一種可充電節(jié)能燈的設(shè)計與實現(xiàn)

張 恒，楊秀德*，張遠強

（遵義師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州遵義563006）

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。人類進入工業(yè)化社會以來，煤、石油、天然氣等化石類能源已成為人類社會賴以生存和發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。截止到2015年底，近50年來全球一次能源年消費總量從53.8億噸標準煤增長到181.9億噸標準煤，增長了近2.4倍，年均增長達2.6%，全球能源消費呈現(xiàn)總量和人均能源消費量持續(xù)“雙增”態(tài)勢。按照目前世界平均開采強度，全球煤炭、石油和天然氣分別可開采113年、53年和55年[2]。如果再不節(jié)約使用能源資源，在不久的將來，全球?qū)⒚媾R能源困境。

中國是一個人口龐大的發(fā)展中國家，經(jīng)濟的遞增在很大程度上是依靠大量的能源消耗為代價，其中消費最廣、最多的二次能源是電能。中國有著世界第一的用電量，據(jù)中國能源局統(tǒng)計，中國2016年的用電量為59198億千瓦時，比上一年增長5.0%，其中照明用電量達7695.74億千瓦時，大約占全社會用電量的13%[3]?？梢?，照明用電已成為電能消耗的一種重要方式。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國目前使用的照明燈發(fā)出的光能和熱能普遍沒有得到二次利用，造成大量能源的浪費。2012年國務(wù)院印發(fā)了《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》和《“十二五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，2016年國務(wù)院又印發(fā)了《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》。這些文件的頒布實施，其目的就在于倡導(dǎo)人們在生產(chǎn)生活中使用新型節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。為此，作者設(shè)計了一種可充電的節(jié)能燈[4]，首先將照明燈發(fā)出的光能通過光電二極管轉(zhuǎn)化為電能，并將電能通過蓄電池存儲起來，蓄電池中儲存的電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾罂晒┕?jié)能燈二次使用，從而實現(xiàn)了能源的二次利用，達到了節(jié)能減排的目的。

1 新型節(jié)能燈的電路設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 電路設(shè)計

使用照明燈的目的是給人們的生產(chǎn)生活提供照明，而人們所需的照明往往只局限在某一片區(qū)域，照明燈發(fā)射到其他區(qū)域的光就被白白浪費掉了。如果能將這部份浪費的光能利用起來再次用于照明，即可減少電能的消耗，使照明燈在相同用電量的條件下能照明更長的時間?；谶@樣的思路，作者設(shè)計了一種新型節(jié)能燈，利用光電二極管將普通照明燈浪費掉的光能轉(zhuǎn)換為電能貯存于蓄電池中，以供照明燈二次使用，其電路圖如圖1所示。

圖1 新型節(jié)能燈電路圖

圖1中（1）為蓄電池，（2）為光電二極管，(3)為逆變器，（4）為蓄電池開關(guān)，（5）為照明燈，（6）為家用電源開關(guān)。

從圖1可以看出，與普通照明電路相比較，新型節(jié)能燈在電路中增加了光電二極管、蓄電池和逆變器元器件。光電二極管是一種能將光能轉(zhuǎn)化為電能的光電傳感器，由一個PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦裕浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 光電二極管工作原理圖

圖3為光電二極管工作原理圖。在光照下，光電二極管接收光能，光子打在PN結(jié)附近，產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)部電場作用下，電子定向移動，形成光電流，從而將光能轉(zhuǎn)化為電能，而且電流增大的程度與光的強度成正比[5]。依據(jù)光電流會隨光的強弱發(fā)生變化的特性，光電二極管可以作為光電傳感器應(yīng)用于電路中[6]。

蓄電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，可以通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)再充電，屬于二次電池，常用的有鉛酸蓄電池、鋰電池等。它的工作原理是：充電時利用外部的電能使內(nèi)部的活性物質(zhì)再生，把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來；需要放電時再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出，比如生活中常用的手機電池等。

逆變器，別稱為變流器、反流器，是一種可將直流電（電池、蓄電池）轉(zhuǎn)換為交流電（一般為220V、50Hz正弦波）的器件，由逆變橋、邏輯控制、濾波電路三大部分組成，如圖4所示[7]。它的工作原理流程是：控制電路控制整個系統(tǒng)的運行，逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，濾波電路濾除不需要的信號。目前，逆變器已廣泛運用于空調(diào)、家庭影院、電腦、電視、抽油煙機、風扇、照明、錄像機、車載冰箱等設(shè)備中。

圖4 逆變器電路圖

由此，通過在照明電路中使用光電二極管、蓄電池和逆變器等元器件，不僅實現(xiàn)了將照明燈工作時發(fā)出的光能轉(zhuǎn)化為電能貯存于蓄電池中，而且在逆變器的作用下蓄電池中儲存的電能反過來又能提供給照明燈使用。

1.2 實現(xiàn)方案

該新型節(jié)能燈是在原有普通照明燈的基礎(chǔ)上加裝一個多功能燈罩，在燈罩內(nèi)壁安裝若干個光電二極管，當照明燈工作時將光能轉(zhuǎn)化為電能儲存于蓄電池中，在斷開家用電源的情況下，蓄電池中儲存的電能通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾筮€能為照明燈提供持續(xù)的照明。新型節(jié)能燈所用的元器件包含：蓄電池、燈罩、光電二極管、照明燈、逆變器、導(dǎo)線、電池開關(guān)和電源開關(guān)。根據(jù)所用開關(guān)的不同，設(shè)計了以下兩種方案。

1.2.1 單刀單擲開關(guān)方案

圖5為新型節(jié)能燈單刀單擲開關(guān)設(shè)計方案。

圖5 單刀單擲開關(guān)方案示意圖

該方案所用的元器件包括：1蓄電池、2燈罩、3光電二極管、4照明燈、5逆變器、6電池單刀單擲開關(guān)、7電源單刀單擲開關(guān)。照明燈4于燈罩2內(nèi)通過導(dǎo)線與電源開關(guān)7連接，電源開關(guān)7通過導(dǎo)線連接至家用電源，燈罩2的內(nèi)壁安裝有多個光電二極管3，外壁安裝有與光電二極管3所連接的蓄電池1；蓄電池1經(jīng)逆變器5轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姴⑼ㄟ^電池開關(guān)6給照明燈4供電。

該方案節(jié)能燈的工作原理是：電源開關(guān)7控制照明燈4接入家用電源，閉合開關(guān)7，照明燈4工作發(fā)光，燈罩2內(nèi)壁上的光電二極管3將接收到的光能轉(zhuǎn)化為電能儲存于蓄電池1中；在停電或是斷開電源開關(guān)6的時候，閉合電池開關(guān)6，蓄電池1中儲存的電能還可供照明燈4繼續(xù)使用。

該方案的優(yōu)點在于蓄電池儲存的電能通過電池開關(guān)6可以方便地用作它用，如日常的手機充電。但該方案電路開關(guān)控制稍顯復(fù)雜，還存在電源開關(guān)7與電池開關(guān)6同時閉合導(dǎo)致短路引發(fā)安全事故的隱患。

1.2.2 單刀雙擲轉(zhuǎn)換開關(guān)方案

圖 6為新型節(jié)能燈單刀雙擲轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計方案。

圖6 單刀雙擲轉(zhuǎn)換開關(guān)方案示意圖

該方案所用的元器件包括：1蓄電池、2燈罩、3光電二極管、4照明燈、5逆變器、6轉(zhuǎn)換開關(guān)。與第一種方案的差別僅在于，將電池單刀單擲開關(guān)6和電源單刀單擲開關(guān)7兩個開關(guān)替換為可分別控制電池和電源的單刀雙擲轉(zhuǎn)換開關(guān)6，使蓄電池1經(jīng)逆變器后直接與轉(zhuǎn)換開關(guān)6連接。

該方案節(jié)能燈的工作原理是：當轉(zhuǎn)換開關(guān)6接入家用電源時，照明燈4工作發(fā)光，燈罩2內(nèi)壁上的光電二極管3將光能轉(zhuǎn)化為電能儲存于蓄電池1中；當轉(zhuǎn)換開關(guān)6轉(zhuǎn)換接入蓄電池1后，蓄電池1中儲存的電能由逆變器逆變后可以繼續(xù)為照明燈4供電。

與第一種方案相比較，該方案最大的優(yōu)點在于電路開關(guān)控制相對簡單方便，使用安全。但該方案的蓄電池1只能為照明燈4供電，限制了蓄電池的其他應(yīng)用。

2 結(jié)論

在普通照明燈基礎(chǔ)上，通過加裝光電二極管、蓄電池、逆變器等元器件設(shè)計了一種新型節(jié)能燈。該節(jié)能燈用220V電源開關(guān)與家用電源相連，用于起始供電；蓄電池與光電二極管相連，用于將光能轉(zhuǎn)化為電能儲存于蓄電池中；在電源開關(guān)斷開情況下，蓄電池通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾蠼?jīng)電池開關(guān)與照明燈相連，用于蓄電池對照明燈的供電。因此，該新型節(jié)能燈通過安裝在燈罩上的光電二極管把普通照明燈浪費掉的光能轉(zhuǎn)化為電能儲存于蓄電池中，供照明燈二次照明使用，實現(xiàn)了燈泡從電能—光能—電能的循環(huán)利用，從而減少了能量的浪費，降低了照明燈電能的消耗，達到了節(jié)能減排的目的。

[1]吳廣義.世界能源形勢熱點分析[J].前線,2004,(9):24-26.

[2]中國石油新聞中心.2015年全球能源發(fā)展現(xiàn)狀分析[EB/OL].[2015-09-30].http://www.chinabgao.com/freereport/68845.html

[3]國家能源局.全球經(jīng)濟數(shù)據(jù)[EB/OL].[2017-01-17].http://www.qqjjsj.com/zglssj/152044.html

[4]張恒.一種可充電的節(jié)能燈:中國,0267766.0[P].2016-10-12.

[5]于海平.國家卓越工程師專業(yè)《模擬電子技術(shù)》課程建設(shè)研究[J].軟件導(dǎo)刊(教育技術(shù)),2014,(8):8-9.

[6]唐繁,張吉左.基于單片機的光電檢測電路設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù),2014,(19):232-234.

[7]逆變器[EB/OL].[2017-11-28].https://baike.baidu.com/item/逆變器/3146056?fr=aladdin