融合聚光导光与双模辅助的智能照明系统

余狄希，陈基洋，苏鑫淼，祝炳宏，雷瑶，张湛钊，李俊斌

（北京师范大学珠海分校工程技术学院，广东珠海，519000）

0 引言

根据我国电力主管部门的统计，全国电能损耗量超过3000亿kwh，约占全国发电量的30%[1]，其中照明系统损耗占整个电能损耗的25%。在照明方面产生的惊人的耗电量的根本原因是我们对照明系统有着强烈的需求，其次是现有的照明系统存在着缺陷，导致系统无法高效用电，产生了大量的电能损耗。

根据我国有关部门的统计，我国大约有2/3以上的地区每年被太阳光照射的时间超过2200小时以上，全国各地的太阳能辐射平均值为586KJ/cm³年，所以我国的太阳能储存量巨大，为了实现绿色用电，有效地利用太阳能成了必不可缺的应对方针。

本项目针对这一问题，研究出了相关的解决办法。这个项目是通过单片机实现智能控制，主要由光导照明系统、三维自动追光系统、太阳能光伏电力与市电互补照明系统组成。光导照明系统通过采光装置捕获自然光源，然后经过光导装置强化并高效传输后，由漫射器将自然光均匀导入建筑内。光伏发电系统利用可三维自动追光的光伏板，实现对光伏阵列的最大功率点跟踪，并且通过风速传感器，采取规避算法，减少太阳能板的受风力，保证光伏板的稳定运行。辅助智能照明系统着重利用转压电路对蓄电池发出的电压进行转换，使LED在不同情况下得到不同的驱动电源，并且在需要时切入市电，保证了系统的稳定运行。

本项目集节能、经济和智能于一身，是一款融合聚光导光与双模辅助的智能照明系统。

1 项目前景与意义

预计到2050年，可再生能源发电大约占全世界发电总量的百分之三十到四十左右。而太阳能是目前世界上最具潜力，最具有开发价值的可再生新能源。我国地域辽阔、海岸线长，所以有着相当丰富的太阳能资源。我国的太阳能储存量非常巨大，对它有效的开发利用既会在一定程度上降低对环境的污染，也能有效地缓解当前的能源危机。

本项目不仅解决了现存照明系统用电量大的问题，而且在照明功能方面进行了创新优化。在照明方面，本项目充分利用了新能源―太阳能，当外界太阳光线充足时，通过光导照明系统完成照明动作。但外界天气是不可预测的，并且照明系统在夜晚的使用更为重要。因此，辅助智能照明系统的结合使用显得极其关键。

2 光导照明系统的应用

■2.1 光导照明系统的组成与原理

2.1.1 组成

光导照明系统主要由聚光罩、导光管、漫射器三大部分组成[2]。

2.1.2 工作原理

光导照明系统通过聚光罩收集室外的太阳光，并将其引入系统，再通过导光管高效进行传输，最后由漫射器将太阳光均匀散射至建筑内。

图1 捏菲尔透镜的工作原理图

本系统中的聚光罩采用折射聚光系统，选用捏菲尔透镜，设计如图1所示。导光管是光线传导的重要部件。为了保证本项目能够高效传导外界自然光，光导照明系统采用管壁材料反射比不低于0.95的导光管。光导照明系统的建模图如图2所示。

■2.2 光导照明系统的功能与应用意义

2.2.1 功能

照明与节能是光导照明系统的最突出两大功能。根据聚光罩、导光管与漫射器三大功能部件便可以实现自然光的所带来的照明效果。通过聚光罩进行光线的集中与收集，由导光管进行高效传输，最终通过漫射器将所聚集的太阳光进行分散照明，实现照明功能。与以往的传统照明系统所不同的是，光导照明系统采用的能源属于绿色能源―光能。以往的照明系统都在市电的基础上进行照明与相应功能。而光导照明系统采用光能，通过三个关键部件实现自然光的照明效果。并且光导照明的一些特点将传统照明系统的不足进行了填充完善，人体多晒太阳不仅可以提高肾上腺素水平等，改善人的心情，而且可以促进钙吸收。也就是说，光导照明系统在实现照明功能的基础上，还可以达成非同一般的健康效果。

图2 光导照明系统的建模图

光导照明系统不仅照明效果好，而且相对节能。随着时代的进步，我国科技水平与日俱增，社会经济也蓬勃发展起来，随之而来的是社会生产对能源提出了极大的利用需求。为了防止社会严重的能源损耗将有限的不可再生资源用尽，节约传统能源和不断提高可再生资源利用技术便成为了及其重要的一步。光导照明系统利用可再生资源―太阳能照明，不仅能让人们有柔和舒适的照明体验，而且使其具有经济实用、节能环保的社会价值。由于光导照明系统的能源来着自然界的太阳光，所以光导照明系统的绿色环保意义更为突出。在提供照明的基础上，还可以实现绿色节能，由此可知光导照明系统的功能即实用又关键。

2.2.2 应用意义

当电气照明考虑节能环保的因素时，照明系统除了要求光照功率达到目标值外，对灯具的工作效率以及电能的控制算法有了更高的要求。

光导照明系统利用可再生能源，在此基础上减少它的能源损耗是十分关键的。目前, 我国照明耗电量约占总发电量的30%, 2019年我国总发电量约为7.14×1012kwh, 由此估算年照明耗电量达7.14×1011kwh。根据相关的数据统计,白天照明用电量占照明总用电量的50%以上, 如果大范围使用光导照明系统, 将能使白天照明用电量下降50%左右,相当于每年节电约1.785×1011kwh。如果电价按照0.8元/kwh计算, 每年至少可节省电费14.28亿元。

由此可见，可再生能源的应用对于节能减排和社会经济方面的贡献是非常可观的。另外由于我国发电厂仍然以火力发电为主所以每节约1kwh用电, 就相当于节省了0.4kg标准煤炭和4L净水,减少了因煤炭燃烧所排放的1kg二氧化碳和0.03kg二氧化硫。因此，应用光导照明系统不仅能为照明提供新思路，也可以实现节能减排、绿色环保以及经济实用。

3 太阳能光伏电力与市电互补照明系统

在本项目中，太阳能光伏电力与市电互补照明系统又称辅助智能照明系统，由光伏发电系统和市电供电系统两部分组成，包光照度传感器、双模LED灯(包括12V和24V)和人体红外传感器、继电器等。

双模LED灯通过继电器分别与单片机和光伏发电系统的蓄电池连接，光照度传感器与STC8051单片机连接。利用光照度传感器和人体红外传感器控制双模高效能LED灯，当光照度传感器检测到光导照明的光照度不足时，提供12V低能耗的弱光辅助照明，当人体红外传感器检测到有人进入照明区域，打开24V强光辅助照明达到工作照度要求，等待人离开后关闭强光辅助照明，节省储备电能消耗。并实时检测蓄电池的电量，当蓄电池不能提供足够的电能给装置时，市电自动切入系统，为整个装置供电。

■3.1 光伏发电系统

本项目的光伏发电系统主要由三维自动追光系统、太阳能光伏板、蓄电池、控制器、逆变器自动转换开关等设备组成。

当外界太阳光线强度充足时，三维自动追光系统将控制太阳能光伏板进行三维旋转追光，实现光伏阵列的最大功率点跟踪。光伏电池组件接收光能并通过控制器转换为电能输出，该电能一部分用于为整个智能照明装置提供能量，另一部分贮存在蓄电池中，在单片机接收到光照度传感器感应到的室内光线强度数据，并判断其低于预设值时使用。本项目的太阳能光伏板上装有风速传感器，利用空气动力学理论对风速和风向进行分析，对数据进行建模仿真，推导出会影响光伏板的风速和风向的函数关系式。通过处理器对此函数式和最大追光角公式进行运算，得出最优的追光倾角，以延长光伏板的寿命。而且光伏组件采用高透光率的钢化玻璃封装，表面由抗老化的胶膜和高强度的背板，具有效率高、寿命长等优点。

在该系统中，蓄电池是用来储存太阳能光伏板受太阳照射时通过控制器转换输出的电能，并在设备工作时对负载进行供电。控制器在防止蓄电池过充电和过放电的操作中起了重要的作用，其可以减少蓄电池不必要的损害。

光伏逆变器用来将太阳能光伏板产生的直流电转换为220V交流电。太阳能逆变器有配合光伏电池矩阵的特有功能，例如最大功率点追踪及孤岛效应保护的机能。

■3.2 市电供电系统

市电供电系统主要由开关整流器和直流配电屏组成，开关整流器主要由输入回路、功率变换器、整流滤波电路和控制电路组成。输入回路将交流输入电压整流滤波变为较为平坦的高压直流电压，经功率变换器将其转换为高频脉冲电压，再经整流滤波电路将高频脉冲电压转换为稳定的直流电压，输出给负载。控制电路的作用是保证输出直流电压的稳定和可调。

在本项目中，实现太阳能光伏电力与市电互补的关键技术是如何选择市电的切入条件和判断市电的切入位置等。

3.2.1 市电切入的条件

在太阳能光伏电力与市电互补照明系统中，只有在光伏电池提供的能量不足以驱动整个照明系统，甚至不足以驱动双模LED灯的情况下，市电才能被切入。所以，如何判断光伏电池无法提供足够的能量驱动装置，是这个问题的关键。

本项目采用检验蓄电池端电压的方法判断光伏电池是否能提供足够的能量。因为白天太阳光线强度基本稳定，蓄电池的放电电流基本恒定，光伏系统存储能量的大小反映在蓄电池的端电压上，所以可以通过检验蓄电池的端电压来判断市电是否需要切入[3]。

3.2.2 市电切入点的选择

在本项目中，辅助智能照明系统的光源设备是LED灯，其属于低压直流光源设备。所以本项目采用低压直流光源切换的方法，当蓄电池的端电压低于预设值时，系统允许市电切入。

■3.3 光伏电池和蓄电池容量的选择

由于本项目中的双模LED灯不需要考虑连续阴雨天太阳光线强度不足的情况，蓄电池的容量仅保证可支持设备一天的电量即可。为了防止蓄电池受到不必要的损害，其放电深度不能太深，不应该超过75%。就本项目而言，蓄电池电压不宜低于11v，当蓄电池电压低于该值时，系统就要允许市电切入。市电的切入操作在控制上是单向的，市电的切出操作与傍晚蓄电池的电量无关，它只能在天亮之后进行。这是为了保证蓄电池的放电深度。

■3.4 双模LED灯的选择

因为太阳能光伏板受太阳照射时通过控制器转换输出的电能是直流电，而配电屏内安装的交流变频开关电源，输出的也是直流电，所以LED灯内不需要安装传统LED驱动电源，只需要加装简单的恒流电源。在本项目中，因为LED灯根据环境的不同会进行12V弱光照射和24V强光照射的转换，所以会选择可接受12V和24V电压的LED低压AC交流灯泡。

4 系统工作过程

■4.1 整体工作过程

本系统的仿真模型如图3所示。单片机分别与三维自动追光系统、光伏发电系统和辅助智能照明系统连接用于实现智能控制。

图3 光伏蓄电池驱动LED模型

当外界太阳光线充足时，光导照明系统通过室外的采光罩装置捕获太阳光，并将其导入系统，系统内部进行自动分配，再经过导光管装置将太阳光强化并高效传输后，由漫射器将自然光均匀导入室内。

该项目不仅可以通过光导照明系统对太阳能直接进行处理、利用。而且将装有三维自动追光系统的太阳能光伏板经光伏发电系统与辅助智能照明系统连接，为整个装置提供驱动电能。当外界太阳光线充足时，三维自动追光系统使用变步长的扰动观察法，对光伏阵列的最大功率点进行追踪，光伏电池组件接收光能，经过控制器转换成的电能一部分用于为整个照明系统提供驱动电能，另一部分贮存在蓄电池中。

当外界太阳光线不足时，光照度传感器收集到的室内光线强度数据低于预设值，启动光伏蓄电池为双模LED灯供电。双模LED灯通过继电器分别与单片机和光伏发电系统的蓄电池连接，光照度传感器与单片机连接。利用光照度传感器和人体红外传感器控制双模高效能LED灯，当光照度传感器检测到光导照明的光照度不足时，提供12V低能耗的弱光辅助照明，当人体红外传感器检测到有人进入照明区域，打开24V强光辅助照明达到工作照度要求，等待人离开后关闭强光辅助照明，减少储能损耗。并实时检测蓄电池端电压，当蓄电池电量不足时，切入市电为装置供电。辅助智能照明系统根据光照情况及人体感应实现了绿色照明。

■4.2 局部工作过程

4.2.1 蓄电池充放电过程

在充电状态下，太阳能光伏板和铅酸蓄电池通过双向反激变换器进行连接，为了确保太阳能光伏板在最大功率点工作，系统通过驱动dsPIC微处理器对其进行跟踪控制。当外界自然光线充足时，系统通过光电效应将光伏电池矩阵辐射的化学能转换成电能，并将电能储存在光伏蓄电池中。在需要照明的场合，系统再通过蓄电池驱动LED灯，提供光源。

图4 光伏蓄电池驱动LED结构图

在放电状态下，蓄电池驱动双向反激变换器向LED灯释放电能。为使LED灯工作在恒流驱动模式下，加入恒流驱动电路。通过采样电路将LED灯负载支路上的电阻上的电流信号通过电压/电流变换电路，将电流信号转化为电压信号。并且通过反馈控制模块反馈到恒流驱动模块和恒压驱动模块，将转换后的电压信号与运算放大器所设定的基准值进行比较，得到MOS管门极驱动信号Vgs，通过对MOS管阻抗的线性调节实现恒流。

图5 LED灯恒流驱动电路

4.2.2 蓄电池端电压检测过程

通过蓄电池端电压检测电路、电压比较电路，检测端电压的电压值与主电路电路中的电压值，并将两边的电压值进行比较。当检测到蓄电池电量不在充值状态时,LED通过市电切入经过隔离变压器降压处理，然后经过由四个二极管构成的整流桥和两个大容量的滤波电容，将交流电转换成直流电。最后输入由三个LM7805稳压芯片构成的稳压电路，最后在输出端接入一个滤波电容，经过这样简单的处理，就将220V的交流电转换成直流电给LED提供电源。重复上述，当人体红外传感器检测到照明系统内没有人时，单片机控制接入LED引脚获得12V直流电驱动；当检测到照明系统内有人时，LED获得24V直流电驱动。

4.2.3 市电切入驱动LED原理

市电（220V，50Hz），经过隔离变压器降压处理，然后经过由四个二极管构成的整流桥和两个大容量的滤波电容，将交流电转换成直流电。最后输入由三个LM7805稳压芯片构成的稳压电路，最后在输出端接入一个滤波电容，经过这样简单的处理，就将220V的交流电转换成直流电给LED提供电源。当人体红外传感器检测到无人时，LED获得12V直流电驱动；当检测到有人时，LED获得24V直流电驱动。

5 创新点

（1）在单片机系统内设置寻光模块，并在光伏板上加入双轴跟踪机构，实现太阳能板的三维旋转，自动捕捉太阳直射位置。

（2）通过风速风向传感器，利用空气动力学理论对数据进行分析，当风对光伏板当前角度的作用力达到设定值时，自动调整光伏板追光角，在保证光伏板安全的前提下，寻找追光效率最大时的角度值。

（3）辅助照明系统中的LED模块有以下三种方式供电方式：①光伏蓄电池电能通过转压电路输出的12V电源；②光伏蓄电池电能通过转压电路输出的24V电源；③切入的市电。

（4）本项目为一款绿色智能照明系统，预备由光伏发电系统、光导照明系统、辅助智能照明系统构成，充分利用太阳能发电蓄电，为整个装置提供驱动电能。利用转压电路对蓄电池发出的电压进行转换实现LED在不同情况下得到不同的电源驱动。并通过市电切入解决用户用电量过高时蓄电池电量可能不足的情况。

6 节能效果分析

本项目中的光导照明系统、太阳能光伏电力与市电互补照明系统如果应用在地下车库、商场、室内市场、建筑走廊等场所，其节能效果会被发挥充分的利用。大致可以体现在下述三个方面：

（1）光导照明系统节能

光导照明系统作为一种新型的照明装置，当外界光线强度充足时，其只需耗少量的电能就可以将大量的自然光源带入室内。该系统平均每天可聚光导光10小时左右，而且照明面积大。其使用年限超过25年，是普通电力照明灯具使用年限的两倍。该系统不仅可以减少建筑的用电量，而且降低了维修成本。

（2）光伏发电系统节能

光伏电池组件接收光能并通过控制器转换为电能输出。在白天，外界太阳光线充足，本项目用光导照明系统照明，光伏供电仅用于为整个智能照明装置提供能量；另一部分能量贮存在光伏蓄电池中，在晚上，为双模LED灯提供能量。这样，光伏蓄电池中的电量就基本满足了用户晚上的用电需求，系统无需立即切入市电为LED灯供电，节电率高达45%。

（3）双模调光节能

双模高效能LED灯的调光功能主要由光照度传感器和人体红外传感器控制。当光照度传感器检测到光导照明的光照度不足时，提供12V低能耗的弱光辅助照明，当人体红外传感器检测到有人进入照明区域，打开24V强光辅助照明达到工作照度要求，等待人离开后关闭强光辅助照明，节省储备电能消耗。这样，不仅解决了过度照明的问题，而且可节电10%以上。

7 结束语

本文对一种新型绿色智能照明系统进行了深入的阐述和分析。随着社会的不断发展和进步，国内外对绿色建筑设计的不断研究和讨论，使绿色建筑的节能方法和措施不断改进和完善。本文介绍的项目结合了三维自动追光系统、光导照明系统和光伏电力与市电互补照明系统，它们均与单片机连接，用于实现智能控制。这不仅使系统充分地利用了新能源―太阳能，而且可以有利地保证系统照明动作的稳定运行。同时，单片机通过控制多种传感器，如光照度传感器、人体红外传感器等，从而控制双模高效能LED灯在不同条件下被不同的电源电压所驱动，使系统的节能效果更加突出，整个系统设计更为合理。