太陽能智能照明系統

陸 寅 鄭常寶 黃啟云 劉志民

(1.安徽大學電氣工程與自動化學院，安徽合肥 230601;2.教育部電能質量工程研究中心，安徽合肥 230601;3.安徽省工業節電與用電安全實驗室，安徽合肥 230601)

1 引言

隨著社會的進步，經濟的迅速發展，環境污染和能源短缺給人類帶來越來越多的挑戰。為了緩解能源危機，降低環境污染，人們不得不尋找新能源，用新的可再生能源來代替不可再生能源。太陽能是一種清潔無污染的可再生能源，取之不盡，用之不竭。把太陽能發電技術與LED照明技術結合起來，并加入人體紅外檢測控制技術，可以構成太陽能智能照明系統。在白天，太陽能電池板把吸收的太陽能輻射光能轉換成電能通過充電控制器對鉛酸蓄電池充電;傍晚，當光線暗至一定程度后，控制器接通負載，蓄電池開始對負載供電。負載中配有人體紅外感應器，從而能做到當光變暗時，且有人通過時，燈具點亮;當人離開后，燈延時一段時間后自動熄滅，從而最大程度地節約電能，整個系統利用太陽能發電，無需電網供電，因此減少了電能的消耗與浪費，節約了寶貴的能源。

2 系統組成介紹

太陽能智能照明系統主要由太陽能發電系統［1］、人體紅外感應裝置和LED照明燈具三大部分級成。其中太陽能發電系統包括太陽能電池、控制電路、蓄電池;人體紅外感應裝置包括PIR、處理電路;LED照明燈具包括LED燈盤及其恒流驅動。整個系統的構成如圖1所示。

圖1 太陽能智能照明系統構成圖Fig.1 Structure diagram of solar-powered light systematic intellectual control system

本文所采用的系統中，太陽能電池參數為:使用多晶硅太陽能電池5.5V/80mA;蓄電池選用鉛酸蓄電池，容量為4V/1AH;LED燈具使用3顆散光型白光LED，工作電流限定50mA。

3 太陽能發電系統［2］的實現

3.1 太陽能電池的輸出特性

多晶硅太陽能電池的轉換效率低于單晶硅太陽能電池，約為12%，且受溫度影響較大，呈負溫度特性。其基本參數包括開路電壓、短路電流、工作電壓等。當太陽能電池工作時，在光照一定的條件下，在接入的負載變化時，太陽能輸出的功率是變化的。因此在太陽能發電系統中，控制器基本都具有最大功率點跟蹤功能，以提高太陽能的利用效率。在本文所提及的系統中，由于總的發電功率很小，因此省去最大功率點跟蹤環節。只要光照達到一定程度時，太陽能電池的電壓高于蓄電池的電壓，太陽能電池便可對蓄電池充電。

3.2 鉛酸蓄電池［3］特點

鉛酸蓄電池單體的標稱電壓為2V，實際電壓范圍為1.8V～2.3V，本系統使用的蓄電池實際為兩節串聯得到，因此其電壓范圍為3.6V～4.6V。當單節蓄電池電壓低于1.8V時，稱為過放電。此時就及時充電，否則會導致電池極板硫化，電池容量減小，甚至電池失效，且此過程是不可逆的。當單節蓄電池電壓高于2.3V時，稱為過充電。這時如果再對其充電，則其內部的水被電解，也會導致其容量減小。長時間的過充電會導致蓄電池中的電解液干涸而使蓄電池失效。鉛酸蓄電池沒有記憶效應，因此很適合用于輸出功率不穩定的太陽能發電系統。

3.3 太陽能充電控制電路

綜合3.1、3.2所述，太陽能充電控制器應具有以下功能:1)完成太陽能電池對鉛酸蓄電池的充電;2)對于蓄電池有過放電保護功能;3)對于蓄電池具有過充電保護功能。

3.4 太陽能電池對鉛酸蓄電池充電的實現

使用一個二極管串于太陽能電池的正極與蓄電池的正極間就可以實現太陽能電池對蓄電池的充電，二極管的單向導電性可以保證太陽能電池的電壓低于蓄電池電壓時蓄電池不會對太陽能電池的反向充電。

3.5 鉛酸蓄電池過充、過放保護的實現

過充過放都是以鉛酸蓄電池的電壓值來判定的。因此只要實時檢測蓄電池兩端的電壓，當蓄電池電壓低于3.6V時，控制電路關閉負載;當蓄電池電壓高于4.6V時，控制電路斷開太陽能電池即可實現過充過放保護。由于在實際系統中，控制電路的工作需要消耗一定的電能，因此在蓄電池電壓低于3.8V時即關閉負載。

太陽能充電控制電路的主電路如圖2所示。

圖2 太陽能充電控制器主電路Fig.2 Design of the Main Circuits of solar energy Charge Controller

在圖2中，太陽能電池的正極通過二極管IN5819向蓄電池充電，當蓄電池電壓達到4.6V時，三極管Q1導通，太陽能電池被短路，因為太陽能電池發出的能量是有限的，故短路太陽能電池不會燒毀元器件。當蓄電池電壓低于3.8V時，三極管Q2截止，負載被斷開，從而實現蓄電池的過放保護。

4 人體紅外感應電路［4］的實現

人體紅外感應系統通常包括:PIR(人體紅外熱釋傳感器)、人體紅外感應專用處理IC組成的處理電路兩部分組成。其中PIR通常需要配一個菲涅耳透鏡，菲涅耳透鏡的作用是將PIR的感應區域化成許多靈敏區和非靈敏區，以提高PIR靈敏度和感應角度。常用的人體感應 IC有 CS9803和BISS0001，本系統中采用CS9803［5］。人體紅外感應電路框圖如圖3所示。

圖3 人體紅外感應電路框圖Fig.3 Structure diagram of the human body infrared inductor system

在圖3中，CDS為光敏電阻，它可以檢測光線的強度。只有外界光線暗到一定程度時，且有人在PIR的感應范圍內被PIR感應時，CS9803才會接通負載，在本系統中，負載為LED。CS9803接通負載有兩種方式。一種為觸發方式，這種方式一般用于晶閘管的控制;另一種為延時導通方式，即負載導通一段時間后自動關閉。本系統采用后一種方式，且延時時間可由CS9803通過其外圍電路設定。

5 LED及其驅動

5.1 LED的特性

LED作為一種半導體器件有很多特性，針對本照明系統，本文主要討論其工作電壓和工作電流兩個特性。本系統采用了三顆散光型白光LED，在正常工作時其管壓降約為3～3.5V，但隨著溫度的升高，其管壓降會下降，即呈現負溫度特性;其正常工作電流為20mA，但一般應用時小于這一值，選擇15mA左右。

5.2 LED的驅動

要使LED正常工作就應使其在允許工作電壓和工作電流范圍內。如果電壓一定，在LED電路中串一電阻，讓電阻分壓限流可達到這一目的，這種稱為恒壓驅動方式。但由于LED呈現負溫度特性，隨著電路工作過程中熱量的積累，LED的溫度會不斷升高，管壓降會不斷降低，從而電阻上的電壓逐漸升高，導致電流越來越大。而電流的增大又增加了整個電路和LED結溫的升高，而這又進一步導致LED管壓降的降低，進而形成一個惡性循環。LED工作在此種狀態下，光衰加快，壽命大打折扣。因此，串電阻分壓限流不可用于LED的驅動。

為使LED長期可靠工作，就必須設計出合理的驅動電路。結合LED的負溫度特性知，如果使用恒流驅動電路，盡管其結溫會上升，管壓降下降，但由于電流一定，因此可以阻止溫度上升—管壓降下降—電流增大—溫度快速上升這一惡性循環。現在一般的LED照明燈具都是采用恒流驅動方式。恒流源電路如圖4所示。

圖4 LED恒流驅動電路Fig.4 Constant Current drive circuit of LED

在圖4中，運算放大器用作比較器使用，VRES為一個基準電壓，接入運算放大器的正向輸入端。電感L、LED、開關管K2662和采樣電阻R串聯于電路中。電阻R上引一導線至運算放大器的負向輸入端。二極管D與電感和LED并聯，在開關管關斷時起到續流作用。電路的工作過程:上電時，由于LED串聯支路中無電流流過，因此取樣電阻R上的電壓為零，即運算放大器反向輸入端電壓為零，此時正向輸入端電壓為VRES，故運算放大器輸出高電平，開關管導通，LED中有電流通過而被點亮。隨著電流的增加，取樣電阻上的電壓增加，當其電壓高于VRES時，運算放大器輸出低電平，開關管關斷。但由于電感L的存在，LED中仍有電流流過，但電阻R上電壓下降，當電阻R上的電壓低于VRES時，開關管再一次被打開。一直重復此過程，由于這一重復頻率非常高，因此電阻R上的電壓等于VRES。通過電阻R上的電流為I=VRES/R，由于LED與電阻R串聯，因此流過LED的電流與電阻R上流過的電流相等，從而實現LED的恒電流驅動。通過改變VRES和取樣電阻R的值可以設定所需的恒流值。

6 結論

本文介紹了一種智能化的太陽能照明系統［6］，該系統由太陽能發電系統、人體紅外感應裝置、LED照明燈具三部分組成。相比傳統太陽能并網發電技術與LED照明技術，該系統省略了并網逆變、遠程輸電、開關電源等環節，提高了太陽能利用率，并由于中間環節的減少提高了照明系統的可靠性。配合人體紅外感應，做到人至燈亮，人走延時一段時間后燈滅，因此可大大節省電能消耗。因此本系統在走道、地下停車庫、樓道等場合都有廣闊的應用前景。

［1］盧林，殳國華，張仕文編．基于MPPT的智能太陽能充電系統研究．電力電子技術 ［J］．2007，41(2)96～98．

［2］趙爭鳴 編．太陽能光伏發電及其應用 ［M］．北京:科學出版社，2005．

［3］張銘編．獨立光伏系統中蓄電池的作用及選擇新能源．西山科技 ［J］．1995(7):31～34．

［4］人體熱釋電紅外感應電路TX0001［EB/OL］．http://wenku．baidu．com/view/85156fdbad51f 01dc281f173．html．doc．

［5］CS9803熱釋紅外電路 ［EB/OL］．http://www．docin．com/p－44496767．html

［6］楊成銀 編．太陽能LED照明系統設計．燈與照明［J］．2007(3):17～20．