Proiectarea și realizarea practică a unei semaforizări cu [625103]

Anexa 8

MINISTERUL EDUCAȚIEI NA ȚIONALE ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE
UNIVERSITATEA PETROL – GAZE DIN PLOIEȘTI
FACULTATEA:INGINERIE MECANICA SI ELECTRICA
DEPARTAMENTUL: INGINERIE ELECTRONICA SI TELECOMUNICATII
PROGRAMUL DE STUDII: ELETRONICA APLICATA
FORMA DE ÎNVĂ ȚĂMÂNT: (IF/FR/ID): IF

Vizat
Facultatea IME
Aprob at,
Director de departament,
(grad didactic, numele, prenumele și
semnătura)

PROIECT DE DIPLOMĂ

TEMA: Proiectarea și realizarea practică a unei semaforizări cu
alimentare de la panou solar

Conducător științific:
PROF. DR. ING. CRISTIAN BUCUR
Absolvent: [anonimizat]
2017

Cuprins:

Capitolul I Semaforizarea ………………………….. ………………………….. …………………….. 1
1.1Scurt istoric ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 1
1.2Reguli de circulație ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 3
1.3Semaforizarea eficientă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 6
1.4 Semaforizarea inteligentă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 10
Capitolul 2 Tehnologii de detectare și monitorizare a traficului ………………….. 13
2.1 Detectorul cu buclă inductivă ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 14
2.2 Detectorul cu energie proprie ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 17
2.3 Detecția cu microunde ( radar) ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 19
2.4 Detectoare cu infraroșu ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 22
2. 5 Detectoarele ultrasonice ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 24
Capitolul 3 Energia verde ………………………….. ………………………….. …………………… 25
3.1 Radiația solară ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 25
3.2 Disponibilitatea radiației solare ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 27
3.3 Celule solare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 30
3.4 Semafoarele cu alimentare de la panou solar ………………………….. ………………………….. ………….. 34
3.5 Regulatorul de încărcare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 37
3.6 Bateriile solare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 41
Capitolul 4 Structura sistemului propus ………………………….. …………………………. 44
4.1 Arduino Leonardo ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 44
4.2 Aspecte practice ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 48
Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 52
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 54
Anexa 1……………………………………………………………………………………………………………………………55

Introducere
În ziua de azi, mijloacele de transport devin tot mai rapide și într -o lume a vitezei și
pe o infrastructură(autostrăzi,străzi) care nu s -a dezvoltat în același ritm, având pe fond și
eroarea umană,iminent apar accidentele și ambuteiaje în trafic.
Traficul auto din orașe este afectat de sistemele de semaforizare curente. În
momentul așteptării la semafor, șoferul pierde timp iar mașina consumă combustibil. .
Așadar, reducerea intervalului de timp de așteptare la semafor ar reduce cantitatea inutilă de
dioxid de carbo n emisă în atmosferă și ar ajuta societatea să economisească milioane de e uro
anual.
Acest proiect conține, pe lângă introducere ș i concluzii, 4 capitole, fiecare din
acestea abordând anumite aspecte.
În primul capitol este prezentată o descriere a semafo arelor, o scurtă isorie a acestora
precum și o parte din legislația rutieră privind semnalizarea rutieră.
În al doilea capitol al proiectului sunt descrise tehnologiile folosite în domeniu
pentru monitorizarea traficului și prelucrarea datelor obținute cu ajutorul senzorilor, dar și
principiile de funcționare împreună cu principalele avantaje și dezavantaje prezentate de
diferitele tipuri de senzori.
În capitolul al treilea sunt prezentate principalele aspecte teoretice și practice ale
energiei verde, precu m și rolul utilizării semafoarelor alimentate de la panou solar.
Capitolul al patrulea conține descrierea sistemului propus pentru coordonarea
traficului într-o intersecție cu ajutorul semafoarelor alimentate de la un panou solar, prin
intermediul unui Ard uino Leonardo.

1
Capitolul I Semaforizarea

1.1 Scurt istoric
Problema creării unui semafor s -a pus pentru prima dată în secolul al XVIII -lea.
Mai exact, în anul 1868, în Londra a fost montat primul semafor, de către J.P. Knight.
Acesta era format din fel inare cu gaz care erau aprinse cu ajutorul unei pârghii aflate la baza
semaforului.
James Hodge a inventat primul semafor electric. Acesta a fost montat în anul 1914
în America. În anul 1921 au apărut semafoarele electrice cu trei lumini, iar în 1952,
sema forul special pentru pietoni, bineînțeles, tot în America.
În 1961 Karl Peglau crează “omulețul” care apare pe lumina semaforului, pe care îl
denumește “Ampelmannchen”, adică „Omulețul bun de semnalizare”.
Din anul 1926 a început perioada semaforului auto mat, acesta fiind continuu
perfecționat, ajungandu -se la semafoarele inteligente.

Fig.1.1 Primul semafor cu felinare cu gaz , Londra

2

Fig 1.2. Primul semafor electric cu trei lumini, Cleveland, Ohio

Fig.1.3 Primul semafor pentru pietoni, New York

Culorile semaforului au fost inspirate din regulile de navigație marină, unde roșul
reprezentă bordul și verdele tribordul. Astfel vasele care navighează pe partea stângă sunt
obligate să oprească pentru a “ceda trecerea” celor care vin pe partea dreaptă.

3
Semafoarele cronometrate au apărut în 1999, în Taiwan și au fost aduse în America
după ce un inginer utilitatea acestora. Aceste semafoare încă se mai folosesc, fiind utile
pietonilor pentru a -și cronometra timpul pe care îl au pentru a traversa.
Sistem ele clasice de semaforizare se bazează doar pe microcontrolere și
microprocesoare, ceea ce implică anumite limitări. Datorită intervalelor fixe de timp în care
semafoarele îș i schimbă stările( roșu/galben/verde) semaforizarea devine ineficientă datorită
lipsei flexibilității (semafoarele vor acționa întotdeauna la fel, indiferent de condiții) . Pentru
a eficientiza controlul traficului prin semafoare trebuie să se pună accentul pe dinamism și
pe algoritmi de analiză a traficului. O astfel de semaforizare ar putea analiza în timp real
numărul de mașini care așteaptă la semafor ș i astfel s -ar ajunge la o fluidizare a traficului.În
țările civilizate există comisii specializate pentru aceste sincroniză ri, în funcție de ore, zile,
de fiecare stradă în parte. De e xemplu, dacă pe o stradă este aglomerație dimineaț a pe un
sens, dar la prâ nz nu este nimeni, semaforul va semnala diferit .

1.2 Reguli de circulație

Art. 75 – semnalizarea rutieră se realizează prin semnale luminoase, indicatoare și
marcaje, precum și prin a lte mijloace prevăzute în prezentul regulament
Art. 76 – persoanele care folosescdrumurile publice trebuie să se conformeze
semnificației semnalelor luminoase, indicatoarelor, marcajelor, precum și semnalelor
agenților care dirijează circulația și ale condu cătorilor de vehicule

Sectiunea 1. Semnale luminoase pentru dirijarea circulației vehiculelor
Art. 78 – (1) semnalele luminoase sau luminile albe sau colorate diferit, emise
succesiv, continuu sau intermitent, de unul sau mai mult corpuri de iluminat care compun un
semafor.
(2)- După numărul de corpuri de iluminat semafoarele sunt:
a) Cu un corp de iluminat, cu lumina intermitentă de avertizare;
b) Două corpuri de iluminat, pentru bicicliști și pietoni;
c) Trei corpuri de iluminat, pentru vehicule;
d) Patru sau mai multe corpuri de iluminat, pentru tramvaie.

4
(3) Semafoarele care se montează pe axul vertical al stâlpului sa pe consolă, pe
portal ori suspendate pe cabluri, succesiunea culorilor lentilelor, de sus în jos, este
urmatoarea:
a) La semafoarele cu t rei culori ordinea semnalelor este: roșu, galben, verde;
b) La semafoarele cu două culori ordinea semnalelor este: roșu, verde;
c) La semnalul pentru tramvaie sunt dispuse pe trei la orinzotală la partea
superioară și unul lampartea inferioară, toate cu lu mina albă.
Art. 80 – Semnalele roșu, galben și verde pot fi în formă de săgeți de aceeași
culoare, pe fond negru. În acest caz interdicția sau permisiunea de trecere impusă de
semnalul luminos este limitată la direcția sau direcțiile indicate prin aceste să geți.
Art. 82 – (1) Semnanul verde permite trecerea.
(2) Se interzice intrarea într -o intersecție chiar daca semnalul luminos ori un
indicator de prioritate permite, daca din cauza aglomerării circulației conducătorul de
vehicul riscă să rămână imobilizat, stânjenind sau împiedicând desfășurerea traficului.
(3) Când semaforul este însoțit de una sau mai multe lampi care emit lumină
intermitentă de culoare verde sub forma uneia sau unei săgeți pe fond negru către dreapta,
acestea permit trecerea numai în dire cția indicată, oricare ar fi ăn acel moment semnalul în
funcțiune al semaforului.
(4) În cazurile prevăzute la alin. (3), conducatorii vehiculelor sunt obligați să
acorde prioritate de trecerile participanților la trafic cu care se intersectează și circul ă
conform semnificției culorii semaforului care li se adresează.
Art. 83 – (1) Semnalul roșu interzice trecerea
(2) La semnalul roșu vehiculul trebuie oprit înaintea marcajului pentru oprire sau,
dupa caz, pentru trecerile de pietoni, iar în lipsa acestuia, în dreptul semaforului. Daca
semaforul este instalat deasupra ori de cealaltă parte a intersecției, în lipsa marcajului pentru
oprire sau pentru trecerea pietonilor, vehiculul trebuie oprit înainte de marginea parții
carosabile a drumului ce urmează a fi intersectat.
(3) Atunci când semnalul roșu funcționează concomitent cu cel galben, acesta
anunță apariția semnalului verde.
Art. 84 – (1) Când semnalul galben apare după semnalul verde, conducatorul
vehiculului care se apropie de intersecție nu trebuie sa t reacă de locurile prevăzute la art. 83
alin. (2), cu excepția situației în care, la apariția semnalului se află atât de aproape de acele
locuri încât nu ar mai putea opri vehiculul în siguranță.
(2)- Semnalul galben intermitent permite trecerea, cu respect area seamnalizării
rutiere și a regulilor de circulație aplicabile în acel loc.

5
(3) Aceeași semnificație o are și semnalul galben intermitent al unei lampi instalate
într-un loc periculos.

Secțiunea 2. Semnale luminoase pentru pietoni
Art. 90 – (1) Semnale le luminoase pentru pietoni sunt de culoare verde și roșie.
Acestea funcționează corelat cu semnalele pentru dirijarea circulației vehiculelor.
(2) Semnalul verde poate avea în câmpul său imaginea unui pieton în mers, iar cel
roșu, imaginea unui pieton opr it.
(3) Semnalele luminoase pentru pietoni pot fi însoțite de semnale acustice pentru a
asigura traversarea drumului de către nevăzători.
(4) Pe sectoarele de drum unde valorile de trafic permit, administratorul drumului
public, cu avizul poliției, poate a mplasa în zona marcajului trecerii pentru pietoni semafoare
sau panouri speciale cu comandă manuală a cererii de verde, care se poate face direct de
către pietoni.
Art. 91 – (1) Semnalul verde permite trecerea.
(2) Când semnalul verde începe să funcționeze intermitent înseamnă că timpul
destinat traversării drumului este în curs de epuizare și urmează semnalul roșu.
Art. 92 – (1) Semnalul roșu interzice pietonilor să se angajeze pe partea carosabilă.
(2) Pietonul surprins în timpul traversării de semnalul roș u trebuie să grăbească
trecerea, iar daca drumul este prevăzut cu un refugiu sau spațiu interzis circulației
vehiculelor, să astepte pe acesta apariția semnalului verde.

3. Alte semnale luminoase
Art. 93. – În cazul semaforizarii corelate, în lungul unui traseu pot fi instalate
dispozitive de cronometrare a timpului aferent culorii, precum si dispozitive luminoase care
sa arate participantilor la trafic timpii stabiliti prin programul de semaforizare, iar pentru
conducatorii de autovehicule si viteza de d eplasare.
Art. 94. – Semaforul de avertizare se instaleaza la iesirea din intersectie si este
constituit dintr -un corp de iluminat cu lumina galbena intermitenta. Acesta poate avea în
câmpul sau imaginea unui pieton în miscare, de culoare galbena pe fond negru.
Art. 95. – Pentru semnalizarea si dirijarea circulatiei pe sectoarele de drumuri, cu
exceptia autostrazilor, unde se executa lucrari pe partea carosabila, se pot instala temporar
semafoare mobile, cu obligatia presemnalizarii vizibile a acestora de la o distanta de cel
putin 150 m.

6
Semnalele luminoase și marcajele trebuie corelate, astfel încât să nu apară situații în
care la o anumită intersecție semnalele luminoase să nu intre în contradicție cu marcajele. La
o intersecție semaforizată pe lângă regulile prezentate în Regulamentul d e aplicare al
Ordonanței nr 195/2002, automatele de semaforizare trebuie să îndeplinească și alte criterii
de siguranță cum ar fi:
a) Protecția la verde antagonist;
b) Trecerea în galben intermitent a intersecției semaforizate atunci când apar
defecte de funcționare provocate din exterior sau nu;
c) Siguranța î n exploatare;
d) Fiabilitate ridicată;

În cadrul unei intersecții semaforizate se definesc mai mulți termeni specifici și
anume:
a) Direcție semaforizată -traseu stabilit de la intrarea în inters ecție până la ieșirea din
intersecție. o intersecție are mai multe direcții;
b) Linie independenta de semaforizare -este alcătuită din direcțiile semaforizate care
funcționează cu același program de semaforizare;
c) Verde antagonist – aparția simultană a c ulorii verde pe linii independente (situație
foarte periculoasă putând cauza accidente foarte grave).

1.3 Semaforizarea eficientă
În general sunt folosite becurile incandescente și cele cu halogen. Din cauza eficienței
scăzute a producție de becuri și a punctului de eșec (arderea filamentului) municipalitățile au
hotărât să se folosească LED -uri deoarece sunt mai ieftine, au capacitate de iluminat mai mare și
în cazul în care un LED se arde ramân celelalte să lumineze.
Semnale luminoase customizabile – 3M High Visibility Signal – folosesc optica
difuză a luminii și lentile pentru a crea semnalul luminos. Lumina trece prin două lentile de
sticlă din spatele semnalului luminos. Prima lentilă transformă lumina într -o minge uniformă
de lumină,cu diametrul d e 125 mm, trecând apoi prin a doua lentilă. Folosind o folie
specială de aluminiu, aceste semnale erau mascate astfel să fie văzute doar de pe anumite
benzi. Lentilele F resnel conc entrează lumina ș i crează o uniformizare a luminii pentru banda
respectivă.

7

Fig.1.4 Difracția prin lentila Frasnel și anularea difracției

În Statele Unite, semafoarele au becuri cu diametru de 300 mm. Înainte becurile
trebuiau să aibă diametru de 200 mm, dar au fost scoase în favoarea becurilor cu dimensiuni
mai mari. În Mar ea Britanie au fost introduse becurile de 300 mm, dar după folosirea
acestora s -au gândit că nu este necesară folosirea lor și au revenit la becurile de 200 mm.
Principalele motive pentru care a fost simțită nevoia introducerii sistemelor de
semaforizare pe străzi sunt numărul mare de accidente rutiere în jurul intersectiilor și de
blocajele de trafic.
Semafoarele pot avea deopotrivă atât efecte pozitive cât și efecte negative. Este
adevărat că în timp pot diminua numă rul accidentelor “ din lateral ”, dar ex cesul de
semafoare și semaforizările ineficiente cresc frecvența accidentelor “ din spate ” și
defavorizează pietonii și cicliștii. Semafoarele pot creste capacitatea traficului la intersecții,
însă, de asemenea, pot fi cauza întârzierilor excesive în trafic .
În acest sens, Hans Monderman – inginer de tra fic danez, un adevărat inițiator î n
domeni ul resurselor partajate – declară : “Ne dorim semafoare doar acolo unde sunt utile și
eu nu am gasit înca un astfel de loc .”
Pentru a înlatura efectele negative ale semafoarelor, de -a lungul anilor au fost
propuse numeroase metode de eficientizare a semaforizărilor, însă puține și -au atins scopul.
O primă îmbunătățire a fost introducerea semafoarelor pietonale, care ușurează
trecerea în siguranța a pietonilor de pe o parte pe alta a străzii . În cazul unei intersectii a
două străzi, semafoarele pietonale nu îngreunează traficul, deoarece acestea se pot
sincroniza cu cele auto. Astfel semafoarele pietonale sunt verzi doar când semafoarele auto
de pe aceeași stradă sunt roșii, fapt care fluidizează traficul ( mașinile nu trebuie să oprească
special pentru trecerea pietonilor ).

8
În unele locuri, semafoarelor pietonale le sunt atașate dispozitive sonore ce au ca
rol ghidarea pietonilor orbi sau cu probleme de vedere. În I ași, aceste dispozitive sunt
declanșate doar în momentul în care semaforul pietonal indică verde, pe când în Australia,
dispozitivul emite efecte sonore slabe cât timp semaforul este roșu și efecte sonore mai
puternice cât timp este verde.

Fig.1.5 Solicitare trecere

În unele locuri, semafoarele pietonale au atașat un dispozitiv cu buton și sunt tot
timpul roșii. Acestea se fac verzi doar “ la cerere ” : în momentul în care pietonul apasă pe
acel buton, semaforul pietonal se schimbă din roșu în verde și c ele auto corespunzătoare se
schimbă din verde în roșu. În acest fel, nu se întrerupe fluxul de mașini la un interval regulat
de timp, ca la semafoarele normale, ci doar în momentul în care există o cerere pietonala de
traversare, fapt care marește capacita tea traficului în acea intersectie.
În aceiași ordine de idei, o îmbunătățire a constituit -o introducerea semafoarelor
pentru cicliști, care ușurează traficul acolo unde sunt piste de cicliști.
Încă de la cel de -al treilea sistem de semaforizare oficial ( 1914 ), s -a pus problema
controlării semaforizării în cazuri de urgență. Acest lucru se referă la modificarea fazelor
semafoarelor unei intersecții astfel încât să faciliteze trecerea mai rapidă a vehiculelor de
urgența ( mașini de poliție, ambulanțe, maș ini de pompieri etc. ). În majoritatea cazurilor,
acest lucru nu se mai realizează ca în 1914, unde centralist a care primea apelul de urgență
“construia ” ruta mașinii și modifica manual starea semafoarelor de pe acea rută, ci se
folosesc transmițătoare ins talate pe aceste mașini care emit unde radio sau unde infraroșii ce
pot fi captate de semafoare. În mo mentul în care un semafor primește semnalul transmis de
mașină , acesta își schimbă culoarea în roșu, indiferent de starea anterioara. Astfel, în

9
momentul producerii unei urgențe( accident, incendiu etc. ) se blochează toată intersecția,
facilitând circulația mașinilor de urgență fără perturbații. Dupa trecerea mașinii ce a
declanșat ciclul de urgență, semafoarele își reiau activitatea în regim normal.
Mai nou, acest tip de control al semaforizării în caz de urgență se realizează
automat prin intermediul semnalului GPS : mașinile cu prioritate su nt monitorizate constant,
iar câ nd se apropie de o intersecție, aceasta intră în ciclul de u rgență și revine la nor mal după
ce mașina a depașit intersecția.
O altă inovație este constituita din cronometrarea fazelor semafoarelor. Astfel,
semafoare arată nu numai starea ( verde/galben/roșu ) , ci și durata de timp a acestora.
Adevărata utilitate a acestora este pusă la îndoială, deoarece, chiar dacă ofera atât pietonilor
cât și șoferilor un plus de informație care poate fi utilă pentru planificarea traversării
intersecției, limitează modul de schimbare al fazelor semafoarelor care implementează o
soluție “ dinamică ”( ex: semaforizarea în caz de urgență ).
Pentru anumite tipuri speciale de vehicule s -au creat semafoare speciale. Un
exemplu în acest sens este semaforul pentru tramvai. Acesta are patru becuri de aceeași
culoare ( în general albă ) care sunt poziționate sub fo rma unui “ T”. Modul in care sunt
aprinse indică grafic direcția de mers:

Fig.1.6 Direcția de mers la tramvaie

Altă îmbunătățire o constituie instalarea unor senzori în intersectii, senzori care
detectează prezența mașinilor. Cu ajutorul senzorului fol osit ca un declanșator, se aplică
cazul semaforizării “ la cerere ” de la semafoarele pietonale cu buton: în momentul în care se
apropie o mașină de intersecție, senzorul o detectează și semaforul încearcă să își schimbe
starea( din roșu în verde ). Dacă nu este declanșat sen zorul, semaforul rămâ ne roșu. În
realitate, în multe cazuri, senzorul nu putea detecta biciclete sau mașini mici, acest sistem
dovedindu -se ineficient.
O soluție a fost renunțarea la senzori și dotarea semafoarelor cu camere infraroșii.
Acestea și-au gă sit o nouă utilitate: monitorizarea traficului ș i raportarea orică rei încălcări a
legislației traficului. În acest sens, în momentul în care semaforul intră în faza roșie, camera

10
este programată să fotografieze orice vehicul care nu respe ctă culoarea semaforului și trece
pe roșu.
Cu tot cu aceste inovații care tind să crească eficiența semmaforizărilor, în viața
reală nu are loc întotdeauna fluidizarea traficului. Acest rezultat parțial nesatisfăcător a
condus la crearea unui nou concept, acel de “ Semaforizare inteligentă ”.

1.4 Semaforizarea inteligentă
Sistemele de semaforizare au evoluat în timp de la o simpla automatizare la un
management al traficului din ce în ce mai inteligent. Cele mai simple semafoare se bazează
pe un ceas intern , pe baza căruia alocă fiecarei stare( roș u/galben/verde ) o anumită perioadă
de timp predefinită. Acest model de semaforizare este des întâlnit în orașe, unde fluxul de
mașini este previzibil, dacă nu chiar constant. În acest sens, semaforizarea “ simplă ” poate
face față unor scenarii predefinite ( ore de vârf, zile de sărbătoare, etc. ), dar poate fi depășită
într-o situație “ ieșită din comun ”( ex: trafic atipic într -o duminică dupa -amiază ). Pentru a
putea face față oricarui scenariu de trafic, trebuie să existe o legătură, un mod de comunicare
între mașină ș i semafoare. S -au încercat “ comunicări ” prin intermediul senzorilor de
proximitate sau de presiune, însă, pentru ca semaforul să poată lua decizia cea mai bună,
trebuie să existe o legatură mult mai str ânsă între acesta și mașini.
Una din cele mai realiste și des întâlnite soluții pentru o semaforizare inteligentă
este aceea ca fiecare vehicul să raporteze semaforului poziția sa și destinația. Pe baza acestor
date, semaforul ar trebui să fie capabil să ia cea mai bună decizie ( ex: care bandă să fie
verde) care să minimizeze durata de așteptare medie a mașinilor până ajung la destinație.
Semaforul inteligent rezolvă această problemă calculând un “ scor” pentru fiecare mașină.
Acest scor reprezintă diferenț a dintre durata estimată de timp în care fiecare vehicul ar
ajunge la destinație dacă semaforul ar fi verde și durata estimată de timp în care fiecare
vehicul ar ajunge la destinație dacă semaforul ar fi roșu. Următorul pas este ca semaforul să
determine c are acțiune maximizează scorul mediu al fiecarui vehicul.
Datorită faptului că semafoarele sunt interconectate, există posibilitatea ca acestea
să dirijeze traficul pe alte rute în cazul în care o rută este prea aglomerată sau în cazul
producerii unui acc ident sau blocaj.
Există și alte abordări ale unei semaforizări inteligente, însă principiul de bază nu
diferă: folosirea de sisteme multi -agent în care comunicarea și coordonarea joacă un rol
foarte important.

11
În unele țări ca Australia sau Irlanda, sem afoarele pietonale sunt asociate cu un
dispozitiv de sunet, pentru ajutorul pietonilor nevazători sau cu deficiențe de vedere.
Acestea fac un bip scurt cât timp semaforul este roșu, și un sunet continuu când semforul s -a
făcut verde. Acest sistem de asiste nță este utilizat, de asemenea, pe scară largă la
intersecțiile aglomerate din orașele canadiene.
În Marea Britanie, semafoarele pietonale vor bipui scurt în momentul în care semaforul
s-a făcut verde. Acestea pe timpul nopții sunt oprite, pentru ca locuit orii din apropierea lor să nu
fie deranjați de sunet.
În Australia, secvența luminilor semaforului este:
 Omul VERDE – permite traversarea intesecției.
 Omul ROȘU Intermitent – permite continuarea traversării intersecției dacă ai fost
prins în intersecție.
 Omul ROȘU – nu permite traversarea intersecției.

Fig.1.7 Semafor pentru pietoni

Unele semafoare pietonale din Melbourne au un numarator, care de obicei numără
descrescător de la 30 când lumina roșie intermitentă apare. Unele semafoare au o lumină care
oprește traficul autovehiculelor din intersecție în același timp, pentru a lăsa pietonii să traverseze
intersecț ia în orice direcție -inclusiv pe diagonală . Acest lucru este cunoscut î n unele zone ca ”
încăierare pietonală”.

12

Fig.1.8 Încăierare pietonală

Standardele Europene
Majoritatea țărilor Europene folosesc portocaliu în lo c de galben pentru culoarea
din centru semaforului.
Secvența luminilor semaforului este:
 VERDE -permite trecerea
 GALBEN sau PORTOCALIU – continuă trecerea dacă nu se poate opri maș ina
în condiții de siguranță
 GALBEN/PORTOCALIU Intermitent – trecere cu atenție
 ROȘU – Stop

În Germania, Cehia și alte câteva țări Central Europene, o combinație de roș u și
portocaliu este folosită chiar înainte de a se trece înapoi la verde. Secvența lu minilor este
următoarea:
 Verde – permite trecerea
 Portocaliu – continuă trecerea dacă nu se poate opri mașina în condiții de
siguranță
 Portocaliu intermitent – trecere cu atenție
 Roșu – stop.
 Roșu și Portocaliu – nu permite trecerea -urmează verde.
În Chin a, culorile semaforului sunt Roșu/Portocaliu(NU permit traversarea
intersecției), galben și galben intermitent(NU permit traversarea intersecției), Albastru/Alb
(permit trecerea) .

13

Fig. 1.9 Semafor în China

Capitolul 2
Tehnologii de detectare și monitori zare a traficului

Din dorința de a îmbunătății managementul traficului s -au dezvoltat metode
avansate de colectare a datelor din trafic care permit accesul la aceste informații în timp
real.
Informația de bază care este necesară pentru configurarea siste mului de
semnalizare rutieră este oferită de detectoarele de trafic. Informația poate fi obținută în
două moduri: static și dimanic.
Dacă datele sunt colectate pe parcursul unei perioade determinate, de cel puțin o
săptămână, 24 de ore pe zi, atunci inform ația este obținută static. Aceste date sunt folosite
pentru a realiza planuri de semaforizare care să administreze cât mai bine fluxurile de
automobile din diferite perioade ale zilei.
Informația primită dinamic este utilizată în cadrul sistemelor adaptive de
management al traficului. Aceasta indică în orice moment numărul de vehicule care
utilizează rețeaua rutieră. Este utilizată în locurile în care semaforizarea se bazează pe
timpii de semaforizare care se modifică continuu în funcție de volumele reale de trafic
înregistrate și nu pe valori prestabilite.

14
2.1 Detectorul cu buclă inductivă

Cele mai cunoscute detectoare de trafic sunt detectoarele cu buclă inductivă.
Acestea produc un câmp electromagnetic care se modifica atunci când un vehicul este
situa t pe buclă. În felul acesta se identifică vehiculele care trec peste buclă.
Detectoarele cu buclă inductivă sunt alcătuite din unul sau mai multe fire izolate
îngropate într -o scobitură puțin adâncă săpată în pavaj, un cablu conductor de la cutia
buclei p ână la lăcașul controllerlui și o unitate de detector electronic așezat în cabina
controllerului.

Fig. 2.1 Schemă simplificată a unui detector cu bluclă inductivă
Sistemul buclei inductive formează un circuit electric în care conductorul buclei
este elem entul inductiv. Cele două capete ale buclei sunt conectate la cablul conductor care
la rândul lui este conectat la detector. Acesta se alimentează la tensiunea de 220 VAC și
frecv ența de 50/60 Hz . Bucla creează un câmp magnetic care este simțit de detect or. Ea
rezonează la o frecvență constantă , de obicei între 10kHz și 200kHz, pe care detectorul o
monitorizează. Frecvența de bază se stabilește atunci când niciun vehicul nu este deasupra
buclei. Când un vehicul trece peste buclă, frecvența de rezonanță c rește. Acestă creștere a
frecvenței este simțită și, în funcție de proiectarea detectorului, forțează un releu normal
deschis să se închidă. Releul va rămâne închis până când vehicului pleacă de pe buclă și
frecvența revine la nivelul de bază. Releul poate declanșa orice dispozitive cum ar fi un
sistem audio interfon, o poartă, un semafor, etc.

15

Fig. 2.2 Schema bloc a detectorului inductiv

În general, mașinile mici produc creșteri mai mari a frecvenței față de o mașina mai
mare sau de un camion. Aceasta s e produce pentru că suprafața metalică a șasiului mașinii
este mai aproape de bucla. În figura ce urmează este ilustrat modul în care șasiul unei
mașini sport este bine cuprinsă în interiorul câmpului magnetic decât un vehicul utilitar
sport. Se observă că schimbarea frecvenței este mai bună la vehiculule mici.

Fig. 2.3 Modificarea frecvenței în funcție de timp

De asemenea, este interesant de observat că între două vechicule de același model
frecvența se modifică consecvent, atât de mult încât detectot ul poate să fie proictat pentru a
deternina tipul de vehicul care trece peste buclă.
Este greșit concepută ideea că detectarea vehiculelor cu bucle inductive este bazată
pe masa de metal. Detectare se bazează pe suprafața metalică, altfel cunoscut sub nume le de
efect de piele. Cea mai bună arie a suprafeței de metal este atunci când acesta este în același
plan cu bucla, tot atunci este și cea mai bună creștere a frecvenței.

16
De exemplu, o bucată de metal care este așezată paralel cu bucla este ușor de
detec tat față de o bucată de metal care este situată perpendicular fața de buclă.

Fig. 2.4 Detectarea suprafeței metalice

Bucla este activată cu semnale care au frecvența cuprinsă între 10kHz și 50kHz. În
momentul în care un vehicul trece deasupra buclei, i nductanța scade. O dată cu această
scădere are loc creșterea frecvenței osculatorului. Se trimite un impuls la controller care
semnalizează prezența vehiculului. Inductanțele uzuale sunt cuprinse între 20 și 200 μH.
Intensitatea câmpului magnetic produs est e:
H =

Unde H= intensitatea câmpului magnetic [A/m]
N= numărul de spire
I= intensitatea curentului electric [A]
l= lngimea conductorului [m]

Densitatea vehiculelor este dată de formula:
K=

Unde K= numărul de vehicule detect ate în perioada de timp
T= perioada de timp
Vi= viteza vehiculului detectat i

17

Fig. 2.5 Acționarea câmpului magnetic asupra placii din metal

î

Avantaje le folosirii sistemului cu buclă inductivă sunt:
– pot fi folosite î n orice circumstanțe meteo;
– sunt cele mai precise numărătoare de trafic;
– funcționeaz ă excelent atât pe un drum aglomerat cât și pe un drum cu trafic redus .

Dezavantaje:
– Din cauza instală rii necorespunzătoare, informațiile oferite de detector pot fi
greșite;
– Neputința buclelor inductive de a înregistra viteza. Pentru a înlătura ac est
dezavantaj se pot folosi doua bucle inductive sau în cazul folorii unei singure blucle, se mai
folosește un algoritm care presupune cunoașterea lungimii buclei, lungimea medie a
mijlocului de transport, timpul cât a stat acesta pe detector și numărul d e vehicule care a
trecut peste detector;
– Pot fi afectate de fulgere .

2.2 Detectorul cu energie proprie
Sistemele anterioare de detectare a vehiculelor cuprind în mod tipic o buclă
inductivă sau o bobină dintr -un conductor care este îngropat în pavaj și este cuplat la circuite
electronice care detectează modificarea câmpului magnetic atunci când o mașină trece peste
aceasta. Detectoarele cu buclă necesită un timp și un cost considerabil pentru

18

montare și întreținere. O altă problemă a acestor detectoar e apare atunci când un
vehicul se oprește pentru mai mult timp peste detector deoarece poate scoate din funcține
sistemele anterioare până ce vehiculul este mutat.

Pentru a înlătura aceste dezavantaje s -a elaborat detectorul cu energie proprie.
Acesta dep ășește multe din deficiențele sistemelor anterioare prin asigurarea unui sistem de
detectare autonom, mai exact se bazează pe observarea modificării câmpului magnetic al
Pământului în prezența unui vehicul.
Fig. 2.6 Schema bloc a detectorului cu energie p roprie

Detectorul cu energie proprie este alcătuit dintr -un senzor cilindric înglobat în
carosabil. Acest senzor conține un traductor, un transmițător cu antenă și o baterie. Senzorul
primește energie de la o baterie internă și conexiunea sa la releu este asigurată de o legătură
prin radio. Bateria are o peroadă de funcționare de 4 -5 ani. Pe margimea drumului se află un
receptor FM și un decodor de sunet. Deoarece transmisia informațiilor se face pe cale radio,
nu este nevoie de cabluri.
Acest detector se îngroapă sub asfalt la aproximativ 8 cm și se acoperă cu 2,5 cm de
nisip. Tehnica aceasta de instalare se folosește pentru a eviata deterioarea dispozitivului
atunci când carosabilul este măcinat.

19
Carcasa subterană a detectorului trebuie să fie durabilă, construită din materiale
sunt rezistente la coroziune și la apă și să permită accesul la bateria internă prin partea de sus
panoului de acces. Panoul de acces trebuie să fie etanșat cu o garnitură de cauciuc.
Puterea de ieșire a emițătorului poate fi regl ată între valorile de la 50mW la
110mW, cu o stabitate de 0,005% la temperaturi cuprinse între -30˚C și +60˚C.
Spre deosebire de detectorul cu buclă inductivă care folosea o singura axa a
magnetometrului, detectorul cu energie proprie folosește două axe al e magmetometrului. În
acest fel este rezolvată problema numarării de două ori a vehiculelor, deoarece se ia in calcul
atât componenta verticală a câmpului magnetic terestru, cât și componenta orizontală
magnetică. Atunci când vehiculul este detectat se ge nerază un puls de vârf și un puls de
margine care indică sosirea și plecarea vehiculului. De asemenea, include și un convertor
analog -digital de 14 biți și un microcalculator de 8 biți pentru autocalibrare. Acesta din urmă
reduce nevoia de a veni un tehnic ian pentru a calibra detectorul.
Marele avantaj pe care îl are acest detector este timpul de instalare foarte scurt.
Durata montării acestui detector este de 30 -45 de minute. În acest fel taficul nu este blocat.

2.3 Detecția cu microunde ( radar)
Detecto arele cu microunde sunt capabile doar să detecteze prezența vehiculelor și
viteza acestora atunci când trec prin fața lor. Detectarea are loc atunci când vehiculele se
deplasează. Din acest motiv detectoarele cu microunde sunt utilizate în circumstanțe
deosebite.

Fig. 2.7 Schema simplificată a acționării detectorului cu microunde

20
Cu ajutorul unei antene montată pe un stâlp se transmite energia microundelor
printr -un fascicul de electroni către suprafața drumului. Antena poate transmite unde
electroma gnetice, dar le și poate recepționa. Astfel că atunci când autovehiculul întâlnește
fasciculul, energia se întoarce la antenă, dar la o frecvență diferită. Detectorul este cel care
analizează frecvența, iar la modificarea acesteia se indică prezența autov ehiculului.
Pentru a fi detectate de detectorul cu microunde, vehiculele trebuie să se deplaseze
cu o viteză de minim 5 km/h deoarece antena creaza un efect Doppler asupra semnalului
care se întoarce.
Efectul Doppler constă în modificarea frecvenței unei unde produse de un emițător
atunci când distanța dintre acesta și receptor se modifică.
Efectul Doppler este utilizat pentru orice tip de unde : unde acustice sau unde
electromagnetice.
Acest efect a fost descoperit de Christian Doppler în secolul XIX. Efectul Doppler
este folosit în numeroase aplicații, cum ar fi radiolocația, astronomie, medicină, etc.
În cazul undelor electromagnetice, între frecvența semnalului emis și frecvența
semnalului recepționat va fi o diferență de frecvență. Această frecvență poartă denumirea de
frecvență Doppler. Ea se poate reda prin formula:

Unde: f D = frecvența Doppler [Hz];
λ =lunginea de undă a semnalului emis [m];
ν = viteza vehiculului [m/s].

Radiațiile electromagnetice sunt prezente pretutindeni, în să ochiul uman nu poate
percepe decât o mică parte din spectrul acestor radiații. Oamenii pot vedea doar lumina din
spectrul vizibil, care este este tot o radiație electromagnetică cu o anumită frecvență.
Radiațiile predominante din jurul nostru au lungimi de undă diferite ce cele din spectrul
vizibil.

21

Fig. 2.8 Spectrul de radiații electromagnetice

Undele electromagnetice care au lunginea de undă cuprinsă între 10-3 m și 1 m se
numesc microunde.

Fig. 2.9 Microunde

Detectoarele cu microunde utilize ază anumite frecvențe la care funcționează, cel
mai des folosite fiind în benzile de microunde X, K, Ka, Ku.
Banda X: 10.5 – 10.55 GHZ
Detectorul de microunde în banda X utilizează o bandă de frecvență mică. Acesta
poate fi detectat de la o distanță de 3 -4 km deoarece are o putere mai mare de emisie.
Dezavantajul acestui tip de detector este acela că multe din sistemele de automatizări sau
sisteme electronice emit pe aceeași frecvențăți pot atrage erori detectorului. Pentru a
combate acest dezavantaj se uti lizează sisteme inteligente de filtrare.
Banda K: 24.05 – 24.25GHz

22
Detectorul cu microunde în banda K sunt cel mai des întâlnite sisteme. Acestea
lansează microunde cu lungime de undă relativ mică și din acest motiv, ele pot detecta
vehicule aflate la mai p utin de o jumatate de kilometru. Detectoarele în bandă K au o
particulatitate și anume că se pot utiliza în modul „Instant – On”. Acestea au un comutator
care întrerupe fluxul de energie, dar rămâne în modul stand -by. Când un vehicul se află la o
distanță de 200 -300m față de aparat, acesta pornește fluxul de energie și se citește viteza cu
care se deplasează.
Banda Ka: 34.2 – 35.2 GHz
Detectoarele care folosesc această bandă utilizează și o cameră foto aotomată.
Vehiculele care nu respectă limita legala de viteză vor declanșa și aparatul foto care va
consemna și locația, data și ora. Distanța la care detectoarele radar cu cameră foto sunt
eficiente este între 30 și 100 metri.
Banda Ku 13.45 GHz
Se foloseste în mod special în unele țări din Europa. De cele m ai multe ori această
bandă este folosită în domeniul telecomunicațiilor sau a comunicațiilor prin satelit.

De-a lungul timpului detectoarele cu radar au evoluat iar acum sunt capabile să
detecteze și prezența. Chiar și așa sunt destul de limitate și sunt folosite, în special, pentru a
detecta apropierea unui vehicul de intersecție și pentru a determina viteza acestuia.

2.4 Detectoare cu infraroșu
Radiația în infraroșu (IR) este o radiație electromagnetică a cărei lungime de
undă este mai lung ă decât cea a luminii vizibile (400 -700 nm), dar mai scurtă decât cea
a radiației terahertz (100 μm – 1 mm) și a microundelor (~ 30000 μm).

Fig. 2.10 Spectrul radiației infraroșii

23
Detectoarele active și pasive cu infraroșu sunt folosite pentru a monitoriza fluxul de
vehicule din trafic.
Senzorii activi cu infraroșii transmit pe suprafața pe care o monitorizează o energie
în infraroșu de putere redusă cu ajutorul unei diode laser care funcționează în regiunea
infraroșie apro piată a spectrului electromagnetic de 0,85 mm. Când un vehicul apare în raza
infraroșu, aceasta este reflectată și concentrată de un sistem optic într -o matrice senzorială.

Fig. 2.11 Senzori activi cu infraroșu

Detectoarele active infraroșii moderne sun t capabile să detecteze un vehicul care se
aproprie de intersecție (cu 20,30 m față de linia de stop) cât și prezența la semafor,
contorizează vehiculele, măsoară viteza și oferă informații despre coada formată.
Detectoarele montate în amonte pot furniza i nformații despre lungimea cozii formate, o
poate detecta, monitoriza și procesa. Acest lucru se poate realiza deoarece detectorul se
montează în spatele cotii de vehicule. Aceste unități sunt montate la 4.5m până la 9m. Pot fi
montate mai multe unități făr ă a apărea interferențe între ele și astfel exactitatea informației
crește.
Dispozitivul pasiv de infraroșu are o limită de distanță la care poate determina
vehiculele în mișcare și aceasta se întinde pe o rază de 91m față de locul în care este fixat.
Distanța poate fi reglată prin focalizare .
Dezavantajul major al detectoarelor cu infraroșu este legat de vreme și de
schimbările de lumină. Acestea sunt sensibile la apă și lumină și au limitari de mediu. Din
acest motiv au o eficiență scăzută în caz de flu x ridicat și în plus nu înregistreaza numărul de
vehicule.

24

2. 5 Detectoarele ultrasonice
Ultrasunetele sunt vibrați sonore care au frecvența cuprinsă între 20kHz -1MHz.
Ultrasunetele cu intensitate mare se obțin prin procedee electromecanice care se bazeaz ă
pe fenomenul piezoelectric și / sau pe fenomenul magnetostricțiune.
Efectul piezoelectric direct constă în producerea curentului electric prin deformare
și este determ inat de distribuirea asimetrică a sarcinilor electrice (nu exista centru de
simetrie). Tensiunea electrica, generata prin efect piezoelectric direct, este direct
proportionala cu tensiunea mecanica aplicata si reciproc (în cazul efectului piezoelectric
invers).
Fenomenul de magnetostricțiune este fenomenul de modificare a dimensiunilor
unui corp feromagnetic sub acțiunea unui câmp magnetic variabil.
Detectoarele ultrasonice sunt concepute pentru a recepționa date despre viteză, în
mod asemănător ca detectoa rele radar. Acestea transmit un fascicul de energie într -o ditecție,
cu frecvența cuprinsă între 20 – 65 kHz. Când întâlnește un vehicul o parte din energie este
reflectată. Detectorul ultrasonic transmite energie sub formă de pulsuri ultrasonice de printr –
un traductor. Traductoarele prezente atât în dispozitivele de prezență, cât și în dispozitivele
ultrasonice de măsurare a vitezei, convertesc energia sonică recepționată ăn energie electrică
care este preluată de electronica de prelucrare a semnalelor. Tr aductorul este montat peste
drum în timp ce receptorul este montat într -o altă încăpere sau la un loc cu controllerul.
Detectorul de măsurare transmite o serie de impulsuri cu lățimea Tp (valorile
variază între 0,02 și 2,5 ms) și perioada de repetare To (d e obicei, între 33 și 100 ms).

Fig. 2.12 Impulsurile detectoarelor ultrasonice

25

Detectorul măsoară timpul necesar pentru ca impulsul să ajungă la vehicul și să se
întoarcă la emițător. Receptorul de pe poartă poate fi reglat de utilizator astfel încât să se
poată face diferența între reflexia drumului și reflexia vehiculelor. De obicei, poarta de
detecție este reglată în așa fel încât permite detectarea unui obiect care se află la 0.5 m
deasupra suprafeței drumului. Detectarea se realizează prin închidere a porții de detecție cu
câteva milisecunde înainte ca semnalul reflectat de pe suprafața drumului să ajungă la
detector. În acest fel se reduce efectele multiplelor reflexii si se îmbunătățește detectarea
vehiclelor care circulă cu viteză mare. Timpul de a șteptare Th este prezent în detectoarele cu
ultrasonice pentru a identifica prezența vehiculelor.
Detectorul de măsură a vitezei transmite continuu unde de energie cu ultrasunete.
Detectarea se face prin modificarea frecvenței semnalului recepționat.
Detec toarele ultrasonice prezintă câteva avantaje de bază :
 posibilitatea monitorizării simultane a mai multor benzi;
 detectează vehicule agabaritice.
Dezavantajele acestor sisteme sunt:
 erori la monitorizarea vehiculelor care se deplasează cu viteze s porite;
 costuri ridicate;
 sensibilitate la zgomote ambientale;
 scăderea acurate ței în condi ții de trafic intens;
 funcționarea poate fi afectată de varia ții mari de temperatură sau turbulen țe de
aer.

Capitolul 3 Energia verde

3.1 Radiația so lară
Energiile curate, verzi, sunt cele mai cercetate tipuri de energii în ultima perioadă
datorită caracteristicilor de mediu foarte importante. Se discută foarte de mult de reducerea
noxelor și totodată de creșterea calitătii vieții. Energia solară const ă în radiații calorice,

26
luminoase, radio sau de altă natură emise de soare . Este practic inepuizabilă și reprezintă cea
mai curată formă de energie de pe Pamant ; cantităț ile uriase disponibile stau la baza, a
aproape, tuturor proceselor naturale de pe planetă. Energia totală captată de scoarța terestră
este de 720×10 TWh/an, disponibilitatea acestei energii depinz ând de ciclul zi/ noapte, de
latitudinea zonei unde este captata, anotimpuri, nebulozitate.
a) Energia solară termică presupune producerea de apa cal dă menajer ă și agent
pentru încă lzire. Producerea energiei electrice prin conversia energiei solare termice prezint ă
randam ente sub 15%. Apele de suprafață ale oceanelor î n zonele tropicale, natural încălzite
de soare reprezintă un imens rezervor de energi e. Proiectele de "extracț ie a acestei energi i
termice a mărilor au la baza acț ionarea unor instala ții termotehnice, care genereaza lucru
mecanic ca urmare diferenței de temperatură dintre cele două straturi de apă (de suprafață
25-30 ˚C și de de adancime 5°C).
b) Energia solară fotovoltaic ă se bazează pe producerea directă de electricitate
prin intermediul celulelor de siliciu. Soarele furnizează în medie o putere de 1 kw/m2.
Panourile fotovol taice permit convesia doar a 10 -15% din această putere, producț ia de
energie electrică a unui panou de suprafață unitară variind cu creșterea sau scăderea
intensităț ii solare 10 0 kW/m2 pe an în Europa de Nord iar î n zona mediterane ană este mult
mai mare.
Energia solară este cea mai curată formă de energie de pe Pământ și este
formată din radiaț ii caloric e, luminoase, radio, sau de altă natură emise de soare. Cantitatile
uriase de energii stau la baza majoritaț ii proceselor naturale de pe Pămâ nt cu toate acestea
este destul de dificilă captarea ei într -o anumi tă formă (în principal căldura sau electricitate)
care să permită utilizarea ulterioară.
Energia de la soare poate încălzi locuințele în mod pasiv, datorită construcț iei
(casele pasive) sau poate fi stocată î n acumulato are term ice sub forme de energie termică .
Căldura generată solar se poate folosi în principal la p repararea apei calde menajere, î n
agentului temic responsabil de temperatura ambiantă a casei și î ncălzirea piscinelor . Există
chiar și instalații de aer condiționat bazate pe caldură solară, unde aceasta reprezintă energia
principală necesară răcirii aerului.
Utilizarea energiei solare reprezintă la nivel global cea mai eficientă metoda de a
aduce căldura în locuințe. În general, cantitatea de căldură solară ce cade asupra acoperișului
unei case este mai mare decât energie totală consumată în casă.

27
Cu mijloace simple eficiente constructiv se poate utiliza energia solară pentru a
reduce sau chiar pentru a înlocui total celelalte surse de energie necesare traiului dint r-o
locuință modernă.
Energia solară are aplicații și utilizări multiple, din care amintim:
 Alimentarea cu ener gie electrică a consumatorilor industriali și casnici;
 Cuptoare solare;
 Uscă torii solare ;
 Jucării solare;
 Distilerii solare;
 Instalaț ii sola re pentru desalinizarea apei;
 Sateliți alimentați cu energie solară ;
 Roboți spațiali alimentați cu energie solară ;
 Nave spaț iale interplanet are alimentate cu energie solară;
 Instalaț ii de climatizare pe timp de vară ;
 Instalaț ii de încălzire pe timp de iarnă;
 Încălzirea apei menajere;
 Pile solare;
 Sobe de gatit solare;
 Frigidere solare;
 Case alimentate cu energie și caldură de la soare:
 Piscine alimentate cu apă încălzită de razele solare;
 Lămpi solare care se î ncarca cu energie ziua ș i noaptea e mit lumin ă;
 Automobile solare.

3.2 Disponibil itatea radiaț iei solare
Soarele reprezintă sursa principală de energie, fiind o sfera cu diametrul de 1.39×10
km Soarele este compus în principal din hidrogen ș i heliu . O conversie continuă a procesului
de fuz iune generează energie. Această energie este ra diată în toate direcțiile avâ nd o putere
1,39×1023 kW. Radiația solară incidentă pe o suprafa ță normală la razele solare variază
invers proporțional cu pătratul distanț ei de la soare. Fluxul mediu de radiație solară
(densitatea de putere pe un plan normal la raze) în afara atmosferei tere stre este de
aproximativ 1353 W/ m2.
Totu și deoarece orbita Pământului în jurul Soarelui este ușor eliptică, aceasta
valoare are o variație de ±3,3%. Aceasta valoare este mai mică decât aproximațiile făcute î n

28
majoritatea calculelor dispozitivelor de conversie a energiei solare și de aceea este neglijată.
Din cauza absorbției și reflexiei de către atmosfera terestră, radiația solară disponibilă pe
suprafața terestră este mai mi că decât valoarea ei în afara atmosferei pentru aceeași locaț ie.
Figura 3.1 reprezintă distribuția spectrală a radiaț iei solare disponibi le (cantitatea de energie
solară care cade pe unitatea de suprafață î n unitatea de timp) pentru diferite lingimi de und ă
(radiația corpului negru care este de 6000K, este dată pentru comparaț ie).
Diferenț ele dintre curbele corespunză toare suprafeței terestre ș i din afara atmosferei
se datorează absorbției selective de către gazele și vaporii de apa prezenți în atmosferă.
Totalul radiației solare pe o suprafață orizontal ă la nivelul mării și într -o zi însorită este de
aproximativ 1 kW/m2 când soarele este deasupra. Colectoarele termice solare pot folos i
aproape tot spectrul de radiație solară spre a fi convertit în căldură. Totuș i, celulele solare
sunt selective ș i pot folosi în principal partea din spectru care are lungimi d e undă mai mici
de 1,1 microni .

Fig. 3.1 Radiația solară în valori de lungime de undă în afara atmosferei terestre și
la nivelul mării

Radiația sola ră disponibilă în afara atmosferei este formată din fascicule de radiație
(energie solară primită de la soare care nu și -a schimbat direcția) în funcție de condițiile
atmosfe rice, o parte din aceste fascicu le de radiaț ie sunt convert ite în radiație difuză în
momentul î n care trec prin atmosfera terestră . Principalul mecanism al acestei convers ii sunt
absorbțiile ș i emis iile, reflex iile, refracțiile și împrăștierea luminii datorat diferitelor
suprafe țe ale atmosferei. Într -o zi însorită cu soarele deasupra , radiaț ia difuză poate avea o
valoare redusă de până la 10% din radiația totală. Totuși, în zilele î nnorate cantitatea de
radiație directă are valori neglijabile.

29
Radiația solară este un flux energetic care pornește de la soare uniform î n toate
direcțiile, astfel Pământul primeș te zilnic un flux important de energie solară. Pe Pămâ nt
ajunge o cantitate enormă de lumină solară care este absorbită înapoi în spațiu î n timpul
zilei. Puterea radiației solare depinde de distanța dintre Pământ ș i Soare, de condiț iile
meteorologice și difuzia atmosferică.
Radiația globală este egală cu suma dintre radiația directă aceasta pă trunde
nestingherit în atmosferă ajungând direct pe suprafața pământului și radiația difuză. O parte
din radiația solară este absorbită de parti cule de praf sau molecule de gaz, aceasta reprezintă
radiaț ia solară difuz ă.
Constanta solară reprezintă fluxul de energie termică unitară primită de la soare,
masurată în straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcția razelor de
soare, valoarea acesteia fiind de 1350 W/m2, reprezentând o valoare medie anuală. Fluxul de
energie radiantă solară, care ajunge pe suprafața Pământului este mai mic decât constanta,
deoarece intensitatea radiației este redusă treptat când trece prin atmos fera terestră.

Fig. 3.2 Schema interacțiunilor dintre energia solară și atmosfera, respectiv
suprafața terestră

Potențialul de utilizare a energiei solare în România este relativ important, există
zone în care fluxul energetic solar anual ajunge până l a 1450 -1600 kWh/m2/an. În
majoritatea regiunilor țării fluxul energetic anual depășește 1250 -1350 kWh/m2/an.

30

Fig.3.3 Harta schematică a radiației solare în România

Gradul mediu de însorire diferă de la o lună la alta și chiar de la o zi la alta în
aceeași localiatate și cu atât mai mult de la o localitate la alta.

Fig.3.4 Gradul de acoperire cu elergie solară pe parcursul unui an

3.3 Celule solare
Tipuri de celule fotovoltaice
Fizicianul francez Becquerel a descoperit în 1839 efectul fotovoltaic care constă în
formarea directă a energiei luminoase î n energie electrică , iar in 1930, fizicianul american
Schottky a argumentat teoretic efectul fotov oltaic.

31
Efectul fotovoltaic se bazează pe trei fenomene fizice simultane, strâns legate î ntre
ele: absor bția luminii de către materiale, t ransferul de energie de l a fotoni la sarcinile
electrice, c olectarea sarcinilor .
Celulele solare sunt compuse din siliciu necristalin (amorf ) sau cristalin. Celulele
solare din alte materiale precum GaAs sau CuI nSe 2 sunt î nca î n faza de dezvoltare . În
domeniul puterii reduse(mw, µ w), de exemplu ceasuri ș i calculatoare de buzunar, celulele
solare cu siliciu amorf domină piaț a.
Atomii de siliciu nu sunt ordonați, ceea ce permite obținerea de folii subț iri de
siliciu.
Silici ul amorf este folosit la module cu putere de 30 W . Dezavantajul constă î n
randamentul scă zut, de 5 -7%. De aceea, este necesară dublarea suprafeț ei de module solare
monocristaline sau policristaline .
Siliciu monocristalin: Sunt construite din felii din ba re de cristal de siliciu
extrudat, aceste celule sunt tăiate de grosimi subțiri de până la 200 microni . Celulele care se
află în cercetare î n prezent au ajuns la o eficiență de până la 24%, iar modulele comerci ale
au depășit eficienț a de 15% .
Siliciu poli cristalin : Sunt construite din felii de sili con turnat. Aceste celule sunt
mai ieftine , dar au o eficiență mai scazută , astfel celulele aflate î n cercetare ajung până la o
eficiență de 18% pe câ nd cele comerciale ajung la o efi ciență de aproximativ 14% .
Galiu Arseniu (GaAs) : Sistemele construite p e acest principiu au o eficiență foarte
ridicată ș i sunt folosite pentru s isteme cu concentr atoare și sisteme spaț iale. Celulele aflate
în cercetare au eficienț e mai mari de 25% în condiții normale de radiere ș i aproape 28%
cazul folos irii concentratoarelor . Celulele multijoncțiune bazate pe GaAs au depășit eficienț e
de 30% .
Tehnologii cu filme subț iri integrate
Cupru Indiu Seleniu (CuI nse2 sau CIS): Un material film subț ire policristalin care
a ajuns la o efic iență, în cazul cercetărilor de 17,7%. Asigurând cea mai completă eficiență a
modulel or pentru m odule de mari dimensiuni, ajungâ nd la 11% .
Siliciu amorf (a -Siț): Folosit în special în larg consum pentru ceasuri ș i
calculatoare solare, tehnologia a -Si folo sește de a semenea sisteme integrate în clă diri,

32
înlocuind geamurile fumurii cu module semitransparente. Principalul dezavantaj al celulelor
a-Si este eficiența redusă comparativ c u alte tehnologii și astfel creșterea necesarului de
spațiu ocupat, preț uri m ai mari de instalare și greutate crescută a panourilor .
Teluro de Cadmiu (CdTe): Un material film subț ire de material policristalin,
realizat prin depunere electrostatică , pulve rizare sau evaporare forțată. Dispozitive din
laborat oare mici au ajuns la o eficiență de 16%, iar modu lele de di mensiuni comerciale au
valori de 8, 3%, modu lele comerciale au ajuns la 7%.
Celulele foto electroch imice: Se bazează pe j oncțiuni formate între lichid ș i
semiconductori . În astfel de celule, lichidul in duce o barieră în semiconductori asemanato are
cu cele induse de metale . Lichidul conț ine cuple de oxidare cu două stări de încă rcare .
Elementele se schimbă de la oxidant la o stare redusă dacă accept sau are un proces de
oxidare dacă cedeaza un electron. Lumina este absorbi tă în semiconductor creâ nd o pereche
electron -volt, ca la o celu lă standard .
Schema echivalentă a unei celule fotovoltaice

Curentul la ieșirea celulei are expresia:
IC= ISCGN + IT (TC- TR) – ID – (VC+ICRC)/R SH
unde:
IC= curentul de sarcină (A)
ISC= cur entul de scurtcircuit (A)

33
IT = coeficientul de temperatură al curentului de scurtcircuit (A/˚K)
TC= temperatura celulei (˚C)
TR= temperatura de referință (˚K)
RS= resitența serie (Ω)
Vc = tensiunea sarcinii (V)
Gn= radiația normalizată (W/m2)
ID = curentul diodei (A)
RSH= rezistența șunt (Ω)
Caracteristica I/U evidențiază:
 Defectele cauzate de interconectarea electrică a rezistenței de contact mari,
rezistențe serie mari introduse în cablaj;
 Străpungerea diodelor de protecție (by -pass și/sau de blocare);
 Defecte la nivelul modulelor;
 Celule fisurate sau sparte;
 Opacizarea locală (murdărirea de module defectuos împerechiate);
 Umbriri parțiale.

Principiul de functionare al unei celule fotovoltaice
Când razele soarelui luminează suprafața celule i, o part e se refractă, alta e absorbită și
ultima e reflectată. Numai partea absorbită generează electricitate. Energia razelor ab sorbite este

34
transferată electronilo r din atomii celulei. Cu această energie nouă, electronii scapă din poziț iile
lor normale din atom ii semiconductorilor și devin electroni d e conducte, parte a curentului într –
un circuit electric. O proprietate specială a celu lei fotovoltaice este ,,câmpul electric indus” -care
asigură voltajul – forța necesară circulației curentului printr -o sarcină ex ternă (un bec).
Pentru a induce acest câmp electric într -o celulă solară sunt puse în contact două
straturi din două materiale semiconduc toare diferite. Un strat este de tip semi conductor ,,tip n cu
o abundență de electroni și având î ncărcare electrică ne gativă . Celalalt strat este un
semicon ductor de tip p", cu o abundență de goluri care are o încărcare electrică pozitivă. Deși
amândou ă materialele sunt neutre din punct de vedere electric , siliciul tip n are electroni î n exc es
iar cel de tip P are goluri în exces. Daca aceste două materiale sunt suprapuse se creează o
jonctiune p -n la interfața lor, prin urmare creâ ndu-se un c âmp electric.
Când siliciul de tip n și cel de tip p intră în contact, electronii în exces se mișcă dinspre
partea de tip n, î nspre partea de tip p. Rezu ltatul este o adunare de sarcină pozitivă de-a lungul
părții de tip n a interfeț ei și invers o adunare de s arcină negativă de -a lungul parț ii de tip p .
Din cauza circulației de electroni ș i goluri, ce i doi semiconductori se comportă c a o
baterie creând un câmp electric la suprafaț a de unire la jonctiunea p-n. Câ mpul electric face ca
electronii să se miș te din se miconductor spre suprafața negativă unde energia lor devine
disponibilă circuitului electric. În același timp golurile se depl asează în direcție opusă unde
asteaptă electroni i. Acest proces este imposibil în absenț a luminii, electron ii nu au suficientă
energ ie pentru a trece î n partea c ealaltă (să sară jonctiunea p – n) de aceea se produce doar în
prezența luminii care stimulează electronii. Cele două tipuri sunt create prin adăugarea unui
element î ntr-un siliciu care ori are un electron în plus ori îi lipseș te unul. Procesul de adăugare a
unui alt element se numește dopare.
3.4 Semafoarele cu alimentare de la panou solar
Semnalele de trafic solare sunt dispozitive de semnalizare alimentate de panouri
solare situate la intersecții rutiere, treceri de pietoni și alte locații pentru a controla fluxurile
de trafic. Aceste atribuie dreptul de acces a utilizatorilor de drumuri prin folos irea luminilor
în culori standard (roșu – portocaliu / galben – verde), utilizând un cod de culoare universală .
Cele mai multe semafoare solare folosesc lămpi cu LED -uri, deoarece sunt mai fiabile și au
mai multe avantaje față de alte dispozitive de ilumin at, cum ar fi lămpile CFL, fiind mai
eficiente din punct de vedere energetic, au o durată mai lungă de viață și se aprind și se
opresc rapid.

35
Semafoarele solare conțin locașuri care găzduiesc bateriile și ci rcuitele panoului de
control. Semafoarele existe nte pot fi, de asemenea, actualizate cu o sursă auxiliară de
alimentare cu ajutorul panourilor solare pentru a fi utilizate în timpul d efecțiunilor de
alimentare. Celelalte compo nente ale unui semafor sunt un controler de încărcare pentru a
controla încărc area și descărcarea bateriei și un cronometru care indică perioada de timp
rămasă până la descărcarea completă a bateriei.

Fig.3.5 Semafor cu alimentare de la panou solar

Semnalizatoarele solare auxiliare, pe lângă luminile stradale existente, pot fi at așate
lângă luminile stradale principale. Ele sunt utile în reglarea traficului atunci când sistemul
primar eșuează. Sistemul de control din semaforul auxiliar monitorizează sistemul primar,
iar atunci când sistemul primar eșuează, acesta trece la sistemul auxiliar. Trecerea de la
sistemul primar la sistemul auxiliar și invers se poate realiza și cu ajutorul unei unități de
transmițătoare portabile .
Semafoarele solare se pot utiliza și în perioadele de după dezastre naturale, atunci
când luminile de stradă nu pot funcționa din cauz a întreruperilor de alimentare iar traficul
devine incontrolabil. Semafoarele solare utilizate în astfel de scenarii sunt concepute să fie
suficient de portabile pentru a fi transportate și operate de către polițiști și lucrători d e ajutor,
ori de câte ori traficu l trebuie să fie reglementat .
Avantajelele semafoarelor solare:

36
 Semafoarele solare de trafic sunt autonome , deoarece nu necesită surse externe
de alimentare;
 Ele sunt uș or de configurat și de operat;
 Necesită foarte puțină întreținere, deoarece nu au părți în mișcare .

Dezavantajele semafoarelor solare:
 Riscul de furt este mai mare deoarece costurile echipamentelor sunt relativ mai
mari.
 Zăpada sau praful, combinate cu umiditatea, se pot acumula pe panouri PV
orizontale și p ot reduce sau chiar opri producția de energie;
 Bateriile reîncărcabile trebuie înlocuite de mai multe ori pe parcursul duratei de
viață a dispozitivelor de fixare, adăugându -se la costul total de viață al luminii. Ciclurile de
încărcare și descărcare ale b ateriei sunt, de asemenea, foarte importante având în vedere
costul total al proiectului.
Semafoarele cu alimentare de la panouri solare sunt proiectate sunt alcătuite din:
 Module cu LED -uri
 Regulator de tensiune
 Baterii solare
 Celule solare
Modulele cu LE D-uri
Semnele de lumină LED produc intensitate luminoasă de 400 cd în și reduc p uterea
de consum până la 10W . Lămpile cu LED -uri utilizate de semafoare au 204 de LED -uri,
unele dintre acestea având rolul de a oferi o iluminare unilaterală, iar c elelalte având rolul de
a stabili punctul luminii. Semnalizatoarele LED sunt rezistente la umiditate, praf și vibrații.

37

Fig.3.6 Module LED
Specificații electrice :
 Suprafața izolatoare a semaforului LED poate suporta o tensiune electrică de
1000VAC. (Rezistența izol atorului este mai mare de 30 MΩ.)
 Modulul de iluminare al semaforului de culoare galbenă și roșie, la modul
intermitent, este de 5 wați.
 LED -urile sunt amplasate într -un mod în care arderea unuia dintre LED -uri nu
afectează performanța semnalului.
 Circuite le modulului sunt proiectate astfel încât modificările interne și externe
să nu afecteze performanțele acestora.
 Sistemul de control are un senzor solar automat care reglează intensitatea
luminii în timpul zilei și al nopții. Această ajustare este în modul în care 10% din luminile
modulelor scad în timpul nopții.
 Două sau patru lumini pot funcționa simultan.
 Circuitele de încărcare evită descărcarea mai mult de 80%.

3.5 Regulatorul de încărcare
Regulatorul de încărcare se montează între panoul solar fotovo ltaic și baterie.
Principalul rol al regulatorului de încărcare este de a asigura o încărcare eficientă a bateriei,
pe care o protejează împotriva descarcării profunde și scurtcircuitelor, dar protejează și
panoul solar împotriva posibilelor scurtcircuite.

38

Fig. 3.7 Schema de principi u a unui sistem solar

Regulatorul de încărcare este utilizat pentru a regla fluxul de curent de la panoul
solar în baterii. În cazul în care sursa de electricitate solara este mai mare decât cererea apare
supraîncarcarea, iar invers, când sursa de electricitate solară este mai mică decât cererea,
apare supradescarcarea. Regulatorul de încărcare este folosit pentru a evita aceste doua
fenomene.
Regulatorul de încărcare mai are și ale roluri cum ar fi: alimentarea consumatorilor
la curent continuu , detectarea automată a tensiunii bateriei, oferă protecție la conectarea la
polaritate inversă, echilibrarea automată în funcție de temperatură, deconectarea sarcinii în
funcție de starea de încărcare a bateriei (SOC -ul), reconectarea automată a sarcinii,
comutarea automata pentru iluminat pe timp de noapte, etc.
Supraîncărcarea se previne prin deconectarea panoului solar atunci când tensiunea
din baterii atinge valoarea maximă setată. Pentru o baterie de 12V valoarea maxima este, de
obicei, 14V. Supradescărcarea apare când tensiunea ajunge la valoarea minima, de obicei
11V. Pentru a evita acest fenomen se deconectează sarcina și/sau se atenționează în
momentul atingerii valorii minime. Încărcarea și descărcarea are loc între aceste do ua
extreme în funcție de energia debitată de panoul solar și de puterea consumată de sarcină.
Când se previne supraîncărcarea si se deconectează panoul solar, tensiunea din
baterie începe să scadă rapid, chiar dacă nu este legat niciun consumator. Între te nsiunile de
deconectare și conectare apare histerezisul. Același lucru se întâmplă și în cazul
supradescărcării.

39
În cazul sistemelor de uz casnic bazate pe un singur panou fotovoltaic și o baterie
de 12V care ține în funcțiune câteva lampi cu consum mic ș i un mic televizor, o unitate
simplă care să controleze câț iva amperi de curent la 12V este potrivită. Siguranța montată î n
apropierea b ornei + a bateriei este folosită pentru protecție î n caz de scurtcircuit.
Regulatorul de încărcare solar este folosit pe ntru a alimenta consumatori de curent
continuu sau folosindu -se un invertor pot fi alimentați și consumatori de curent alternativ.
Regulatorul de încărcare împreună cu bateriile formează un sistem fotovoltaic de tip
magistrala de curent continuu. Acestea n u sunt conectate la sistemul energetic național, dar
sunt adecvate pentru puteri mici(10W până la câțiva KW).
Regulatoarele de încărcare sunt de două tipuri: regulatoarel e clasice de tip PWM
(cu modulație în impuls) și regulatoarele MPPT (cu urmărirea punc tului de putere maximă).
PWM sunt dimensionate în amperi, în timp ce MPPT sunt dimensionate în watt.

Fig. 3.8 Caracteristica de încărcare a unui PWM vs MPPT
Regulatoarele clasice de tip PWM au un randament cu 30% mai mic față de
regulatoarele de încărcar e MPPT, fiind folosite în sistemele de putere mică.
În comparație cu încărcătoarele de tip PWM, tehnologia MPPT mărește eficiența de
încărcare cu 30% și reduce prin aceasta necesarul de putere la panouri. Abilitatea
tehnologiei MPPT de a avea aceasta efici ență față de tehnologia tip PWM mărește
flexibilitatea sistemului. Încărcătoarele solare care folosesc tehnologia MPPT pot reduce
secțiunea conductorilor datorită curentului mai scăzut .

40
Controlerele de încă rcare PWM verifică în mod constant starea bateriei pentru a
stabili viteza de transmitere a impulsurilo r, dar și intensitatea acestora. Î n cazul unei bat erii
încărcate, regulatorul de încă rcare va transmite impulsuri scurte, iar la ce le descarcate
impulsul va fi aproape continuu. De asemenea, acest tip de controler poate verifica, între
impulsuri, stadiul de încar care a bateriei și le regleaza î n funcție de necesitate. Practic,
regulatorul de încărcare PWM folosește un sistem de funcți onare simplu, fiind un comutator
on-off.
Controlerele – regulatoarele de încărcare PWM folosite î n sistemele fotovoltaice de
mici dimensiuni și în condiții de temperatură ridicată a panoului fotovoltaic (35 -75C).

Fig. 3.9 Regulator PWM

Controlerele de încăr care MPPT au capacitatea de a gestiona tensiunea mult mai
bine față de controlerele PWM și sunt folosite de regula î n cad rul sistemelor fotovoltaice a
căror tensiune de ieș ire din panouri este mai mare decâ t tensiunea bancului de acumulatori și
în cadrul sistemelor care operează în condiții de temperatură scăzută a panoului fotovoltaic .
Încărcă toarele solar MPPT, până de curând, datorită electronici i complexe ș i a
costurilor mari, erau considerate produse de nișă, folosite în special î n sistemele de sine
statatoare mari. Dar odată cu dezvoltarea tehnologică, costul acestora a scă zut, devenind
disponibile pentru publicul larg.
Avantajul major constă în faptul că se realizează un calcul ac tiv al punctului de
putere maximă, nu se folosește o valoare prestabilită, putâ ndu-se extrage considerabil mai

41
multă energie îmbunătățind eficiența și permițâ nd siste mului de panouri fotovoltaice să
opereze la o tensiune diferită de cea a bate riilor .
În figura de mai jos , se poate observa schema de bază a unui încărcă tor solar
MPPT. Elementul cheie este un convertor DC -DCcare permite panoului să opereze la o
tensiune diferită de cea a bateriei.Însă nu ast a este partea cea mai importantă și ino vațiva î n
încărcarea controleru l MPPT, ci abilitatea de a „simți” punctul de putere maximă MPP
(Maximum Power Point) al panoului sau sistemului de panouri cu schimb area nivelului
luminii solare, în momente diferite ale zilei ș i în diverse s tadii ale vremii . Aceasta se obț ine
printr -un algoritm care realizeaza o urmărire electronică continuă a punctului MPP al
panoului, modificâ nd în funcț ie de acesta tensiunea la intrarea convertorului.

Fig.3.10 Schema de bază a unui încărcă tor solar MPPT

3.6 Bateriile solare

Bateriile solare sunt acumulatori cu numar ridicat de cicluri de functionare tip deep
cycle. Bateriile folosite in aplicatiile solare pot fi acid FLA (flooded) sau sigilate VRLA.
Bateriile solare VRLA sunt de tip AGM sau GEL. Tipul de baterie este important la setarea
regulatorului de incarcare deoarece parametrii de incarcare difera de la un tip de acumulator
solar la altul.
Cele mai potrivite baterii pentru aplicatiile solare sunt bateriile cu ciclu adanc de
functionare.
Bateriile cu ciclu adanc de functionare au mai puține plăci de plumb, mai groase și
astfel nu pot descărca energia atât de repede, dar pot fi ciclate profund și reîncărcate de mai

42
multe ori, fără a deteriora bateria. Bateriile cu ciclu lung sunt proiectate pentru a asigura un
curent constant pe o perioadă lungă de timp.
În sistemele de energie regenerabilă, mai multe baterii sunt de obicei conectate
împreună. În mod ideal, o baterie cu ciclu adânc nu trebuie descărcată sub 40% din încărcare
și trebuie menținută complet încărcată o ri de câte ori este posibil pentru a maximiza durata
de viață. Atunci când selectați o baterie (sau bancă de baterii) pentru un sistem regenerabil,
acest lucru trebuie luat în considerare.

Interiorul unei baterii plumb -acid
Un acumulator de 12 volți de pl umb este de fapt compus din șase celule de 2 volți
identice. Fiecare celulă conține plăci de plumb cu diferite compoziții care stau în acid
sulfuric diluat. Plăcile cu dioxid de plumb (conectate la borna pozitivă a bateriei)
reacționează cu acidul pentru a forma sulfat de plumb care cedeaza electroni (lăsând placa
pozitivă). Plăcile de plumb pur (conectate la borna negativă a bateriei) reacționează cu ionii
de sulfat pentru a forma sulfat de plumb. Trecerea electonilor de la plăcile de plumb către
plăcile d e plumb pur reprezintă curentul electricit generat de celulă si care poate fi utilizat.
Când bateria este reîncărcată, sulfatul de plumb din fiecare celulă este defalcat,
rezultând dioxidul de plumb care se depune pe electrodul pozitiv și plumbul pe electr odul
negativ.

Fig.3.11 Secțiunea unei baterii cu plumb -acid

43

Când bateriile sunt descărcate profund, apare acumularea de sulfat. Moleculele de
sulf din baterie (electrolit) încep să acopere placile din plumb. Odată ce placile din plumb
sunt acoperite c u sulf, bateria este descarcata și nu poate fi reîncărcată. Sulfarea începe să se
producă cand bateria se descarca sub 75%. De aceea, bateriile cu plumb trebuie să fie atent
utilizate dacă se doreste o folosire pe o perioadă lungă a acestora.
În cazul acum ulatorilor cu g el, electrolitul este imersat î n gel.
Bateriile cu ciclu lung sunt proiectate pentru a fi descărcate până la 80%.
Bateriile cu plumb -acid în star ea de încărcare con țin ca materiale active un electrod
pozitiv cu dioxid de plumb (Pb02) și un electrod negativ cu plumb (Pb). Ambii electrozi
sunt acoperiți de o grilă din aliaj de plumb. Electrolitul folosit este acidul sulfuric (H2SO4).
Electrodul pozitiv:
PbO2+3H+ +HSO4+ 2e –> PbSO4 +2H2O
Electrodul negativ:
Pb+ HSO4 –> PbSO4 + H+ +2e-
Reacți a celulei:
Pb + PbO2 +2H+ +2HSO4 –> 2PbSO4 + 2H2O

Valoarea normală a unei baterii plumb -acid este de 2V, iar valoare î n circuit deschis a
unei astfel de baterii este de 2.1V, în funcție de concentrația electrolitului. Potențialul pozitiv î n
circuit desc his al unui acumulator încă rcat la maxim este de aproximativ +1.75V
Bateriile pl umb-acid sunt ieftine, sigure, și sunt reciclabile Deși sunt ieftine, sunt foarte
grele și limitează valoare energetică în funcț ie de greutate . Astfel nu pot fi folosit e la al imentarea
unui vehicul, î n locul benzinei deoarece sunt foarte grele. Bateriile plumb acid nu ar trebui
descarcate sub 80% din capacitatea de descarcare (DOD). Dacă se scade sub această valoare
duce la scă derea vieții bateriei.

44
Capitolul 4 Structura sist emului propus

4.1 Arduino Leonardo
Coordonarea efectivă a intersecțiilor necesită existența unor componente hardware care
să gestioneze sincronizarea semafoarelor; pentru aceasta se utilizează controllerul, care este o
stuctură electronică destinată con trolului unui proces sau a unei interacțiuni cu mediul exterior
fără intervenția umană. Controllerul u tilizat în acestă lucrare este Arduino L eonerdo .
Arduino este o companie open -source care produce atât plăcuțe de dezvoltare
bazate pe microcontrolere , cât și partea de software destinată fun cționării și programării
acestora. Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și
distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla
diverse activități sau procese în lumea reală.
Proie ctul este bazat pe designul plăcilor cu microcontroler produse de câțiva
furnizori, folosind diverse tipuri de microcontrolere. Aceste plăci pun la dispoziția
utilizatorului pini I/O, digitali și analogici, care pot fi interfațați cu o gamă largă de plăcuțe
numite scuturi (shield -uri) și/sau cu alte circuite. Plăcile au interfețe de comunicații seriale,
inclusiv USB pe unele modele, pentru a încărca programe din calculatorele personale .
Pentru programarea microcontrolerelor, Arduino vine cu un mediu de dezvoltare
integrat (IDE) bazat pe proiectul Processing , care include suport pentru limbaje de
programare ca C și C++.

45
Fig. 4.1 Arduino Leonardo

Fiecare din cei 20 de pini digitali I/O de pe Arduino Leonardo poate fi folosit ca
intrare sau ieșire, utilizând funcțiile pinMode (), digitalWrite () și digitalRead (). Acestea
funcționează la 5 volți. Fiecare pin poate furniza sau primi un maxim de 40 mA și are un
rezistor intern de tracțiune (deconectat în mod implicit) de 20 -50 kOhm .
În plus, unii pini au funcții specializate:
Serial: 0 (RX) și 1 (TX). Folosit pentru a recepționa (RX) și a transmite (TX) datele
TTL serial folosind capacitatea de serie hardware ATmega32U4. Leonardo, clasa Serial se
referă la comunicația USB (CDC); Pentru seria TTL pe pinii 0 și 1, utilizați clasa Serial1.
TWI : 2 (SDA) și 3 (SCL). Suportul de comunicare TWI utilizează biblioteca Wire.
Întreruperi externe : 2 și 3. Acești pini pot fi configurați pentru a declanșa o
întrerupere la o valoare s căzută, o margine în creștere sau în scă dere sau o schimbare a
valorii.
PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11 și 13. Asigurați ieșirea PWM pe 8 biți cu funcția
analogWrite ().

46
SPI: pe antetul ICSP. Acești pini acceptă comunicare a SPI utilizând biblioteca SPI.
Pinii SPI nu sunt conectați la nici unul dintre pinii I / O digitali, deoarece aceștia sunt pe
Uno. Acestea sunt disponibile numai pe conectorul ICS P. Aceasta înseamnă că dacă există
un scut care utilizează SPI, dar NU are un conector ICSP cu 6 pini care se conectea ză la
antetul ICSP de 6 pini ai Arduino Leonardo, scutul nu va funcționa.
LED -ul: 13. Există un LED încorporat conectat la pinul digital 13. Când pinul este
HIGH, LED -ul este aprins, când pinul este LOW, este oprit .
Intrări analogice: A0 -A5, A6 – A11 (pe pinii digitali 4, 6, 8, 9, 10 și 12). Leonardo
are 12 intrări analogice, n umerotate de la A0 până la A11, toate acestea putând fi utilizate și
ca I/O digitală. Pinii A0 -A5 apar în aceleași locații ca și pe Uno; Intrările A6 -A11 se află pe
pinii digitali 4, 6, 8, 9, 10 , respectiv, 12. Fiecare intrare analogică furnizează 10 biți de
rezoluție (adică 1024 valori diferite). În mod implicit, intrările analogic e măsoară de la masă
până la 5V , deși este posibil să se modifice limitasuperioară a domeniului folosin d funcția
AREF pin și funcția analogReference ().
Există și câțiva alți pini pe tablă:
AREF. Tensiunea de referință pentru intrările analog ice. Folosit cu
analogReference ().
Reset. Butonul reset este folosit pentru a reseta microcontrollerul.

Specificaț ii :
 Microcontroller: ATmega32u4
 Tensiune de lucru: 5V
 Tensiune de intrare: 7 -12V
 Pini I/O Digitali: 20
 Porturi PWM: 7
 Porturi Analogice: 12
 Curent per Pin I/O: 40mAh
 Memorie Flash: 32KB
 SRAM: 2.5KB
 EEPROM: 1KB
 Viteza: 16 MHz
Microcontroller -ul ATmega32u4

47
ATmega32u4 este un microcontroller CMOS low -power pe 8 biți, bazat pe
arhitectura AVR RISC. Prin executarea unor instrucțiuni puternice într -un singur semnal de
ceas, Atmega32u4 ajunge la performanța de 1 MIPS (milioane de instruncțiuni pe secundă)
pe MHz, permițându -i designerului de sisten să optimizeze consumul de putere contra
vitezei de procesare.

Fig. 4.2 Configurația pinilor microcontroller -ului Atmega32u4

Atmega32u4 are următoarele caracteristici:
– Microcontroller low -power pe 8 biți , bazat pe ar hitectura AVR RISC
– Domeniul de operare între 2.7 și 5.5V
– 26 pini de intrare/ieșire programabili

48
– 32 de registri cu scop general
– Cicluri ștergere/scriere: 10.000 FLASH/100.000 EEPROM
– Potrivire deplină cu specificațiile USB REV2.0
– Transferul de date se face p ână la 12Mbit/s
– Oscilator intern calibrat de 8MHz
– Frecvențe de 8MHz la 2.7V și 16MHz la 4.5V
– Temperatura de operare: de la -40˚C la +85˚C
4.2 Aspecte practice
Realizarea practică a acestei lucrări constă în dezvoltarea grafică a unei intersecții,
alegerea și montarea corecpunzătoare a componentelor în circuit, programarea Arduino
Leonardo și asamblarea acestora pe o placă de suport. Scopul proiectului este să prezinte un
sistem automat de coordonare a unei intersecții la care semafoarele sunt alimentate de la
panou solar, cu posibiliatatea eficientizării deplasării vehiculelor prin introducerea unor
elemente de detecție și reducerea consumului de energie electrică prin folosirea energiei
regenerabile.
Componente folosite pentru realizarea lucr ării:

Ardui no Leonardo
LED -uri roșii 5mm
LED -uri galben e 5mm
LED -uri verzi 5mm

Rezistor i (470 ohm)

Buton fără revenire

49
Schema electrică folosită pentru realizarea a proiectului este prezentată în figura 4.3.

Fig. 4.3 Schema electrică a inters ecției

Pe pinii digitali sunt conectate LED -urile, iar în serie cu acestia rezistori cu rezistența
de 470 ohm. Sunt înseriate două câte două semafoare atât pentru vehicule cât și pentru pietoni
în funcție de timpii în care funționează.
Planșa de suport este prezentată în figura 4.4.

Fig. 4.4 Planșa de suport

50
Pentru direcțiile înainte sau la dreapta se folosește următo rul principiu:

Fig. 4.5 Semaforizare pentru direcția înainte și la dreapta

Când semaforul 1 este verde, semaforul opus lui (adică semaforul 3) este tot verde.
Celelalte din s tânga și dreapta sunt roșii. După un interval de timp de 7s, semafoarele 1
respectiv 3 își schimbă culoare din verde în galben, iar semafoarele 2 și 4 rămân în
coninuare roșii. Acesta stare durează 3s. La starea a treia, semafoarele 1 și 3 trec pe culoarea
roșu, iar celelalte două se schimbă în verde. Durata acestei stări este tot de 7s. La următoarea
stare semafoarele 2 și 4 își schimbă culoarea din verde în galben, celelalte două rămânând
roșii. După această stare ciclul se reia. Stare Semafor 1 Semafor 2 Semafor 3 Semafor 4
V G R V G R V G R V G R
S1 1 1 1 1
S2 1 1 1 1
S3 1 1 1 1
S4 1 1 1 1
S5 1 1 1 1
S6 1 1 1 1

51
Codul sursă folosit pen tru Arduino Leonardo pentru acestă structură este prezentat
în Anexa 1.
Arduino este alimentat cu 12V de la regulatorul de încărcare. Panoul solar s e
conectează la contro ller prin bornele pozitive și negative, creând o funcție de încărcare
numai atunci c ând regulatorul este conectat la o baterie. Sarcina este responsabilă pentru
funcția de descărcare de la controler (în cazul în care este conectat la controler).

Pentru direcțiile înainte și înainte sau la dreapta se foloseste același principi u, dar
diferă timpii de semaforizare.

52
Concluzii
Tema proiectului pe care l -am ales este una de actualitate care tratează probleme ce
cresc din zi în zi, atât ca frecvența dar mai ales din punctul de vedere al impactului pe
care astfel de situații neplăcute întâln ite în trafic îl au asupra rezidenților din zonele
urbane.
Cum intersecțiile devin din ce în ce mai aglomerate , nevoia de semafoare crește
exponential la nivel global. Și astfel crește și consumul energiei electrice consumate de
acestea. De aceea s -a pus p roblema reducerii acestui consum și astfel au fost inventate
semafoarele independente energetic, cu panouri solare.
Sistemul va putea fi îmbunătățit actualizând mai rapid informația despre starea
drumurilor. Folosind automobilele ca noduri de comunicare, o congestie de trafic poate fi
descoperită mai devreme. Un protocol de securitate este necesar, deoarece automobilele nu
pot fi considerate de încredere. Pentru ca vehiculele prioritare (ambulanțe, pompieri, poliție)
să ajungă cât mai repede la destinație, trebuie ca ele sa nu fie surprinse de ambuteajele ce
pot aparea.
În acest sens, le putem acorda dreptul de a modifica temporar gradul de congestie al
unui traseu stabilit. Cu un grad de aglomerare mai mare, automobilele vor evita străzile pe
care urmează să circule un vehicul prioritar.
Semafoarele cu panouri solare sunt deja folosite în țări precum China, India, Africa
de Sud sau Turcia, aceste fiind dotate cu panouri solare ș i acumulatori. Astfel , pe timpul
zilei energia solară este captată și î nmagazin ată, iar noaptea semafoarele pot funcționa pe
baza energiei stocate î n aceste baterii. Becurile folosite sunt desigur LED -uri, cunoscute
pentru consumul lor scă zut de energie.
Pentru sistemul fotovoltaic trebuie avute în vedere date despre intensitatea ra diației
solare și tebuie totodată să fie avut în vedere înclinația soarelui și direcția în care sunt îndreptate
panourile
Bateriile trebuie alese în funcție de curentul de încărcare și caracteristicile de
funcționare, astfel se observă optim ul necesar pri vind alimentarea și totodată timpul de încă rcare
a bateriilor .

53

Summary

The theme of the project which I have chosen is a very actual one. It treats issues that
are growing from day to day, both in terms of frequency and especially in terms of the
impa ct that such unpleasant traffic situations have on residents in urban areas. As
intersections become more and more crowded, the need for traffic lights increas es
exponentially globally, and so does the consumption of the electricity they use. That is why
the issue of reducing this consumption has been put into question, and thus energy –
independent traffic lights with solar panels have been invented.
The system can be improved by updating the road state information more quickly.
Using cars as communication n odes, a traffic congestion can be discovered earlier. A
security protocol is necessary because cars can not be considered reliable. For priority
vehicles (ambulances, fire brigades, police) to get to their destination as quickly as possible,
they should no t be surprised by the roadblocks that may occur. In this regard, we can grant
them the right to temporarily change the degree of congestion of an established route. With
high crowding, cars will avoid the streets that a priority vehicle needs to drive on. Traffic
lights with solar panels have already been used in countries such as China, India, South
Africa or Turkey, and they are equipped with solar panels and accumulators. Thus, during
the day the solar energy is captured and stored, and at night the traf fic lights can operate
based on the energy stored in these batteries. The light bulbs used are of course LEDs,
known for their low energy consumption. For the photovoltaic system, it is necessary to
consider data on the intensity of solar radiation and it is also necessary to consider the
inclination of the sun and the direction in which the panels are directed. Batteries should be
chosen based on charging current and operating characteristics, so you can see the optimal
supply and battery charging time.

54
Bibliografie

1. Bucur Cristian , „Circuite Electronice”, Ed. Universității „Petrol -Gaze”, Ploiești 2005
2. Bucur Cristian, „Electronică Aplicată Generală”, Ed. Universității „Petrol -Gaze”,
Ploiești 2007
3. Fred L. Orcutt, „The Traffic Signal Book”, Prentice Hall P TR, 199 3
4. M. Mirea, Gh. Stan – „Field Tests of New Integrated Electronics System for Vehicle
Monitoring, Mobile data Communications and e -Commerce in Road Transportation”,
6th International Conference on Telecommunicatins in Modern Satellite, Cable and
Broad casting Services IEEE TELSIKS 2003
5. http://www.agir.ro/buletine/1259.pdf
6. http://tet.pub.ro/materiale/anul4/SDTR -lab/Laborator%204.pd f
7. http://electronicsforu.com/electronics -projects/hardware -diy/solar -powered -home –
lighting -system -2
8. https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/operations/its/06108/01.cfm
9. http://infobazar.ro/auto/Detectoarele -radar/B enzile -de-detectie -radar -X-si-K
10. https://www.google.com/patents/US4302746
11. http://electromed.ro/wp -content/uploads/2 015/03/8 -Incarcatorul -solar.pdf
12. http://fotovoltaice.airone.ro/site/page/view/produse.regulatoare
13. file:///C:/Users/Mihaela/Desktop/Downloads/Teza%20doctorat%20draft_1 –
%20Nicolae%20Ciont%20(1).pdf
14. http://www.referatele.com/fizica/NOTIUNI -DE-TEORIE -A-SEMAFORIZA615.php
15. https://electronicaaplicata.wordpress.com/
16. http://www.electrokoles.home.ro/

55
Anexa 1
int Lane1[] = {13,12,11}; // Lane 1 Red, Yellow and Green
int Lane2[] = {10,9,8};// Lane 2 Red, Yellow and Green
int Lane3[] = {7,6,5};// Lane 3 Red, Yellow and Green
int Lane4[] = {4,3,2};// Lane 4 Red, Yellow and Green

void setup()
{
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
pinMode(Lane1 [i], OUTPUT);
pinMode(Lane2[i], OUTPUT);
pinMode(Lane3[i], OUTPUT);
pinMode(Lane4[i], OUTPUT);
}
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
digitalWrite(Lane1[i], LOW);
digitalWrite(Lane2[i], LOW);
digitalWrite(Lane3[i], LOW);
digita lWrite(Lane4[i], LOW);
}
}

void loop()
{
digitalWrite(Lane1[2], HIGH);
digitalWrite(Lane3[2], HIGH);
digitalWrite(Lane4[0], HIGH);
digitalWrite(Lane2[0], HIGH);
digitalWrite(Lane1[1], LOW);
digitalWrite(Lane3[1], LOW);
delay(7000);
digitalWrite(Lane1[2], LOW);
digitalWrite(Lane3[2], LOW);
digitalWrite(Lane1[1], HIGH);
digitalWrite(Lane3[1], HIGH);
delay(3000);
digitalWrite(Lane1[1], LOW);
digitalWrite(Lane3[1], LOW);
digitalWrite(Lane1[0], HIGH);
digitalWrite(Lane3[ 0], HIGH);
digitalWrite(Lane2[2], HIGH);
digitalWrite(Lane4[2], HIGH);
digitalWrite(Lane2[0], LOW);
digitalWrite(Lane4[0], LOW);
delay(7000);
digitalWrite(Lane2[1], HIGH);
digitalWrite(Lane4[1], HIGH);
digitalWrite(Lane3[2], LOW);
digital Write(Lane4[2], LOW);

56
digitalWrite(Lane2[2], LOW);
delay(3000);
digitalWrite(Lane2[1], LOW);
digitalWrite(Lane4[1], LOW);
digitalWrite(Lane2[0], HIGH);
digitalWrite(Lane4[0], HIGH);
digitalWrite(Lane1[0], LOW);
digitalWrite(Lane3[0], LOW) ;
digitalWrite(Lane1[2], HIGH);
digitalWrite(Lane3[2], HIGH);
delay(7000);
digitalWrite(Lane1[1], HIGH);
digitalWrite(Lane3[1], HIGH);
digitalWrite(Lane3[2], LOW);
digitalWrite(Lane4[2], LOW);
digitalWrite(Lane2[2], LOW);
digitalWrite(La ne1[2],LOW);
digitalWrite(Lane3[2],LOW);
delay(3000);
digitalWrite(Lane1[0], HIGH);
digitalWrite(Lane3[0], HIGH);
digitalWrite(Lane2[2], HIGH);
digitalWrite(Lane4[2], HIGH);
digitalWrite(Lane1[1], LOW);
digitalWrite(Lane3[1], LOW);
digitalWrite(Lane2[0], LOW;
digitalWrite(Lane4[0],LOW);
delay(7000);
digitalWrite(Lane2[1], HIGH);
digitalWrite(Lane4[1], HIGH);
digitalWrite(Lane1[0], LOW);
digitalWrite(Lane3[0], LOW);
digitalWrite(Lane3[2], LOW);
digitalWrite(Lane3[0], HIGH);
digitalWrite(Lane1[0], HIGH);
digitalWrite(Lane2[2], LOW);
digitalWrite(Lane4[2], LOW);

delay(7000);
digitalWrite(Lane2[1], LOW);
digitalWrite(Lane4[1], LOW);
digitalWrite(Lane2[2], LOW);
digitalWrite(Lane4[2], LOW);
digitalWrite(Lane3[0], LOW);
digitalWrite(Lane1[0], LOW);
}