深入研究太陽能，電線，連接器的LED設(shè)計(jì)

在這里，我們將深入研究太陽能，電線，連接器和燈泡設(shè)計(jì)。

您想節(jié)省能源嗎？考慮太陽能物聯(lián)網(wǎng)。這是您的光伏太陽能系統(tǒng)連接到局域網(wǎng)并被建模為另一個(gè)提供電源的IoT設(shè)備時(shí)的情況。在這個(gè)概念中，太陽能材料與多層板（如PCB）層壓在一起。圖11示出了太陽能層壓板的側(cè)視圖。

圖11光伏電池包含連接到局域網(wǎng)的PCB。

在俯視圖中（圖12），嵌入式PCB以紅色顯示，金屬導(dǎo)體以灰色和淺藍(lán)色顯示。我們的基礎(chǔ)材料是鋁板。隨后，可以將其直接安裝到建筑物外表面，例如膠合板屋頂或墻壁上。有關(guān)詳細(xì)信息，請參見R＆D Initiative旨在解決能源和氣候問題。

圖12太陽能電池內(nèi)部的嵌入式PCB。

圖13顯示了我們的PCB的特寫以及它如何附著在太陽能材料產(chǎn)生的不同電壓上。每個(gè)電池就像一個(gè)電池，PCB可以通過MOSFET開關(guān)將它們串聯(lián)或并聯(lián)組合。我們從太陽能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲得可編程的直流電壓。

圖13PCB連接到太陽能電池的不同電壓。

電氣連接

電源線的連接通常通過螺釘力完成，其中螺釘頭以每平方英寸數(shù)千磅的力壓在電線上（圖14）。這將創(chuàng)建持續(xù)100年的可靠連接?；蛘?，將銷釘推入插座并用彈力固定的位置不太可靠，尤其是在處理動(dòng)力時(shí)。

圖14螺釘連接極為可靠。

需要一種連接器，該連接器支持具有多個(gè)觸點(diǎn)的螺釘力，并且安裝迅速。下面是一個(gè)這樣的想法。右圖顯示了一個(gè)壓在楔塊（紅色）上的螺釘，該楔塊又將壓力施加在滑塊上（圖15）。左圖顯示了螺釘如何對插座上的多個(gè)刀片施加巨大的力（相對于彈簧力），并且每個(gè)信號之間都帶有絕緣層（藍(lán)色）。葉片中顯示的扭結(jié)使得在擰緊螺釘后很難將插頭斷開。例如，此連接器可以放置在電燈插座內(nèi)，并且可以設(shè)置在最終用戶的開/關(guān)/調(diào)光開關(guān)外殼內(nèi)。

圖15帶螺釘?shù)慕泳€盒將使電源和數(shù)據(jù)連接可靠。

帶四個(gè)或六個(gè)導(dǎo)體的帶狀電纜可能會很好地適合壓接工具，該工具會將上述刀片觸點(diǎn)一contacts一扣地附接到電線上（圖16）。

圖16壓接工具可用于連接帶狀電纜。

明天的電工可以使用電動(dòng)機(jī)械（其速度與手電鉆一樣大）來快速移動(dòng)，該機(jī)械可以銑削塑料并電動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺釘，如圖17所示。這種機(jī)器抓住電纜，確定其尺寸，然后磨塑料以露出電線。每個(gè)設(shè)備上的翻蓋式夾子固定了整個(gè)電纜，而單獨(dú)的螺釘式夾子則與每根電線接觸。本機(jī)還擰緊螺絲并施加所需的扭矩。隨后，我們可以在不切斷電纜的情況下觸摸每臺設(shè)備，從而節(jié)省了時(shí)間并提高了可靠性。如果電工每小時(shí)花費(fèi)75美元，那么一臺節(jié)省時(shí)間的復(fù)雜機(jī)器很容易就能收回成本。

圖17新型電工工具可以節(jié)省時(shí)間并提供更一致的連接。

所建議的LED燈泡還支持未連接到網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立系統(tǒng)，如圖18所示。

圖18指示燈仍可以使用，只是沒有連接到網(wǎng)絡(luò)。

擴(kuò)散器和遮光罩配件

傳統(tǒng)燈泡最初的設(shè)計(jì)是為了吸收內(nèi)部白熾燈絲產(chǎn)生的大量熱量。在僅縮小的LED形式下，我們可以將燈泡平放在表面上，并具有較小的間距以進(jìn)行冷卻。圖19顯示了干墻天花板（黑色），2×4木質(zhì)框架（棕色），金屬配電箱（藍(lán)色虛線）和電燈插座裝置（橙色虛線）。

圖19如果沒有電源轉(zhuǎn)換電路，LED燈泡可以齊平安裝在天花板上。

在圖20中，燈泡和燈座之間有一個(gè)平坦的表面（淺綠色）。我們該怎么辦？從燈泡到插座傳導(dǎo)熱量？支持售后市場類似軌道照明的方向性支撐機(jī)制，如圖19所示。如果我們增加插座的強(qiáng)度以抵制售后配件帶來的額外扭矩，那么它們也會增加成本。這是機(jī)械工程師需要考慮的一個(gè)問題。在許多建筑物中，燈泡被放置在天花板內(nèi)的凹腔中。這使燈泡對用戶的可見性和干擾性降低。圖20顯示了具有類似效果的售后配件的示例。另外，也可以增加一個(gè)更大的圓頂，以更好地分配光線。

圖20我們有機(jī)會在高架燈泡中添加配件。

因?yàn)槲覀冋谥贫ㄐ碌碾姎鈽?biāo)準(zhǔn)，所以我們很樂意添加標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械區(qū)域以握住擴(kuò)散器和遮光罩配件。圖20陰影配件中顯示的藍(lán)線適合于受LED機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)控制且所有燈泡和所有插座均需要的區(qū)域。圖21顯示了軌道照明如何工作。

圖21軌道照明也可以直接安裝到照明網(wǎng)絡(luò)。

熱量和國家電氣法規(guī)

移動(dòng)熱量并遵守建筑法規(guī)值得更多考慮（例如，國家電氣法規(guī)，美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室）。一種選擇是依靠插座幫助散熱，因?yàn)樗潭ㄔ诒葻襞荽蟮奈矬w上，并且表面積比燈泡大。由于距離很近，熱量很容易從LED傳遞到金屬插座。為了避免起火，可以在每個(gè)燈泡內(nèi)放置一個(gè)MOSFET開關(guān)，如果太熱（例如105°C），該開關(guān)會打開。為了降低成本，可能需要從房間的中央位置（例如天花板上的占用傳感器）到每個(gè)燈泡以及可能的每個(gè)窗戶而沒有導(dǎo)管。

嵌入傳統(tǒng)燈泡底座中的電源會承受極高的熱量。在這種情況下，諸如電解電容器之類的組件不會持續(xù)很長時(shí)間。電解電容器的典型壽命規(guī)格是在105°C下為2000小時(shí)。LED SMT器件散發(fā)了燈泡內(nèi)部約85％的熱量，這意味著它們會變得非常熱（例如10 W燈泡為8.5 W）。隨后，將電氣部件從LED SMT設(shè)備移開會降低其工作溫度，并延長其使用壽命。

一種散熱策略是將導(dǎo)熱斜面/反射鏡/成型/散熱裝置夾在燈泡和插座之間，如下圖22中的藍(lán)色所示。燈泡和燈座之間的熱墊圈可提供熱接觸，同時(shí)緊靠中心電導(dǎo)體。或者，我們可以在中央導(dǎo)體上放置一個(gè)彈簧，并在燈泡和插座之間避免使用熱墊圈。

圖22燈泡和天花板之間的金屬充當(dāng)散熱器。

要使所有這些正常工作，需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的即插即用的太陽能IoT系統(tǒng)，其中包括機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，電氣連接標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議。曼哈頓2號就是正在為此工作的組織的一個(gè)示例，并且正在設(shè)計(jì)一個(gè)2000平方英尺的測試站點(diǎn)，在該站點(diǎn)中，我們可以使用其他類似IoT的設(shè)備來測試直接進(jìn)入建筑物表面的太陽能IoT。該站點(diǎn)的位置尚未確定。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參閱Manhattan 2的有線物聯(lián)網(wǎng)R＆D計(jì)劃和Solar Direct to Surfaces R＆D計(jì)劃。

Glenn Weinreb是GW Instruments的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官，已經(jīng)設(shè)計(jì)了大約30個(gè)商業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將處理器連接到建筑物內(nèi)的小工具。

編輯：hfy