CN204578841U - 一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统 - Google Patents
一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，包括光电转换单元、电能储存单元、电能储存单元、负载单元以及照明控制单元，充放电控制单元设置于太阳能电池与蓄电池之间，采用“MCU”控制技术，通过对电池电压进行采样检测，并及时输出控制信号，接通或切断电池的充、放电回路，以最大限度的利用太阳能。照明控制单元设置于蓄电池与负载单元之间，采用声、光与逻辑的控制原理，实现在夜间照明的自动控制。本系统采用高效率太阳能电池板将光能转换为电能，继而向照明灯具供电，适用于公共洗手间或住宅、宿舍及办公楼等楼道的夜间自动照明，灯具采用高效率的LED作为照明光源，电光转换效率高，节能，可靠性高。
Description
技术领域
本实用新型属于光伏发电技术领域，具体涉及一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统。
背景技术
随着传统能源的日益枯竭，太阳能已经成为一种十分具有潜力的新能源，而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式。光伏发电具有资源普遍且丰富、洁净无污染等特点，是各种可再生能源中最重要、最基本的能源，充分开发太阳能是世界各国政府可持续发展战略决策。太阳能光伏系统包括光伏照明系统、光伏水泵系统、光伏扬水和照明综合系统和光伏并网系统等，其中光伏照明系统被认为是人类最理想的照明供电解决方案。
光伏照明系统由太阳电池板、蓄电池、充放电控制器、逆变器和光源灯具等几部分组成，太阳光照到太阳电池板，电池板产生电流，当光照度达到一定值时，启动充电控制电路，向蓄电池进行充电，当光照度减到一定值时，启动放电控制电路，经逆变器电路，向光源灯具供电。由于对日照强度及时间的高度依赖性，目前我国的光伏照明系统主要应用于日照强度高、太阳能资源丰富的地区的路灯工程照明，以及环保节能地区的照明工程，在日照条件较差的沿海地区因无法保持系统稳定而应用较少，而这些地区的经济较为发达、人口密度高，照明系统耗电量高，对电网造成很重的负担。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种电光转换效率高，节能，可靠性高的适用于公共洗手间或住宅、宿舍及办公楼等楼道的夜间自动照明系统。
技术方案：本实用新型所述的一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，包括：
光电转换单元：利用太阳能电池板即光伏电池，完成光电能量的转换；
电能储存单元：利用化学电池即蓄电池，将太阳能电池板转换来的电能进行储存，当负载工作时再向负载供电或放电；
充放电控制单元：设置于太阳能电池与蓄电池之间，采用“MCU”控制技术，通过对电池电压进行采样检测，并及时输出控制信号，接通或切断电池的充、放电回路，以最大限度的利用太阳能；该充放电控制单元是由控制MCU芯片、场效应管、三极管、二极管、若干电阻以及指示灯构成的控制电路；
负载单元：与蓄电池连接，采用高亮度发光二极管构成矩阵作为照明光源；
照明控制单元：设置于蓄电池与负载单元之间，采用声、光与逻辑的控制原理，实现在夜间照明的自动控制；该照明控制单元是由光敏电阻、话筒、放大器、与非门、三极管、二极管以及若干电阻、电容构成的控制电路。
作为优化，所述控制MCU芯片采用PIC12F675芯片。
作为优化，所述光伏电池的开路电压为17.6V，最大短路电流为1A。
作为优化，所述负载单元采用高亮度白色发光二极管构成矩阵作为照明光源。
作为优化，所述充放电控制单元包括充电控制回路和放电控制回路，该控制单元包括太阳能电池、蓄电池以及控制MCU芯片，所述太阳能电池通过二极管VD5与所述蓄电池连接，所述蓄电池还连接有熔断器、二极管VD6以及场效应管VT4，所述场效应管VT4的栅极连接有三极管VT3以及二极管VD4，所述三极管VT3通过电阻R6与所述控制MCU芯片的管脚3连接，所述控制MCU芯片的管脚3还连接有充电指示灯，所述控制MCU芯片的的管脚2分别连接有放电指示灯以及三极管VT2，所述三极管VT2通过电阻R1、二极管VT4以及场效应管VT1连接有负载，所述控制MCU芯片的管脚1以及管脚4连接有开关S。
作为优化，所述控制MCU芯片的电源管脚8通过三端稳压器与蓄电池连接。
作为优化，所述照明控制单元由光敏电阻RGA、话筒MIC、运算放大器LM324、与非门芯片CD4011构成，所述运算放大器LM324的管脚9与光敏电阻RGA连接，所述运算放大器LM324的管脚3与所述话筒MIC连接，所述运算放大器LM324还连接有分压电阻；所述运算放大器LM324的输出管脚7和管脚8与所述与非门芯片CD4011的管脚1和管脚2连接，所述与非门芯片CD4011的的输出管脚5连接有二极管D1以及场效应管Q2。
作为优化，所述话筒MIC采用高灵敏驻极体话筒作为声音检测的传感器。
有益效果：本实用新型具有如下有益效果：
1、利用太阳能。太阳能是一种可再生能源，取之不尽、用之不竭，它又是一种绿色环保能源。充分利用太阳能的能量，符合国家有关政策法规，并能得到政府的扶持。
2、既解决了楼道的照明问题，又无电费的开销与分摊，确保建设平安、和谐及文明社区。
3、采用高效率的LED作为照明光源，电光转换效率高，节能。
4、照明自动控制，大大提高了系统运行寿命及可靠性。
5、系统线路均为12V低压，安全可靠，不会引发安全事故。
6、电瓶的充放电智能控制，以提高光电转换效率和延长储能电瓶的寿命。
7、可利用非晶硅薄膜电池取代单晶硅电池，采用“BIPV”设计新理念；逐步在楼道公用设施(楼宇门禁、呼叫对讲)系统利用光伏发电技术。
本系统采用高效率太阳能电池板将光能转换为电能，继而向照明灯具供电，适用于公共洗手间或住宅、宿舍及办公楼等楼道的夜间自动照明，灯具采用高效率的LED作为照明光源，电光转换效率高，节能，可靠性高。
本系统采用智能控制技术，自动对蓄电池的充电回路及照明灯具的通断进行控制。在白天，本系统自动将光能转换成电能储存起来；在晚间洗手间光照小到一定程度并当有人进入洗手间时，照明灯自动点亮并延续10S左右；人离开后，照明灯自动关闭。
本系统选用了免维护铅酸蓄电池，在使用时无需加水，无酸液泄露，内阻低，大小电流放电均可；具有耐震动性好，抗过充电、过放电能力强、自放电小、寿命长等特点。本产品带有过充、放电保护电路，最大限度保护蓄电池。
本系统线路均为12V低压，安全可靠，不会引发安全事故。
附图说明
图1为本实用新型的系统工作原理框图；
图2为本实用新型的充放电控制单元电路原理图；
图3为本实用新型的照明控制单元电路原理图。
具体实施方式
如图1所示的一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，包括：
光电转换单元：利用太阳能电池板即光伏电池，完成光电能量的转换；
电能储存单元：利用化学电池即蓄电池，将太阳能电池板转换来的电能进行储存，当负载工作时再向负载供电或放电；
充放电控制单元：设置于太阳能电池与蓄电池之间，采用“MCU”控制技术，通过对电池电压进行采样检测，并及时输出控制信号，接通或切断电池的充、放电回路，以最大限度的利用太阳能；该充放电控制单元是由控制MCU芯片、场效应管、三极管、二极管、若干电阻以及指示灯构成的控制电路；
负载单元：与蓄电池连接，采用高亮度发光二极管构成矩阵作为照明光源；
照明控制单元：设置于蓄电池与负载单元之间，采用声、光与逻辑的控制原理，实现在夜间照明的自动控制；该照明控制单元是由光敏电阻、话筒、放大器、与非门、三极管、二极管以及若干电阻、电容构成的控制电路。
如图2所示的本系统中的充放电控制单元电路结构图。该控制单元包括充电控制回路和放电控制回路，该控制单元包括太阳能电池、蓄电池以及控制MCU PIC12F675芯片，所述太阳能电池通过二极管VD5与所述蓄电池连接，所述蓄电池还连接有熔断器、二极管VD6以及场效应管VT4，所述场效应管VT4的栅极连接有三极管VT3以及二极管VD4，所述三极管VT3通过电阻R6与所述控制MCU芯片的管脚3连接，所述控制MCU芯片的管脚3还连接有充电指示灯，所述控制MCU芯片的的管脚2分别连接有放电指示灯以及三极管VT2，所述三极管VT2通过电阻R1、二极管VT4以及场效应管VT1连接有负载，所述控制MCU芯片的管脚1以及管脚4连接有开关S。
充电控制回路工作原理：
场效应管VT4是充电回路的电子开关，它的导通取决于其栅极的电位。当栅极处于高电位(8V)时导通，处于低电位(0V)时截止。而VT4栅极的电位又取决于VT3的状态：当VT3饱和时，VT4栅极处于低电位；当VT3截止时，VT4栅极处于高电位(由R9及VD4串联的稳压电路提供8V的电位)。VT3的饱和、截止又取决于IC1(单片机芯片)的③脚的输出电位。在正常情况下(指蓄电池需进行充电)，IC1③脚的输出低电位(0V)——VT3截止——VT4导通(充电电子开关打开)——蓄电池被充电。充电回路为：
光伏电池正极——VD5FUSE(熔断器)——蓄电池的正极、负极——VT4——地(光伏电池负极)。
在充电的同时，由于IC1③脚输出低电位(0V)，使发光二极管VD3导通发光，作为充电状态的指示灯。
由R10与R11分压后的电位作为控制电压送入IC1的⑥脚，当蓄电池充满后(即蓄电池的输出电压≥14.4V，IC1的⑥脚输入电压≥4.72时)，IC1③脚输出高电位(+5V)，从而使VT4截止，切断充电回路，以保护蓄电池不致因过充而损坏。随着放电的进行，蓄电池的输出电压不断下降，当蓄电池的输出电压≤13.2V(IC1的⑥脚输入电压≤4.34V)时，VT4恢复导通，蓄电池又被充电。而当蓄电池的输出电压处于13.5～14V(IC1的⑥脚输入电压在4.44～4.59V)时，VT4将间隙导通，使蓄电池处于浮充状态，浮充的周期为3s，其中导通1s，截止2s。此时，充电指示灯也处于闪烁状态。
放电控制回路的工作原理：
VT1是放电回路的电子开关，它的导通也同样取决于其栅极的电位。栅极处于高电位(8V)时导通；处于低电位(0V)时截止。而VT1栅极的电位又取决于VT2的状态：当VT2饱和时，VT1栅极处于低电位；当VT2截止时，VT1栅极处于高电位(由R1及VD1串联的稳压电路提供8V的电位)。VT2的饱和、截止又取决于IC1的②脚的输出电位。当正常情况下(指蓄电池有向负载的供电能力，即处于不“亏电”的状态)，IC1②脚输出低电位(0V)——VT2截止——VT1导通(放电电子开关打开)——蓄电池向负载放电。放电回路为：
蓄电池的正极——FUSE(熔断器)——负载——VT1——地——VT4(VD6)——蓄电池的负极。放电的同时，由于IC1②脚输出低电位(0V)，使发光二极管VD2导通发光，作为放电状态的指示灯。
由R7与R8分压后的电位作为控制电压送入IC1的⑦脚，以此来控制IC1的②脚输出的电位。当蓄电池的电压≥10.8V(即IC1⑦脚输入的电位≥3.37V)时，IC1②脚输出低电位，VT1导通，蓄电池向负载放电；而当蓄电池的电压＜10.8V(即IC1⑦脚输入的电位＜3.37V)时，IC1②脚输出高电位(+5V)，VT1截止，蓄电池停止向负载放电，以保护蓄电池不至因过放而出现“亏电”的现象，延长蓄电池的使用寿命。蓄电池一旦停止向负载放电后，只有当它的电压上升至13.2V(即IC1⑦脚输入的电位≥4.17V)时，方能恢复放电(IC1②脚方输出低电位)。VD6构成放电回路的辅助通道，当充电回路不工作(即VT4截止，如蓄电池处于过充状态)时，放电通过其构成回路。
另外，若由于某种原因导致充电自动控制回路出现了故障，即当蓄电池电压上升至14.4V时，电路尚不能自动切断充电回路，以至蓄电池电压继续上升，则有可能使负载电流过大导致负载损坏。因此，当蓄电池电压升至16.5V(即IC1⑦脚输入的电位＞5.50V)时，IC1②脚输出高电位(+5V)，VT1也处于截止状态，停止向负载供电，从而有效保护负载。一旦放电回路处于“负载保护”状态后，只有当蓄电池电压下降至15V时(即当IC1⑦脚输入的电位≤5.0V)时，IC1②脚方输出低电位(OV)，VT1重又处于导通状态，恢复向负载供电。
另外，电路中的IC2是三端集成稳压器，输入为蓄电池电压，输出为+5V，为IC1提供稳定的工作电压。C1、C2是低、高频滤波电容。
IC1④脚电位的高低，决定了VT1是否工作在间隙状态。当④脚为高电位(+5V)时，连续导通；而当④脚为低电位(0V)时，间隙导通，周期为4s，占空比为1/2。④脚电位的高低通过拨动开关“S”来实现。
二极管VD5在电路中的作用是防反充电保护：由于某种原因，在光伏电池接入电路时，错将其正、负极性接反，或是输电回路出现了短路，则有可能出现蓄电池向光伏电池回路反充电，VD5的接入则有效的阻止了这种反充电。
VD7在电路中也是起保护作用的。若由于操作失误，在将蓄电池接入电路时，错把其正、负极性接反，则有可能造成电路中器件的损坏。而把VD7接入电路后，一旦蓄电池正、负极性接反，则蓄电池通过VD7短路，引起的大电流使FUSE(熔断器)迅速烧毁，从而保护了电路。
VD6的作用是：当VT4截止时，既在电路中构成了负载电流的通路，又有效的阻断了光伏电池利用该通路向蓄电池充电的电流(蓄电池处于过充保护状态)。
表一：充放电控制器电路各元器件的参数、作用一览表
表二单片机芯片(PIC12F675)的引脚、功能对应表
| 引脚号 | 功能 | 备注 |
| ① | 电源“+”输入端 | |
| ② | 放电回路控制指令输出端 | |
| ③ | 充电回路控制指令输出端 | |
| ④ | 放电回路间隙工作状态预置端 | |
| ⑤ | 空 | |
| ⑥ | 充电回路取样电压输入端 | |
| ⑦ | 放电回路取样电压输入端 | |
| ⑧ | 电源“-”输入端，接地 |
表三：单片机芯片(PIC12F675)相关引脚电位对应表
| ⑥脚输入电位 | ③脚输出电位 | 充电控制状态 | 蓄电池电压 |
| ≥4.72V | +5V | 致VT4截止，蓄电池充电停止。过充保护。 | ≥14.4V |
| 4.44～4.59V | 0/+5V轮换 | 致VT4导通1s，截止2s。蓄电池浮充。 | 13.5～14V |
| ≤4.34V | 0V | 致VT4导通，恢复蓄电池正常充电。 | ≤13.2V |
| ⑦脚输入电位 | ②脚输出电位 | 放电控制状态 | 蓄电池电压 |
| ＜3.37V | +5V | VT1截止，停止向负载放电。过放保护。 | 10.8V |
| ≥4.17V | 0V | VT1导通，恢复向负载放电。 | 12.3V |
| ＞5.50V | +5V | VT1截止，停止向负载供电。过压保护负载。 | 16.5 |
| ≤5.0V | +5V | VT1导通，恢复向负载供电。 | 15 |
| ④脚输入电位 | 0/+5V轮换 | VT1间隙导通，周期为4s，占空比为1/2。 |
如图3所示的本系统照明控制单元电路结构图。该照明控制单元由光敏电阻RGA、话筒MIC、运算放大器LM324、与非门芯片CD4011构成，所述运算放大器LM324的管脚9与光敏电阻RGA连接，所述运算放大器LM324的管脚3与所述话筒MIC连接，所述运算放大器LM324还连接有分压电阻；所述运算放大器LM324的输出管脚7和管脚8与所述与非门芯片CD4011的管脚1和管脚2连接，所述与非门芯片CD4011的的输出管脚5连接有二极管D1以及场效应管Q2。
该照明控制单元是将声、光与逻辑的关系对照明灯进行控制。当光照低与一定程度，且洗手间有人时，照明灯自动开启并延时10S左右，供行人行走。其工作原理如下：
利用光敏电阻“RGA”作为检测光照强度的传感器。“RGA”在有足够的光照时(白天)，其呈现低阻(＜100Ω)；当光照低于一定程度时(夜晚)，呈现高阻(＞10kΩ)。“比较器LM324”反相输入端(即“-”端)接固定电位约2V，同相输入端(即“+”端)的电位则由固定电阻和“RGA”分压决定。白天时，呈现低阻的“RGA”与分压电阻分压后的电位始终＜V，“比较器LM324”输出低电平(“0”电平)；夜晚时，呈现高阻的“RGA”与分压电阻分压后的电平始终＞V，“比较器LM324”翻转后输出高电平(“1”电平)。“比较器LM324”的输出端接至“与电路”的输入端①以及②；
利用高灵敏驻极体话筒作为声音检测的传感器。当洗手间有人时，话筒输出放大后的交流信号送至LM324的输入端③脚，使LM324退出饱和进入截止状态(LM324静态时处于临界饱和状态)，集电极于是输出高电位。当洗手间有人时，“比较器LM324翻转后输出高点”
由两与非门电路组合成与逻辑芯片CD4011，当在夜晚且洗手间有人时，即与门电路两个输入端均处于高电平时，与门方输出高电平。与门输出的高电平触发了场效应管Q2的导通，LED矩阵被点亮。由C5和R12组成了10S左右的延时电路，当与门电路输出为高电平时，C5被很快充至高电位，随着C5上电荷的释放，UC逐渐下降，直至场效应管被切断，照明灯熄灭。
本系统采用高效率太阳能电池板将光能转换为电能，继而向照明灯具供电，适用于公共洗手间或住宅、宿舍及办公楼等楼道的夜间自动照明，灯具采用高效率的LED作为照明光源，电光转换效率高，节能，可靠性高。
本系统采用智能控制技术，自动对蓄电池的充电回路及照明灯具的通断进行控制。在白天，本系统自动将光能转换成电能储存起来；在晚间洗手间光照小到一定程度并当有人进入洗手间时，照明灯自动点亮并延续10S左右；人离开后，照明灯自动关闭。
本系统选用了免维护铅酸蓄电池，在使用时无需加水，无酸液泄露，内阻低，大小电流放电均可；具有耐震动性好，抗过充电、过放电能力强、自放电小、寿命长等特点。本产品带有过充、放电保护电路，最大限度保护蓄电池。
本系统线路均为12V低压，安全可靠，不会引发安全事故。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，其特征在于：包括：
光电转换单元：利用太阳能电池板即光伏电池，完成光电能量的转换；
电能储存单元：利用化学电池即蓄电池，将太阳能电池板转换来的电能进行储存，当负载工作时再向负载供电或放电；
充放电控制单元：设置于太阳能电池与蓄电池之间，采用“MCU”控制技术，通过对电池电压进行采样检测，并及时输出控制信号，接通或切断电池的充、放电回路，以最大限度的利用太阳能；该充放电控制单元是由控制MCU芯片、场效应管、三极管、二极管、若干电阻以及指示灯构成的控制电路；
负载单元：与蓄电池连接，采用高亮度发光二极管构成矩阵作为照明光源；
照明控制单元：设置于蓄电池与负载单元之间，采用声、光与逻辑的控制原理，实现在夜间照明的自动控制；该照明控制单元是由光敏电阻、话筒、放大器、与非门、三极管、二极管以及若干电阻、电容构成的控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，其特征在于：所述控制MCU芯片采用PIC12F675芯片。
3.根据权利要求1所述的一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，其特征在于：所述光伏电池的开路电压为17.6V，最大短路电流为1A。
4.根据权利要求1所述的一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，其特征在于：所述负载单元采用高亮度白色发光二极管构成矩阵作为照明光源。
5.根据权利要求1所述的一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，其特征在于：所述充放电控制单元包括充电控制回路和放电控制回路，该控制单元包括太阳能电池、蓄电池以及控制MCU芯片，所述太阳能电池通过二极管VD5与所述蓄电池连接，所述蓄电池还连接有熔断器、二极管VD6以及场效应管VT4，所述场效应管VT4的栅极连接有三极管VT3以及二极管VD4，所述三极管VT3通过电阻R6与所述控制MCU芯片的管脚3连接，所述控制MCU芯片的管脚3还连接有充电指示灯，所述控制MCU芯片的的管脚2分别连接有放电指示灯以及三极管VT2，所述三极管VT2通过电阻R1、二极管VT4以及场效应管VT1连接有负载，所述控制MCU芯片的管脚1以及管脚4连接有开关S。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，其特征在于：所述控制MCU芯片的电源管脚8通过三端稳压器与蓄电池连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，其特征在于：所述照明控制单元由光敏电阻RGA、话筒MIC、运算放大器LM324、与非门芯片CD4011构成，所述运算放大器LM324的管脚9与光敏电阻RGA连接，所述运算放大器LM324的管脚3与所述话筒MIC连接，所述运算放大器LM324还连接有分压电阻；所述运算放大器LM324的输出管脚7和管脚8与所述与非门芯片CD4011的管脚1和管脚2连接，所述与非门芯片CD4011的的输出管脚5连接有二极管D1以及场效应管Q2。
8.根据权利要求1所述的一种用于公共洗手间的安全型光伏智能照明系统，其特征在于：所述话筒MIC采用高灵敏驻极体话筒作为声音检测的传感器。
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