基于网络远程监控的太阳能照明系统
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、照明光源技术、蓄电池技术和照明灯具技术于一体的高新技术。提出基于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
中图分类号：TM201.4 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0920010－02
0 引言
随着人类社会、经济的飞速发展，能源危机已经成为人类发展的障碍。目前应对能源危机的主要途径：一是有效节能减排；二是发展太阳能、风能等可再生能源应用技术。只有通过新技术、新手段突破目前的这一危机，才能保证经济的持续发展，人类社会的进步。
太阳能的利用越来越受到人们重视，如光热转换应于太阳能热水器，太阳能热水器的推广和利用已经十分普遍。太阳能光伏技术的应用在国内外已经产业化，太阳能照明是集光伏技术、蓄电池技术、微机控制技术、照明灯具技术以及通信控制于一体的新技术，在节能减排、保护环境的社会大环境下，太阳能的应用必将在未来能源市场占有重要地位，并成为解决能源危机的重要技术手段。
1 太阳能照明系统组成
简单的照明系统由太阳能电池板、蓄电池、太阳能照明灯具组成，然而这样简单结构还不能很好的发挥太阳能应用技术的优势，为使太阳能照明系统能够更加高效、稳定、可靠的应用，太阳能照明系统都设计了控制系统。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、蓄电池电量管理、电池工作模式管理、对负载功率、工作模式控制及与其他电源系统切换控制等。
图1太阳能照明系统结构图
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。其作用是将太阳能向电能的转换，转换后的电能并入电网或存储在蓄电池中供负载使用。太阳能电池种类很多，根据原材料来分主要有3种：硅太阳能电池、砷化镓III-V化合物电池及有机太阳能电池。最新的技术有薄膜太阳能电池（thin film solar cell）。在太阳能电池选取时应该需要考虑三方面的问题：① 转换效率；② 使用寿命；③ 经济成本控制。但是高效率与低成本总是相互制约的。目前使用最为广泛的太阳能电池采用单晶硅、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%。硅太阳能组件市场价格一般在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，控制系的性能是否优良决定了照明系统的档次的高低。其控制器采用高速单片机实现，结合各种传感电路对蓄电池和太阳能电池组件电压、电流等参数进行监测，再通过控制器进行计算，执行相应的控制。
控制系统具有充电控制、放电控制、开关器件的开通和关断控制和电路保护等多种功能。控制器需要对整个系统的工作状态，蓄电池的充电方式，直流恒流充电或脉冲充电等方式进行有效的控制。对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。对于不同的设计者可以根据具体使用场合，设计多种不同的功能。其他如光控、时控功能都应当是控制器的所应具备的。随着太阳能照明的发展和应用要求越来越高，控制器正在朝着通信控制和远程监控这一方向发展。
1.3 蓄电池
蓄电池的作用是在光照情况下储存电能，夜晚提供负载照明使用。由于在不同地域、不同的季节光照强度的相差很大，此外还有各种天气因素的影响，太阳能电池板的光照能量很不稳定，因此为了达到夜间照明要求，照明系统必须配置适宜的蓄电池。照明系统的蓄电池一般用铅酸电池，在小型、微型系统中，采用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。蓄电池由若干铅酸蓄电池通过串并联组合而成，其容量的选择应充分考虑与太阳能电池板的容量匹配。
蓄电池容量的选择一般遵循以下原则：1）蓄电池容量不能太小，容量过小不能够满足夜晚照明的需要；容量不能过大，容量过大时蓄电池始终处在低电状态，将会影响蓄电池寿命，同时造成容量浪费。2）蓄电池应与太阳能电池、负载功率相匹配，太阳能电池功率大于负载功率4倍以上系统才能正常工作。太阳能电池板的输出电压要超过蓄电池的工作电压2O%～30%，才能保证给蓄电池正常充电。同时还要考虑电池能满足连续阴雨天气，照明需要的电能。蓄电池容量应达到负载6倍以上日耗电量。
1.4 LED照明光源
太阳能照明光源使用最广泛的是发光二极管（LED，light-emitting diode）和直流节能灯。发光二极管具有响应快、节能、寿命长、高效率、环保等多种优点的光源。LED技术和光伏技术是开发太阳能再生能源的完美结合。
为达到LED光源的最佳效果，照明系统控制器的负载控制策略和LED驱动电路的设计十分重要。因此需要研究LED响应速度快和低压直流驱动等特性，选择合适的驱动方案及控制策略，以充分发挥LED照明的优点。LED是电流型器件，采用恒流驱动方案工作效果最佳。所以驱动电路除了提供恒流外，还应提供调光功能和故障条件下各种保护措施。LED的选用和控制应注意以下问题：
1）LED照明光源的选择：功率应结合太阳能电池板和蓄电池的容量而定。一方面采用大功率太阳能电池板的发电系统，设计最佳角度获取大的光照能力，达到最佳的光能转换，得到足够的电能；另外与蓄电池容量相匹配，选择的光源功率应满足蓄电池的容量，不至于很快将蓄电池消耗。太阳能照明灯一般采用低压产品12V或24V，不会对人体造成伤害。
2）LED照明模式选择：考虑到照明的需求以及蓄电池存储的容量，可采取分时段照明控制。通过对LED的工作时段控制，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。
3）照明光源的控制：照明光源的开起和关断全部实现自动控制，如太阳能路灯照明在深夜时段，降低光源的输出功率，以节省电能同时也能避免蓄电池深度放电，提高蓄电池的使用寿命。
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）是现场总线的范畴的串行通信网络，它能有效支持分布式控制或实时在线控制。CAN总线广泛应用于航空业、工业控制、安防工程等许多领域。基于CAN总线的太阳能照明系统，是结合了实时性强，可靠性高的一种网络化上、下位机分散控制的系统结构（如下图2所示）。其中下位机即为太阳能照明系统的控制器，利用微处理控制器来处理和控制，即时对各种参数进行采集监测，控制器及时通过CAN总线向主控制中心（即上位机）传递信息和数据。上位机是一台通用PC，通过专业软件做监控平台，为用户提供友好的人机交换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，还可以方便的随时对历史数据查询。
图2基于CAN总线的太阳能照明系统
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通信系统和因特网络，将照明系统的信息通过网络传输到主控制计算机。对整个照明系统实现分散控制。系统由主控制器、GPRS模块、网络通信以及主控制计算机组成（如图3所示）。主控制器采用传感器对照明系统的各个主要参数进行采集，经过计算处理后对系统工作状态和照明灯具工作模式进行控制。同时通过GPRS模块将有效信息传输到远程主控制计算机，管理人员可以看到各种数据，并根据这些数据进行人为的控制。如在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网络进行数据传输和通信，可以提供高速的无线数据接入方式。由于GPRS具有全天候在线的功能，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。
图3基于GPRS网络的太阳能照明系统
基于GPRS网络的太阳能照明系统，可以远程通信实现远程控制的目的，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等。
3 结束语
对系统组成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。基于网络通信实现远程控制，便于统一管理，提高了系统的供电可靠性，随着光伏技术的迅速发展，光伏转换效率将越来越高，太阳能将会成为未来的主要能源。
参考文献：
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