太阳能智能照明系统

陆 寅 郑常宝 黄启云 刘志民

(1.安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥 230601;2.教育部电能质量工程研究中心，安徽合肥 230601;3.安徽省工业节电与用电安全实验室，安徽合肥 230601)

1 引言

随着社会的进步，经济的迅速发展，环境污染和能源短缺给人类带来越来越多的挑战。为了缓解能源危机，降低环境污染，人们不得不寻找新能源，用新的可再生能源来代替不可再生能源。太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭。把太阳能发电技术与LED照明技术结合起来，并加入人体红外检测控制技术，可以构成太阳能智能照明系统。在白天，太阳能电池板把吸收的太阳能辐射光能转换成电能通过充电控制器对铅酸蓄电池充电;傍晚，当光线暗至一定程度后，控制器接通负载，蓄电池开始对负载供电。负载中配有人体红外感应器，从而能做到当光变暗时，且有人通过时，灯具点亮;当人离开后，灯延时一段时间后自动熄灭，从而最大程度地节约电能，整个系统利用太阳能发电，无需电网供电，因此减少了电能的消耗与浪费，节约了宝贵的能源。

2 系统组成介绍

太阳能智能照明系统主要由太阳能发电系统［1］、人体红外感应装置和LED照明灯具三大部分级成。其中太阳能发电系统包括太阳能电池、控制电路、蓄电池;人体红外感应装置包括PIR、处理电路;LED照明灯具包括LED灯盘及其恒流驱动。整个系统的构成如图1所示。

图1 太阳能智能照明系统构成图Fig.1 Structure diagram of solar-powered light systematic intellectual control system

本文所采用的系统中，太阳能电池参数为:使用多晶硅太阳能电池5.5V/80mA;蓄电池选用铅酸蓄电池，容量为4V/1AH;LED灯具使用3颗散光型白光LED，工作电流限定50mA。

3 太阳能发电系统［2］的实现

3.1 太阳能电池的输出特性

多晶硅太阳能电池的转换效率低于单晶硅太阳能电池，约为12%，且受温度影响较大，呈负温度特性。其基本参数包括开路电压、短路电流、工作电压等。当太阳能电池工作时，在光照一定的条件下，在接入的负载变化时，太阳能输出的功率是变化的。因此在太阳能发电系统中，控制器基本都具有最大功率点跟踪功能，以提高太阳能的利用效率。在本文所提及的系统中，由于总的发电功率很小，因此省去最大功率点跟踪环节。只要光照达到一定程度时，太阳能电池的电压高于蓄电池的电压，太阳能电池便可对蓄电池充电。

3.2 铅酸蓄电池［3］特点

铅酸蓄电池单体的标称电压为2V，实际电压范围为1.8V～2.3V，本系统使用的蓄电池实际为两节串联得到，因此其电压范围为3.6V～4.6V。当单节蓄电池电压低于1.8V时，称为过放电。此时就及时充电，否则会导致电池极板硫化，电池容量减小，甚至电池失效，且此过程是不可逆的。当单节蓄电池电压高于2.3V时，称为过充电。这时如果再对其充电，则其内部的水被电解，也会导致其容量减小。长时间的过充电会导致蓄电池中的电解液干涸而使蓄电池失效。铅酸蓄电池没有记忆效应，因此很适合用于输出功率不稳定的太阳能发电系统。

3.3 太阳能充电控制电路

综合3.1、3.2所述，太阳能充电控制器应具有以下功能:1)完成太阳能电池对铅酸蓄电池的充电;2)对于蓄电池有过放电保护功能;3)对于蓄电池具有过充电保护功能。

3.4 太阳能电池对铅酸蓄电池充电的实现

使用一个二极管串于太阳能电池的正极与蓄电池的正极间就可以实现太阳能电池对蓄电池的充电，二极管的单向导电性可以保证太阳能电池的电压低于蓄电池电压时蓄电池不会对太阳能电池的反向充电。

3.5 铅酸蓄电池过充、过放保护的实现

过充过放都是以铅酸蓄电池的电压值来判定的。因此只要实时检测蓄电池两端的电压，当蓄电池电压低于3.6V时，控制电路关闭负载;当蓄电池电压高于4.6V时，控制电路断开太阳能电池即可实现过充过放保护。由于在实际系统中，控制电路的工作需要消耗一定的电能，因此在蓄电池电压低于3.8V时即关闭负载。

太阳能充电控制电路的主电路如图2所示。

图2 太阳能充电控制器主电路Fig.2 Design of the Main Circuits of solar energy Charge Controller

在图2中，太阳能电池的正极通过二极管IN5819向蓄电池充电，当蓄电池电压达到4.6V时，三极管Q1导通，太阳能电池被短路，因为太阳能电池发出的能量是有限的，故短路太阳能电池不会烧毁元器件。当蓄电池电压低于3.8V时，三极管Q2截止，负载被断开，从而实现蓄电池的过放保护。

4 人体红外感应电路［4］的实现

人体红外感应系统通常包括:PIR(人体红外热释传感器)、人体红外感应专用处理IC组成的处理电路两部分组成。其中PIR通常需要配一个菲涅耳透镜，菲涅耳透镜的作用是将PIR的感应区域化成许多灵敏区和非灵敏区，以提高PIR灵敏度和感应角度。常用的人体感应 IC有 CS9803和BISS0001，本系统中采用CS9803［5］。人体红外感应电路框图如图3所示。

图3 人体红外感应电路框图Fig.3 Structure diagram of the human body infrared inductor system

在图3中，CDS为光敏电阻，它可以检测光线的强度。只有外界光线暗到一定程度时，且有人在PIR的感应范围内被PIR感应时，CS9803才会接通负载，在本系统中，负载为LED。CS9803接通负载有两种方式。一种为触发方式，这种方式一般用于晶闸管的控制;另一种为延时导通方式，即负载导通一段时间后自动关闭。本系统采用后一种方式，且延时时间可由CS9803通过其外围电路设定。

5 LED及其驱动

5.1 LED的特性

LED作为一种半导体器件有很多特性，针对本照明系统，本文主要讨论其工作电压和工作电流两个特性。本系统采用了三颗散光型白光LED，在正常工作时其管压降约为3～3.5V，但随着温度的升高，其管压降会下降，即呈现负温度特性;其正常工作电流为20mA，但一般应用时小于这一值，选择15mA左右。

5.2 LED的驱动

要使LED正常工作就应使其在允许工作电压和工作电流范围内。如果电压一定，在LED电路中串一电阻，让电阻分压限流可达到这一目的，这种称为恒压驱动方式。但由于LED呈现负温度特性，随着电路工作过程中热量的积累，LED的温度会不断升高，管压降会不断降低，从而电阻上的电压逐渐升高，导致电流越来越大。而电流的增大又增加了整个电路和LED结温的升高，而这又进一步导致LED管压降的降低，进而形成一个恶性循环。LED工作在此种状态下，光衰加快，寿命大打折扣。因此，串电阻分压限流不可用于LED的驱动。

为使LED长期可靠工作，就必须设计出合理的驱动电路。结合LED的负温度特性知，如果使用恒流驱动电路，尽管其结温会上升，管压降下降，但由于电流一定，因此可以阻止温度上升—管压降下降—电流增大—温度快速上升这一恶性循环。现在一般的LED照明灯具都是采用恒流驱动方式。恒流源电路如图4所示。

图4 LED恒流驱动电路Fig.4 Constant Current drive circuit of LED

在图4中，运算放大器用作比较器使用，VRES为一个基准电压，接入运算放大器的正向输入端。电感L、LED、开关管K2662和采样电阻R串联于电路中。电阻R上引一导线至运算放大器的负向输入端。二极管D与电感和LED并联，在开关管关断时起到续流作用。电路的工作过程:上电时，由于LED串联支路中无电流流过，因此取样电阻R上的电压为零，即运算放大器反向输入端电压为零，此时正向输入端电压为VRES，故运算放大器输出高电平，开关管导通，LED中有电流通过而被点亮。随着电流的增加，取样电阻上的电压增加，当其电压高于VRES时，运算放大器输出低电平，开关管关断。但由于电感L的存在，LED中仍有电流流过，但电阻R上电压下降，当电阻R上的电压低于VRES时，开关管再一次被打开。一直重复此过程，由于这一重复频率非常高，因此电阻R上的电压等于VRES。通过电阻R上的电流为I=VRES/R，由于LED与电阻R串联，因此流过LED的电流与电阻R上流过的电流相等，从而实现LED的恒电流驱动。通过改变VRES和取样电阻R的值可以设定所需的恒流值。

6 结论

本文介绍了一种智能化的太阳能照明系统［6］，该系统由太阳能发电系统、人体红外感应装置、LED照明灯具三部分组成。相比传统太阳能并网发电技术与LED照明技术，该系统省略了并网逆变、远程输电、开关电源等环节，提高了太阳能利用率，并由于中间环节的减少提高了照明系统的可靠性。配合人体红外感应，做到人至灯亮，人走延时一段时间后灯灭，因此可大大节省电能消耗。因此本系统在走道、地下停车库、楼道等场合都有广阔的应用前景。

［1］卢林，殳国华，张仕文编．基于MPPT的智能太阳能充电系统研究．电力电子技术 ［J］．2007，41(2)96～98．

［2］赵争鸣 编．太阳能光伏发电及其应用 ［M］．北京:科学出版社，2005．

［3］张铭编．独立光伏系统中蓄电池的作用及选择新能源．西山科技 ［J］．1995(7):31～34．

［4］人体热释电红外感应电路TX0001［EB/OL］．http://wenku．baidu．com/view/85156fdbad51f 01dc281f173．html．doc．

［5］CS9803热释红外电路 ［EB/OL］．http://www．docin．com/p－44496767．html

［6］杨成银 编．太阳能LED照明系统设计．灯与照明［J］．2007(3):17～20．