深入研究太阳能，电线，连接器的LED设计

在这里，我们将深入研究太阳能，电线，连接器和灯泡设计。

您想节省能源吗？考虑太阳能物联网。这是您的光伏太阳能系统连接到局域网并被建模为另一个提供电源的IoT设备时的情况。在这个概念中，太阳能材料与多层板（如PCB）层压在一起。图11示出了太阳能层压板的侧视图。

 图11光伏电池包含连接到局域网的PCB。

在俯视图中（图12），嵌入式PCB以红色显示，金属导体以灰色和浅蓝色显示。我们的基础材料是铝板。随后，可以将其直接安装到建筑物外表面，例如胶合板屋顶或墙壁上。有关详细信息，请参见R＆D Initiative旨在解决能源和气候问题。

 

图12太阳能电池内部的嵌入式PCB。

图13显示了我们的PCB的特写以及它如何附着在太阳能材料产生的不同电压上。每个电池就像一个电池，PCB可以通过MOSFET开关将它们串联或并联组合。我们从太阳能物联网设备获得可编程的直流电压。

 

图13 PCB连接到太阳能电池的不同电压。

电气连接

电源线的连接通常通过螺钉力完成，其中螺钉头以每平方英寸数千磅的力压在电线上（图14）。这将创建持续100年的可靠连接。或者，将销钉推入插座并用弹力固定的位置不太可靠，尤其是在处理动力时。

 

图14螺钉连接极为可靠。

需要一种连接器，该连接器支持具有多个触点的螺钉力，并且安装迅速。下面是一个这样的想法。右图显示了一个压在楔块（红色）上的螺钉，该楔块又将压力施加在滑块上（图15）。左图显示了螺钉如何对插座上的多个刀片施加巨大的力（相对于弹簧力），并且每个信号之间都带有绝缘层（蓝色）。叶片中显示的扭结使得在拧紧螺钉后很难将插头断开。例如，此连接器可以放置在电灯插座内，并且可以设置在最终用户的开/关/调光开关外壳内。

 

图15带螺钉的接线盒将使电源和数据连接可靠。

带四个或六个导体的带状电缆可能会很好地适合压接工具，该工具会将上述刀片触点一contacts一扣地附接到电线上（图16）。

 

图16压接工具可用于连接带状电缆。

明天的电工可以使用电动机械（其速度与手电钻一样大）来快速移动，该机械可以铣削塑料并电动旋转螺钉，如图17所示。这种机器抓住电缆，确定其尺寸，然后磨塑料以露出电线。每个设备上的翻盖式夹子固定了整个电缆，而单独的螺钉式夹子则与每根电线接触。本机还拧紧螺丝并施加所需的扭矩。随后，我们可以在不切断电缆的情况下触摸每台设备，从而节省了时间并提高了可靠性。如果电工每小时花费75美元，那么一台节省时间的复杂机器很容易就能收回成本。

 

图17新型电工工具可以节省时间并提供更一致的连接。

所建议的LED灯泡还支持未连接到网络的独立系统，如图18所示。

 

图18指示灯仍可以使用，只是没有连接到网络。

扩散器和遮光罩配件

传统灯泡最初的设计是为了吸收内部白炽灯丝产生的大量热量。在仅缩小的LED形式下，我们可以将灯泡平放在表面上，并具有较小的间距以进行冷却。图19显示了干墙天花板（黑色），2×4木质框架（棕色），金属配电箱（蓝色虚线）和电灯插座装置（橙色虚线）。

 

图19如果没有电源转换电路，LED灯泡可以齐平安装在天花板上。

在图20中，灯泡和灯座之间有一个平坦的表面（浅绿色）。我们该怎么办？从灯泡到插座传导热量？支持售后市场类似轨道照明的方向性支撑机制，如图19所示。如果我们增加插座的强度以抵制售后配件带来的额外扭矩，那么它们也会增加成本。这是机械工程师需要考虑的一个问题。在许多建筑物中，灯泡被放置在天花板内的凹腔中。这使灯泡对用户的可见性和干扰性降低。图20显示了具有类似效果的售后配件的示例。另外，也可以增加一个更大的圆顶，以更好地分配光线。

图20我们有机会在高架灯泡中添加配件。

因为我们正在制定新的电气标准，所以我们很乐意添加标准的机械区域以握住扩散器和遮光罩配件。图20阴影配件中显示的蓝线适合于受LED机械标准控制且所有灯泡和所有插座均需要的区域。图21显示了轨道照明如何工作。

图21轨道照明也可以直接安装到照明网络。

热量和国家电气法规

移动热量并遵守建筑法规值得更多考虑（例如，国家电气法规，美国保险商实验室）。一种选择是依靠插座帮助散热，因为它固定在比灯泡大的物体上，并且表面积比灯泡大。由于距离很近，热量很容易从LED传递到金属插座。为了避免起火，可以在每个灯泡内放置一个MOSFET开关，如果太热（例如105°C），该开关会打开。为了降低成本，可能需要从房间的中央位置（例如天花板上的占用传感器）到每个灯泡以及可能的每个窗户而没有导管。

嵌入传统灯泡底座中的电源会承受极高的热量。在这种情况下，诸如电解电容器之类的组件不会持续很长时间。电解电容器的典型寿命规格是在105°C下为2000小时。LED SMT器件散发了灯泡内部约85％的热量，这意味着它们会变得非常热（例如10 W灯泡为8.5 W）。随后，将电气部件从LED SMT设备移开会降低其工作温度，并延长其使用寿命。

一种散热策略是将导热斜面/反射镜/成型/散热装置夹在灯泡和插座之间，如下图22中的蓝色所示。灯泡和灯座之间的热垫圈可提供热接触，同时紧靠中心电导体。或者，我们可以在中央导体上放置一个弹簧，并在灯泡和插座之间避免使用热垫圈。

图22灯泡和天花板之间的金属充当散热器。

要使所有这些正常工作，需要一个标准化的即插即用的太阳能IoT系统，其中包括机械标准，电气连接标准和通信协议。曼哈顿2号就是正在为此工作的组织的一个示例，并且正在设计一个2000平方英尺的测试站点，在该站点中，我们可以使用其他类似IoT的设备来测试直接进入建筑物表面的太阳能IoT。该站点的位置尚未确定。有关更多详细信息，请参阅Manhattan 2的有线物联网R＆D计划和Solar Direct to Surfaces R＆D计划。

Glenn Weinreb是GW Instruments的创始人兼首席执行官，已经设计了大约30个商业数据采集和控制系统，这些系统将处理器连接到建筑物内的小工具。

编辑：hfy