태양광 신호등의 기술 원리 및 설계

교통 관리 및 항공 경고와 같은 많은 분야에서 신호등은 차량, 보행자 및 항공기의 궤적을 조절하는 조용한 도체로서 중요한 역할을 합니다. 지속 가능한 발전의 개념이 심화됨에 따라 환경 보호, 에너지 절약, 간편한 설치라는 장점을 가진 태양광 신호등이 점차 등장하고 있습니다. 태양광 신호등의 기술 원리와 설계 세부 사항을 자세히 살펴보는 것은 이 혁신적인 제품을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 향후 최적화와 광범위한 적용을 위한 탄탄한 지원도 제공합니다.

태양광 신호등의 핵심: 태양광 변환 기술

태양광 신호등의 에너지원은 태양 복사에서 나오며, 태양광을 전기 에너지로 변환하는 핵심은 태양광 패널에 있습니다. 태양광 패널의 일반적인 유형은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘입니다.

단결정 실리콘 태양 전지판은 일반적으로 최대 15% -20%의 높은 광전 변환 효율을 가지고 있습니다. 결정 구조가 완전하고 내부 전자 이동도가 높으며 강한 빛 조사에서도 안정적이고 강한 전류를 출력할 수 있습니다. 단결정 실리콘 태양광 패널의 생산 공정은 상대적으로 복잡하고 비용이 약간 높지만, 성능이 우수하여 교통량이 많은 교차로의 대형 신호등과 같이 높은 전력과 좋은 조명 조건이 필요한 태양광 신호등 적용 시나리오에서 선호도가 높습니다.

다결정 실리콘 태양전지 패널의 광전 변환 효율은 일반적으로 12%에서 16% 사이입니다. 여러 개의 실리콘 입자로 구성되어 있으며 단결정 실리콘에 비해 생산 공정이 간단하고 비용이 상대적으로 저렴합니다. 다결정 실리콘 태양광 패널의 효율은 다소 떨어지지만 가격 우위와 가성비가 좋아 소규모 주차장, 마을 도로 신호등 등 비용 관리가 엄격하고 조명 조건이 양호한 분야에서 널리 사용됩니다.

비정질 실리콘 태양 전지판의 변환 효율은 약 5% -10%로 상대적으로 낮지만 저조도 조건에서도 일정한 발전 성능을 가질 수 있고 조명 각도에 대한 요구 사항이 그렇게 엄격하지 않다는 것이 뛰어난 장점입니다. 제조 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 일부 불규칙한 모양의 설치 요구 사항을 충족하도록 유연하게 만들 수 있습니다. 예를 들어, 일부 건물 표면에 설치된 경고 신호등은 흐린 날이나 아침과 저녁 조명이 좋지 않은 경우에도 소량의 전기를 지속적으로 수집 할 수 있습니다.

태양광 패널의 작동 원리는 태양광 효과를 기반으로 합니다. 태양광이 태양광 패널의 표면에 비추면 광자가 실리콘 원자와 상호 작용하여 실리콘 원자의 전자가 에너지를 얻고 전이를 일으켜 전자 정공 쌍을 형성합니다. 배터리 패널 내부의 전기장의 작용으로 전자는 배터리의 음극 쪽으로 이동하고 정공은 양극 쪽으로 이동하여 배터리의 두 극 사이에 전위차를 형성하고 직류 전류를 생성합니다. 발전 효율을 높이기 위해 태양광 패널의 표면은 일반적으로 태양광의 반사 손실을 줄이기 위해 반사 방지 필름으로 덮여 있습니다. 동시에 외부 환경 손상으로부터 태양 전지를 보호하기 위해 프레임과 백 플레이트가 장착되어 있습니다.

에너지 저장 보증: 배터리 관리 시스템 및 에너지 저장 배터리

낮에 태양광에만 의존해 전기를 생산하는 방식으로는 태양광 신호등의 중단 없는 작동 요구를 충족할 수 없으므로 야간이나 비오는 날에 사용하기 위해 여분의 전기를 저장하는 에너지 저장 시스템이 필요합니다.

리튬 배터리는 높은 에너지 밀도, 긴 수명 및 낮은 자체 방전율로 인해 태양 광 신호등 에너지 저장 분야에서 주류 선택 중 하나가되었습니다. 리튬 배터리에는 열 안정성이 우수하고 안전성이 높으며 고온 환경에서도 열 폭주가 발생하지 않는 리튬 인산철 배터리, 더 작은 부피와 무게로 더 많은 전기 에너지를 저장할 수 있는 삼원계 리튬 배터리 등 다양한 유형의 리튬 배터리가 있으며, 에너지 밀도 측면에서 더 뛰어난 성능을 발휘합니다.

납축 배터리는 한때 저렴한 비용과 성숙한 기술로 널리 사용되는 에너지 저장 장치였지만, 에너지 밀도가 낮고 수명이 상대적으로 짧으며 정기적인 유지보수(전해질 보충 등)가 필요한 단점이 있었습니다. 그러나 납축 배터리는 여전히 비용에 민감하고 기술 요구 사항이 낮은 일부 간단한 태양광 신호등에 일부 적용될 여지가 있습니다.

배터리 관리 시스템(BMS)은 에너지 저장 배터리의 효율적이고 안전한 작동을 보장하는 핵심 요소입니다. BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도 및 기타 매개변수를 실시간으로 모니터링하여 과충전, 과방전, 과열을 방지하여 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 예를 들어 배터리 전압이 완전 충전에 가까워지면 BMS는 과충전 및 배터리 손상을 방지하기 위해 충전 전류를 자동으로 조정하고, 저온 환경에서는 배터리 성능의 급격한 저하를 방지하기 위해 방전 전류도 제어할 수 있습니다. 또한 BMS에는 배터리 밸런싱 기능이 있어 직렬로 연결된 배터리 팩의 각 배터리 전력이 균형을 이루도록 하여 개별 배터리의 조기 고장을 방지하고 전체 에너지 저장 시스템의 신뢰성을 보장합니다.

지능형 조명 제어: 필요에 따라 신호등 켜기

태양광 신호등은 주변 조명의 변화에 따라 지능적으로 켜고 꺼야 하며, 이 기능은 조명 제어 시스템에 의해 구현됩니다. 조명 제어 시스템은 주로 감광 센서와 마이크로 컨트롤러로 구성됩니다.

광 센서는 조명 제어 시스템의 '눈'으로, 일반적으로 포토 레지스터, 포토 다이오드 등을 포함합니다. 포토 저항의 저항 값은 빛의 강도에 따라 크게 달라집니다. 강한 빛을 조사하면 저항 값이 감소하고 조도가 감소하면 저항 값이 증가합니다. 포토 다이오드는 빛이 강할수록 전류가 더 많이 생성되는 광전류의 원리를 활용합니다. 이러한 감광 센서는 빛 신호를 전기 신호로 변환하여 마이크로 컨트롤러로 전송합니다.

마이크로 컨트롤러는 감광 센서로부터 전기 신호를 수신하고 미리 설정된 프로그램에 따라 판단을 내리는 신호등의 '두뇌'에 해당합니다. 예를 들어, 주변 조도가 특정 임계값 이하(예: 해질 무렵)일 때 마이크로 컨트롤러는 신호등을 켜라는 명령을 내리고, 밤이 깊어지고 주변 조도가 더 약해지면 마이크로 컨트롤러는 내장 알고리즘에 따라 신호등의 밝기를 조정하여 에너지를 절약하고 경고 요구를 충족할 수 있습니다. 이른 아침에 빛의 강도가 설정된 임계값 이상으로 올라가면 마이크로 컨트롤러는 신호등을 다시 끕니다. 이 지능형 조명 제어 메커니즘을 통해 태양광 신호등은 정밀한 자동 작동을 실현하여 경고 효과를 보장하고 에너지 절약을 극대화합니다.

광학 디자인: 경고 효과 강화

태양광 신호등의 광학 설계는 경고 효과를 효과적으로 전달할 수 있는지 여부와 직접적인 관련이 있습니다. 교통 신호의 경우 운전자가 다양한 각도, 거리 및 기상 조건에서 빨간색, 노란색, 녹색의 세 가지 색상 신호를 명확하게 구분할 수 있도록 해야 합니다.

신호등의 갓은 일반적으로 투명도, 내충격성 및 내후성이 높은 폴리카보네이트와 같은 광학 특성이 좋은 재질로 만들어집니다. 전등갓은 내부에 광학 렌즈로 설계되어 있으며, 색상이 다른 신호등은 서로 다른 렌즈 디자인을 사용합니다. 예를 들어, 적색 신호등은 장거리 투과율을 높이기 위해 볼록 렌즈 디자인을 사용하여 빛을 평행 광선으로 수렴하여 바깥쪽으로 방출하여 운전자가 한 눈에 멀리서도 적색 경고를 인식할 수 있도록 하고, 녹색 신호등은 오목 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 사용하여 빛을 더 넓은 각도로 산란시켜 교차로에서 모든 방향의 차량이 녹색 신호를 볼 수 있도록 시야각 확장에 초점을 맞추고 있습니다.

항공 경고를 위한 태양광 장애물 조명 분야에서는 광학 설계가 특히 독특합니다. 복잡한 기상 조건에서 조종사가 원거리에서도 장애물을 인식할 수 있도록 장애물 조명은 특수 반사판과 렌즈 조합과 함께 고강도 적색 LED 광원을 사용하는 경우가 많습니다. 반사경은 빛을 집중시켜 반사하고 렌즈는 빔 모양을 더욱 최적화하여 특정 깜박임 주파수와 높은 밝기로 구름과 안개를 투과하여 건물의 위치 정보를 조종사에게 명확하게 전달하고 저고도 비행의 안전을 보장합니다.

기계적 구조 및 방열 설계: 장기간 안정적인 작동 보장

태양광 신호등은 장시간 실외 환경에 노출되기 때문에 바람, 비, 먼지, 얼음, 눈 등의 침입에 견딜 수 있는 견고하고 내구성 있는 기계 구조가 필요합니다.

신호등 케이스는 일반적으로 알루미늄 합금 또는 엔지니어링 플라스틱과 같은 재질로 만들어집니다. 알루미늄 합금 케이스는 고강도, 경량, 빠른 방열 및 내식성의 장점을 가지고 있어 고속도로와 같은 대형 고강도 신호등에 적합하며 엔지니어링 플라스틱 쉘은 비용이 저렴하고 단열 성능이 우수하며 성형 및 가공이 쉽습니다. 일반적으로 소규모 커뮤니티, 주차장 및 기타 장소의 신호등에 사용됩니다. 쉘의 설계는 일반적으로 내부 전자 부품이 외부 환경의 영향을받지 않도록 IP65 이상과 같은 방수, 방진, 방풍 등과 같은 표준을 충족합니다.

방열 설계도 무시할 수 없습니다. 전자 부품, 특히 고출력 LED 광원 및 배터리 관리 시스템은 작동 중에 열을 발생시킵니다. 열을 적시에 방출하지 못하면 부품의 온도가 상승하고 작업 효율이 떨어지며 수명이 단축될 수 있습니다. 일부 태양열 신호등은 방열 핀을 사용하여 자연 대류 원리를 사용하여 열을 공기 중으로 방출하고, 일부는 강제 공기 냉각 및 열 방출을 위해 내부에 팬을 추가하고, 열 전도성 실리콘 및 기타 방열 재료가 열 전달을 돕기 위해 구성 요소와 케이스 사이에 널리 사용됩니다. 종합적인 방열 조치를 통해 신호등은 고온 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다.

시스템 통합 및 최적화: 효율적인 태양광 신호등 만들기

태양광 패널, 에너지 저장 시스템, 조명 제어 시스템, 광학 시스템, 기계 구조, 방열 설계 등 위의 구성 요소를 효과적으로 통합하는 것은 태양광 신호등 설계의 핵심 단계입니다.

시스템 통합 과정에서 다양한 구성 요소 간의 호환성 및 협업 작업 능력을 충분히 고려해야 합니다. 예를 들어 태양광 패널의 출력 전압과 전류는 배터리 관리 시스템 및 LED 광원의 입력 요구 사항과 일치해야 전기 에너지의 효율적인 전송 및 활용을 보장할 수 있습니다. 동시에 전체 설계는 비용, 성능 및 신뢰성을 고려해야 합니다. 설계를 최적화하면 불필요한 부품 중복을 줄이고 비용을 낮추며 시스템의 비용 효율성을 개선할 수 있습니다.

소프트웨어 개발 관점에서 마이크로 컨트롤러의 제어 프로그램은 지속적으로 최적화되어야 합니다. 기본적인 조명 제어 기능 외에도 신호등의 작동 상태(배터리 잔량, 조명 강도, 신호등 정상 작동 여부 등)를 무선 네트워크를 통해 모니터링 센터로 전송하여 적시에 유지보수할 수 있는 원격 모니터링 기능, 신호등 오작동 시 자동으로 감지하여 알람을 발생시켜 유지보수 담당자에게 알려 문제를 빠르게 찾을 수 있는 고장 자가 진단 기능 등 보다 지능적인 기능을 추가할 수도 있습니다.

결론

현대 기술과 환경 보호 개념의 통합의 산물인 태양광 신호등은 우리의 생활과 여행의 안전을 보장하는 방식을 점차 바꾸고 있습니다. 기술 원리에 대한 심층 분석과 디자인 세부 사항의 세심한 연마를 통해 우리는 태양 광 기술, 전자 제어, 광학 공학 및 기계 제조와 같은 학제 간 분야의 매력을 확인했습니다. 재료 과학, 정보 기술 및 기타 분야의 지속적인 발전으로 태양 광 신호등은 성능 향상, 기능 확장, 비용 절감 및 기타 측면에서 새로운 돌파구를 열어 교통, 항공 등 많은 분야에서 지속적으로 빛과 열을 방출하고 우리의 질서 정연한 삶을 보호 할 것입니다. 앞으로 더욱 지능적이고 효율적이며 대중화된 새롭고 새로운 모습으로 글로벌 지속 가능한 발전 과정에서 빛나는 진주가 될 것으로 기대할 수 있습니다.