陸 寅 鄭常寶 黃啟云 劉志民

(1.安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)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(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230601)

1 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺給人類帶來(lái)越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。為了緩解能源危機(jī)，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(lái)代替不可再生能源。太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源，取之不盡，用之不竭。把太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)與LED照明技術(shù)結(jié)合起來(lái)，并加入人體紅外檢測(cè)控制技術(shù)，可以構(gòu)成太陽(yáng)能智能照明系統(tǒng)。在白天，太陽(yáng)能電池板把吸收的太陽(yáng)能輻射光能轉(zhuǎn)換成電能通過(guò)充電控制器對(duì)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(kāi)始對(duì)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(shí)，且有人通過(guò)時(shí)，燈具點(diǎn)亮;當(dāng)人離開(kāi)后，燈延時(shí)一段時(shí)間后自動(dòng)熄滅，從而最大程度地節(jié)約電能，整個(gè)系統(tǒng)利用太陽(yáng)能發(fā)電，無(wú)需電網(wǎng)供電，因此減少了電能的消耗與浪費(fèi)，節(jié)約了寶貴的能源。

2 系統(tǒng)組成介紹

太陽(yáng)能智能照明系統(tǒng)主要由太陽(yáng)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(jí)成。其中太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)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(pán)及其恒流驅(qū)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)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(yáng)能電池參數(shù)為:使用多晶硅太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)［2］的實(shí)現(xiàn)

3.1 太陽(yáng)能電池的輸出特性

多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅太陽(yáng)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(kāi)路電壓、短路電流、工作電壓等。當(dāng)太陽(yáng)能電池工作時(shí)，在光照一定的條件下，在接入的負(fù)載變化時(shí)，太陽(yáng)能輸出的功率是變化的。因此在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，控制器基本都具有最大功率點(diǎn)跟蹤功能，以提高太陽(yáng)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(diǎn)跟蹤環(huán)節(jié)。只要光照達(dá)到一定程度時(shí)，太陽(yáng)能電池的電壓高于蓄電池的電壓，太陽(yáng)能電池便可對(duì)蓄電池充電。

3.2 鉛酸蓄電池［3］特點(diǎn)

鉛酸蓄電池單體的標(biāo)稱電壓為2V，實(shí)際電壓范圍為1.8V～2.3V，本系統(tǒng)使用的蓄電池實(shí)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(shí)，稱為過(guò)放電。此時(shí)就及時(shí)充電，否則會(huì)導(dǎo)致電池極板硫化，電池容量減小，甚至電池失效，且此過(guò)程是不可逆的。當(dāng)單節(jié)蓄電池電壓高于2.3V時(shí)，稱為過(guò)充電。這時(shí)如果再對(duì)其充電，則其內(nèi)部的水被電解，也會(huì)導(dǎo)致其容量減小。長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)充電會(huì)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(méi)有記憶效應(yīng)，因此很適合用于輸出功率不穩(wěn)定的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

3.3 太陽(yáng)能充電控制電路

綜合3.1、3.2所述，太陽(yáng)能充電控制器應(yīng)具有以下功能:1)完成太陽(yáng)能電池對(duì)鉛酸蓄電池的充電;2)對(duì)于蓄電池有過(guò)放電保護(hù)功能;3)對(duì)于蓄電池具有過(guò)充電保護(hù)功能。

3.4 太陽(yáng)能電池對(duì)鉛酸蓄電池充電的實(shí)現(xiàn)

使用一個(gè)二極管串于太陽(yáng)能電池的正極與蓄電池的正極間就可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池的充電，二極管的單向?qū)щ娦钥梢员ＷC太陽(yáng)能電池的電壓低于蓄電池電壓時(shí)蓄電池不會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池的反向充電。

3.5 鉛酸蓄電池過(guò)充、過(guò)放保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

過(guò)充過(guò)放都是以鉛酸蓄電池的電壓值來(lái)判定的。因此只要實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池兩端的電壓，當(dāng)蓄電池電壓低于3.6V時(shí)，控制電路關(guān)閉負(fù)載;當(dāng)蓄電池電壓高于4.6V時(shí)，控制電路斷開(kāi)太陽(yáng)能電池即可實(shí)現(xiàn)過(guò)充過(guò)放保護(hù)。由于在實(shí)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(shí)即關(guān)閉負(fù)載。

太陽(yáng)能充電控制電路的主電路如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)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(yáng)能電池的正極通過(guò)二極管IN5819向蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到4.6V時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，太陽(yáng)能電池被短路，因?yàn)樘?yáng)能電池發(fā)出的能量是有限的，故短路太陽(yáng)能電池不會(huì)燒毀元器件。當(dāng)蓄電池電壓低于3.8V時(shí)，三極管Q2截止，負(fù)載被斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池的過(guò)放保護(hù)。

4 人體紅外感應(yīng)電路［4］的實(shí)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(gè)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(cè)光線的強(qiáng)度。只有外界光線暗到一定程度時(shí)，且有人在PIR的感應(yīng)范圍內(nèi)被PIR感應(yīng)時(shí)，CS9803才會(huì)接通負(fù)載，在本系統(tǒng)中，負(fù)載為L(zhǎng)ED。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(shí)導(dǎo)通方式，即負(fù)載導(dǎo)通一段時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉。本系統(tǒng)采用后一種方式，且延時(shí)時(shí)間可由CS9803通過(guò)其外圍電路設(shè)定。

5 LED及其驅(qū)動(dòng)

5.1 LED的特性

LED作為一種半導(dǎo)體器件有很多特性，針對(duì)本照明系統(tǒng)，本文主要討論其工作電壓和工作電流兩個(gè)特性。本系統(tǒng)采用了三顆散光型白光LED，在正常工作時(shí)其管壓降約為3～3.5V，但隨著溫度的升高，其管壓降會(huì)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(shí)小于這一值，選擇15mA左右。

5.2 LED的驅(qū)動(dòng)

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(dòng)方式。但由于LED呈現(xiàn)負(fù)溫度特性，隨著電路工作過(guò)程中熱量的積累，LED的溫度會(huì)不斷升高，管壓降會(huì)不斷降低，從而電阻上的電壓逐漸升高，導(dǎo)致電流越來(lái)越大。而電流的增大又增加了整個(gè)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(gè)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(dòng)。

為使LED長(zhǎng)期可靠工作，就必須設(shè)計(jì)出合理的驅(qū)動(dòng)電路。結(jié)合LED的負(fù)溫度特性知，如果使用恒流驅(qū)動(dòng)電路，盡管其結(jié)溫會(huì)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)。現(xiàn)在一般的LED照明燈具都是采用恒流驅(qū)動(dòng)方式。恒流源電路如圖4所示。

圖4 LED恒流驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Constant Current drive circuit of LED

在圖4中，運(yùn)算放大器用作比較器使用，VRES為一個(gè)基準(zhǔn)電壓，接入運(yùn)算放大器的正向輸入端。電感L、LED、開(kāi)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(yùn)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)起到續(xù)流作用。電路的工作過(guò)程:上電時(shí)，由于LED串聯(lián)支路中無(wú)電流流過(guò)，因此取樣電阻R上的電壓為零，即運(yùn)算放大器反向輸入端電壓為零，此時(shí)正向輸入端電壓為VRES，故運(yùn)算放大器輸出高電平，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，LED中有電流通過(guò)而被點(diǎn)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(shí)，運(yùn)算放大器輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。但由于電感L的存在，LED中仍有電流流過(guò)，但電阻R上電壓下降，當(dāng)電阻R上的電壓低于VRES時(shí)，開(kāi)關(guān)管再一次被打開(kāi)。一直重復(fù)此過(guò)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(guò)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(guò)LED的電流與電阻R上流過(guò)的電流相等，從而實(shí)現(xiàn)LED的恒電流驅(qū)動(dòng)。通過(guò)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(yáng)能照明系統(tǒng)［6］，該系統(tǒng)由太陽(yáng)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(yáng)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(kāi)關(guān)電源等環(huán)節(jié)，提高了太陽(yáng)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(shí)一段時(shí)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(kù)、樓道等場(chǎng)合都有廣闊的應(yīng)用前景。

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

［2］趙爭(zhēng)鳴 編．太陽(yáng)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(dú)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(yáng)能LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)．燈與照明［J］．2007(3):17～20．