.

5. The street lighting power supply according to claim 1, wherein the heating device includes a frame heater encircling an external perimeter of a lithium battery consisting of at least one battery; and equipped with intermediate heating segments located between the elements of the lithium battery.

6. The street lighting power supply according to claim 1, comprising a surface type heater, which is a rectangular panel that covers a lithium battery on one or both sides.

7. The street lighting power supply according to claim 1, wherein the heating device is made of sheet metal and is assembled by coating with an insulating layer a surface-type heat generator mounted from a plurality of heat-conducting zigzag matrices or ribbon strips.

8. The street lighting power supply according to claim 7, wherein the surface heat generator is made of a FeCrAl thin sheet alloy or an amorphous thin sheet material.

9. The street lighting power supply according to claim 1, wherein the heating device includes a surface type heat generator with a heat-conducting zigzag pattern made of heat-conducting paste.