在這里，我們將深入研究太陽能，電線，連接器和燈泡設計。

您想節省能源嗎？考慮太陽能物聯網。這是您的光伏太陽能系統連接到局域網并被建模為另一個提供電源的IoT設備時的情況。在這個概念中，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視圖。

圖11光伏電池包含連接到局域網的PCB。

在俯視圖中（圖12），嵌入式PCB以紅色顯示，金屬導體以灰色和淺藍色顯示。我們的基礎材料是鋁板。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。有關詳細信息，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生的不同電壓上。每個電池就像一個電池，PCB可以通過MOSFET開關將它們串聯或并聯組合。我們從太陽能物聯網設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千磅的力壓在電線上（圖14）。這將創建持續100年的可靠連接。或者，將銷釘推入插座并用彈力固定的位置不太可靠，尤其是在處理動力時。

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觸點的螺釘力，并且安裝迅速。下面是一個這樣的想法。右圖顯示了一個壓在楔塊（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刀片施加巨大的力（相對于彈簧力），并且每個信號之間都帶有絕緣層（藍色）。葉片中顯示的扭結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，并且可以設置在最終用戶的開/關/調光開關外殼內。

圖15帶螺釘的接線盒將使電源和數據連接可靠。

帶四個或六個導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機械（其速度與手電鉆一樣大）來快速移動，該機械可以銑削塑料并電動旋轉螺釘，如圖17所示。這種機器抓住電纜，確定其尺寸，然后磨塑料以露出電線。每個設備上的翻蓋式夾子固定了整個電纜，而單獨的螺釘式夾子則與每根電線接觸。本機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備，從而節省了時間并提高了可靠性。如果電工每小時花費75美元，那么一臺節省時間的復雜機器很容易就能收回成本。

圖17新型電工工具可以節省時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絡的獨立系統，如圖18所示。

圖18指示燈仍可以使用，只是沒有連接到網絡。

擴散器和遮光罩配件

傳統燈泡最初的設計是為了吸收內部白熾燈絲產生的大量熱量。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行冷卻。圖19顯示了干墻天花板（黑色），2×4木質框架（棕色），金屬配電箱（藍色虛線）和電燈插座裝置（橙色虛線）。

圖19如果沒有電源轉換電路，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平坦的表面（淺綠色）。我們該怎么辦？從燈泡到插座傳導熱量？支持售后市場類似軌道照明的方向性支撐機制，如圖19所示。如果我們增加插座的強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。這是機械工程師需要考慮的一個問題。在許多建筑物中，燈泡被放置在天花板內的凹腔中。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，也可以增加一個更大的圓頂，以更好地分配光線。

圖20我們有機會在高架燈泡中添加配件。

因為我們正在制定新的電氣標準，所以我們很樂意添加標準的機械區域以握住擴散器和遮光罩配件。圖20陰影配件中顯示的藍線適合于受LED機械標準控制且所有燈泡和所有插座均需要的區域。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絡。

熱量和國家電氣法規

移動熱量并遵守建筑法規值得更多考慮（例如，國家電氣法規，美國保險商實驗室）。一種選擇是依靠插座幫助散熱，因為它固定在比燈泡大的物體上，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，可以在每個燈泡內放置一個MOSFET開關，如果太熱（例如105°C），該開關會打開。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）到每個燈泡以及可能的每個窗戶而沒有導管。

嵌入傳統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很長時間。電解電容器的典型壽命規格是在105°C下為2000小時。LED SMT器件散發了燈泡內部約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中的藍色所示。燈泡和燈座之間的熱墊圈可提供熱接觸，同時緊靠中心電導體。或者，我們可以在中央導體上放置一個彈簧，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散熱器。

要使所有這些正常工作，需要一個標準化的即插即用的太陽能IoT系統，其中包括機械標準，電氣連接標準和通信協議。曼哈頓2號就是正在為此工作的組織的一個示例，并且正在設計一個2000平方英尺的測試站點，在該站點中，我們可以使用其他類似IoT的設備來測試直接進入建筑物表面的太陽能IoT。該站點的位置尚未確定。有關更多詳細信息，請參閱Manhattan 2的有線物聯網R＆D計劃和Solar Direct to Surfaces R＆D計劃。

Glenn Weinreb是GW Instruments的創始人兼首席執行官，已經設計了大約30個商業數據采集和控制系統，這些系統將處理器連接到建筑物內的小工具。

編輯：hfy