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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Éclairage d'un terrain personnel. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Quel que soit son nom (éclairage de jardin, lampadaire), l'éclairage extérieur est très attrayant dans chaque maison. Outre sa fonction esthétique, l’éclairage public sert également à assurer la sécurité. Tout le monde sait à quel point un chemin non éclairé peut devenir dangereux. Et une piscine non clôturée ? De petites lumières placées le long du chemin ou autour de la piscine peuvent éviter les accidents lors de la marche. Ce chapitre fournit des lignes directrices pour l'installation d'un éclairage extérieur à énergie solaire.
Caractéristiques du système Selon le principe de fonctionnement, l'éclairage extérieur est fondamentalement similaire à l'éclairage de secours évoqué dans le chapitre précédent. L’énergie photovoltaïque est également utilisée pour charger la batterie au plomb, qui à son tour alimente les lampes. Cependant, il existe également une différence significative. Le système d'éclairage de secours n'est allumé qu'occasionnellement. En effet, il n'est nécessaire que lors des interruptions de l'alimentation électrique du réseau ; le reste du temps, le système est inactif. L’éclairage extérieur, en revanche, doit être utilisé tous les soirs toute l’année. Dans ce cas, il est nécessaire de développer un système doté d’une capacité de batterie et d’une puissance de convertisseur photovoltaïque suffisamment importantes pour que le système dans son ensemble fonctionne à tout moment de l’année et dans toutes les conditions météorologiques. Ces exigences n'ont pas été prises en compte lors du développement de l'éclairage de secours. Conception du système Le design commence par les lampes elles-mêmes. Ils sont conçus pour la basse tension et conviennent donc parfaitement aux systèmes d'alimentation utilisant des convertisseurs d'énergie solaire. Malgré la disponibilité de nombreux modèles différents de ces lampes, elles fonctionnent toutes sur une tension de 12 V. Les lampes incluses dans l'ensemble de lampes sont conçues, en règle générale, pour la même puissance de 12 W et consomment donc un courant de 1 A chacun. Vous devez d’abord déterminer le nombre requis de lampes dans le système. Ce nombre dépend de chaque cas spécifique. J’en ai choisi cinq parce que c’était suffisant pour éclairer la pelouse et l’allée. Par conséquent, ma source d’alimentation doit alimenter un système qui consomme 5 A. Si j’avais choisi six lampes, 6 A auraient été nécessaires. Un courant de 5 A n’est pas excessif et peut être facilement obtenu à partir de plusieurs batteries au plomb disponibles dans le commerce. La seule question concerne la taille de la batterie requise. Cette partie du développement est un peu plus compliquée. Pour répondre correctement à cette question, vous devez effectuer quelques calculs et formuler quelques hypothèses. Tout d'abord, considérons par quels paramètres la batterie est caractérisée. Toutes les batteries (au plomb et autres) se caractérisent par leur capacité en ampères-heures (souvent appelée Ah). 1 Ah signifie qu’une batterie peut fournir une charge de 1 A pendant 1 heure. De même, si une batterie peut fournir 5 A pendant 1 heure, sa capacité est de 5 Ah. La même capacité est obtenue avec un courant de 1 A pendant 5 heures. Quelle que soit la valeur de tension, la capacité de la batterie est déterminée numériquement par le produit de l'intensité du courant et de la durée totale de son écoulement. Ainsi, il a été constaté que le système consommera un courant de 5 A. Cependant, pour sélectionner correctement une batterie, il est nécessaire de connaître la durée de fonctionnement du système d'éclairage externe par jour. Que cette durée pour chaque soirée soit de 4 heures. Désormais, en multipliant la valeur du courant consommé par les lampes par la durée de leur fonctionnement par jour, nous obtiendrons le nombre d'ampères-heures requis. Dans notre cas, 5 A x 4 h = 20 A-h. Il s'agit de la consommation d'énergie quotidienne. Il s’ensuit qu’une batterie de 20 Ah suffit pour l’éclairage du soir. Cependant, le matin, la batterie sera complètement déchargée et devra être rechargée avant de pouvoir être réutilisée. Supposons qu'il pleuve toute la journée du lendemain. Comment les convertisseurs photovoltaïques chargent-ils une batterie ? Ils ne fonctionnent pas sans soleil. Compte tenu de ce fait, il apparaît immédiatement qu’il est nécessaire d’augmenter la capacité de la batterie. Une batterie de 40 Ah alimentera le système d’éclairage pendant 2 jours et une batterie de 60 Ah alimentera le système d’éclairage pendant 3 jours. Vous devez maintenant déterminer une condition supplémentaire : choisir le temps moyen entre les cycles de charge et décider combien de temps la batterie doit durer sans recharge. Ce paramètre n'est pas trop critique dans le cas de l'éclairage d'une parcelle personnelle. Supposons que la réserve d'énergie de la batterie pendant 3 jours sera largement suffisante. Une batterie d’une capacité de 60 Ah est donc nécessaire. En résumant ce qui précède, nous pouvons formuler une séquence pour un calcul simple des paramètres nécessaires des batteries solaires et des batteries :
Maintenant, tout va bien. Le nombre de lampes a été sélectionné, la durée de leur fonctionnement pendant la journée a été déterminée et la capacité de la batterie nécessaire pour assurer ce fonctionnement a été calculée. Il ne reste plus qu'à choisir une méthode spécifique de chargement de la batterie. Exigences pour les convertisseurs photovoltaïques Les exigences relatives à une batterie solaire sont déterminées par les conditions de fonctionnement du système d'éclairage. Vous pouvez spéculer un peu ; cela ne prend pas beaucoup de temps. On a supposé que le système d’éclairage nécessitait 20 Ah par jour pour fonctionner. On sait également que l'énergie est fournie par la batterie, donc l'énergie dépensée le soir devrait être, au sens figuré, restituée le lendemain. Malheureusement, aucune batterie n’est parfaite. En règle générale, pour charger une batterie au plomb, vous devez fournir 20 % d’énergie en plus que celle fournie. Par conséquent, pour chaque 20 Ah reçus de la batterie, 24 Ah doivent être restitués. La prochaine étape consiste à développer une batterie photovoltaïque générant 24 Ah par jour. Pour y parvenir, il est nécessaire de connaître l’ensoleillement disponible. Cette valeur est déterminée par le nombre d’heures d’ensoleillement utiles, c’est-à-dire la période de temps (en heures) par jour pendant laquelle on peut supposer que le soleil fait le travail dont nous avons besoin. Il existe deux manières de déterminer le nombre d’heures d’ensoleillement utiles pour une zone donnée. Tout d'abord, en utilisant directement l'insolomètre décrit au Chap. 3. Ou vous pouvez utiliser une signification plus générale basée sur la carte donnée dans le même chapitre. La carte est établie en tenant compte des changements saisonniers et des conditions météorologiques générales. Dans le cas du système d'éclairage décrit, la durée d'éclairement utile a été choisie pour les calculs, correspondant à une moyenne de 4,5 heures solaires utiles par jour. Comme vous pouvez le voir sur la carte, ce chiffre est le même pour la plupart des régions de la zone continentale des États-Unis. Désormais, si vous divisez le nombre d'ampères-heures (24 Ah) nécessaires pour recharger la batterie par les heures d'ensoleillement utiles moyennes (4,5 heures), vous pouvez obtenir la quantité de courant que la batterie solaire doit générer : 5,3 A. Théoriquement, cette exigence est satisfaite par une batterie générant un courant de 5,3 A sous une tension de 12 V. Cependant, il existe d'autres facteurs que nous n'avons pas encore pris en compte. Il s'agit notamment des pertes dans les conducteurs de connexion, de la consommation d'énergie du régulateur, etc. Par conséquent, pour garantir la fiabilité, il est judicieux de créer une certaine réserve de marche ; Par exemple, une marge de 10 pour cent est tout à fait appropriée. Ainsi, le courant minimum généré par la batterie solaire devrait être d'environ 6 A. En effectuant le calcul inverse, c'est-à-dire en multipliant 6 A par 4,5 heures, on constate que la batterie solaire produira en moyenne 27 Ah par jour. Certains jours, le retour peut être moindre, d'autres, plus. Il ne faut bien sûr pas oublier que 27 Ah ne sont pas nécessaires pour charger la batterie tous les jours ; la quantité d'énergie solaire manquante sera fournie par la batterie certains jours. Cependant, pour que le système d'éclairage fonctionne correctement, la valeur moyenne doit être de 27 Ah. Batterie solaire Une cellule solaire donnée peut être fabriquée de différentes manières. Il est possible de connecter de petits modules en parallèle et d'atteindre la puissance requise de 87 W, mais cela coûtera très cher. En règle générale, plus la taille des modules à partir desquels la batterie est assemblée est grande, moins le coût de 1 W d'électricité produite par la batterie solaire est bas. Pour le système décrit, trois modules ont été utilisés, chacun générant un courant de 2 A. Tous les modules étaient constitués de cellules solaires rondes relativement bon marché d'un diamètre supérieur à 10 cm. Si vous assemblez indépendamment une batterie solaire à partir d'éléments, nous pouvons vous conseiller d'utiliser des éléments ronds d'un diamètre de 10 cm en monocristal ou des éléments carrés de 10x10 cm2 en matériau polycristallin. Bien que les cellules carrées ne soient pas aussi efficaces que les cellules monocristallines rondes, elles sont moins chères, mais il en faudra davantage. Pour assurer le fonctionnement cyclique du système d'éclairage (extinction le jour et allumage le soir), une minuterie est nécessaire. La plupart des systèmes d'éclairage utilisent des minuteries mécaniques qui allument et éteignent les lumières à des heures précises ; cependant, cela semble être un gaspillage d'énergie. Pourquoi allumer la lumière avant le coucher du soleil ? La seule solution avec les minuteries conventionnelles est de régler manuellement la minuterie, en l'adaptant au cycle solaire, ce qui est fait assez souvent. Cependant, la meilleure chose à faire est de « forcer » le soleil couchant pour démarrer le chronomètre. Cela se fait à l'aide du circuit électronique illustré à la Fig. 1. Considérez son travail. La cellule photoélectrique PC1 est utilisée comme élément de photorésistance photosensible, éclairé par la lumière directe du soleil. À mesure que l’intensité de la lumière incidente sur une cellule photoélectrique change, sa résistance change proportionnellement. De jour, sa résistance est très faible (environ 100 Ohms). Cependant, à la tombée de la nuit, elle augmente de 100 fois ou plus et atteint une valeur supérieure à 500 kOhm.
La résistance VR1 est connectée en série avec la photorésistance, formant un diviseur dont la tension de sortie dépend de la valeur de résistance de la photorésistance PC1. Plus il y a de lumière, plus la tension de sortie est faible et vice versa. La valeur de la tension est contrôlée par deux comparateurs. Il est à noter que celui du bas est utilisé dans la version non inverseuse de la connexion, et celui du haut dans la version inverseuse. Cela signifie qu'à tension d'entrée nulle, le comparateur inférieur produit une basse tension et le comparateur supérieur produit une haute tension. Les comparateurs sont connectés de telle manière que le comparateur inférieur commute à une tension d'entrée inférieure à celle du comparateur supérieur. Dès que la tension sur le PC 1 augmente (au coucher du soleil), le premier comparateur commute, sa sortie est réglée sur un niveau de tension élevé. Les sorties des deux comparateurs sont désormais réglées sur un niveau de tension élevé. Dans ce cas, une chaîne de deux éléments logiques ET-NON (7C2) délivre une tension de haut niveau à la broche 11 du microcircuit /C3. La puce /C3 est une minuterie programmable. Il peut mesurer des intervalles de temps allant jusqu'à une journée. Ce circuit intégré contient un compteur binaire de report dont les sorties peuvent être utilisées pour régler l'heure. En les commutant, il est facile d'augmenter le temps de réponse de 2 ou 4 fois. Le temps de réponse nominal du temporisateur est déterminé par la résistance R8 et la capacité C1. Avec les valeursindiquées dans le schéma R8 et C1, la tension à la broche 8 augmente après 4 heures. À la broche 7 connectée au chiffre de poids faible du compteur, la tension apparaîtra après 2 heures, à la broche 6 - après 1 heure. La minuterie démarrera lorsqu'un un potentiel élevé est appliqué à la broche 11. Le temps de réponse de la minuterie est sélectionné par le commutateur « Time » 51. Au début du cycle de fonctionnement, toutes les sorties ont un potentiel faible. Les contacts du relais RL 1 sont fermés dans ces conditions grâce au transistor Q1 et au microcircuit /C2. L'électricité est fournie à l'éclairage extérieur - et les lumières sont allumées. A la tombée de la nuit, la tension sur le PC 1 continue d'augmenter. Bientôt, le comparateur supérieur se déclenche et un faible niveau de tension s'établit à sa sortie. Dans ce cas, l'état des entrées de IC2 change et une tension de faible niveau est fournie à l'entrée de IC3. Toutefois, ce changement n’a aucun effet sur le fonctionnement de la minuterie. À la fin de l'intervalle spécifié, IC3 revient automatiquement à son état d'origine. La réinitialisation est effectuée par une impulsion de retour provenant de la sortie du microcircuit. Puisque la broche 11 est désormais à faible potentiel, la puce ne redémarre pas. De plus, le relais s'éteint et l'éclairage s'éteint. Le lendemain matin, à mesure que le soleil se lève, la résistance du PC 1 diminue progressivement et, par conséquent, la tension d'entrée des comparateurs diminue. Cela pourrait provoquer le déclenchement du comparateur supérieur avant celui du bas, ce qui entraînerait une augmentation de la minuterie et un redémarrage de la minuterie. Pour éviter que la minuterie ne se déclenche lorsque le soleil se lève, une petite rétroaction positive est introduite dans le comparateur supérieur via la résistance R5. Cela entraîne une hystérésis, qui retarde le fonctionnement jusqu'à ce que le comparateur inférieur commute. Un potentiel élevé ne peut pas être appliqué aux deux sorties en même temps et la minuterie ne démarrera pas. Cependant, le soir, le cycle commencera à se répéter et les comparateurs reviendront à leur état « nuit ». Le niveau de réponse des comparateurs est fixé précisément par la résistance variable VR1 « Sensibilité ». Il est nécessaire d'ajuster la valeur de sa résistance pour que l'éclairage extérieur s'allume immédiatement après le crépuscule. conception La conception de la minuterie utilise un câblage imprimé. La configuration du circuit imprimé est représentée sur la Fig. 2, et l'emplacement des éléments du circuit dessus est illustré à la Fig. 3. Le relais peut être soudé directement sur la carte ou placé dans une prise pour connecter l'éclairage.
Le minuteur assemblé doit être placé dans une boîte opaque et la photorésistance PC1 doit être placée sur le couvercle afin qu'elle soit exposée au soleil. La minuterie n'a que trois bornes : une masse commune, un fil pour connecter l'alimentation +12 V de la batterie et un fil de phase connecté au système d'éclairage. Vous devez vous assurer que tous les trous pratiqués dans le boîtier sont bien scellés et étanches pour empêcher la pénétration de l'humidité.
Connexion finale des unités structurelles Désormais, tous les éléments nécessaires à la création d’un système d’éclairage sont connus, sauf un. Le système doit également être équipé d'un régulateur de charge. Sans régulateur de charge, la possibilité d'une surcharge de la batterie et la réduction de sa durée de vie qui en résulte ne peuvent être exclues. Cette probabilité est particulièrement élevée en été, lorsque les journées sont longues et les nuits courtes. Dans ces conditions, il y a une accumulation progressive de charge dans les cellules de la batterie, ce qui peut facilement conduire à une surcharge.
Vous pouvez commencer à assembler le système en plaçant les lumières sur le site. Il n'y a aucune restriction ici, vous pouvez installer les lumières là où elles seront le plus utiles. Les lampes sont connectées en parallèle à l'aide de fils épais. Si le kit de câblage approprié est utilisé, le fil requis y est nécessairement inclus. Sinon, un câble d'éclairage plat #18 est recommandé. Les fils électriques menant aux lumières sont connectés au circuit de la minuterie. La minuterie doit être placée de manière à ce que les rayons du soleil puissent y tomber, et non la lumière des phares des voitures qui passent ou d'autres sources extérieures. Le minuteur est connecté à une pile de 12 V. Sa durée de vie dépend du type de pile utilisée. Si vous le souhaitez, vous pouvez utiliser une batterie de voiture, mais elle ne durera pas longtemps dans des conditions difficiles de fonctionnement périodique. Il est préférable d'utiliser une batterie de bateau. Ces batteries sont conçues pour fonctionner dans des conditions de cycles répétés de décharge profonde. Même si elles coûtent un peu plus cher, elles dureront beaucoup plus longtemps qu’une batterie de voiture ordinaire. Le régulateur de charge est commuté entre les batteries solaires et les batteries. Parfait comme régulateur de charge ce régulateur. Il suffit de connecter la sortie du régulateur à la batterie, et l'entrée à la batterie solaire, en respectant la polarité. Le panneau avant de la batterie solaire est situé vers le sud. La minuterie est réglée pour la durée pendant laquelle l'éclairage est nécessaire après le coucher du soleil. Peut-être, pour mieux s'adapter aux conditions météorologiques, il faudra ajuster la minuterie lorsque les saisons changent. Désormais, les sentiers à proximité de la maison seront éclairés même après le coucher du soleil. Auteur : Byers T.
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