基于光伏发电系统的室内LED智能照明系统设计及应用

基于光伏发电系统的室内LED智能照明系统设计及应用

闫聚兵1 ，张伟1，于蛟蛟1 ，武校刚2

(1．中天钢铁集团（南通）有限公司，南通  430082 ；2.宁波工程学院，建筑与交通工程学院，宁波，315211 )

摘要：设计了室内LED智能照明系统，由智能照明控制器、光照度传感器、红外传感器、房间LED灯等组成。介绍了控制系统软件、硬件设置方案和安装方式，分析了系统的创新点和应用前景。以住宅楼两室两厅一厨一卫的户型为案例，设计各项参数，进行了效益测算和对碳排放的贡献度。

关键词：智能照明；光伏发电；LED；碳排放

1 背景及意义

2016年9月，为深入贯彻国务院关于促进光伏产业健康发展的意见和《浙江省人民政府关于进一步加快光伏应用促进产业健康发展的实施意见》（浙政发〔2013〕49号），浙江省发布了《浙江省人民政府办公厅关于推进浙江省百万家庭屋顶光伏工程建设的实施意见》（浙政办发〔2016〕109号）文件，明确要求在2016—2020年浙江省建设家庭屋顶光伏装置100万户以上，总装机规模300万千瓦左右。

本系统研究设计的是基于住宅家庭便易组装式光伏发电系统的室内LED智能照明系统，系统设计的光伏发电系统只满足用户室内的照明用电，从而可大大降低家庭用户装设的太阳能电池板的面积，能够极大提高家庭用户在有限利用的空间内装设光伏系统的积极性，尤其是城市家庭用户；系统设计的智能照明系统兼顾了家庭用户的手动控制需求，能够满足不同家庭用户的需求，进而提高了系统的适用性。因而，本设计系统具有极强的实践应用性及推广价值。

2 系统设计

2.2 室内LED智能照明系统设计

2.2.1 LED智能照明系统设计原则

实用性：智能LED照明系统的设计应以实用为核心，尽量避免不必要的能源和设备浪费，产品设计始终围绕实用性展开。

操作便利性：智能LED照明系统设计面对的用户是普通家庭用户，设计控制系统时要做到操作步骤简单。布线、安装简单，扩展和维护容易的系统可以减少设备和材料的初投资。

可塑性：智能LED照明系统不应是一个一成不变的系统，它应该能根据不同的住宅构造和客户需求做出适当的变化，LED照明灯具类型、控制应该能够适当灵活地调整。

2.2.2 智能照明系统方案设计

LED智能照明系统采用传感器来检测室内光照度，探测室内人员活动情况，用单片机控制照明系统工作状态。根据日常的使用情况、住宅用户的个人需求，在必要的区域布置光照度传感器、红外传感。光照度传感器可以探测监测区域光照度值，红外传感器可以监测区域红外线辐射值，但是任意一种传感器单独组成的系统都不能做到合理、完善，达不到智能的要求。本系统通过合理的逻辑关系利用单片机将两种传感器串联控制，判断是否满足开灯的条件，实现照明系统智能化控制，提高普通居民使用照明设备的舒适性，节约能源。本系统前端在照明配电箱中设置智能系统总开关，可以人为关闭和启动房屋智能照明系统。

图1 智能照明系统工作原理图

在住宅弱电箱中设置单片机，单片机与各个区域传感器进行通信，通过预定逻辑，控制继电器的运行控制LED灯具。房屋中智能控制系统启动，首先光照度传感器监测光照度值并反馈给单片机。若照度值低于预设照度，则红外传感器启动，监测红外线辐射值并反馈给单片机，若红外线辐射值高于预设值，则说明房屋内有人活动，单片机控制继电器闭合，该区域照明系统按照设定照明时长工作，当时间结束后，若传感器未监测到有人活动则照明系统自动关闭。智能照明系统中，单片机将控制逻辑串联，做到对灯的合理控制。此外，在由单片机控制的继电器处并联安装手动控制开关，做到手动和智能的巧妙结合，使得系统拥有更大的推广空间。具体的系统控制逻辑如上图1所示。为了防止手动控制和智能系统控制相冲突可以在手动开关安装交流接触器的感应线圈，在继电器线路中安装常闭触头，防止两条线路同时通电增强系统的可靠性。线路布置时在继电器控制的的线路中增加一个手动开关，就可以进一步做到住宅区域智能化，在特定的区域开启智能控制系统，增强了系统的可控性。该系统可以做到手动控制与智能控制的巧妙结合，做到区域智能控制，增强了智能照明系统实用性，有利于绿色节能的照明方式的推广与发展。

2.2.3 控制系统软件、硬件设计

本系统以AT89C51单片机为核心，采用光线感应装置和热释电红外感应装置，经单机片处理后驱动LED灯具。

光线感应装置：包括光敏电阻器，本项目采用光敏电阻器型号：MG43-53，最大工作电压：250V，额定功率：200mW，亮电阻：≤5KΩ,暗电阻：≥5mΩ，温度范围：-40℃至+70℃，外径尺寸20mm；单片机主要对该光线感应器的正常工作有效的控制，单片机里主要包含有电源电路、复位电路和晶体振荡电路等设备。

热释电红外感应装置：包括热释电传感器、菲涅尔透镜、BISS0001红外信号处理芯片,本项目选用D203S热释电传感器：人体红外线热释电传感器，采用双元件制成，可以识别运动的生物体和非生物体，对于人体发出的红外线尤为敏感，是目前国际上最为流行的人体检测元件之一。D203S热释电传感器、菲涅尔透镜、BISS0001组成一个集采集、处理、控制为一身的自动控制系统，其原件及原理框图如图2所示。图中最左端是感应部分，人体发射的1O

μm左右的红外线照射到热释电元件上，由BISS0001将传感器信号进行放大、电压比较、延时处理后通过单片机驱动LD灯开启。

图2基于单片机热释电红外感应装置原理图

本程序采用模块化设计思想，以主程序为核心设置了多个功能模块子程序，使大量的功能在子程序中实现，简化了设计结构。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序。该系统有三个功能模块:信号输入模块，实现相应信号从单片机输入;信号控制模块，实现对信号的处理;信号输出模块，实现处理结果的编码输出，达到控制LED发光的目的。

3 系统安装

3.1 太阳能电池安装

对于光伏面板的安装，采用两种光伏安装方式。一是面对城市多层住宅，因为小区房无屋顶等易于安放太阳能电池板的地点，所以可把光伏面板安装于阳台或墙壁外侧等采光效果较好的区域如图3（1）；二是面对农村低层住宅，因为前目农村的建筑拥有较大面积的屋顶可以安装太阳能电池板，可以将太阳能电池板安装在屋顶如图3（2）。太阳能电源布线可以从配电箱照明回路的断路器后引出，并在箱内安装交流接触器常闭触点，将线埋管引致光伏电源设备处。太阳能电池板按照相关安装要求调整角度安装。

3.2 LED智能照明系统安装

对于LED智能照明系统的安装分为，新房设计安装与旧房改造安装。新房设计安装可按

（1） 光伏板墙壁安装示意图                   （2） 光伏板屋顶安装效果图

                               图3光伏板安装示意图

照设计平面图进行设计施工，从弱电箱引出信号线引致需要安装传感器的区域，用作传感器与单片机之间的通信。本系统的传感器可以根据住宅的使用情况合理布置，做到既节约材料，又能充分的发挥传感器的作用。在弱电箱设置单片机，根据单片机连接示意图连接信号线。在每个控制区域设置继电器，继电器与单片机通过信号线进行通信，控制区域照明。在继电器处并联一路照明回路，安装手动开关。继电器可以暗装在手动开关附件，既节省线路，又能方便以后的维修。对于旧房改造安装时，为了减少线路开槽，应该使用集成度高的智能型设备，通过IP化网络控制，在实现照明系统改装的同时不对室内环境造成较大的影响。本系统主要说明利用单片机设计LED智能照明系统。

4 系统运行

在日照条件符合太阳能电池发电的要求时，太阳能电池板将产生的不稳定的直流电通过光伏控制器控制整流后储存到蓄电池中，蓄电池电压上升，达到31±0.5V，电池为照明系统供电。由于每日的日照时间有限、太阳辐射强度不稳定，电池电量并不能完全满足照明系统使用。当电池电压处于20±0.5V时，为了防止电池过度放电，逆变器控制电池停止放电，交流接触器断电，市电与照明回路之间的常闭触头重新闭合，市电为照明系统运行供电。因为照明灯具属于阻性负载，灯具处于运行状态电源切换时不会产生高压脉冲，线路安全可靠。当电池电压满足供电要求时，逆变器启动，交流接触器线圈得电，常闭触头断开，市电断开，照明回路由蓄电池供电。

图4智能照明控制工作流程图

智能照明系统，通过红外传感器与光照度传感器监测控制区域光照度、人员活动情况，利用单片机控制灯的运行。如图4所示。为满足不同人群的使用要求，保留了手动开关，手动开关可以独立控制照明系统，并且手动的控制可以优先于智能控制。本系统采用单片机离线式的控制方式，在实现智能化的同时保证了系统的安全性。

5 创新点及应用

5.1 创新点

1)本系统设计的室外光伏发电系统具有元件小型化、结构简单化、安装简易化及操作便易化等特点。

2)本系统设计的室内智能照明系统兼顾了手动控制房间LED灯熄灭与点亮的睡眠模式，具有人性化、便利性及适用性等特点。

3)本设计系统具有安装使用与不安装使用两种不同需求下的便易互换性，兼顾了不同家庭用户的使用需求，具有极强的应用性及可推广性。

5.1 应用前景

2016年9月，浙江省发布了《浙江省人民政府办公厅关于推进浙江省百万家庭屋顶光伏工程建设的实施意见》（浙政办发〔2016〕109号）文件，要求在2016—2020年浙江省建设家庭屋顶光伏装置100万户以上，根据建设任务分解，宁波市需要完成9万户的家庭屋顶光伏装置的安装任务。2016年12月，浙江省住房和城乡建设厅发布了《关于加快推进住宅全装修工作的指导意见》（浙政办发〔2016〕141号 ），要求各市、县(市、区)中心城区范围内，出让或划拨国有土地上的新建住宅，推行全装修，实现成品交房。

基于住宅家庭便易组装式光伏发电系统的室内LED智能照明系统由两个子系统模块组成，即室外光伏发电系统模块和室内LED智能照明系统模块。对于新建住宅建筑可预留本系统两个模块的管线，根据用户需求，可自行决定是否安装使用本系统，若安装使用，则只需通过增加小型化的元件设备即可实现，若不安装使用，则原有室内照明系统不受影响；对于既有住宅建筑，家庭用户可通过简单的室外光伏系统设备安装及室内照明管线改造即可实现。 

此外，本设计系统的室外光伏发电系统和室内LED智能照明系统模两个模块既可整体式按一体化系统使用，也可分开各为一完整系统单独使用。两个模块分开单独使用时，对于城市或农村独栋式住宅，光伏发电系统还可根据家庭用户用电需求，在不改变系统结构的基础上，只需通过增大太阳能电池板的规模和蓄电池的规格，把光伏供电负荷扩展到除照明负荷之外的插座负荷用电。

由此，本设计系统对宁波乃至浙江省家庭屋顶光伏工程的实施与推广具有一定的适用性与应用性，对宁波市的可再生能源示范城市的建设及浙江省的美丽浙江和国家清洁能源示范省建设具有一定的适用价值。

5.2 预估效益

5.2.1经济效益

室内照明的设计计算以某住宅小区两室两厅一厨一卫户型为例。根据计算得灯具满负荷运行功率116W,每日使用灯时长为4小时，LED灯具均处于用电状态共耗电1670400J，约合0.464 kWh。3.92小时有效光照时间，光伏系统可保障照明系统正常使用8小时。依据上述耗电情况按照每户3口人计算，人均年生活照明用电量约为56.45kWh。该系统的控制方式为智能控制，所以实际用电负荷会更低。相关统计预计到2018年居民人均年生活耗电量为820kWh，居民照明用电约占14%，则传统灯具人均年生活照明用电量约为114.8kWh。太阳能发电的室内LED智能照明系统人均年生活照明用电量可节约58.35 kWh。按宁波地区常驻人口800万来计算，每年可节约4.668×108kWh电能。

5.2.2 碳减排

按照每户配备2m2光伏电板，则每户理论年减少碳排放300kg。按照每户3口人计算，相当于每人减少100kg的碳排放。若按宁波现有人口计算，宁波地区每年可减少约8×108kg碳排放。红叶石楠是城市绿化植物中吸收CO2较快的，红叶石楠吸收CO2的速率约为7.058 L/(m2·d)，每年每平方米的红叶石楠吸收二氧化碳5.06kg，若按宁波现有人口计算，则宁波地区每年的碳减排量相当于1.58×108m2红叶石楠的年吸收CO2量。

参考文献

[1] 彭啸.染料敏化太阳能电池用光阳极材料制备及性能研究[D].天津大学，2014

[2] 操瑞杰.一种家用太阳能发电配电新装置.福建农林大学，2016

[3] 靳瑞敏.太阳能光伏应用-原理•设计•施工.北京化学工业出版社，2017.4 ISBN 978-122-29027-4

作者简介：闫聚兵，中级工程师，2010年毕业于燕山大学检测技术与自动化装置专业，主要从事冶金自动化，化工设备和自动化研究