一種太陽能路燈智能控制系統(tǒng)的設計方案

   自哥本哈根氣候峰會召開以來，環(huán)保節(jié)能為當今世界熱點話題，節(jié)能減排，已不僅是政府的一個行動目標，而且還能給企業(yè)帶來經(jīng)營上的收入，讓城市居民能獲得一個較好的生存環(huán)境。節(jié)能減排更是一個人類解決環(huán)境問題的必經(jīng)之路。我國節(jié)電潛力仍很大。在工業(yè)領域，通過電力電子技術的開發(fā)和應用及對風機水泵等電力拖動系統(tǒng)進行優(yōu)化，可取得顯著的節(jié)電效果；在建筑物用電方面，全面實施建筑物的能效標準，特別是改進空調制冷和取暖技術和系統(tǒng)的能效，將有巨大的節(jié)電效果。高效照明和提高家庭、辦公用電器的能效也有巨大的節(jié)電潛力。采取多種措施，推動節(jié)能節(jié)電不僅可取得好的經(jīng)濟效果，還可節(jié)約電力建設投資，減小電力建設風險。如果在產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品結構調整方面加強引導，使我國的經(jīng)濟結構盡快向低能源強度方向轉變，同時加強節(jié)能，全面提高能效，我國可能以低得多的電力消費增長，達到GDP翻兩番的經(jīng)濟增長目標，同時帶來環(huán)保、經(jīng)濟效益、能源安全等一系列的效果。電力系統(tǒng)要全面開展以節(jié)電和負荷管理為目的的需求側管理。

　　太陽能不僅擁有良好的經(jīng)濟前景，且隨其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，將提供越來越多的就業(yè)機會。因此太陽能光伏發(fā)電市場發(fā)展前景相當廣闊，已經(jīng)引起了世界發(fā)達國家的高度重視。

　　與發(fā)達國家相比，中國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，各種光伏材料的發(fā)展也相對落后?，F(xiàn)有的路燈大多都是市電供電，以太陽能作為能源的路燈應用不夠廣泛?；谶@一背景，設計了一款太陽能路燈紅外控制自動感應照明智能控制系統(tǒng)，除了用太陽能供電外，還添加了紅外控制和光控這一其他太陽能路燈都沒有的智能控制系統(tǒng)。作為一種應用電子類的智能化方案，期望為高校、政府部門、街市等各個公共場所路燈照明設備的智能化管理和能源節(jié)約提供方便或幫助。

　　1 系統(tǒng)原理及電路

　　太陽能路燈智能控制系統(tǒng)主要由電源、蓄電池過充和過放保護電路、紅外控制及光控電路以及燈具組成。

　　電源分為電池電源和220 V市電經(jīng)AC-DC轉換電路后的穩(wěn)定電源。AC-DC轉換電路主要由變壓器及集成穩(wěn)壓管構成。蓄電池過充保護電路是一個簡單的由穩(wěn)壓二極管、三極管及電阻構成的電路，而在太陽能板給電池充電時為防止電池對太陽能板反向充電，需在太陽能板和電池之間接一個二極管。蓄電池過放保護電路的主要元件為滯回比較器和繼電器。由滯回比較器來判斷電池是否達到過放狀態(tài)，由繼電器作為選擇開關，來選擇用電池供電還是后備電源供電（電池在過充狀態(tài)時和陰雨天氣時）。紅外控制和光控電路主要組成部分是紅外探頭、數(shù)字電路及光敏電阻，而紅外控制部分可以集成一塊芯片，即BISS001芯片。燈具有照明燈具及演示時的指示燈。由于設計的是草坪燈，照明燈具需要足夠的亮度，可以選用由81個發(fā)光二極管構成的現(xiàn)成的燈具。指示燈用簡單的發(fā)光二極管即可。

　　根據(jù)以上方案，總體框圖如圖1所示。

圖1 總體框圖

　　此系統(tǒng)有兩點節(jié)能之處：第一，使用太陽能電池板發(fā)電作為能源，實現(xiàn)路燈照明的零損耗；第二，后續(xù)電路中使用光控及紅外控制節(jié)能系統(tǒng)，實現(xiàn)人到燈亮，人走燈滅的效果，同時在連續(xù)陰雨天氣下，使用后備電源220 V供電，保證電路正常工作。

　　白天，光控開關電路處于打開狀態(tài)，后續(xù)控制電路不工作，路燈不亮；晚上，光控開關電路自動閉合，當行人路過，被紅外探測器檢測到，紅外控制開關閉合，路燈亮起，同時時延電路啟動，數(shù)十秒后路燈自動熄滅。當遇到連續(xù)陰雨天氣，太陽能蓄電池電壓過低，達到低壓控制開關開起閾值時，開關自動閉合，電路切換到220 V市電供電，經(jīng)過AC-DC轉換電路，將穩(wěn)定的直流電源輸送至光控開關電路，以實現(xiàn)取代蓄電池供電的目的，同時也實現(xiàn)了節(jié)能的效果。

　　1.1 過充保護電路

　　為防止電池過充電，影響電池的使用壽命，設計了一個簡單的電池過放保護電路。

　　原理如圖2所示，圖中的Q1、D2、D1組成保護電路，其中D1（1N4743）為穩(wěn)壓管二極管（+13.5 V），D1和D2共同組成三極管Q1的偏置電路。R1是Q1管的限流電阻。電路外接充電器充電時，如電池的最高閾值電壓在14.4 V左右，在充電初期蓄電池按常規(guī)的欠壓狀態(tài)慢慢上升，當電池電壓達到穩(wěn)壓管D1的擊穿電壓時，D1管開始導通，此時Q1管也導通，促使A、B端電壓下降，設置合適的參數(shù)使電池兩端電壓最高值不會大于14.4 V。在蓄電池已充滿時保護電路會使蓄電池處于涓流充電狀態(tài)，這就使電池具有充電保護功能。

圖2 過充保護電路圖

　　當電池兩端電壓高于太陽能板兩端電壓時，可能會產(chǎn)生電池給太陽能板反向充電現(xiàn)象。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，太陽能板很有可能被燒壞，造成損失。因而，過充保護電路還應該包括防反充電路，即在太陽能板和電池之間連接一個二極管來防止電池對太陽能板反向充電，如圖3所示。

圖3 防反充電路

　　1.2 過放保護電路

　　該電路原理如圖4所示。圖中Q2使比較器起滯回作用，使比較電路有兩個門限電壓：VTHR和VTHL（VTHH>VTHL），一個滯回區(qū)。當電池電壓從低升高至VTHH時，比較器輸出高電平；當電池電壓降低至VTHL時，比較器輸出低電平。這個時候電池端電壓雖然會迅速升高至VTHL以上，但由于達不到VTHH，所以，比較器仍然輸出低電平，直到電池被充電后電壓升高至VTHH以上才能再次輸出高電平。這樣就避免了電路的振蕩，保護了負載和電池。

圖4 過放保護電路圖

　　比較器正端反映的是電池的采樣電壓U3，比較器負端反映的是電池的參考電壓U2。當U3>U2時，比較器輸出高電平，Q1導通，Q1的C極為低電平，Q3截止，負載不工作；當U3

　　1.3 后備電源

　　在陰雨天太陽能電池板無法將電池充到可工作的狀態(tài)時，就要用到后備電源給電路供電，后備電源采用的是交一直流轉換，將交流電轉換到額定的直流電壓值以確保電路正常工作。

　　1.4 紅外光控控制電路

　　該系統(tǒng)采用了BISS0001芯片，它是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器。該組成部分采用硬件來實現(xiàn)，可以選用集成芯片BISS0001、三極管8050、光敏電阻和紅外感應器來設計。紅外感應器把傳感器傳送的紅外信號處理后反饋到控制端，經(jīng)過內部線性放大，雙向鑒幅，信號處理，延遲定時，封鎖定時等處理。其腳2輸出高電平使三極管8050導通，驅動繼電器K吸合，再由繼電器觸點控制相應的被控對象。此處繼電器可換成雙向可控硅。

圖5 紅外光控電路

　　圖5中，運算放大器OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由C3耦合給運算放大器OP2進行第二級放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器，輸出信號Vo經(jīng)晶體管T1放大驅動繼電器去接通負載。其中，R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。SW1是工作方式選擇開關。當SW1與1端連通時，芯片處于可重復觸發(fā)工作方式；當SW1與2端連通時，芯片則處于不可重復觸發(fā)工作方式。圖中R6可以調節(jié)放大器增益的大小，原圖選10 k，實際使用時可以用3 k，可以提高電路增益改善電路性能。輸出延遲時間Tx由外部的R9和C7的大小調整，觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R10和C6的大小調整，R9／R10可以用470 Ω，C6／C7可以選0.1 V。

　　2 創(chuàng)新點

　　（1）電池過放保護系統(tǒng)的電路簡單，使用靈活。只需選擇供電電壓較高的比較器，就可以應用到任何電壓等級的電路中；只需改變電阻值就可以設置任意的導通和關斷門限，從而可以具有一個較寬的安全范圍。

　?。?）在控制系統(tǒng)中照明電源與芯片工作電源分開，將蓄電池的電源分路進行分別穩(wěn)壓處理，在使用微小功率繼電器自動選擇合適電壓，小    電壓供給芯片工作，大電壓供給燈具照明，避免了使用同樣的大電壓供給所產(chǎn)生的功耗的損失。同時在照明回路中，避免使用功耗較大的三極管做開關，而是使用可控硅。

　?。?）設計有備用電源，在連續(xù)的極端惡劣天氣下，蓄電池電量用完，得不到及時充電，可以自動開啟后備電源，保證路燈正常工作。

　　3 結束語

　　本太陽能路燈智能控制系統(tǒng)的設計，對城市環(huán)保、照明節(jié)能、緩解常規(guī)能源緊張的情況有積極意義。整個系統(tǒng)運行均為自動控制，工作原理簡單，安裝方便，技術可靠。適用范圍：一方面，在道路、景觀照明以及今后可能推廣的太陽能系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)內集中采供電應用等方面，其技術和市場很有發(fā)展前景。另一方面，在一些特定場合（海島、景區(qū)山頂、偏遠地點等）的應用優(yōu)勢明顯，包括示范應用也有積極意義，所以研究很有意義。