智能光伏節(jié)電照明系統(tǒng)設(shè)計

渠建兵，趙紅東，王 楊，盧 偉

（河北工業(yè)大學(xué) 天津 300401）

隨著煤炭，石油，天然氣等不可再生能源的日趨枯竭，能源問題己經(jīng)成為制約人類經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要問題之一，太陽能作為無污染的可再生的綠色能源，越來越受到世界各國的青睞，充分開發(fā)利用太陽能是各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略，是解決能源與環(huán)境保護(hù)的主要對策之一[1]目前，利用太陽能的有效途徑就是將它轉(zhuǎn)換成電能的光伏發(fā)電技術(shù)，而太陽能照明系統(tǒng)就是光電轉(zhuǎn)換的一個重要用途。

在光伏發(fā)電技術(shù)使用過程中，不少產(chǎn)品沒有按照光伏發(fā)電的工作特點和運(yùn)行規(guī)則來設(shè)計，往往使系統(tǒng)無法長期正常運(yùn)行，有些產(chǎn)品雖然使用了智能控制，光伏電池的工作特點雖然達(dá)到了滿足，但是其成本較高也是個不可忽視的問題。

文中介紹了一種基于CN3717芯片控制的獨(dú)立型太陽能LED照明系統(tǒng)，能更好的解決以上存在的問題。在白天，太陽能電池板把吸收的太陽輻射光經(jīng)廣電轉(zhuǎn)換后由CN3717給鉛酸蓄電池充電，再由蓄電池給由光敏電路控制的LED負(fù)載供電，CN3717對蓄電池具有過充過放保護(hù)功能，同時提高了系統(tǒng)的效率[2]。

基于芯片的能量管理電路，通過檢測太陽能電池和蓄電池的電壓，并根據(jù)光敏電路來確定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制。

1 系統(tǒng)組成

太陽能LED照明系統(tǒng)由太陽能電池板，蓄電池，CN3717控制電路，和光敏控制的LED燈組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

太陽能電池：太陽能電池是太陽能照明系統(tǒng)的輸入，為整個系統(tǒng)提供照明和控制所需電能。在白天光照條件下，太陽能電池將所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)充電電路對蓄電池充電：天黑后，太陽能電池停止工作，輸出端開路。本設(shè)計采用10 W多經(jīng)太陽能鋼化玻璃封裝的電池板，吸光效果好，IP65等級防護(hù)[3]。

CN3717控制電路：CN3717是PWM降壓模式鉛酸電池充電管理集成電路，獨(dú)立對鉛酸電池充電進(jìn)行自動管理，CN3717具有涓流，恒流，過充電和浮充電的幾個模式[4]。非常適合鉛酸電池的充電，特別是在陰雨天太陽光照不足的情況下，也能充分對蓄電池進(jìn)行充電，保證照明系統(tǒng)的正常使用。同而提高太陽電池板的效率。

蓄電池：作為太陽能照明系統(tǒng)的儲能環(huán)節(jié)，白天蓄電池將太陽能電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來，到夜間再轉(zhuǎn)換回電能輸出到照明負(fù)載。全天中智能控制器的電源一直由蓄電池供給。本設(shè)計采用的是12 V，4 A免維護(hù)蓄電池，過充過放保護(hù)裝置，有效地保護(hù)蓄電池的使用壽命。

LED照明系統(tǒng)：本設(shè)計采用的是超亮LED，每個LED的功率只有0.6 W，但亮度超過100 LM，相當(dāng)于日光燈10 W的光通量，多棱角折射PC面罩，時光元更透徹、不刺眼[5]。即使在陰雨天電池達(dá)不到充分充電的情況下低功率的LED燈也能持續(xù)的工作。

2 太陽能控制電路設(shè)計

太陽能控制電路是控制太陽能電池方陣對鉛酸蓄電池充電以及蓄電池給負(fù)載供電的自動控制電路。它對蓄電池的充，放電條件加以規(guī)定和控制，是整個系統(tǒng)的核心控制部分。

本文設(shè)計的充電控制器用CN3717芯片作為主控器件，通過涓流，恒流，過充電和浮充電四種模式對蓄電池進(jìn)行保護(hù)性充電。如圖2所示為CN3717控制電路。

圖2 CN3717控制電路Fig.2 CN3717 control circuit

流充電模式，恒流充電電流由公式（1）決定：

其中，ICH是恒流充電電流，RCS是連接于 CSP管腳和BAT管腳之間的充電電流檢測電阻當(dāng)電池電壓繼續(xù)上升接近過充電電壓時，充電器進(jìn)入過充電模式，充電電流逐漸減小[3]。當(dāng)充電電流減小到EOC管腳電阻設(shè)置的過充電結(jié)束電流時，CN3717進(jìn)入浮充電模式，此時BAT管腳電壓被調(diào)制在浮充電電壓。過充電結(jié)束電流由公式（2）決定：

其中，IEOC過充電結(jié)束電流，單位為安培，Rext是從EOC管腳到地之間連接的電阻，單位為歐姆。Rext的電阻值不能大于100 kΩ，否則充電將不能正常結(jié)束。RCS是在CSP管腳和BAT管腳之間的充電電流檢測電阻，單位為歐姆。

在浮充電狀態(tài)，如果斷開輸入電源，再重新接入，將開始一個新的充電周期；如果電池電壓下降到再充電閾值（過充電電壓的82%），那么也將自動開始新的充電周期。

當(dāng)輸入電壓掉電時，CN3717自動進(jìn)入睡眠模式，內(nèi)部電路被關(guān)斷，這樣可以減少電池的電流消耗，延長待機(jī)時間。

3 LED負(fù)載電路

使用光敏電阻控制的LED負(fù)載電路能夠根據(jù)外界陰暗情況，來調(diào)節(jié)高亮二極管的亮暗程度，使得蓄電池的續(xù)航能力變得更強(qiáng)，即使蓄電池經(jīng)過一次充電，遇到連續(xù)的陰雨天也能使LED燈工作達(dá)到十天以上[6]。如圖3所示為光敏控制的LED負(fù)載電路。

圖3 光敏控制的LED負(fù)載電路Fig.3 LED load circuit

導(dǎo)通此時VCC經(jīng)過一個電阻分壓后使得高亮二極管發(fā)光進(jìn)行照明。

此時光耦合器工作電流約為10 mA。電源電壓為12 V，所以三極管發(fā)射極電壓約為11 V。電阻R1值的選取根據(jù)公式（3）決定：

高亮LED工作電壓為3 V，工作電流為20 mA。3個高亮LED串聯(lián)的電壓約為9 V。所以電阻值R2的選取根據(jù)公式（4）決定：

有光敏控制的LED負(fù)載電路，更加高效的利用了蓄電池的電量，使照明系統(tǒng)的工作時間達(dá)到了一定程度的延長。

4 實驗結(jié)果

建立圖1所示結(jié)構(gòu)的太陽能照明系統(tǒng)，并進(jìn)行實驗。系統(tǒng)組成包括：12 V，4 A免維護(hù)鉛酸蓄電池，10 W多晶太陽能電池板，光敏電路控制的LED負(fù)載。

表1為充電器進(jìn)入涓流充電模式時蓄電池電壓與充電電流的試驗數(shù)據(jù)，蓄電池初始電量為容量的13%。

涓流充電階段結(jié)束后，充電自動轉(zhuǎn)入恒流充電和浮充電狀態(tài)，充電電流迅速減少，如上表1所示16:00，17:00為恒流充電狀態(tài)。

太陽能照明系統(tǒng)最終硬件電路圖，如圖4所示為太陽能系統(tǒng)硬件電路圖。

表1 涓流模式蓄電池電壓-電流表Tab.1 Battery cell voltage-current flow

圖4 太陽能照明系統(tǒng)硬件電路Fig.4 Hardware circuit of the photovoltaic lighting systems

5 結(jié) 論

文中介紹了一種新穎的應(yīng)用于太陽能系統(tǒng)的智能控制器。該控制器基于芯片CN3717和由光敏電路控制的智能負(fù)載，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動，穩(wěn)定運(yùn)行，滿足了光伏發(fā)電的工作特點和運(yùn)行規(guī)則，同時使整個系統(tǒng)的成本達(dá)到很好的控制。基于CN3717的智能控制對蓄電池提供涓流，恒流，過充，浮充電幾種方式進(jìn)行充電，能顯著提高蓄電池的使用壽命，并且高亮LED光源功耗小，發(fā)光效率高。整個系統(tǒng)成本低，性能穩(wěn)定，與同類產(chǎn)品相比較具有較高的使用價值。

[1]濱川圭弘。太陽能光伏電池及其應(yīng)用[M].張紅梅，崔曉華，譯.北京：科學(xué)出版社，2009：4.

[2]Duarte J L，Wijntjens J A A，Rozenboom J.Designing light sources for solar-powered systems[C]//Proc 5th Euro Conf Power Electronics and Appl，Brighton， UK:IEEE Press，1993:78-82.

[3]洪剛.蓄電池太陽能充電系統(tǒng)研究 [D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[4]王康模，陳長纓，于志剛.太陽電池的負(fù)載匹配理論與負(fù)載變換技術(shù)川[J].半導(dǎo)體光電，2009（2）：37-38.WANG Kang-mo，CHEN Chang-ying，YU Zhi-gang.Matching theory and conversion technology of resistive load for solar cell[J].Semiconductor Optoelectronics，2009（2）：37-38.

[5]楊珂，肖晗，解光軍.白光LED驅(qū)動電路的研究進(jìn)展[J].電子科技，2008（4）：56-58.YANG Ke，XIAO Han，XIE Guang-jun.White LED driver circuits research[J].Electronic Technology， 2008（4）:56-58.

[6]徐鐵軍.太陽能LED照明系統(tǒng)優(yōu)化的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2007.