一种可充电节能灯的设计与实现

张 恒，杨秀德*，张远强

（遵义师范学院物理与电子科学学院，贵州遵义563006）

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础。人类进入工业化社会以来，煤、石油、天然气等化石类能源已成为人类社会赖以生存和发展必不可少的物质基础[1]。截止到2015年底，近50年来全球一次能源年消费总量从53.8亿吨标准煤增长到181.9亿吨标准煤，增长了近2.4倍，年均增长达2.6%，全球能源消费呈现总量和人均能源消费量持续“双增”态势。按照目前世界平均开采强度，全球煤炭、石油和天然气分别可开采113年、53年和55年[2]。如果再不节约使用能源资源，在不久的将来，全球将面临能源困境。

中国是一个人口庞大的发展中国家，经济的递增在很大程度上是依靠大量的能源消耗为代价，其中消费最广、最多的二次能源是电能。中国有着世界第一的用电量，据中国能源局统计，中国2016年的用电量为59198亿千瓦时，比上一年增长5.0%，其中照明用电量达7695.74亿千瓦时，大约占全社会用电量的13%[3]。可见，照明用电已成为电能消耗的一种重要方式。

调查发现，我国目前使用的照明灯发出的光能和热能普遍没有得到二次利用，造成大量能源的浪费。2012年国务院印发了《节能减排“十二五”规划》和《“十二五”节能环保产业发展规划》，2016年国务院又印发了《“十三五”节能减排综合工作方案》。这些文件的颁布实施，其目的就在于倡导人们在生产生活中使用新型节能环保产品。为此，作者设计了一种可充电的节能灯[4]，首先将照明灯发出的光能通过光电二极管转化为电能，并将电能通过蓄电池存储起来，蓄电池中储存的电能经逆变器转变为交流电后可供节能灯二次使用，从而实现了能源的二次利用，达到了节能减排的目的。

1 新型节能灯的电路设计与实现

1.1 电路设计

使用照明灯的目的是给人们的生产生活提供照明，而人们所需的照明往往只局限在某一片区域，照明灯发射到其他区域的光就被白白浪费掉了。如果能将这部份浪费的光能利用起来再次用于照明，即可减少电能的消耗，使照明灯在相同用电量的条件下能照明更长的时间。基于这样的思路，作者设计了一种新型节能灯，利用光电二极管将普通照明灯浪费掉的光能转换为电能贮存于蓄电池中，以供照明灯二次使用，其电路图如图1所示。

图1 新型节能灯电路图

图1中（1）为蓄电池，（2）为光电二极管，(3)为逆变器，（4）为蓄电池开关，（5）为照明灯，（6）为家用电源开关。

从图1可以看出，与普通照明电路相比较，新型节能灯在电路中增加了光电二极管、蓄电池和逆变器元器件。光电二极管是一种能将光能转化为电能的光电传感器，由一个PN结构成，具有单向导电性，其结构如图2所示。

图2 硅光电二极管结构示意图

图3 光电二极管工作原理图

图3为光电二极管工作原理图。在光照下，光电二极管接收光能，光子打在PN结附近，产生电子-空穴对，在PN结内部电场作用下，电子定向移动，形成光电流，从而将光能转化为电能，而且电流增大的程度与光的强度成正比[5]。依据光电流会随光的强弱发生变化的特性，光电二极管可以作为光电传感器应用于电路中[6]。

蓄电池是将化学能直接转化成电能的装置，可以通过可逆的化学反应实现再充电，属于二次电池，常用的有铅酸蓄电池、锂电池等。它的工作原理是：充电时利用外部的电能使内部的活性物质再生，把电能转化为化学能储存起来；需要放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。

逆变器，别称为变流器、反流器，是一种可将直流电（电池、蓄电池）转换为交流电（一般为220V、50Hz正弦波）的器件，由逆变桥、逻辑控制、滤波电路三大部分组成，如图4所示[7]。它的工作原理流程是：控制电路控制整个系统的运行，逆变电路将直流电转换为交流电，滤波电路滤除不需要的信号。目前，逆变器已广泛运用于空调、家庭影院、电脑、电视、抽油烟机、风扇、照明、录像机、车载冰箱等设备中。

图4 逆变器电路图

由此，通过在照明电路中使用光电二极管、蓄电池和逆变器等元器件，不仅实现了将照明灯工作时发出的光能转化为电能贮存于蓄电池中，而且在逆变器的作用下蓄电池中储存的电能反过来又能提供给照明灯使用。

1.2 实现方案

该新型节能灯是在原有普通照明灯的基础上加装一个多功能灯罩，在灯罩内壁安装若干个光电二极管，当照明灯工作时将光能转化为电能储存于蓄电池中，在断开家用电源的情况下，蓄电池中储存的电能通过逆变器转变为交流电后还能为照明灯提供持续的照明。新型节能灯所用的元器件包含：蓄电池、灯罩、光电二极管、照明灯、逆变器、导线、电池开关和电源开关。根据所用开关的不同，设计了以下两种方案。

1.2.1 单刀单掷开关方案

图5为新型节能灯单刀单掷开关设计方案。

图5 单刀单掷开关方案示意图

该方案所用的元器件包括：1蓄电池、2灯罩、3光电二极管、4照明灯、5逆变器、6电池单刀单掷开关、7电源单刀单掷开关。照明灯4于灯罩2内通过导线与电源开关7连接，电源开关7通过导线连接至家用电源，灯罩2的内壁安装有多个光电二极管3，外壁安装有与光电二极管3所连接的蓄电池1；蓄电池1经逆变器5转变为交流电并通过电池开关6给照明灯4供电。

该方案节能灯的工作原理是：电源开关7控制照明灯4接入家用电源，闭合开关7，照明灯4工作发光，灯罩2内壁上的光电二极管3将接收到的光能转化为电能储存于蓄电池1中；在停电或是断开电源开关6的时候，闭合电池开关6，蓄电池1中储存的电能还可供照明灯4继续使用。

该方案的优点在于蓄电池储存的电能通过电池开关6可以方便地用作它用，如日常的手机充电。但该方案电路开关控制稍显复杂，还存在电源开关7与电池开关6同时闭合导致短路引发安全事故的隐患。

1.2.2 单刀双掷转换开关方案

图 6为新型节能灯单刀双掷转换开关设计方案。

图6 单刀双掷转换开关方案示意图

该方案所用的元器件包括：1蓄电池、2灯罩、3光电二极管、4照明灯、5逆变器、6转换开关。与第一种方案的差别仅在于，将电池单刀单掷开关6和电源单刀单掷开关7两个开关替换为可分别控制电池和电源的单刀双掷转换开关6，使蓄电池1经逆变器后直接与转换开关6连接。

该方案节能灯的工作原理是：当转换开关6接入家用电源时，照明灯4工作发光，灯罩2内壁上的光电二极管3将光能转化为电能储存于蓄电池1中；当转换开关6转换接入蓄电池1后，蓄电池1中储存的电能由逆变器逆变后可以继续为照明灯4供电。

与第一种方案相比较，该方案最大的优点在于电路开关控制相对简单方便，使用安全。但该方案的蓄电池1只能为照明灯4供电，限制了蓄电池的其他应用。

2 结论

在普通照明灯基础上，通过加装光电二极管、蓄电池、逆变器等元器件设计了一种新型节能灯。该节能灯用220V电源开关与家用电源相连，用于起始供电；蓄电池与光电二极管相连，用于将光能转化为电能储存于蓄电池中；在电源开关断开情况下，蓄电池通过逆变器将直流电转变为交流电后经电池开关与照明灯相连，用于蓄电池对照明灯的供电。因此，该新型节能灯通过安装在灯罩上的光电二极管把普通照明灯浪费掉的光能转化为电能储存于蓄电池中，供照明灯二次照明使用，实现了灯泡从电能—光能—电能的循环利用，从而减少了能量的浪费，降低了照明灯电能的消耗，达到了节能减排的目的。

[1]吴广义.世界能源形势热点分析[J].前线,2004,(9):24-26.

[2]中国石油新闻中心.2015年全球能源发展现状分析[EB/OL].[2015-09-30].http://www.chinabgao.com/freereport/68845.html

[3]国家能源局.全球经济数据[EB/OL].[2017-01-17].http://www.qqjjsj.com/zglssj/152044.html

[4]张恒.一种可充电的节能灯:中国,0267766.0[P].2016-10-12.

[5]于海平.国家卓越工程师专业《模拟电子技术》课程建设研究[J].软件导刊(教育技术),2014,(8):8-9.

[6]唐繁,张吉左.基于单片机的光电检测电路设计[J].电脑知识与技术,2014,(19):232-234.

[7]逆变器[EB/OL].[2017-11-28].https://baike.baidu.com/item/逆变器/3146056?fr=aladdin