一種可充電節(jié)能燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 恒，楊秀德*，張遠(yuǎn)強(qiáng)

（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(jìn)入工業(yè)化社會(huì)以來(lái)，煤、石油、天然氣等化石類能源已成為人類社會(huì)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(lái)全球一次能源年消費(fèi)總量從53.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長(zhǎng)到181.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，增長(zhǎng)了近2.4倍，年均增長(zhǎng)達(dá)2.6%，全球能源消費(fèi)呈現(xiàn)總量和人均能源消費(fèi)量持續(xù)“雙增”態(tài)勢(shì)。按照目前世界平均開(kāi)采強(qiáng)度，全球煤炭、石油和天然氣分別可開(kāi)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(lái)，全球?qū)⒚媾R能源困境。

中國(guó)是一個(gè)人口龐大的發(fā)展中國(guó)家，經(jīng)濟(jì)的遞增在很大程度上是依靠大量的能源消耗為代價(jià)，其中消費(fèi)最廣、最多的二次能源是電能。中國(guó)有著世界第一的用電量，據(jù)中國(guó)能源局統(tǒng)計(jì)，中國(guó)2016年的用電量為59198億千瓦時(shí)，比上一年增長(zhǎng)5.0%，其中照明用電量達(dá)7695.74億千瓦時(shí)，大約占全社會(huì)用電量的13%[3]。可見(jiàn)，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(guó)目前使用的照明燈發(fā)出的光能和熱能普遍沒(méi)有得到二次利用，造成大量能源的浪費(fèi)。2012年國(guó)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(guó)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(shí)施，其目的就在于倡導(dǎo)人們?cè)谏a(chǎn)生活中使用新型節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。為此，作者設(shè)計(jì)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(guò)光電二極管轉(zhuǎn)化為電能，并將電能通過(guò)蓄電池存儲(chǔ)起來(lái)，蓄電池中儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)了能源的二次利用，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

1 新型節(jié)能燈的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 電路設(shè)計(jì)

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(fèi)掉了。如果能將這部份浪費(fèi)的光能利用起來(lái)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(zhǎng)的時(shí)間。基于這樣的思路，作者設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)能燈，利用光電二極管將普通照明燈浪費(fèi)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(kāi)關(guān)，（5）為照明燈，（6）為家用電源開(kāi)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(gè)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(duì)，在PN結(jié)內(nèi)部電場(chǎng)作用下，電子定向移動(dòng)，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(qiáng)度成正比[5]。依據(jù)光電流會(huì)隨光的強(qiáng)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(guò)可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)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(shí)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(chǔ)存起來(lái)；需要放電時(shí)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(jī)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(hào)。目前，逆變器已廣泛運(yùn)用于空調(diào)、家庭影院、電腦、電視、抽油煙機(jī)、風(fēng)扇、照明、錄像機(jī)、車載冰箱等設(shè)備中。

圖4 逆變器電路圖

由此，通過(guò)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(shí)現(xiàn)了將照明燈工作時(shí)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(chǔ)存的電能反過(guò)來(lái)又能提供給照明燈使用。

1.2 實(shí)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(gè)多功能燈罩，在燈罩內(nèi)壁安裝若干個(gè)光電二極管，當(dāng)照明燈工作時(shí)將光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存于蓄電池中，在斷開(kāi)家用電源的情況下，蓄電池中儲(chǔ)存的電能通過(guò)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(kāi)關(guān)和電源開(kāi)關(guān)。根據(jù)所用開(kāi)關(guān)的不同，設(shè)計(jì)了以下兩種方案。

1.2.1 單刀單擲開(kāi)關(guān)方案

圖5為新型節(jié)能燈單刀單擲開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)方案。

圖5 單刀單擲開(kāi)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(kāi)關(guān)、7電源單刀單擲開(kāi)關(guān)。照明燈4于燈罩2內(nèi)通過(guò)導(dǎo)線與電源開(kāi)關(guān)7連接，電源開(kāi)關(guān)7通過(guò)導(dǎo)線連接至家用電源，燈罩2的內(nèi)壁安裝有多個(gè)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^(guò)電池開(kāi)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(kāi)關(guān)7控制照明燈4接入家用電源，閉合開(kāi)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(chǔ)存于蓄電池1中；在停電或是斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)6的時(shí)候，閉合電池開(kāi)關(guān)6，蓄電池1中儲(chǔ)存的電能還可供照明燈4繼續(xù)使用。

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于蓄電池儲(chǔ)存的電能通過(guò)電池開(kāi)關(guān)6可以方便地用作它用，如日常的手機(jī)充電。但該方案電路開(kāi)關(guān)控制稍顯復(fù)雜，還存在電源開(kāi)關(guān)7與電池開(kāi)關(guān)6同時(shí)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(kāi)關(guān)方案

圖 6為新型節(jié)能燈單刀雙擲轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)方案。

圖6 單刀雙擲轉(zhuǎn)換開(kāi)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(kāi)關(guān)。與第一種方案的差別僅在于，將電池單刀單擲開(kāi)關(guān)6和電源單刀單擲開(kāi)關(guān)7兩個(gè)開(kāi)關(guān)替換為可分別控制電池和電源的單刀雙擲轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)6，使蓄電池1經(jīng)逆變器后直接與轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)6連接。

該方案節(jié)能燈的工作原理是：當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)6接入家用電源時(shí)，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(chǔ)存于蓄電池1中；當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)6轉(zhuǎn)換接入蓄電池1后，蓄電池1中儲(chǔ)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(diǎn)在于電路開(kāi)關(guān)控制相對(duì)簡(jiǎn)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(guò)加裝光電二極管、蓄電池、逆變器等元器件設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)能燈。該節(jié)能燈用220V電源開(kāi)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(chǔ)存于蓄電池中；在電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)情況下，蓄電池通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾蠼?jīng)電池開(kāi)關(guān)與照明燈相連，用于蓄電池對(duì)照明燈的供電。因此，該新型節(jié)能燈通過(guò)安裝在燈罩上的光電二極管把普通照明燈浪費(fèi)掉的光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存于蓄電池中，供照明燈二次照明使用，實(shí)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(fèi)，降低了照明燈電能的消耗，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

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

[2]中國(guó)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(guó)家能源局.全球經(jīng)濟(jì)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(guó),0267766.0[P].2016-10-12.

[5]于海平.國(guó)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(jī)的光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)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