智能光伏节电照明系统设计

摘要：针对现有太阳能系统普遍存在的效率低，寿命短，运行不稳定等问题，提出一种应用于太阳能照明系统的新型智能控制器。实现了基于芯片CN3717的蓄电池能量智能管理，芯片对蓄电池在不同状态下进行充电，延长了蓄电池的寿命，由光敏电路控制的负载电路也极大程度提高了蓄电池的使用效率，满足了太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求，实验结果验证了该方案的有效性。
关键词：太阳能照明系统；蓄电池；LED；控制电路

    随着煤炭，石油，天然气等不可再生能源的日趋枯竭，能源问题己经成为制约人类经济社会发展的重要问题之一，太阳能作为无污染的可再生的绿色能源，越来越受到世界各国的青睐，充分开发利用太阳能是各国政府可持续发展的能源战略，是解决能源与环境保护的主要对策之一目前，利用太阳能的有效途径就是将它转换成电能的光伏发电技术，而太阳能照明系统就是光电转换的一个重要用途。
    在光伏发电技术使用过程中，不少产品没有按照光伏发电的工作特点和运行规则来设计，往往使系统无法长期正常运行，有些产品虽然使用了智能控制，光伏电池的工作特点虽然达到了满足，但是其成本较高也是个不可忽视的问题。
    文中介绍了一种基于CN3717芯片控制的独立型太阳能LED照明系统，能更好的解决以上存在的问题。在白天，太阳能电池板把吸收的太阳辐射光经广电转换后由CN3717给铅酸蓄电池充电，再由蓄电池给由光敏电路控制的LED负载供电，CN3717对蓄电池具有过充过放保护功能，同时提高了系统的效率。
    基于芯片的能量管理电路，通过检测太阳能电池和蓄电池的电压，并根据光敏电路来确定系统的工作状态，从而实现整个系统的自动控制。

1 系统组成
    太阳能LED照明系统由太阳能电池板，蓄电池，CN3717控制电路，和光敏控制的LED灯组成，如图1所示。

    太阳能电池：太阳能电池是太阳能照明系统的输入，为整个系统提供照明和控制所需电能。在白天光照条件下，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电：天黑后，太阳能电池停止工作，输出端开路。本设计采用10 W多经太阳能钢化玻璃封装的电池板，吸光效果好，IP65等级防护。
    CN3717控制电路：CN3717是PWM降压模式铅酸电池充电管理集成电路，独立对铅酸电池充电进行自动管理，CN3717具有涓流，恒流，过充电和浮充电的几个模式。非常适合铅酸电池的充电，特别是在阴雨天太阳光照不足的情况下，也能充分对蓄电池进行充电，保证照明系统的正常使用。同而提高太阳电池板的效率。
    蓄电池：作为太阳能照明系统的储能环节，白天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜间再转换回电能输出到照明负载。全天中智能控制器的电源一直由蓄电池供给。本设计采用的是12 V，4 A免维护蓄电池，过充过放保护装置，有效地保护蓄电池的使用寿命。
    LED照明系统：本设计采用的是超亮LED，每个LED的功率只有0．6 W，但亮度超过100 LM，相当于日光灯10 W的光通量，多棱角折射PC面罩，时光元更透彻、不刺眼。即使在阴雨天电池达不到充分充电的情况下低功率的LED灯也能持续的工作。

2 太阳能控制电路设计
    太阳能控制电路是控制太阳能电池方阵对铅酸蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制电路。它对蓄电池的充，放电条件加以规定和控制，是整个系统的核心控制部分。
    本文设计的充电控制器用CN3717芯片作为主控器件，通过涓流，恒流，过充电和浮充电四种模式对蓄电池进行保护性充电。如图2所示为CN3717控制电路。

    流充电模式，恒流充电电流由公式(1)决定：
   
    其中，ICH是恒流充电电流，RCS是连接于CSP管脚和BAT管脚之间的充电电流检测电阻当电池电压继续上升接近过充电电压时，充电器进入过充电模式，充电电流逐渐减小。当充电电流减小到EOC管脚电阻设置的过充电结束电流时，CN3717进入浮充电模式，此时BAT管脚电压被调制在浮充电电压。过充电结束电流由公式(2)决定：
   
    其中，IEOC过充电结束电流，单位为安培，Rext是从EOC管脚到地之间连接的电阻，单位为欧姆。Rext的电阻值不能大于100 kΩ，否则充电将不能正常结束。RCS是在CSP管脚和BAT管脚之间的充电电流检测电阻，单位为欧姆。
    在浮充电状态，如果断开输入电源，再重新接入，将开始一个新的充电周期；如果电池电压下降到再充电阈值(过充电电压的82％)，那么也将自动开始新的充电周期。
    当输入电压掉电时，CN3717自动进入睡眠模式，内部电路被关断，这样可以减少电池的电流消耗，延长待机时间。

3 LED负载电路
    使用光敏电阻控制的LED负载电路能够根据外界阴暗情况，来调节高亮二极管的亮暗程度，使得蓄电池的续航能力变得更强，即使蓄电池经过一次充电，遇到连续的阴雨天也能使LED灯工作达到十天以上。如图3所示为光敏控制的LED负载电路。

    导通此时VCC经过一个电阻分压后使得高亮二极管发光进行照明。
    此时光耦合器工作电流约为10 mA。电源电压为12 V，所以三极管发射极电压约为11 V。电阻R1值的选取根据公式(3)决定：
   
    高亮LED工作电压为3 V，工作电流为20 mA。3个高亮LED串联的电压约为9 V。所以电阻值R2的选取根据公式(4)决定：
   
    有光敏控制的LED负载电路，更加高效的利用了蓄电池的电量，使照明系统的工作时间达到了一定程度的延长。

4 实验结果
    建立图1所示结构的太阳能照明系统，并进行实验。系统组成包括：12 V，4 A免维护铅酸蓄电池，10 W多晶太阳能电池板，光敏电路控制的LED负载。
    表1为充电器进入涓流充电模式时蓄电池电压与充电电流的试验数据，蓄电池初始电量为容量的13％。
    涓流充电阶段结束后，充电自动转入恒流充电和浮充电状态，充电电流迅速减少，如上表1所示16：00，17：00为恒流充电状态。

    太阳能照明系统最终硬件电路图，如图4所示为太阳能系统硬件电路图。

5 结论
    文中介绍了一种新颖的应用于太阳能系统的智能控制器。该控制器基于芯片CN3717和由光敏电路控制的智能负载，实现了系统的自动，稳定运行，满足了光伏发电的工作特点和运行规则，同时使整个系统的成本达到很好的控制。基于CN3717的智能控制对蓄电池提供涓流，恒流，过充，浮充电几种方式进行充电，能显著提高蓄电池的使用寿命，并且高亮LED光源功耗小，发光效率高。整个系统成本低，性能稳定，与同类产品相比较具有较高的使用价值。