融合聚光導光與雙模輔助的智能照明系統

余狄希，陳基洋，蘇鑫淼，祝炳宏，雷瑤，張湛釗，李俊斌

（北京師范大學珠海分校工程技術學院，廣東珠海，519000）

0 引言

根據我國電力主管部門的統計，全國電能損耗量超過3000億kwh，約占全國發電量的30%[1]，其中照明系統損耗占整個電能損耗的25%。在照明方面產生的驚人的耗電量的根本原因是我們對照明系統有著強烈的需求，其次是現有的照明系統存在著缺陷，導致系統無法高效用電，產生了大量的電能損耗。

根據我國有關部門的統計，我國大約有2/3以上的地區每年被太陽光照射的時間超過2200小時以上，全國各地的太陽能輻射平均值為586KJ/cm3年，所以我國的太陽能儲存量巨大，為了實現綠色用電，有效地利用太陽能成了必不可缺的應對方針。

本項目針對這一問題，研究出了相關的解決辦法。這個項目是通過單片機實現智能控制，主要由光導照明系統、三維自動追光系統、太陽能光伏電力與市電互補照明系統組成。光導照明系統通過采光裝置捕獲自然光源，然后經過光導裝置強化并高效傳輸后，由漫射器將自然光均勻導入建筑內。光伏發電系統利用可三維自動追光的光伏板，實現對光伏陣列的最大功率點跟蹤，并且通過風速傳感器，采取規避算法，減少太陽能板的受風力，保證光伏板的穩定運行。輔助智能照明系統著重利用轉壓電路對蓄電池發出的電壓進行轉換，使LED在不同情況下得到不同的驅動電源，并且在需要時切入市電，保證了系統的穩定運行。

本項目集節能、經濟和智能于一身，是一款融合聚光導光與雙模輔助的智能照明系統。

1 項目前景與意義

預計到2050年，可再生能源發電大約占全世界發電總量的百分之三十到四十左右。而太陽能是目前世界上最具潛力，最具有開發價值的可再生新能源。我國地域遼闊、海岸線長，所以有著相當豐富的太陽能資源。我國的太陽能儲存量非常巨大，對它有效的開發利用既會在一定程度上降低對環境的污染，也能有效地緩解當前的能源危機。

本項目不僅解決了現存照明系統用電量大的問題，而且在照明功能方面進行了創新優化。在照明方面，本項目充分利用了新能源―太陽能，當外界太陽光線充足時，通過光導照明系統完成照明動作。但外界天氣是不可預測的，并且照明系統在夜晚的使用更為重要。因此，輔助智能照明系統的結合使用顯得極其關鍵。

2 光導照明系統的應用

■2.1 光導照明系統的組成與原理

2.1.1 組成

光導照明系統主要由聚光罩、導光管、漫射器三大部分組成[2]。

2.1.2 工作原理

光導照明系統通過聚光罩收集室外的太陽光，并將其引入系統，再通過導光管高效進行傳輸，最后由漫射器將太陽光均勻散射至建筑內。

圖1 捏菲爾透鏡的工作原理圖

本系統中的聚光罩采用折射聚光系統，選用捏菲爾透鏡，設計如圖1所示。導光管是光線傳導的重要部件。為了保證本項目能夠高效傳導外界自然光，光導照明系統采用管壁材料反射比不低于0.95的導光管。光導照明系統的建模圖如圖2所示。

■2.2 光導照明系統的功能與應用意義

2.2.1 功能

照明與節能是光導照明系統的最突出兩大功能。根據聚光罩、導光管與漫射器三大功能部件便可以實現自然光的所帶來的照明效果。通過聚光罩進行光線的集中與收集，由導光管進行高效傳輸，最終通過漫射器將所聚集的太陽光進行分散照明，實現照明功能。與以往的傳統照明系統所不同的是，光導照明系統采用的能源屬于綠色能源―光能。以往的照明系統都在市電的基礎上進行照明與相應功能。而光導照明系統采用光能，通過三個關鍵部件實現自然光的照明效果。并且光導照明的一些特點將傳統照明系統的不足進行了填充完善，人體多曬太陽不僅可以提高腎上腺素水平等，改善人的心情，而且可以促進鈣吸收。也就是說，光導照明系統在實現照明功能的基礎上，還可以達成非同一般的健康效果。

圖2 光導照明系統的建模圖

光導照明系統不僅照明效果好，而且相對節能。隨著時代的進步，我國科技水平與日俱增，社會經濟也蓬勃發展起來，隨之而來的是社會生產對能源提出了極大的利用需求。為了防止社會嚴重的能源損耗將有限的不可再生資源用盡，節約傳統能源和不斷提高可再生資源利用技術便成為了及其重要的一步。光導照明系統利用可再生資源―太陽能照明，不僅能讓人們有柔和舒適的照明體驗，而且使其具有經濟實用、節能環保的社會價值。由于光導照明系統的能源來著自然界的太陽光，所以光導照明系統的綠色環保意義更為突出。在提供照明的基礎上，還可以實現綠色節能，由此可知光導照明系統的功能即實用又關鍵。

2.2.2 應用意義

當電氣照明考慮節能環保的因素時，照明系統除了要求光照功率達到目標值外，對燈具的工作效率以及電能的控制算法有了更高的要求。

光導照明系統利用可再生能源，在此基礎上減少它的能源損耗是十分關鍵的。目前, 我國照明耗電量約占總發電量的30%, 2019年我國總發電量約為7.14×1012kwh, 由此估算年照明耗電量達7.14×1011kwh。根據相關的數據統計,白天照明用電量占照明總用電量的50%以上, 如果大范圍使用光導照明系統, 將能使白天照明用電量下降50%左右,相當于每年節電約1.785×1011kwh。如果電價按照0.8元/kwh計算, 每年至少可節省電費14.28億元。

由此可見，可再生能源的應用對于節能減排和社會經濟方面的貢獻是非常可觀的。另外由于我國發電廠仍然以火力發電為主所以每節約1kwh用電, 就相當于節省了0.4kg標準煤炭和4L凈水,減少了因煤炭燃燒所排放的1kg二氧化碳和0.03kg二氧化硫。因此，應用光導照明系統不僅能為照明提供新思路，也可以實現節能減排、綠色環保以及經濟實用。

3 太陽能光伏電力與市電互補照明系統

在本項目中，太陽能光伏電力與市電互補照明系統又稱輔助智能照明系統，由光伏發電系統和市電供電系統兩部分組成，包光照度傳感器、雙模LED燈(包括12V和24V)和人體紅外傳感器、繼電器等。

雙模LED燈通過繼電器分別與單片機和光伏發電系統的蓄電池連接，光照度傳感器與STC8051單片機連接。利用光照度傳感器和人體紅外傳感器控制雙模高效能LED燈，當光照度傳感器檢測到光導照明的光照度不足時，提供12V低能耗的弱光輔助照明，當人體紅外傳感器檢測到有人進入照明區域，打開24V強光輔助照明達到工作照度要求，等待人離開后關閉強光輔助照明，節省儲備電能消耗。并實時檢測蓄電池的電量，當蓄電池不能提供足夠的電能給裝置時，市電自動切入系統，為整個裝置供電。

■3.1 光伏發電系統

本項目的光伏發電系統主要由三維自動追光系統、太陽能光伏板、蓄電池、控制器、逆變器自動轉換開關等設備組成。

當外界太陽光線強度充足時，三維自動追光系統將控制太陽能光伏板進行三維旋轉追光，實現光伏陣列的最大功率點跟蹤。光伏電池組件接收光能并通過控制器轉換為電能輸出，該電能一部分用于為整個智能照明裝置提供能量，另一部分貯存在蓄電池中，在單片機接收到光照度傳感器感應到的室內光線強度數據，并判斷其低于預設值時使用。本項目的太陽能光伏板上裝有風速傳感器，利用空氣動力學理論對風速和風向進行分析，對數據進行建模仿真，推導出會影響光伏板的風速和風向的函數關系式。通過處理器對此函數式和最大追光角公式進行運算，得出最優的追光傾角，以延長光伏板的壽命。而且光伏組件采用高透光率的鋼化玻璃封裝，表面由抗老化的膠膜和高強度的背板，具有效率高、壽命長等優點。

在該系統中，蓄電池是用來儲存太陽能光伏板受太陽照射時通過控制器轉換輸出的電能，并在設備工作時對負載進行供電。控制器在防止蓄電池過充電和過放電的操作中起了重要的作用，其可以減少蓄電池不必要的損害。

光伏逆變器用來將太陽能光伏板產生的直流電轉換為220V交流電。太陽能逆變器有配合光伏電池矩陣的特有功能，例如最大功率點追蹤及孤島效應保護的機能。

■3.2 市電供電系統

市電供電系統主要由開關整流器和直流配電屏組成，開關整流器主要由輸入回路、功率變換器、整流濾波電路和控制電路組成。輸入回路將交流輸入電壓整流濾波變為較為平坦的高壓直流電壓，經功率變換器將其轉換為高頻脈沖電壓，再經整流濾波電路將高頻脈沖電壓轉換為穩定的直流電壓，輸出給負載。控制電路的作用是保證輸出直流電壓的穩定和可調。

在本項目中，實現太陽能光伏電力與市電互補的關鍵技術是如何選擇市電的切入條件和判斷市電的切入位置等。

3.2.1 市電切入的條件

在太陽能光伏電力與市電互補照明系統中，只有在光伏電池提供的能量不足以驅動整個照明系統，甚至不足以驅動雙模LED燈的情況下，市電才能被切入。所以，如何判斷光伏電池無法提供足夠的能量驅動裝置，是這個問題的關鍵。

本項目采用檢驗蓄電池端電壓的方法判斷光伏電池是否能提供足夠的能量。因為白天太陽光線強度基本穩定，蓄電池的放電電流基本恒定，光伏系統存儲能量的大小反映在蓄電池的端電壓上，所以可以通過檢驗蓄電池的端電壓來判斷市電是否需要切入[3]。

3.2.2 市電切入點的選擇

在本項目中，輔助智能照明系統的光源設備是LED燈，其屬于低壓直流光源設備。所以本項目采用低壓直流光源切換的方法，當蓄電池的端電壓低于預設值時，系統允許市電切入。

■3.3 光伏電池和蓄電池容量的選擇

由于本項目中的雙模LED燈不需要考慮連續陰雨天太陽光線強度不足的情況，蓄電池的容量僅保證可支持設備一天的電量即可。為了防止蓄電池受到不必要的損害，其放電深度不能太深，不應該超過75%。就本項目而言，蓄電池電壓不宜低于11v，當蓄電池電壓低于該值時，系統就要允許市電切入。市電的切入操作在控制上是單向的，市電的切出操作與傍晚蓄電池的電量無關，它只能在天亮之后進行。這是為了保證蓄電池的放電深度。

■3.4 雙模LED燈的選擇

因為太陽能光伏板受太陽照射時通過控制器轉換輸出的電能是直流電，而配電屏內安裝的交流變頻開關電源，輸出的也是直流電，所以LED燈內不需要安裝傳統LED驅動電源，只需要加裝簡單的恒流電源。在本項目中，因為LED燈根據環境的不同會進行12V弱光照射和24V強光照射的轉換，所以會選擇可接受12V和24V電壓的LED低壓AC交流燈泡。

4 系統工作過程

■4.1 整體工作過程

本系統的仿真模型如圖3所示。單片機分別與三維自動追光系統、光伏發電系統和輔助智能照明系統連接用于實現智能控制。

圖3 光伏蓄電池驅動LED模型

當外界太陽光線充足時，光導照明系統通過室外的采光罩裝置捕獲太陽光，并將其導入系統，系統內部進行自動分配，再經過導光管裝置將太陽光強化并高效傳輸后，由漫射器將自然光均勻導入室內。

該項目不僅可以通過光導照明系統對太陽能直接進行處理、利用。而且將裝有三維自動追光系統的太陽能光伏板經光伏發電系統與輔助智能照明系統連接，為整個裝置提供驅動電能。當外界太陽光線充足時，三維自動追光系統使用變步長的擾動觀察法，對光伏陣列的最大功率點進行追蹤，光伏電池組件接收光能，經過控制器轉換成的電能一部分用于為整個照明系統提供驅動電能，另一部分貯存在蓄電池中。

當外界太陽光線不足時，光照度傳感器收集到的室內光線強度數據低于預設值，啟動光伏蓄電池為雙模LED燈供電。雙模LED燈通過繼電器分別與單片機和光伏發電系統的蓄電池連接，光照度傳感器與單片機連接。利用光照度傳感器和人體紅外傳感器控制雙模高效能LED燈，當光照度傳感器檢測到光導照明的光照度不足時，提供12V低能耗的弱光輔助照明，當人體紅外傳感器檢測到有人進入照明區域，打開24V強光輔助照明達到工作照度要求，等待人離開后關閉強光輔助照明，減少儲能損耗。并實時檢測蓄電池端電壓，當蓄電池電量不足時，切入市電為裝置供電。輔助智能照明系統根據光照情況及人體感應實現了綠色照明。

■4.2 局部工作過程

4.2.1 蓄電池充放電過程

在充電狀態下，太陽能光伏板和鉛酸蓄電池通過雙向反激變換器進行連接，為了確保太陽能光伏板在最大功率點工作，系統通過驅動dsPIC微處理器對其進行跟蹤控制。當外界自然光線充足時，系統通過光電效應將光伏電池矩陣輻射的化學能轉換成電能，并將電能儲存在光伏蓄電池中。在需要照明的場合，系統再通過蓄電池驅動LED燈，提供光源。

圖4 光伏蓄電池驅動LED結構圖

在放電狀態下，蓄電池驅動雙向反激變換器向LED燈釋放電能。為使LED燈工作在恒流驅動模式下，加入恒流驅動電路。通過采樣電路將LED燈負載支路上的電阻上的電流信號通過電壓/電流變換電路，將電流信號轉化為電壓信號。并且通過反饋控制模塊反饋到恒流驅動模塊和恒壓驅動模塊，將轉換后的電壓信號與運算放大器所設定的基準值進行比較，得到MOS管門極驅動信號Vgs，通過對MOS管阻抗的線性調節實現恒流。

圖5 LED燈恒流驅動電路

4.2.2 蓄電池端電壓檢測過程

通過蓄電池端電壓檢測電路、電壓比較電路，檢測端電壓的電壓值與主電路電路中的電壓值，并將兩邊的電壓值進行比較。當檢測到蓄電池電量不在充值狀態時,LED通過市電切入經過隔離變壓器降壓處理，然后經過由四個二極管構成的整流橋和兩個大容量的濾波電容，將交流電轉換成直流電。最后輸入由三個LM7805穩壓芯片構成的穩壓電路，最后在輸出端接入一個濾波電容，經過這樣簡單的處理，就將220V的交流電轉換成直流電給LED提供電源。重復上述，當人體紅外傳感器檢測到照明系統內沒有人時，單片機控制接入LED引腳獲得12V直流電驅動；當檢測到照明系統內有人時，LED獲得24V直流電驅動。

4.2.3 市電切入驅動LED原理

市電（220V，50Hz），經過隔離變壓器降壓處理，然后經過由四個二極管構成的整流橋和兩個大容量的濾波電容，將交流電轉換成直流電。最后輸入由三個LM7805穩壓芯片構成的穩壓電路，最后在輸出端接入一個濾波電容，經過這樣簡單的處理，就將220V的交流電轉換成直流電給LED提供電源。當人體紅外傳感器檢測到無人時，LED獲得12V直流電驅動；當檢測到有人時，LED獲得24V直流電驅動。

5 創新點

（1）在單片機系統內設置尋光模塊，并在光伏板上加入雙軸跟蹤機構，實現太陽能板的三維旋轉，自動捕捉太陽直射位置。

（2）通過風速風向傳感器，利用空氣動力學理論對數據進行分析，當風對光伏板當前角度的作用力達到設定值時，自動調整光伏板追光角，在保證光伏板安全的前提下，尋找追光效率最大時的角度值。

（3）輔助照明系統中的LED模塊有以下三種方式供電方式：①光伏蓄電池電能通過轉壓電路輸出的12V電源；②光伏蓄電池電能通過轉壓電路輸出的24V電源；③切入的市電。

（4）本項目為一款綠色智能照明系統，預備由光伏發電系統、光導照明系統、輔助智能照明系統構成，充分利用太陽能發電蓄電，為整個裝置提供驅動電能。利用轉壓電路對蓄電池發出的電壓進行轉換實現LED在不同情況下得到不同的電源驅動。并通過市電切入解決用戶用電量過高時蓄電池電量可能不足的情況。

6 節能效果分析

本項目中的光導照明系統、太陽能光伏電力與市電互補照明系統如果應用在地下車庫、商場、室內市場、建筑走廊等場所，其節能效果會被發揮充分的利用。大致可以體現在下述三個方面：

（1）光導照明系統節能

光導照明系統作為一種新型的照明裝置，當外界光線強度充足時，其只需耗少量的電能就可以將大量的自然光源帶入室內。該系統平均每天可聚光導光10小時左右，而且照明面積大。其使用年限超過25年，是普通電力照明燈具使用年限的兩倍。該系統不僅可以減少建筑的用電量，而且降低了維修成本。

（2）光伏發電系統節能

光伏電池組件接收光能并通過控制器轉換為電能輸出。在白天，外界太陽光線充足，本項目用光導照明系統照明，光伏供電僅用于為整個智能照明裝置提供能量；另一部分能量貯存在光伏蓄電池中，在晚上，為雙模LED燈提供能量。這樣，光伏蓄電池中的電量就基本滿足了用戶晚上的用電需求，系統無需立即切入市電為LED燈供電，節電率高達45%。

（3）雙模調光節能

雙模高效能LED燈的調光功能主要由光照度傳感器和人體紅外傳感器控制。當光照度傳感器檢測到光導照明的光照度不足時，提供12V低能耗的弱光輔助照明，當人體紅外傳感器檢測到有人進入照明區域，打開24V強光輔助照明達到工作照度要求，等待人離開后關閉強光輔助照明，節省儲備電能消耗。這樣，不僅解決了過度照明的問題，而且可節電10%以上。

7 結束語

本文對一種新型綠色智能照明系統進行了深入的闡述和分析。隨著社會的不斷發展和進步，國內外對綠色建筑設計的不斷研究和討論，使綠色建筑的節能方法和措施不斷改進和完善。本文介紹的項目結合了三維自動追光系統、光導照明系統和光伏電力與市電互補照明系統，它們均與單片機連接，用于實現智能控制。這不僅使系統充分地利用了新能源―太陽能，而且可以有利地保證系統照明動作的穩定運行。同時，單片機通過控制多種傳感器，如光照度傳感器、人體紅外傳感器等，從而控制雙模高效能LED燈在不同條件下被不同的電源電壓所驅動，使系統的節能效果更加突出，整個系統設計更為合理。