СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и последующего использования электрической энергии для освещения улиц, зданий и подземных сооружений.

Известна система электрического освещения на базе солнечного светильника, состоящая из солнечной батареи, химического аккумулятора, контроллера заряда, соединительных проводников электрической линии и люминесцентной лампы. При большой мощности светильника используют дополнительно инвертор и трансформатор (см. Солнечный светильник. Технологии и оборудование возобновляемой энергетики. Каталог изделий, разработанных и производимых в системе ВИЭСХ. - М.: ВИ-ЭСХ, 2001. - С.7). Недостатком известного устройства является низкий КПД светильника и потери энергии в соединительных проводах. Другим недостатком является возможность короткого замыкания соединительных проводников.

Известен светильник, в котором вместо люминесцентной лампы используют светодиоды. Такой светильник имеет высокий КПД преобразования электрической энергии в световую 50-70% (см. Шахтный светильник индивидуального использования. Патент №2187039, опубл. 10.03.2002 г. Бюл. №22). Недостатками известного светильника являются потери электрической энергии в проводниках линии, высокая стоимость светодиодов и арматуры светильника, в которой закрепляют светодиоды. Другим недостатком является опасность короткого замыкания в проводах линии, что может вызвать взрыв горючего газа.

Наиболее близкой к предлагаемой системе электрического освещения является система электрического освещения, содержащая солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, к линии присоединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3, …, n), каждый из светильников состоит из m параллельно включенных пар светодиодов (m=1, 2, 3, …, m), а каждая пара светодиодов состоит из двух включенных параллельно-встречно светодиодов, второй вывод каждого светильника соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела (см. Солнечный светильник (варианты). Патент №2241176, опубл. 27.11.2004 г. Бюлл. №33).

Недостатком известного светильника является высокая стоимость арматуры светильников, а также высокая стоимость светодиодов, производство которых сопряжено с повышенными экологическими рисками и часто нуждающееся в применении материалов, имеющихся на Земле в ограниченном количестве (например, галлий, индий).

Задачей предлагаемого изобретения является создание системы электрического освещения, в которой обеспечивается снижение стоимости системы, снижение потерь энергии, увеличение срока службы (не ниже 50 тыс. часов), обеспечение высоких экологических характеристик при производстве и утилизации ламп системы, достижение значительной эксплуатационной эффективности системы освещения за счет высокой световой отдачи и яркости ламп, возможность работы ламп в широком диапазоне температур (от -196°С до +150°С).

1. Технический результат достигается тем, что в системе электрического освещения содержащей солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, к линии присоединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3, …, n), каждый из светильников содержит лампу с двумя встречно-параллельно включенными катодолюминесцентными источниками света с автокатодами, второй вывод каждого светильника соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, каждая лампа в светильнике выполнена в виде шарообразной сферы из прозрачного стекла, в которую через стеклянные впаянные капли введены два держателя электродов, изнутри сфера вакуумирована, разделена сплошной стенкой на две полусферы, покрытые изнутри слоем люминофора, поверх люминофора нанесен тонкий слой алюминия для выполнения функции анода, при этом автокатоды и алюминиевые покрытия люминофоров подключены к держателям электродов таким образом, что к каждому из электродов оказывается подсоединенным один автокатод одного полусферического источника света и один анод другого полусферического источника света, два полусферических источника света, включенные встречно-параллельно, попеременно включаются и выключаются при смене полярности питающего тока, обеспечивая естественную коммутацию при прохождении тока через «ноль», при этом автокатоды выполнены из нано-структурированного графита и расположены в центре сферы лампы, а нано-острия автокатодов направлены от центра полусферы к поверхности, покрытой люминофором и тонким алюминиевым слоем поверх люминофора.

В другом варианте системы электрического освещения, к однопроводной линии присоединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3, …, n), каждый из светильников содержит лампу с двумя встречно-параллельно включенными катодолюминесцентными источниками света с автокатодами, второй вывод каждого светильника через токоограничивающий резистор заземлен.

Еще в одном варианте системы электрического освещения, в электрическом поле однопроводной линии находятся электропроводящие тела, образующие с линией электрические емкости, к которым присоединены выводы n светильников (n=1, 2, 3, …, n), каждый из светильников содержит лампу с двумя встречно-параллельно включенными катодолюминесцентными источниками света с автокатодами, второй вывод каждого светильников заземлен.

В варианте светильника изолированное проводящее тело, представляющее естественную емкость, выполнено в виде металлизированных корпусов катодолюминесцентных ламп с автокатодами.

Систему электрического освещения, схемы включения и принцип работы поясняют Фиг.1, 2, 3, 4, 5.

На Фиг.1 представлена общая блок-схема подключения светильников к однопроводной линии и естественные емкости, представляющие собой изолированные проводящие тела. На Фиг.2 представлена общая блок-схема подключения светильников к однопроводной линии и земле через токоограничивающие резисторы. На Фиг.3 представлена общая блок-схема подключения светильников к электропроводящим телам, образующим с линией электрические емкости, и к земле. На Фиг.4 представлена картина энергетических состояний электрона внутри материала автокатода и распределение электрического потенциала а вакууме над поверхностью материала автокатода при включении внешнего электрического поля, снижающего работу выхода электрона из автокатода за счет возникновения «туннельного» эффекта прохождения электронами потенциального барьера. На Фиг.5 представлена конструкция катодолюминесцентной лампы содержащей два параллельно-встречно включенных источника света с автокатодами на основе нано-структурированного углеродного материала, используемого в качестве эмиттера электронов в автокатоде.

На Фиг.1 электрическая энергия от солнечной батареи 1 или от аккумулятора 2 с контроллером заряда 3 подается на вход преобразователя 4, затем через конденсаторы 12, 13 на низковольтную обмотку 5 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 6. Низкопотенциальный вывод 14 высоковольтной обмотки 7 через конденсатор 15 соединен с землей. Высоковольтная обмотка 7 высокочастотного резонансного трансформатора 6 своим высоковольтным выводом 8 соединена с однопроводной линией 9 со светильниками 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n), имеющими естественные емкости 11-1, 11-2, 11-3, …, 11-n (n=1, 2, 3, …, n). Благодаря этому осуществляется подача электрической энергии к светильникам и их работа.

На Фиг.2 электрическая энергия от солнечной батареи 1 или от аккумулятора 2 с контроллером заряда 3 подается на вход преобразователя 4, затем через конденсаторы 12, 13 на низковольтную обмотку 5 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 6. Низкопотенциальный вывод 14 высоковольтной обмотки 7 через конденсатор 15 соединен с землей. Высоковольтная обмотка 7 высокочастотного трансформатора 6 своим высокопотенциальным выводом 8 соединена с однопроводной линией 9. Светильники 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n) одним выводом соединены с однопроводной линией 9. а другим через токоограничивающие резисторы 16-1, 16-2, 16-3, …, 16-n (n=1, 2, 3, …, n) соединены с землей 17.

На Фиг.3 электрическая энергия от солнечной батареи 1 или от аккумулятора 2 с контроллером заряда 3 подается на вход преобразователя 4, затем через конденсаторы 12, 13 на низковольтную обмотку 5 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 6. Низкопотенциальный вывод 14 высоковольтной обмотки 7 через конденсатор 15 соединен с землей. Высоковольтная обмотка 7 высокочастотного трансформатора 6 своим высокопотенциальным выводом 8 соединена с однопроводной линией 9. Однопроводная линия 9 генерирует высокочастотное электрическое поле Е. В электрическом поле Е находятся электропроводящие тела 18-1, 18-2, 18-3, …, 18-n (n=1, 2, 3, …, n), образующие с однопроводной линией 9 электрические емкости. К электропроводящим телам 18-1, 18-2, 18-3, …, 18-n (n=1, 2, 3, …, n) присоединены выводы катодолюминесцентных светильников 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n), другие выводы светильников соединены с землей 17.

На Фиг.4 показана зависимость потенциальной энергии электрона, от расстояния до поверхности материала автокатода. По горизонтальной ординате Х отложено расстояние от поверхности автокатода в ангстремах Å. По вертикальной ординате откладывается энергетический потенциал V_e электрона в электрон-вольтах (эВ). Вертикальная граница 19 разделяет материал автокатода и вакуум. Потенциальная функция электрона φ_е над поверхностью материала в отсутствие внешнего поля Е изображена кривой 20, она представляет собой работу по разведению на расстояние Х двух разнополярных электрических зарядов, равных по величине заряду электрона е. Потенциальная функция электрона φ_E в электрическом поле Е изобразтена кривой 21. Суммарная потенциальная функция φ электрона над поверхностью материала автокатода в присутствии внешнего электрического поля Е изображена кривой 22. Слева от границы 19 раздела «материал автокатода - вакуум» показаны три энергетических уровня. Первый уровень - уровень нулевого потенциала. Он приравнен потенциалу электрона, удаленного из материала автокатода в «бесконечность». Второй уровень - уровень дна зоны проводимости. Он говорит о ширине зоны разрешенных энергий электронов в материале автокатода, участвующих в актах переноса электричества в внутри материала. Третий уровень - уровень Ферми (φ_f). Это среднестатистический уровень энергии, с которого «стартуют» электроны, участвующие в процессе эмиссии из материала автокатода в вакуум. Потенциалом (рвых обозначена энергия электрона, преодолевающего потенциальный барьер в режиме «над барьером». Ширина потенциального барьера, а на уровне φ_f - расстояние, которое преодолевает эмитирующий электрон при прохождении «под барьером», т.е. в режиме «туннелирования», следовательно, не совершая «работу выхода». Волнистой линией условно изображено «туннелирование» электрона и далее прямой линией вправо обозначено движение свободно ускоряющегося электрона е полем Е в сторону проводящего покрытия на люминофоре катодолюминесцентного источника света.

На Фиг.5 показана конструкция катодолюминесцентной лампы. Она представляет собой стеклянную сферу 23, изнутри сфера покрыта слоем люминофора 24, 25, на люминофор нанесены две полусферы 26, 27 тонкого слоя алюминия. Полусферические алюминиевые покрытия подключены к металлическим выводам 28, 29, впаянным в стенку сферы 23. К выводам 28, 29 также подключены автокатоды 30, 31. Таким образом, к выводам 28, 29 оказываются подключенными два источника света 32 и 33 параллельно друг к другу во встречном режиме, за счет этого обеспечивается равнонагруженность питающей лампу цепи: в один полу период работает один источник света, например, 32, в другой полупериод работает второй источник, соответственно рассматриваемому случаю, 33. Когда автокатод 30 или 31 оказывается под отрицательным потенциалом по отношению к соответствующей алюминиевой полусфере 26 или 27, выполняющей в это время роль анода, электроны в режиме «тунцельного» эффекта эмитируют из автокатода и, набрав кинетическую энергию, равную произведению заряда электрона на потенциал анода, падают на алюминиевое покрытие люминофора. Толщина алюминиевого слоя такова, что электрон, практически без потерь энергии проникает через нее и ударяется о люминофор, где теряет весь запас энергии. Кинетическая энергия электрона переходит в люминесцентное излучение фотонов с энергией hν. Здесь ν - частота, h - постоянная Планка, h=6,62-10^-34 Дж.·сек. Частота люминесцентного излучения ν зависит от материала люминофора. Если ν лежит в области видимого света, такой источник может быть использован в качестве источника освещения. В зависимости от спектрального состава свет может быть окрашенным или белым. Может быть подобран состав люминофора, дающий свет близкий по составу к солнечному.

В качестве активной эмиссионной среды автокатода используется терморасширенный графит или углеродные нановолокна. На поверхности этого материала создается большое количество стабильных эмиссионных центров, выполненных в виде участков поверхности с очень малыми радиусами кривизны.

Система электрического освещения (Фиг.1) работает следующим образом. Электрическую энергию от источников энергии постоянного тока 1 или 2 преобразуют в энергию переменного тока в преобразователе частоты 4, повышают по напряжению с помощью повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 6 и создают резонансные колебания тока и напряжения в первичной обмотке 5, вторичной обмотке 7 и в однопроводной линии 9 с частотой f₀=1-100 кГц, равной частоте переменного тока на выходе преобразователя частоты 4.

Так как однопроводная линия 9 относительно обмотки 7 разомкнута, между током и напряжением в ней существует фазовый сдвиг 90 градусов. Ток опережает напряжение на 90 градусов и перезаряжает емкость однопроводной линии 9, емкости светильников 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n), и естественные емкости 11-1, 11-2,11-3, …,11-n (n=1, 2, 3, …, n).

Электромагнитная энергия в виде потока волн тока и напряжения перемещается от вывода 8 с высоким потенциалом вдоль линии 9 через светильники 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n) к естественным емкостям 11-1, 11-2, 11-3, …, 11-n (n=1, 2, 3, …, n) с более низким потенциалом, представляющим собой результат деления потенциала линии в отношении:

,

где: φ₁₁ - потенциал изолированного проводящего тела, реализующего собой естественную емкость тела по отношения к земле, [В];

φ₉ - потенциал однопроводной линии системы освещения, [В];

С_ак - межэлектродная емкость (проходная емкость «анод - катод») люминесцентного светоизлучателя, [Ф];

С₁₁ - электрическая емкость изолированного проводящего тела по отношению к земле, [Ф].

В другом варианте системы электрического освещения (Фиг.2) электромагнитная энергия в виде потока волн тока и напряжения перемещается от вывода 8 с высоким потенциалом вдоль линии 9 через светильники 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n) к естественным емкостям 11-1,11-2, 11-3, …, 11-n (n=1, 2, 3, …, n), заземленным через токоограничивающие резисторы R. Потенциал изолированного проводящего тела будет равен

,

здесь: ω - круговая частота тока в линии [сек^-1];

R - сопротивление токоограничивающего резистора, [Ом].

Еще в другом варианте системы электрического освещения (Фиг.3) электромагнитная энергия в виде потока волн тока и напряжения перемещается от вывода 8 с высоким потенциалом вдоль линии 9 через электрическую емкость между линией 9 и изолированными проводящими телами 11-1, 11-2, 11-3, …, 11-n (n=1, 2, 3, …, n) к светильникам 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n). Другой конец светильников заземлен. В этом варианте потенциал φ₁₁ изолированного проводящего тела составляет

,

здесь: С₉ - электрическая емкость изолированного проводящего тела по отношению к однопроводной линии 9, [Ф].

Работа источников света на основе нано-структурированного углеродного материала в качестве эмиттера электронов с последующим ускорением их полем анода, соударением разогнанных электронов с люминофором и возбуждением люминесцентного света не сопровождается расходом энергии на эмиссию электронов, поскольку в источнике света создаются необходимые условия для «вытягивания» электронов из эмиттера в режиме «туннельного» эффекта, т.е. прохождение электронами границы эмиттера и вакуума «под энергетическим барьером». Люминофор, в зависимости от состава, может излучать синий, зеленый, красный или белый свет. Для ламп общего назначения свет люминесценции может быть выбран наиболее близким по спектру к солнечному свету.

Плотность эмитируемого автокатодом тока может быть описана выражением

где: А - эмиссионная постоянная материала эмиттера, [А/(м²·град° К²)];

Т - температура эмиттера, [град° К];

е - заряд электрона, е=1,6·10^-19, [К];

φ - высота потенциального барьера, препятствующего выходу электрона из материала эмиттера, [эВ];

k - постоянная Больцмана, k=1,38 -10^-23 [Дж/град° К].

Высота потенциального барьера вычисляется по законам квантовой физики, в первом приближении определяется той работой, которую должен произвести вылетающий из эмиттера электрон, против сил электрического притяжения к возникающему в материале эмиттера не скомпенсированному положительному заряду. Графическая иллюстрация вышеуказанного процесса представлена на Фиг.4.

Термоэмиссионные катоды работают за счет увеличения температуры Т. При этом расходуется большая энергия. Автоэмиссионный катод работает за счет уменьшения высоты φ_вых и ширины потенциального барьера а

,

являющегося максимумом в математической зависимости совершаемой работы от расстояния X, на которое удален электрон.

Здесь: φ_f- энергетический уровень Ферми для электронов в материале эмиттера, [эВ];

Е - напряженность электрического поля у поверхности центра эмиссии, [В/м];

ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, ε₀=8,85-10^-12 [Ф/м].

За счет увеличения напряженности электрического поля у эмитирующей поверхности можно снижать высоту потенциального барьера, при этом так же уменьшается ширина потенциального барьера а. Когда ширина потенциального барьера а (Фиг.4) становится соизмеримой с половиной длины волны волновой функции электрона внутри материала эмиттера, наблюдается эффект прохождения электронов сквозь потенциальный барьер без энергетического преодоления его, т.е. без затраты запаса собственной энергии - туннельный эффект. Волновая функция электрона описывает распределение плотности вероятности нахождения электрона в интересующей точке пространства, а ее квадрат - вероятность обнаружения электрона в этой точке.

Увеличение напряженности электрического поля у эмитирующей поверхности можно получить с помощью увеличения напряжения на аноде (металлизированная поверхность люминофора) или с помощью уменьшения радиуса поверхности эмиссии:

,

Здесь: k - коэффициент пропорциональности, [В·м];

R - радиус искривления эмитирующей поверхности, [м].

Названия и назначение элементов катодолюминесцентной лампы (Фиг.5):

23 - стеклянная сфера (колба) лампы;

24 - люминофорное покрытие источника света 32;

25 - люминофорное покрытие источника света 33;

26 - электропроводящее алюминиевое покрытие на люминофоре 24 источника света 32, служащее анодом в источнике света 32;

27 - электропроводящее алюминиевое покрытие на люминофоре 25 источника света 33, служащее анодом в источнике света 33;

28 - электрический вывод лампы, служащий в качестве несущего электрода для автокатода 31 и используемый в качестве электрического контакта для электропроводящего покрытия 26;

29 - электрический вывод лампы, служащий в качестве несущего электрода для автокатода 30 и используемый в качестве электрического контакта для электропроводящего покрытия 27;

30 - эмиттер электронов, автокатод из нано-структурированного углеродного материала для источника света 32;

31 - эмиттер электронов, автокатод из нано-структурированного углеродного материала для источника света 33;

32 - один источник света, размещенный в лампе;

33 - другой источник света, размещенный в лампе.

Конструктивно (Фиг.5) лампа представляет собой шарообразную сферу 23 из прозрачного стекла с введенными в нее через стеклянные впаянные проходные «капли» и расположенными внутри сферы держателями электродов 28, 29. На один из электродов 29 крепится с обеспечением электрического контакта один из эмиттеров 30 электронов. Эмиттер 30 служит для генерации свободных электронов в одном источнике света 32. Другой электрод 28 соединяется с металлическим покрытием люминофора - анодом 26. На другой из электродов 28 крепится также с обеспечением электрического контакта эмиттер 31 электронов. Эмиттер 31 служит для генерации свободных электронов в другом источнике света 33. Анодом в источнике света 33 служит металлическое покрытие 27 люминофора 25. Во внешнюю цепь питания анод 27 подключается с помощью электрода 29. Таким образом, к электроду 28 подключены эмиттер 31 электронов - автокатод источника света 33 и металлическое покрытие 26 люминофора 24 - анод источника света 32, чем обеспечивается встречно-параллельное включение источников света в лампе.

В системе электрического освещения катодолюминесцентные лампы содержат в каждой колбе по два (Фиг.5) параллельно соединенных источника света 32 и 33, встречно включенных по отношению к питающему напряжению. В один полупериод светит источник 32, в другой полупериод питающего напряжения светит другой источник 33.

В результате применения в системе электрического освещения катодолюминесцентных ламп с автокатодами, система приобретает ряд существенных преимуществ перед известными источниками освещения:

- высокая световая эффективность и яркость;

- благоприятный для человека спектр излучения;

- экологическая чистота - отсутствие вредных и ядовитых веществ;

- мгновенная готовность к работе;

- широкий диапазон рабочих температур (от -196°С до +150°С);

- большая площадь светоизлучающей поверхности;

- срок службы более 50 тысяч часов;

- в производстве ламп используются простая технология и широко распространенные в природе и дешевые материалы.

В таблице приведены сравнительные характеристики катодолюминесцентных источников света и других существующих источников света, работающих на основе иных физических процессов.

Пример выполнения устройства системы электрического освещения.

Солнечная батарея 1 (Фиг.1) мощностью 300 Вт напряжением 12 В и аккумуляторная батарея 2 напряжением 12 В включены для работы с преобразователем 4 частоты 25 кГц мощностью 150 Вт с выходным напряжением 12 В. Повышающий высокочастотный резонансный трансформатор 6 содержит 8 витков низковольтной обмотки 5 и 2500 витков высоковольтной обмотки 7, при этом на высоковольтном выводе 8 генерируется потенциал с напряжением 10 кВ при частоте 25 кГц. Каждый из светильников 10-1, 10-2, …, 10-n содержит лампу (Фиг.5) с двумя встречно-параллельно включенными катодолюминесцентными источниками света 32 и 33 с автокатодами. Лампа белого свечения с рабочим напряжением 10 кВ при частоте 25 кГц, со световым потоком около 1200 лм и рабочим током 5 мА.

За счет потребления электрической энергии в резонансном режиме и в результате использования катодолюминесценции в качестве светоизлучающего механизма, генерации катодного пучка электронов с помощью энергоэффективного механизма переноса зарядов - в результате туннельного прохождения электронами потенциального барьера на поверхности эмиттера, а также передачи энергии к светильнику по однопроводной линии с малыми потерями в проводнике, работа системы электрического освещения осуществляется с высоким КПД, равным 80-90%. При питании светильника по однопроводной линии исключается возможность короткого замыкания, так как отсутствуют проводники с разностью потенциалов между ними, как это имеет место в обычной электрической сети. В качестве источника электрической энергии может быть использована не только солнечная батарея, но и любой другой источник электрической энергии.