基于网络远程监控的太阳能照明系统设计

基于网络远程监控的太阳能照明系统设计

李云峰 胡文平 杜虎明

摘要：太阳能照明是利用太阳能组件的光伏效应，将光能转换为电能并储存在蓄电池中供负载使用。它是集太阳能光伏技术、蓄电池技术、照明光源技术和照明灯具技术于一体的高新技术。提出了基于CAN总线和GPRS网络通信的远程监控太阳能照明系统，比独立的照明系统更稳定可靠、更具竞争力。 关键词：太阳能照明；远程监控；CAN总线；GPRS网络

随着人类社会的快速发展，能源危机越演越烈。只有突破目前的能源瓶颈才能解决这一危机，保证经济的可持续发展，人类社会的不断进步。目前，应对能源危机的主要途径：一是有效节能；二是快速发展太阳能、风能等可再生能源应用技术。

1 太阳能照明系统组成

简单的系统由太阳能电池板、蓄电池、太阳能灯具组成，当然这样简单结构还不能有效的发挥太阳能应用的优势，控制系统可实现整个照明系统工作状态的管理、蓄电池充电、放电控制、蓄电池剩余容量的管理、电源工作模式、对负载光源功率、工作模式控制及与其他电源系统的切换控制等（如下图所示）。

1.1 太阳能电池板

太阳能电池板又称为太阳能电池组件，是太阳能照明系统中的核心部分，亦是整个系统的价值核心所在。其作用是实现太阳能向电能的转换，将转换后的电能存储在蓄电池中供负载使用或并入电网。在选取太阳能电池时主要需要考虑三方面的问题：1、转换效率；2、使用寿命；3、经济成本。但是高效率与低成本是相互制约的。使用最为广泛的太阳能电池主要用单晶硅、多晶硅材料。单晶硅电池的转换效率为12%～16%，最高的可达18%，多晶硅转换效率一般为11％～13％。市场上硅太阳能组件价格一般在15元/瓦左右。硅太阳能电池已经产业化，市场占有率高达95％。

1.2 太阳能控制系统

控制系统在太阳能照明系统中处于主导地位，其性能直接影响到整个系统寿命，特别是蓄电池的寿命，控制系的性能优良决定了照明系统的档次的高低。其控制器一般采用工业级微处理器，结合各种传感电路可对蓄电池和太阳能电池组件电压、电流等参数进行检测，再通过控制器进行判断。对于不同的设计者可以根据具体使用场合，对照明系统设计多种不同的功能。其他如光控开关、时控开关都应当是控制器的所能具备的功能。随着太阳能照明的发展和应用要求越来越高，控制器在通信控制和远程监控这一方面的应用也越来越受到重视。

1.3 蓄电池

蓄电池的主要作用是在白天储存电能，晚上把电能释放出来，供负载照明使用。照明系统的蓄电池一般用铅酸电池，在许多小微型系统中，也用到镍氢电池、镍镉电池或锂电池。蓄电池由若干的铅酸蓄电池通过串联或并联组合而成，其容量的选择应与太阳能电池组件的容量相匹配。

1.4 LED照明光源

为达到LED光源的最佳效果，照明系统控制器中的负载控制策略和LED驱动电路的设计尤为重要。LED属于电流型器件，在恒流驱动下工作效果最佳．驱动电路除了提供恒流外，还应提供调光功能和在故障条件下提供各种保护措施以保护驱动器。LED的选用和控制应注意以下问题：

（1）采用大功率太阳电池组件作为灯具的发电系统，结合太阳电池组件设计最佳角度以达到接受最大的光能获取最佳的光能转换，实现与蓄电池容量的匹配，为照明光源提供充足能源。

（2）考虑到照明的需求以及蓄电池存储的能量多少，采取分时段照明控制。通过对LED灯的工作时段控制，不仅可以节省功率消耗从而减小设备一次性投入，而且还可以延长LED照明光源的使用寿命，从而可以合理调配蓄电池能量使得系统运行更加经济、有效。

（3）太阳能灯具的开起和关断全部实现自动化控制，如太阳能路灯照明则可在深夜行人少的时段，降低光源的输出功率，以节省电能，同时也能防止蓄电池深度放电，提高蓄电池的使用寿命。

（4）太阳能照明灯一般采用12V、24V低压产品，对人体无伤害。灯体之间高强度连接，抗风强度高。

2 太阳能照明系统的集成应用

2.1基于CAN总线的照明系统

CAN(Contoller Area Network，控制器局域网)属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线在航空业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。上位机是一台通用PC，通过可视化软件做监控平台，为用户提供良好的人机交互界面和对传送来的数据进行分析处理，并在其数据库中进行储存，为管理员提供决策的依据，还可以方便随时对历史数据查询。

根据CAN总线的数据传输特性，其传输范围只能限于几千米以内，因此基于CAN总线的照明系统可以应用于公园草坪、校园路灯、企业照明等中小型系统。

2.2基于GPRS网络的照明系统

基于GPRS网络的照明系统利用现有的通信系统和因特网络，将照明系统的各种信息通过网络传输到主控制的中央控制计算机上。对整个大的照明系统实现分散控制。整个系统的由主控制器、GPRS模块、远程监控数据中心服务器以及照明系统主控制计算机组成(如图3所示)。如在充电池电源连续几天遭遇阴雨天气情况时，可以通过与市电进行切换，达到照明系统的可靠供电。利用GPRS公共通信网络进行数据传输，可以提供高速的、高于固定因特网速率的无线数据接入方式。另外由于GPRS具有保持全日在线的功能，使系统能够实现实时动态监测，因此利用GPRS网络技术对照明系统进行远程监控是管理整个系统有力的手段。

基于GPRS网络的太阳能照明系统，可以实现远程通信达到远程控制的目的，突破了CAN总线通信距离的限制，因此其应用范围更广，可应用于公路的照明系统，城市路灯的统一监控。

3 结束语

对太阳能照明系的各个组成部分的功能与需要注意的问题进行了介绍，提出了基于网络通信远程监控的太阳能照明系统。基于网络通信可以实现远程控制，便于统一管理，提高了太阳能照明系统的供电可靠性，随着光伏技术的迅速发展，太阳能转换效率将越来越高，太阳能的将会成为未来的主要能源来源。

参考文献

[1]王存旭，迟新利，王刚.白光LED在太阳能照明中的应用[J].沈阳工程学院学报，2008，4(4)．

[2]陈晓春，唐祯安.基于大功率白光LED的电子警察闪光灯设计与实现[J].大连理工大学网络学刊, 2005．

[3]吴理博，赵争鸣，刘建政.用于太阳能照明系统的智能控制器[J].清华大学学报：自然科学版，2003，43(9)：1195—1198．

[4]王秀玲．太阳能与市电互补的LED照明控制系统研究[D].北京：北京工业大学，2009．

[5]中国建筑科学研究院．CJJ45—2006城市道路照明设计标准[S]北京：中国建筑工业出版社，2007．

[6]李俊峰，王斯成．2007中国光伏发展报告[R]．北京：中国环境科学出版社，2007．