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

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

Архитектура системы

Солнечная лампа 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.

• Интегральная схема (ИС) микроконтроллера ATMEGA328PU получает питание через выходной порт AEM10941. Потенциометр, PIR-датчик, кнопка, транзистор и светодиод подключены соответствующим образом к ATMEGA;

• Кнопка подключена как выдвижная кнопка. 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 приводит к тому, что лампа автоматически переключается 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 обратно в «0».

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

Архитектура системы схемы солнечной лампы обобщена структурной схемой, представленной на рис. 1.

Конфигурация АЕМ10941

Для этой исследовательской работы мы использовали мини-плату AEM10941. Для обеспечения оптимального функционирования устройства необходима правильная настройка AEM10941 (рис. 2). В таблице данных AEM10941 представлены конфигурации для пользователя в зависимости от типа элемента хранения, который пользователь собирается 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 энергетической системы 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 данной системы, когда напряжение батареи достигает 3,01 В, она считается разряженной и система выключается. Это также означает, что как только аккумулятор заряжается до 4,12 В, заряд завершен, и внутренняя логика поддерживает напряжение аккумулятора около В._овч с гистерезисом в несколько мВ, чтобы предотвратить повреждение 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 содержатся инструкции оставлять контакты LVOUT и PRIM плавающими, если они не используются или если в систему не включена основная батарея. Таким образом, в этой системе эти контакты остались неподключенными.

Дизайн

Стадия проектирования была разделена на два этапа. Начальный раздел — это проектирование схемы. 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 использованием программного обеспечения Fusion 360.

Схема проектирования печатной платы (а) и 3D-просмотр (б) солнечной энергетической системы на базе AEM10941. (с) Прототип с печатной платой Arduino UNO (вид сверху и снизу); (д) Печатная плата в корпусе лампы.

Последний этап включал проектирование печатной платы. После создания схемы был построен макет 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, необходимо принять некоторые меры. Во-первых, что касается размера и размещения солнечных панелей, солнечные элементы должны быть достаточно большими, чтобы собирать достаточно солнечного света, а их размещение должно быть оптимизировано так, чтобы улавливать как можно больше солнечного света в течение дня. Для этого верхняя часть лампы была спроектирована таким образом, чтобы она была наклонена под углом 10°. Во-вторых, что касается угла наклона PIR, поскольку лампа будет использоваться в качестве охранного фонаря, важно выбрать правильный угол наклона для размещения PIR-датчика. Это сделано для того, чтобы он мог точно обнаруживать движение, особенно при размещении на любой заданной высоте. Для этой цели использовался угол падения 36°. В-третьих, лампа должна быть подходящего размера и легкой, чтобы ее можно было легко перемещать из одного места в другое. Минималистичный дизайн, обеспечивающий как функциональность, так и визуальную привлекательность. В Таблице 2 указаны размеры некоторых частей солнечной энергетической системы на базе AEM10941.

Следующий этап включает в себя моделирование и анализ проекта с помощью компьютерного проектирования (САПР). Ранее сведенные в таблицу данные и черновые эскизы послужили основой для создания 3D-модели лампы с использованием облачного программного обеспечения Fusion 360 от Autodesk.

Оценка эффективности

После изучения²²Оценка производительности окончательно изготовленной солнечной энергетической системы на базе AEM10941 является субъективной как минимум по двум параметрам. Во-первых, определение того, что представляет собой производительность и как она измеряется. Во-вторых, определение для каждого измерения эффективности того, что представляет собой приемлемый минимальный уровень. Ссылки^23,24,25 в своих исследованиях предположили, что основными характеристиками всех портативных солнечных фонарей (SPL) являются интенсивность освещения, качество освещения, время работы, время зарядки и общее обслуживание. Другие возможные рабочие характеристики, такие как несколько режимов освещения, мобильность и зарядка телефона, были определены авторами как желательные функциональные возможности, но выходящие 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. Из приведенных выше характеристик интенсивность освещения учитывалась по^23,24,25 как самый важный критерий эффективности, который необходимо определить. Обычно его измеряют одним из двух способов, в зависимости от типа света и его применения. Для рабочего освещения, такого как фонарики или настольные лампы, свет часто измеряется в люксах, а для окружающего освещения выходной свет измеряется в люменах. Учитывая предполагаемое назначение производимой солнечной энергосистемы на базе AEM10941, интенсивность или яркость освещения измеряется в люксах.

В лаборатории мы провели серию измерений, чтобы оценить скорость зарядки и разрядки, а также уровни освещенности. Для оценки зарядки мы осторожно удалили верхнюю часть лампы, тем самым изолировав солнечную панель и внутреннюю схему. Такая установка позволила напрямую подвергать солнечную панель воздействию солнечного света и подавать напряжение на сборщик энергии AEM10941. Мы использовали мультиметр, подключенный к аккумулятору, для наблюдения за процессом зарядки, показания которого записывались через регулярные промежутки времени с помощью таймера. Напротив, для оценки разряда мы включили лампу на максимальную яркость в затемненной комнате, чтобы имитировать реальные условия использования. На этом этапе мы разместили люксметр под источником света для измерения уровня освещенности, излучаемой лампой. При этом к аккумулятору оставался подключенным мультиметр, позволяющий отслеживать скорость разряда. Подобно оценкам зарядки, показания периодически записывались с помощью таймера. Эти измерения позволили получить исчерпывающую информацию об эффективности зарядки, характере разряда и светоотдаче лампы в различных условиях, что способствовало тщательной оценке ее производительности и эффективности.