太阳能LED驱虫与照明系统的开发和设计

李宇鹏，晏春明，徐弼军

（浙江科技学院 理学院，杭州310023）

当今社会，三农问题日益突出，而且中国的耕地面积越来越少，已经逼近18亿亩的警戒线，这迫使人们考虑提高农产品产量。而化肥和农药的过度使用，所产生的大气中的氮排放总量是欧洲国家的5倍，这严重影响了国人的饮食和生活健康，因此寻找一种清洁的杀虫方法将是现代农业上急需要解决的问题。随着LED照明技术的飞跃发展，LED产生的一定波长的光能吸引田园中相应的飞虫，若再用捕捉器进行捕杀，就能达到物理驱虫和减少农药残留的效果。中国采用这种LED驱虫技术的装置很少，有些只是用来驱蚊子（主要是高压驱蚊技术［1］），用于农业的技术装置就更少了。太阳能LED驱虫与照明系统用太阳能作为驱动能源，用LED灯驱虫，既节能，又保护环境，还可以用于一些偏远落后的地区，这为提高农业生产提供了新思路。

1 系统的功能设计

本系统初步搭建的实物如图1所示，已经能达到本系统的基本功能。本系统的理论外观结构如图2所示。系统构成如下：太阳能电池板，主要作用是收集太阳能和遮挡风雨；太阳能电池板的下方放置电路板和相应的元器件；光敏电阻，调节系统中的30k电位器，可以控制LED灯亮的时间；开关和电源，开关是3档开关，开关打到1档时，无论白天黑夜，电路为断路，开关打到2档时，当光照达到一定强度时，白光LED亮，开关打到3档时，当光照达到一定强度时，紫光LED亮；支撑共有3条，用来支撑太阳能电池板；捕捉器，是一个跟漏斗很像的装置，其内部结构如图3所示：捕捉器中设置一个平面镜，和一个曲面反光面（放在光源的正下方），这样的设置能使光源较大程度地放射到广大的空间中，从而吸引更多的飞虫，在捕捉器及平面镜的上方放上水，当飞虫飞到光源附近（即捕捉器上方），捕捉器中的反光也较强，会吸引飞过来的飞虫，然后飞虫就掉到水中，从而达到驱虫的功能，而且捕捉器是活动的，当其中的飞虫过多时，可以及时清理，当其中水较少时，也可以方便加水。

图1 实物图Fig.1 Physical map

2 系统的电路设计

2.1 太阳能发电系统

太阳能发电系统由太阳能电池方阵、蓄电池、直流变化器等部分组成［2］，在正常光照情况下，输出直流电压。太阳能电池方阵是将多个单一的太阳能电池经过串联或者并联，进行组装和封装后构成太阳能电池，它是由半导体材料做成的，将太阳能转换成直流电流形式的电能。该直流电流经过DC-DC直流变换器（因为要对12V的蓄电池进行充电，而市场上工作电压大于12V的太阳能电池板型号一般工作电压为18V，开路电压为20V左右，转化效率为17%左右，故本系统采用该型号的太阳能电池板，不能直接将12V蓄电池加连到太阳能电池板两端），把直流输入电压降低到略高于蓄电池的12V电压（约为13.8V），串联一个二极管（防止蓄电池的电流倒流到太阳能电池板），再接到12V的蓄电池，从而达到太阳能发电功能。该系统的电路图如图4所示。

图4 太阳能LED驱虫与照明系统电路图Fig.4 Circuit diagram of system of LED desinsectization and lighting by solar power

2.2 照明和驱虫系统工作过程

在白天，由太阳能发电系统对蓄电池充电，此时的LED灯是关着的，因为白天的光照很强，使得光敏电阻很小，光敏电阻两端的电压较小［4-5］，不能触发电压比较器LM339，使电压比较器LM339的输出为低电平，从而使三极管无法导通，继电器断开，所以LED灯不亮。

晚上，光照强度很弱，使得光敏电阻变得很大，光敏电阻两端的电压较大，触发电压比较器LM339，使电压比较器LM339的输出为高电平，从而使三极管导通，继电器通路，再打开3档开关，可以选择两种模式（普通照明模式和特殊光谱的驱虫模式）。普通照明模式（即开关打到2档），1W的白光LED灯亮，既可以方便工作人员夜间管理，又因为飞虫的趋光效应有一定的驱虫效果；特殊光谱的驱虫模式（即开关打到3档），由数只波长为380nm的紫光LED组成，以吸引相应的飞虫，从而达到驱虫效果。若采用特殊光谱，可用其他波长的光，根据具体需要选择不同的方案。电路图如图4所示。

3 系统的实验与效果

将本装置放在受飞虫影响较严重的田地或草地进行实验测试，把开关打到3档，LED光源发出波长为380nm的紫光，飞虫因趋光效应，扑向光源（包括在捕捉器中水下的反光），有些飞虫直接飞向捕捉器的水中，有些飞虫绕紫光光源飞行，飞累了，就落到捕捉器中的水中了。经过实验测试，若在完全无光照的情况下，对于该系统采用12V4AH的蓄电池，紫光LED的照明时间约为200h，白光LED的照明时间约为40h；若把该系统置于正常的有光照的环境中，则可以持续工作。测试结果表明，该系统可以在农田中连续工作捕捉飞虫一周时间以上，而且在捕捉器中捕获的飞虫具有相当的数量，对比市面上的其他捕飞虫器具，具有相对较好的捕虫效果。

4 结 语

太阳能LED照明与驱虫系统采用太阳能发电系统和LED照明和驱虫系统相结合，很大程度上提高了系统节能水平，又提高了系统的工作效率，同时采用光控，使系统更加智能化。本系统的结构和电路相对简洁，使得生产成本降低，而且性能可靠，捕虫效果较好，对环境无污染，市场应用前景较好，可以在山区或用电紧张的地区进行推广和使用。

［1］ 王飞虎，王静静，陈雷中.LED驱虫灯：中国，201020220458.5［P］.2011-05-18.

［2］ 郑玉珍，李武华，何湘宁.便携式太阳能发电系统设计［J］.浙江科技学院学报，2010，22（3）：186-191.

［3］ 周廷.PWM光伏逆变电源DC-DC电路及最大功率点跟踪技术的研究［D］.济南：山东大学，2006.

［4］ 李加升.基本光敏器件的光控电路分析［J］.益阳职业技术学院学报，2006（1）：58-59.

［5］ 曹胜男，刘理云，贺小华.一种简易光控照明电路的设计［J］.甘肃联合大学学报：自然科学版，2009，23（1）：57-59.