Проектирование и внедрение системы сбора солнечной энергии на основе AEM10941 для домашнего освещения в качестве устойчивого решения для освещения сельских районов — научные отчеты

Для проведения настоящего исследования методология включает в себя проектирование системы, процесс внедрения AEM10941, оценку производительности и стоимости устройства.

Архитектура системы

Солнечное освещение состоит из 4 основных компонентов: солнечной панели, модуля управления питанием AEM10941, переключателя, управляемого ИС, и модуля светодиодного освещения.

• Солнечная панель улавливает солнечную энергию и преобразует ее в электрическую.

• Модуль AEM10941 действует как блок управления питанием, регулируя заряд аккумулятора и контролируя распределение мощности на модуль светодиодного освещения.

• Питание интегральной схемы (ИС) микроконтроллера ATMEGA328PU осуществляется через выходной порт AEM10941. Потенциометр, PIR-датчик, кнопка, транзистор и светодиод подключены соответствующим образом к ATMEGA;

• Кнопка подключена как кнопка опускания. Микросхема ATMEGA328PU подсчитывает количество нажатий кнопки. Начальный счетчик кнопки равен «0». В этом состоянии пользователь может регулировать яркость лампы с помощью потенциометра. Когда кнопка нажата, микросхема ATMEGA328PU считает это нажатием кнопки «1». Это автоматически переключает лампу из режима управления потенциометром в режим датчика PIR, который включает светодиод при обнаружении движения. При повторном нажатии кнопки микросхема ATMEGA328PU считает это значение «2» и автоматически переключается обратно в режим управления потенциометром. Затем счетчик микросхемы ATMEGA328PU сбрасывается в «0».

• Из-за ограниченного выходного тока микросхемы ATMEGA328PU, установленного на уровне 20 мА, яркость светодиода не может быть максимальной. Чтобы решить эту проблему, в схему включен биполярный транзистор. Выходной порт микросхемы ATMEGA328PU подключен к базе транзистора, а клеммы светодиода расположены между источником основного напряжения и клеммой коллектора транзистора, что позволяет лучше контролировать яркость светодиода.

Архитектура системы солнечной лампы представлена ​​блок-схемой, показанной на рисунке 1.

Настройка AEM10941

Для этой исследовательской работы мы использовали мини-плату AEM10941. Для обеспечения оптимальной работы устройства необходима правильная настройка AEM10941 (рис. 2). В таблице данных AEM10941 пользователю предоставляются конфигурации в зависимости от типа элемента хранения, который пользователь намеревается использовать. Эти конфигурации включают конфигурацию MPP, конфигурацию выхода LDO, конфигурацию системы, конфигурацию холодного запуска и окончательные соединения. В Таблице 1 представлена ​​сводная информация о MPP и конфигурациях системы, которые могут быть реализованы для солнечной энергосистемы на базе AEM10941. Конфигурации LDO, холодного запуска и основной батареи были предварительно настроены и не требовали каких-либо дополнительных настроек. Выводы ENHV и ENLV LDO были включены путем пайки соответствующих резисторов.

MPP и конфигурации системы на AEM10941.

Согласно Таблице 1, соотношение MPPT можно выбрать путем припаивания резистора для поверхностного монтажа, соответствующего логике конфигурации. В нашем исследовании мини-плата AEM10941 была настроена с коэффициентом MPPT 85%, а в качестве накопительного элемента использовалась литий-ионная батарея с номиналами 3,7 В, 500 мА. Это означает, что для этой системы, когда напряжение батареи достигает 3,01 В, она считается разряженной и система выключается. Это также означает, что как только аккумулятор заряжен до 4,12 В, зарядка завершена, и внутренняя логика поддерживает напряжение аккумулятора около В._овч с гистерезисом в несколько мВ, чтобы избежать повреждения запоминающего элемента и внутренней схемы. Аналогично, диод и резистор для поверхностного монтажа уже были припаяны для конфигураций холодного запуска и первичной батареи соответственно.

В техническом описании приведены инструкции по оставлению контактов LVOUT и PRIM плавающими, если они не используются или если в систему не встроена основная батарея. Так что в этой системе эти контакты остались неподключенными.

Дизайн

Этап проектирования был разделен на два этапа. Начальный раздел — схемотехника. Процедура проектирования схемы включает в себя проектирование печатной платы, которое было выполнено с использованием программного обеспечения Fusion 360 (рис. 3). Схема была спроектирована (рис. 4а, б) согласно описанной выше архитектуре системы.

Проектирование электрической схемы с помощью программы Fusion 360.

Схема дизайна печатной платы (А) и 3D-просмотр (б) солнечной энергосистемы на базе AEM10941. (с) Прототип с печатной платой Arduino UNO (вид сверху и снизу); (д) Плата в корпусе лампы.

Последним шагом было проектирование печатной платы. После создания схемы был создан проект печатной платы системы. Компоненты расположены так, что трассы и маршруты не пересекаются (рис. 4в, г). При проектировании печатной платы были учтены некоторые важные соображения: зазор и ширина дорожек.

Чтобы устранить недостатки конструкции и обеспечить удовлетворение потребностей пользователей, принимаются во внимание определенные соображения. Во-первых, когда дело доходит до размера и размещения солнечных панелей, солнечные элементы должны быть достаточно большими, чтобы улавливать достаточно солнечного света, а их расположение должно быть оптимизировано, чтобы улавливать как можно больше солнечного света в течение дня. Для этого верхняя часть лампы была спроектирована так, что она наклонена под углом 10°. Во-вторых, по углу наклона PIR, поскольку светильник будет использоваться в качестве охранного фонаря, важно правильно подобрать угол наклона для расположения PIR-датчика. Это сделано для того, чтобы он мог точно обнаруживать движение, особенно при размещении на заданной высоте. Для этой цели использовался угол падения 36°. В-третьих, светильник должен быть подходящего размера и легким, чтобы его можно было легко перемещать с одного места на другое. Минималистичный дизайн, обеспечивающий как функциональность, так и визуальную привлекательность. В таблице 2 показаны размеры некоторых частей солнечной энергосистемы на базе AEM10941.

Следующий шаг включает моделирование и анализ системы автоматизированного проектирования (САПР). Ранее скомпилированные данные и эскизы были использованы в качестве эталона для создания 3D-модели лампы с использованием облачного программного обеспечения Fusion 360 от Autodesk.

Оценка эффективности

После изучения²²Оценка производительности окончательной солнечной энергосистемы, изготовленной на основе AEM10941, является субъективной как минимум по двум параметрам. Во-первых, определите, что представляет собой производительность и как она измеряется. Во-вторых, определите для каждого показателя эффективности, что представляет собой минимально приемлемый уровень. Ссылки^23,24.25 в своих исследованиях они предположили, что ключевыми областями производительности, актуальными для всех портативных солнечных фонарей (SPL), являются интенсивность освещения, качество освещения, время работы, время зарядки и общее обслуживание. Другие возможные характеристики производительности, такие как несколько режимов освещения, мобильность и зарядка телефона, авторы сочли желательными, но выходят за рамки базового SPL, предназначенного для замены свечей и систем освещения на основе керосина. Из-за отсутствия некоторого измерительного оборудования мы ограничиваемся тремя эксплуатационными характеристиками, включая интенсивность освещения, время работы и время зарядки. Среди вышеперечисленных характеристик учитывалась интенсивность освещения по^23,24.25 как самый важный критерий эффективности, который необходимо определить. Обычно его измеряют двумя способами, в зависимости от типа света и его применения. Для рабочего освещения, такого как фонарики или настольные лампы, свет часто измеряется в люксах, тогда как для окружающего освещения светоотдача измеряется в люменах. Учитывая предполагаемую задачу солнечной энергосистемы, выполненной на базе АЭМ10941, интенсивность или яркость освещения измеряется в люксах.

В лаборатории мы провели серию измерений для оценки скорости зарядки и разрядки, а также уровня освещенности. Для оценки зарядки мы осторожно сняли верхнюю часть лампы, тем самым изолировав солнечную панель и внутреннюю схему. Такая конфигурация позволяла напрямую подвергать солнечную панель воздействию солнечного света, обеспечивая тем самым напряжение для сборщика энергии AEM10941. Для контроля процесса зарядки мы использовали мультиметр, подключенный к аккумулятору, показания которого записывались через определенные промежутки времени с помощью таймера. С другой стороны, для оценки разряда мы включили лампу на максимальную яркость в темной комнате, чтобы имитировать реальные условия использования. На этом этапе мы разместили люксметр под источником света, чтобы измерить уровни освещенности, излучаемой лампой. При этом к аккумулятору оставался подключенным мультиметр, позволяющий контролировать скорость разряда. Как и при оценке нагрузки, показания периодически записывались с помощью таймера. Эти измерения предоставили исчерпывающую информацию об эффективности зарядки, разрядки и освещенности лампы в различных условиях, что способствовало тщательной оценке ее производительности и эффективности.