智能光伏節(jié)電照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(wèn)題己經(jīng)成為制約人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要問(wèn)題之一，太陽(yáng)能作為無(wú)污染的可再生的綠色能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的青睞，充分開發(fā)利用太陽(yáng)能是各國(guó)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(duì)策之一[1]目前，利用太陽(yáng)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(yáng)能照明系統(tǒng)就是光電轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要用途。

在光伏發(fā)電技術(shù)使用過(guò)程中，不少產(chǎn)品沒(méi)有按照光伏發(fā)電的工作特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)，往往使系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)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(diǎn)雖然達(dá)到了滿足，但是其成本較高也是個(gè)不可忽視的問(wèn)題。

文中介紹了一種基于CN3717芯片控制的獨(dú)立型太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)，能更好的解決以上存在的問(wèn)題。在白天，太陽(yáng)能電池板把吸收的太陽(yáng)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(duì)蓄電池具有過(guò)充過(guò)放保護(hù)功能，同時(shí)提高了系統(tǒng)的效率[2]。

基于芯片的能量管理電路，通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能電池和蓄電池的電壓，并根據(jù)光敏電路來(lái)確定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)組成

太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)由太陽(yáng)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(yáng)能電池：太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的輸入，為整個(gè)系統(tǒng)提供照明和控制所需電能。在白天光照條件下，太陽(yáng)能電池將所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)充電電路對(duì)蓄電池充電：天黑后，太陽(yáng)能電池停止工作，輸出端開路。本設(shè)計(jì)采用10 W多經(jīng)太陽(yáng)能鋼化玻璃封裝的電池板，吸光效果好，IP65等級(jí)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(duì)鉛酸電池充電進(jìn)行自動(dòng)管理，CN3717具有涓流，恒流，過(guò)充電和浮充電的幾個(gè)模式[4]。非常適合鉛酸電池的充電，特別是在陰雨天太陽(yáng)光照不足的情況下，也能充分對(duì)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(yáng)電池板的效率。

蓄電池：作為太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，白天蓄電池將太陽(yáng)能電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，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(jì)采用的是12 V，4 A免維護(hù)蓄電池，過(guò)充過(guò)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(jì)采用的是超亮LED，每個(gè)LED的功率只有0.6 W，但亮度超過(guò)100 LM，相當(dāng)于日光燈10 W的光通量，多棱角折射PC面罩，時(shí)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(yáng)能控制電路設(shè)計(jì)

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

本文設(shè)計(jì)的充電控制器用CN3717芯片作為主控器件，通過(guò)涓流，恒流，過(guò)充電和浮充電四種模式對(duì)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(cè)電阻當(dāng)電池電壓繼續(xù)上升接近過(guò)充電電壓時(shí)，充電器進(jìn)入過(guò)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(guò)充電結(jié)束電流時(shí)，CN3717進(jìn)入浮充電模式，此時(shí)BAT管腳電壓被調(diào)制在浮充電電壓。過(guò)充電結(jié)束電流由公式（2）決定：

其中，IEOC過(guò)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(cè)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(gè)新的充電周期；如果電池電壓下降到再充電閾值（過(guò)充電電壓的82%），那么也將自動(dòng)開始新的充電周期。

當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)，CN3717自動(dòng)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(zhǎng)待機(jī)時(shí)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(lái)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(guò)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(shí)VCC經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻分壓后使得高亮二極管發(fā)光進(jìn)行照明。

此時(shí)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(gè)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(shí)間達(dá)到了一定程度的延長(zhǎng)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

建立圖1所示結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能照明系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(yáng)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(shí)蓄電池電壓與充電電流的試驗(yàn)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(dòng)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(yáng)能照明系統(tǒng)最終硬件電路圖，如圖4所示為太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行，滿足了光伏發(fā)電的工作特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)則，同時(shí)使整個(gè)系統(tǒng)的成本達(dá)到很好的控制。基于CN3717的智能控制對(duì)蓄電池提供涓流，恒流，過(guò)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(gè)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(jià)值。

[1]濱川圭弘。太陽(yáng)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(yáng)能充電系統(tǒng)研究 [D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[4]王康模，陳長(zhǎng)纓，于志剛.太陽(yáng)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(dòng)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(yáng)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.