CN1659930A - 自主固态照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的自主固态照明系统(100)具有一个充电模式和一个放电模式，充电模式收集能量并且利用固态能源(110)产生电能，使用双向功率变换器(130)变换电能的电压，并且在能量存储装置(140)中存储能量；放电模式从能量存储装置(140)抽取电能，利用双向功率变换器(130)变换电能的电压，并且从固态光源(120)产生光。控制器(150)控制所说的充电模式和放电模式。在一个实施例中，固态能源(110)可以是太阳能电池板，固态光源(120)可以是发光二极管模块，能量存储装置(140)可以是电池组。

Description

自主固态照明系统
技术领域
本发明一般说来涉及固态照明系统。具体来说，本发明涉及使用固态太阳能电池、燃料电池、和发光二极管(LED)技术以及双向功率变换器来产生高效的自主照明系统。
背景技术
向遥远地区输送电能带来困难的挑战，因为向这些地区送电既困难又费钱。为携带能量构造的输电线可能非常昂贵，在环境方面可能也很艰苦。从公用电网的电能分配需要构筑变压器和开关场所，这有可能是实际上达不到的或者是要付出过于昂贵的价格。此外，在农村和户外照明经常使用的汞蒸气照明由于公众关注的汞问题也没有太大的希望。
固态能量电池作为电气设备的有用替代能源已经出现。太阳能电池是用于转换光的能量为电能的固态电池技术的一种形式。固态光源，如发光二极管(LED)越来越经常地用作工艺先进的标志，并且变得更加成本有效。
太阳能电池作为干净能源正在越来越多地用于许多不同的应用场合，尤其是在农村地区。在一般情况下，使用功率变换器将太阳能电池的电流变换成用于终端用户的设备的电压/电流波形。对于照明应用，白天从太阳能电池板收集的能量经过功率变换器后存储在一个电池组中。在夜间，存储在电池中的能量通过另一个不同的功率变换器向灯释放。使用两个功率变换器需要具有分开的磁和半导体器件的独立系统，增加了成本和复杂性。
发明内容
因此，期望提供克服了以上缺点的具有单个功率变换器的自主固态照明系统。
本发明的一个方面是提供一种自主固态照明系统以便在农村提供能量并用于户外照明。
本发明的另一方面是提供一种自主固态照明系统以便与电网无关地提供功率。
本发明的另一方面是提供一种自主固态照明系统以便提供不使用汞的照明。
本发明的另一方面是提供一种自主固态照明系统，其中使用单个功率变换器以减少成本和复杂性。
本发明的另一方面是使用一种可替代的能源，如燃料电池。
从下面结合附图的对当前优选的实施例的详细描述中，本发明的上述的以及其它的特征和优点都将变得更加显而易见。详细描述和附图都只是说明性的，而不是限制性的，本发明的范围由所附的权利要求书及其等效物限定。
附图说明
图1是按照本发明用于提供自主固态照明系统的一个系统的一个
实施例的方块图；
图2是按照本发明用于提供自主固态照明系统的一个系统的一个
实施例的示意图；
图3是按照本发明用于提供自主固态照明系统的一个系统的下一个实施例的示意图；
图4是按照本发明用于提供自主固态照明系统的一个系统的再下一个实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的自主固态照明系统具有一个充电模式和一个放电模式，充电模式收集能量并且利用固态能源产生电能，使用双向功率变换器变换电能的电压，并且在能量存储装置中存储能量；放电模式从能量存储装置抽取电能，利用双向功率变换器变换电能的电压，并且从固态光源产生光。控制器控制所说的充电模式和放电模式。在一个实施例中，固态能源可以是太阳能电池板，固态光源可以是发光二极管模块，能量存储装置可以是电池组。
图1表示用于提供按照本发明的自主固态照明系统的一个系统的一个实施例，并且一般用100表示。照明系统100可以包括一个或多个固态能源110、一个或多个固态光源120、至少一个双向功率变换器130、一个或多个能量存储装置140、和一个或多个控制器150。电能160可从固态能源110通过双向功率变换器130向能量存储装置140传送，并且可从能量存储装置140通过双向功率变换器130向固态光源120传送。
固态能源110可以通过空气、水、燃烧、光、燃料电池、或者任何其它合适的能源提供能量以产生电能。在一个优选实施例中，能源可以是太阳能源，如一个太阳能电池。固态能源110可以通过铜线、或本领域中公知的任何其它合适的接线连接到固态光源120、双向功率变换器130、能量存储装置140、或者控制器150。
固态光源120可以是至少一个发光二极管、至少一个发光二极管(LED)模块、至少一个有机发光二极管模块、或者在本领域中公知的任何其它合适的光源。在一个优选实施例中，光源可以是至少一个发光二极管模块。固态光源120可以通过铜线、或本领域中公知的任何其它合适的接线连接到固态能源110和双向功率变换器130。
双向功率变换器130可用于取得电能源，并增加(加大/提升)或减小(降低/抵消)电压，以便在照明系统100中进行适当的应用。例如，固态能源110将太阳能变换成电能。在固态能源110中产生的电能的电压可由双向功率变换器130提升并存储在能量存储装置140中。存储在能量存储装置140中的电能的电压可以由双向功率变换器130降低，以便根据固态光源120的功率额定值向固态光源120提供适当电平的电能。双向功率变换器130可以通过铜线、或本领域中公知的任何其它合适的接线连接到固态光源120、能量存储装置140、或者控制器150。
能量存储装置140可以是电池组、燃料电池、电容器、或者在本领域中公知的任何其它合适的能源。在一个优选实施例中，能量存储装置是一个电池组。能量存储装置140可以根据要求可以用来保持升高的电能和可以释放电能。能量存储装置140可以通过铜线、或本领域中公知的任何其它合适的接线连接到固态光源120、固态能源器110、双向功率变换器130、或者控制器150。
系统100还可以包括一个控制器150，控制器150可以是任何合适的硬件或软件或者硬件和软件的组合，可以将电能160从固态能源110引导到能量存储装置140、固态光源120、双向功率变换器130、或控制器150。控制器150可以通过铜线、或本领域中公知的任何其它合适的接线连接到固态能源110、能量存储装置140、固态光源120、或者双向功率变换器130。
在一个实施例中，可以在单个硅片上包含或者在单个印刷电路板上提供照明系统100的一个或多个部件。例如，可在单个芯片或模块上形成固态能源110和固态光源120。
图2表示用于提供按照本发明的自主固态照明系统的并且总体用200表示的一个系统的优选实施例。照明系统200可以包括固态能源，并且可以至少包括：一个或多个太阳能电池板210、一个或多个功率二极管205、包括一个或多个LED调制器220的一个或多个光能源120、、一个或多个电感器217、一个或多个电容器225、具有内部整流器216、231的一个或多个开关215、230、可以是电池组240的一个或多个能量存储装置140、和一个控制器235。双向能量变换器130包括电感器217、电容器225、开关215和开关230。
LED模块220和具有功率二极管205的太阳能电池板210彼此以相反的极性并联连接。对于太阳能电池板210和LED模块220进行选择，以使当太阳能电池板210达到功率峰值时，太阳能电池板210的两端电压低于LED模块220的拐点电压。这在充电模式期间保持LED模块220导通。在市场上可以购买到的典型太阳能电池板具有特定的输出电压(伏)，如6伏、12伏、或24伏。功率发光二极管领域当前的水平在一般情况下是：对于LED模块220中的每个LED，拐点电压(V拐点)范围为从1.44伏到2.25伏。为了保持太阳能电池板210两端的电压低于LED模块220的拐点电压，要对于LED的数目(N)进行选择，以使单个LED拐点电压(V拐点)和LED的数目(N)的乘积大于太阳能电池板输出电压(Vs)。可以对于电池组240的电池组电压Vbp进行选择，使其大于所说的太阳能电池板输出电压(Vs)、以及LED的数目(N)与单个LED最大操作电压(Vled)的乘积这二者之间的较大者。
照明系统在白天收集并存储日光能量，在夜间将存储的能量转换成光。在白天照明系统以充电模式操作。太阳能电池板210经过双向功率变换器130产生用于使电池组240充电的能量。双向功率变换器130按照升压模式操作，增加从太阳能电池板210产生的电压中提供给电池组240的电压。开关230按照控制器235指示的高频率接通和断开，开关215保持打开的非导通状态。开关215的内部整流器216用作整流二极管。在另一个实施例中，整流二极管可以是分开的位于开关215外部的二极管。为了提高电路效率，双向功率变换器130以可变的频率按照边界导通模式进行设计和操作。通过使用升压模式，系统200能够在太阳能电池板210产生较少能量时的日出和日落期间最充分地利用太阳能。
在夜里，照明系统按照放电模式操作。存储在电池组240中的能量可能经过反向操作的双向功率变换器130向LED模块220释放以提供照明。双向功率变换器130按照补偿抵消模式(buck mode)操作，以减小向LED模块220提供的来自电池组240提供的电压的电压。开关215按照控制器235指示的高频率接通和断开，开关230在保持打开的非导通状态。双向功率变换器130以可变的频率按照边界导通模式进行操作。使用补偿抵消模式，能够较好地控制到LED模块220的电流。使有功率二极管205阻塞可能损伤太阳能电池板210的任何反向的电流泄漏。在一个实施例中，在期望利用日光的预定时间，即在计算得到的日出和日落时间，照明系统200可以在充电模式和放电模式之间进行切换。在另一个实施例中，当向控制器235提供信号的传感器或者电路表示：在太阳能电池板210上接收到预定的光量时，在充电模式和放电模式之间进行切换。还可能按照连续导通的方式、和/或按照固定的操作频率的不连续导通模式操作双向功率变换器。控制器235可以管理充电模式和放电模式，以使电池寿命和能量利用率最大。
图3表示的是提供按照本发明的自主固态照明系统的一个系统的另一个实施例，图3中的与图2相同的元件使用相同标号。在此例中，增加一个开关，可以在LED模块和太阳能电池板的选择中提供更多的灵活性，并且增加另一个能源。虽然这些特征是表示在一个实施例中，但本领域的普通技术人员将会认识到，无论哪个特征都可单独提供。
增加一个开关来切换通过LED模块的电流，这在选择LED模块和太阳能电池板电压方面增加了灵活性。响应来自控制器235的信号的LED开关245可与LED模块220串联连接。当照明系统200处在充电模式，即，当从太阳能电池板210向电池组240提供能量时，LED开关245处在打开的非导通状态，阻止LED模块220照明。增加LED开关245可避免下面的限制：选择LED数目(N)时应使单个LED拐点电压(V拐点)和LED的数目(N)的乘积要大于太阳能电池板输出电压(Vs)。当开关245打开时，在LED模块220中，每个单个LED两端的电压小于拐点电压，因此可避免照射，因而对于LED模块220两端电压没有任何限制，因为有来自太阳能电池板210的电压。当照明系统200在放电模式，即，当从电池组240向LED模块220提供电量时，LED开关245闭合，允许LED模块220照明。
可以增加一个可替换的电源250，如燃料电池组，以便可以提供照明LED模块的附加的电源。现在参照附图3，可以切换燃料电池组以替换电池组240。可以交替的选择可替换的电源250和电池组240，以便响应来自控制器235的信号通过单极双掷开关255向LED模块220供电。在可替换实施例中，可替换电源可能是提供电源的一个不同的装置，如辅助电池或小型发生器。在另一个实施例中，通过一个专用的控制器或者手动地控制开关255的操作。
图4表示用于提供按照本发明的自主固态照明系统的一个系统的下一个实施例，其中与图2相同的元件享用与图2相同的标号。双向功率变换器130包括电感器280、电容器225、具有内部整流器283的开关282、具有内部整流器285的开关284。双向功率变换器130作为双向的补偿抵消-提升变换器操作。双向功率变换器130的设计要能避免下面的限制：选择LED数目(N)时应使单个LED拐点电压(V拐点)和LED的数目(N)的乘积大于太阳能电池板输出电压(Vs)。在充电模式，当能量从太阳能电池板210流向电池组240的时候，控制器235切换开关282并打开开关284。在放电模式，当能量从电池组240流向LED模块220的时候，控制器235打开开关282并切换开关284。
虽然这里描述的本发明的实施例在当前被认为是优选的，但在不偏离本发明的构思和范围的情况下还可在作出各种变化和改进。例如，照明系统可以接收来自人工照明系统的光而不是来自太阳的光。在所附的权利要求书中表示出本发明的范围，期望出自等效物的含义和范围的所有变化都包括在其内。

Claims (21)

1.提供自主固态照明系统的方法，包括：
从固态能源收集电能；
使用双向功率变换器增加电能的电压；
存储高电压的电能；
使用双向功率变换器减小存储的电能的电压；
利用较低电压的电能向固态光源供电。
2.权利要求1的方法，进一步还包括如下步骤：当从固态能源收集电能时阻止固态光源照明。
3.权利要求2的方法，其中：阻止固态光源照明的步骤还包括：选择固态光源，以使导通固态光源所需的电压大于固态能源提供的电压。
4.权利要求2的方法，其中：阻止固态光源照明的步骤还包括：从固态能源收集电能时，断开固态光源。
5.权利要求1的方法，进一步还包括如下步骤：当利用较低电压的电能给固态光源供电时，阻止反向电流流过固态能源。
6.权利要求1的方法，进一步还包括如下步骤：提供一个可替换的电源给固态光源供电。
7.一种自主固态照明系统，包括：
用于收集电能的装置，电能收集装置是固态的；
用于变换电能的电压的装置；
用于存储电能的装置；
用于照明的装置，照明装置是固态的；
其中：电压变换装置增加从电能收集装置收集的电能的电压以便在电能存储装置中存储，并且减小存储在电能存储装置中的电能的电压以便给照明装置供电。
8.权利要求7的系统，进一步还包括：当收集电能时用于阻止照明装置照明的装置。
9.权利要求8的系统，其中阻止照明装置还包括在收集电能时断开照明装置的装置。
10.权利要求7的系统，进一步还包括：当给照明装置供电时阻止反向电流流过电能收集装置的装置。
11.权利要求7的系统，进一步还包括：用于给照明装置供电的一个可替换装置。
12.一种自主固态照明系统，包括：
双向功率变换器；
太阳能电池板，按可操作方式连接到双向功率变换器；
电池组，按可操作方式连接到双向功率变换器；
发光二极管(LED)模块，按可操作方式连接到双向功率变换器；和
控制器，控制器控制双向功率变换器。
13.权利要求12的系统，其中：
太阳能电池板提供太阳能电池板输出电压Vs；
LED模块包括串联连接的一系列N个LED，LED具有单个拐点电压V拐点；
单个拐点电压V拐点和LED数目N的乘积大于太阳能电池板输出电压Vs。
14.权利要求12的系统，其中：
太阳能电池板提供太阳能电池板输出电压Vs；
电池组提供电池组电压Vbp；
LED模块包括串联连接的一系列N个LED，LED具有单个LED最大操作电压Vled；
电池组电压Vbp大于太阳能电池板输出电压Vs以及LED数目N与单个LED最大操作电压Vled的乘积这二者之中的较大者。
15.权利要求12的系统，进一步还包括一个LED开关，LED开关按可操作方式连接到LED模块，并且对控制器作出响应。
16.权利要求12的系统，进一步还包括一个功率二极管，功率二极管按可操作方式连接到太阳能电池板。
17.权利要求12的系统，进一步还包括：
一个可替换的电源，可替换的电源可切换地连接到电池组的两端；
一个开关，所说的开关对于控制器作出响应，以便在电池组和可替换电源之间切换双向功率变换器。
18.权利要求17的系统，其中：可替换电源是从以下的组中选择出来的：燃料电池组、辅助电池、和小型发生器。
19.权利要求12的系统，其中：双向功率变换器还包括：
电感/电容电路，按可操作方式连接到LED模块和太阳能电池板；
第一开关，第一开关对控制器作出响应；
第一整流二极管，第一整流二极管连接到第一开关的两端；
第二开关，第二开关对控制器作出响应；
第二整流二极管，第二整流二极管连接到第二开关的两端；
其中：第一开关和第二开关串联连接在电池组的两端，电感/电容电路按可操作方式连接到第一开关和第二开关之间，在充电模式下控制器打开第一开关并且切换第二开关，在放电模式下控制器打开第二开关并且切换第一开关。
20.权利要求12的系统，其中：第一整流二极管在第一开关的内部，第二整流二极管在第二开关的内部。
21.权利要求12的系统，其中：双向功率变换器进一步还包括：
电容性电路，按可操作方式连接到LED模块和太阳能电池板；
电感性电路，按可操作方式连接到电池组；
第一开关，第一开关对控制器作出响应；
第一整流二极管，第一整流二极管连接到第一开关的两端；
第二开关，第二开关对控制器作出响应；
第二整流二极管，第二整流二极管连接到第二开关的两端；
其中：第一开关按可操作方式连接在电容性电路和电感性电路之间；第二开关按可操作方式连接到电感性电路和电池组之间；在充电模式下控制器切换第一开关并打开第二开关，在放电模式下控制器打开第一开关并切换第二开关。
CN038137399A 2002-06-13 2003-06-04 自主固态照明系统 Pending CN1659930A (zh)

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