【導(dǎo)讀】我家在北加州的森林里有一處小木屋。由于1922年建造的那個(gè)小木屋年久失修，于是家人于20世紀(jì)50年代后期重新建了一個(gè)(圖1)。目前，照明由最初的丙烷燈和交流驅(qū)動(dòng)的日光燈一起提供。交流電由一個(gè)年代已久的3kVA發(fā)電機(jī)提供。發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，交流燈也能用，但仍有一些問題。
● 所有燃料必須用5加侖桶子拉到小木屋，而距離最近的燃料也有1小時(shí)遠(yuǎn)。
● 發(fā)電機(jī)太吵。
● 為了節(jié)省燃料， 每天晚上必須關(guān)閉發(fā)電機(jī)，然后在需要電源時(shí)重新開啟。
為了節(jié)省發(fā)電機(jī)的燃料，我們總是用丙烷作為做早餐的燃料。
小木屋當(dāng)前的電池采用電源逆變器和大型汽車電池設(shè)計(jì)，并且工作得相當(dāng)好。但是，由于天氣原因，不能把電池留在小木屋，并且電池必須足夠大才能應(yīng)對(duì)交流照明的要求和逆變器的低效率。最后，這些大型電池充電需要很長時(shí)間，或者當(dāng)家人在秋天到小木屋打獵時(shí)，由于此時(shí)太陽能電池板的效率不高，需要較大的太陽能電池板。
圖1：位于加州北部的小木屋。
隨著LED照明的革命和DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率變高，我們決定重新審視小木屋的電池供電照明系統(tǒng)。可以確定，小木屋需要11盞燈(相當(dāng)于一個(gè)60W的白熾燈)和一些夜里去洗手間用的夜燈。整個(gè)小木屋的設(shè)計(jì)功率預(yù)算為100W，將需要差不多60lm/W的燈。100lm/W是LED光源可實(shí)現(xiàn)的數(shù)字，但電源效率低和燈具設(shè)計(jì)將會(huì)降低總的光輸出。
設(shè)計(jì)開始首先來看一下CREE公司的850lm、10W LMH-2燈具。我一直使用CREE 的這款燈具作為MCU控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器的光源，因此很熟悉它的規(guī)范。該燈具工作在20V時(shí)需要大約500mA的電流，并且能根據(jù)溫度和壽命的影響校正色溫。我的工作將是為這些燈提供電源并將它們安裝在小木屋內(nèi)。電源采用9～24VDC輸入SEPIC拓?fù)洌蒑icrochip的PIC16F1788 8位MCU驅(qū)動(dòng)。PIC16F1788具有一個(gè)運(yùn)放、可編程開關(guān)模式控制器(PSMC)、DAC、ADC和產(chǎn)生數(shù)字控制、模擬驅(qū)動(dòng)電源所需的比較器。該MCU具有大量的代碼空間，可用于保存RF控制燈所需的2.4GHz 802.15.4無線控制軟件，但此功能未在小木屋使用。使用規(guī)定的輸出流明和精確的輸入功率時(shí)，每個(gè)LMH-2和SEPIC燈具可產(chǎn)生70lm/W的光效。
照明系統(tǒng)的框圖
圖2：Microchip的PIC16F1788 28引腳8位高級(jí)模擬閃存MCU。
我們有10 盞使用Microchip 的SEPIC控制器的LMH-2燈、120’的導(dǎo)管和大量電線。因此，我們決定按表1所示分配電燈。
表1：照明規(guī)劃。
這樣安排可在廚房和餐廳這兩個(gè)最常用的位置提供最佳照明，并且其他位置也有很好的照明。配電箱有6個(gè)可用熔絲。我們決定將電線拉到閣樓，接到所有6個(gè)熔絲上，并留出一些電線以備將來擴(kuò)充。布線規(guī)劃是在各支路放置不超過5個(gè)主燈，我們將按照表2所示將電燈分組來完成。
表2：布線規(guī)劃。
第1天 首先把配電箱和電源接入盒掛起來。電源接入盒耐風(fēng)雨，具有黃銅接頭，可用于連接12V電源。黃銅接頭足夠大，可連接汽車跨接電纜。電源盒安裝在小木屋外面靠近車輛停放的位置，方便使用跨接電纜與小木屋跨接。配電箱位于小木屋內(nèi)，包含一個(gè)熔絲盒、電表和電源總開關(guān)。熔絲盒支持6個(gè)熔絲。電表最初設(shè)計(jì)用于RC建模，不過似乎更適合監(jiān)控整個(gè)電力系統(tǒng)。
安裝好電源盒后，我們給6根電線涂上潤滑油，將它們擠入從閣樓的接線盒到電源盒的短導(dǎo)管中。我們?cè)谶@些導(dǎo)線末端連接圓形端子并接入兩個(gè)盒子。現(xiàn)在閣樓已布線完畢。
接下來要做的事情是在休息室的天花板上鉆孔以裝燈。我們鉆好孔并放好導(dǎo)管。順著墻布置了一段表面安裝泛達(dá)導(dǎo)管，用于燈開關(guān)，并且是到夜燈調(diào)光器的常用線路。夜燈由一長條12V白LED燈帶構(gòu)建。這些燈帶每5米為24W，差不多每3英寸由三個(gè)LED和一個(gè)電阻組成。可以按3個(gè)LED電路的倍數(shù)截短燈帶。
從休息室，我們向東走向廚房，沿途布置燈開關(guān)，試運(yùn)行了休息室、廚房和餐廳的所有燈。借用一些功能燈，我們通過對(duì)餐廳的兩盞燈供電，驗(yàn)證電池功率為23W。
第2天 由于對(duì)閣樓的情況缺乏了解，之前我們只是粗略規(guī)劃了導(dǎo)管。三通接頭用得很快，并且門廊燈需要一個(gè)可防風(fēng)雨的開關(guān)。購買了其余的零部件后，我們布置了主臥室、主衛(wèi)生間和雜物室。
圖3所示為餐廳。我們將原先的日光燈留在原地，因?yàn)樗鼈円雅c發(fā)電機(jī)相連一起使用。如果你可以將汽油運(yùn)到森林里并且可以忍受發(fā)電機(jī)的噪聲，那就可以通過80W雙管燈具使光線稍亮一點(diǎn)。然而，兩個(gè)20W的LMH-2就可以提供差不多的光亮，并且顏色更好。
圖3：餐廳。
圖4所示為雜物間，安裝有一個(gè)23 W 日光燈和一個(gè)10 W LMH - 2 。LMH-2產(chǎn)生的光稍微暗一點(diǎn)，并且非常不幸的是，由于我沒有漫射光線的燈罩，導(dǎo)致光線集中向下。燈具為彎曲、穿孔、上了漆的0.032”鋁制品，用來固定LMH-2燈具并提供小型散熱區(qū)域。該系統(tǒng)的熱管理非常簡(jiǎn)單，原因是光源發(fā)的熱只有5W，而電源大約為2W；另外，晚間溫度在夏天約為20℃，在冬天為10℃。
圖4：雜物間。
第3天 我們檢查了電表，了解到夜燈以及準(zhǔn)備早餐、拍照和對(duì)講總共用了56Wh的電能。即使是冬天，我的30W太陽能蓋板大概只要3到4個(gè)小時(shí)就能提供這樣的電能。第三天的工作包括在廚房里添加最后一盞燈和封上導(dǎo)管。
結(jié)論
經(jīng)過一年的規(guī)劃和三天的緊張工作，我們現(xiàn)在在美國的一個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)擁有了一個(gè)可離網(wǎng)運(yùn)行的直流照明系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可為未來幾代家人提供無故障的安靜照明。該小木屋見證了從丙烷燈、交流白熾燈、交流日光燈到現(xiàn)在的直流LED燈的照明發(fā)展歷程。每代技術(shù)都減少了維護(hù)，改進(jìn)了性能，并增加了家庭度假的樂趣。
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