陸 寅 鄭常寶 黃啟云 劉志民

(1.安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，安徽合肥 230601;2.教育部電能質(zhì)量工程研究中心，安徽合肥 230601;3.安徽省工業(yè)節(jié)電與用電安全實驗室，安徽合肥 230601)

1 引言

隨著社會的進(jìn)步，經(jīng)濟的迅速發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺給人類帶來越來越多的挑戰(zhàn)。為了緩解能源危機，降低環(huán)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(fā)電技術(shù)與LED照明技術(shù)結(jié)合起來，并加入人體紅外檢測控制技術(shù)，可以構(gòu)成太陽能智能照明系統(tǒng)。在白天，太陽能電池板把吸收的太陽能輻射光能轉(zhuǎn)換成電能通過充電控制器對鉛酸蓄電池充電;傍晚，當(dāng)光線暗至一定程度后，控制器接通負(fù)載，蓄電池開始對負(fù)載供電。負(fù)載中配有人體紅外感應(yīng)器，從而能做到當(dāng)光變暗時，且有人通過時，燈具點亮;當(dāng)人離開后，燈延時一段時間后自動熄滅，從而最大程度地節(jié)約電能，整個系統(tǒng)利用太陽能發(fā)電，無需電網(wǎng)供電，因此減少了電能的消耗與浪費，節(jié)約了寶貴的能源。

2 系統(tǒng)組成介紹

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

圖1 太陽能智能照明系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Structure diagram of solar-powered light systematic intellectual control system

本文所采用的系統(tǒng)中，太陽能電池參數(shù)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(fā)電系統(tǒng)［2］的實現(xiàn)

3.1 太陽能電池的輸出特性

多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)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(fù)溫度特性。其基本參數(shù)包括開路電壓、短路電流、工作電壓等。當(dāng)太陽能電池工作時，在光照一定的條件下，在接入的負(fù)載變化時，太陽能輸出的功率是變化的。因此在太陽能發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)中，由于總的發(fā)電功率很小，因此省去最大功率點跟蹤環(huán)節(jié)。只要光照達(dá)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(biāo)稱電壓為2V，實際電壓范圍為1.8V～2.3V，本系統(tǒng)使用的蓄電池實際為兩節(jié)串聯(lián)得到，因此其電壓范圍為3.6V～4.6V。當(dāng)單節(jié)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(dǎo)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(dāng)單節(jié)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(nèi)部的水被電解，也會導(dǎo)致其容量減小。長時間的過充電會導(dǎo)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(yīng)，因此很適合用于輸出功率不穩(wěn)定的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

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(yīng)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(hù)功能;3)對于蓄電池具有過充電保護(hù)功能。

3.4 太陽能電池對鉛酸蓄電池充電的實現(xiàn)

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(xiàn)太陽能電池對蓄電池的充電，二極管的單向?qū)щ娦钥梢员ＷC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(hù)的實現(xiàn)

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(dāng)蓄電池電壓低于3.6V時，控制電路關(guān)閉負(fù)載;當(dāng)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(xiàn)過充過放保護(hù)。由于在實際系統(tǒng)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(guān)閉負(fù)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(dāng)蓄電池電壓達(dá)到4.6V時，三極管Q1導(dǎo)通，太陽能電池被短路，因為太陽能電池發(fā)出的能量是有限的，故短路太陽能電池不會燒毀元器件。當(dāng)蓄電池電壓低于3.8V時，三極管Q2截止，負(fù)載被斷開，從而實現(xiàn)蓄電池的過放保護(hù)。

4 人體紅外感應(yīng)電路［4］的實現(xiàn)

人體紅外感應(yīng)系統(tǒng)通常包括:PIR(人體紅外熱釋傳感器)、人體紅外感應(yīng)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(yīng)區(qū)域化成許多靈敏區(qū)和非靈敏區(qū)，以提高PIR靈敏度和感應(yīng)角度。常用的人體感應(yīng) IC有 CS9803和BISS0001，本系統(tǒng)中采用CS9803［5］。人體紅外感應(yīng)電路框圖如圖3所示。

圖3 人體紅外感應(yīng)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(yīng)范圍內(nèi)被PIR感應(yīng)時，CS9803才會接通負(fù)載，在本系統(tǒng)中，負(fù)載為LED。CS9803接通負(fù)載有兩種方式。一種為觸發(fā)方式，這種方式一般用于晶閘管的控制;另一種為延時導(dǎo)通方式，即負(fù)載導(dǎo)通一段時間后自動關(guān)閉。本系統(tǒng)采用后一種方式，且延時時間可由CS9803通過其外圍電路設(shè)定。

5 LED及其驅(qū)動

5.1 LED的特性

LED作為一種半導(dǎo)體器件有很多特性，針對本照明系統(tǒng)，本文主要討論其工作電壓和工作電流兩個特性。本系統(tǒng)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(xiàn)負(fù)溫度特性;其正常工作電流為20mA，但一般應(yīng)用時小于這一值，選擇15mA左右。

5.2 LED的驅(qū)動

要使LED正常工作就應(yīng)使其在允許工作電壓和工作電流范圍內(nèi)。如果電壓一定，在LED電路中串一電阻，讓電阻分壓限流可達(dá)到這一目的，這種稱為恒壓驅(qū)動方式。但由于LED呈現(xiàn)負(fù)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(dǎo)致電流越來越大。而電流的增大又增加了整個電路和LED結(jié)溫的升高，而這又進(jìn)一步導(dǎo)致LED管壓降的降低，進(jìn)而形成一個惡性循環(huán)。LED工作在此種狀態(tài)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(qū)動。

為使LED長期可靠工作，就必須設(shè)計出合理的驅(qū)動電路。結(jié)合LED的負(fù)溫度特性知，如果使用恒流驅(qū)動電路，盡管其結(jié)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(huán)?，F(xiàn)在一般的LED照明燈具都是采用恒流驅(qū)動方式。恒流源電路如圖4所示。

圖4 LED恒流驅(qū)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(zhǔn)電壓，接入運算放大器的正向輸入端。電感L、LED、開關(guān)管K2662和采樣電阻R串聯(lián)于電路中。電阻R上引一導(dǎo)線至運算放大器的負(fù)向輸入端。二極管D與電感和LED并聯(lián)，在開關(guān)管關(guān)斷時起到續(xù)流作用。電路的工作過程:上電時，由于LED串聯(lián)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(guān)管導(dǎo)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(dāng)其電壓高于VRES時，運算放大器輸出低電平，開關(guān)管關(guān)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(dāng)電阻R上的電壓低于VRES時，開關(guān)管再一次被打開。一直重復(fù)此過程，由于這一重復(fù)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(lián)，因此流過LED的電流與電阻R上流過的電流相等，從而實現(xiàn)LED的恒電流驅(qū)動。通過改變VRES和取樣電阻R的值可以設(shè)定所需的恒流值。

6 結(jié)論

本文介紹了一種智能化的太陽能照明系統(tǒng)［6］，該系統(tǒng)由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、人體紅外感應(yīng)裝置、LED照明燈具三部分組成。相比傳統(tǒng)太陽能并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)與LED照明技術(shù)，該系統(tǒng)省略了并網(wǎng)逆變、遠(yuǎn)程輸電、開關(guān)電源等環(huán)節(jié)，提高了太陽能利用率，并由于中間環(huán)節(jié)的減少提高了照明系統(tǒng)的可靠性。配合人體紅外感應(yīng)，做到人至燈亮，人走延時一段時間后燈滅，因此可大大節(jié)省電能消耗。因此本系統(tǒng)在走道、地下停車庫、樓道等場合都有廣闊的應(yīng)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(tǒng)研究．電力電子技術(shù) ［J］．2007，41(2)96～98．

［2］趙爭鳴 編．太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用 ［M］．北京:科學(xué)出版社，2005．

［3］張銘編．獨立光伏系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)設(shè)計．燈與照明［J］．2007(3):17～20．