太阳能LED路灯的设计.docx

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太阳能LED路灯的设计

太阳能LED路灯的设计

摘要

近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。

对我国来说，由于人均能源资源短缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这个问题尤为严重，它将极大的制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息息留有生存空间。

从某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。

在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。

近年来，我国GDP每年以10%的速度发展，能源消耗急骤增加，环境、生态日益恶化。

这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已经不断地凸现出来，并还要继续加重。

在这样的严峻形势下，节能成为了社会生活的主题。

本文设计了一种具有时控和光控相结合的太阳能路灯控制器，利用光敏电阻实现光电控制。

傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。

关键词：

控制器，蓄电池充放电控制，太阳能电池，LED，铅酸蓄电池，时控、光控电路

目录

1引言1

1.1太阳能路灯工作原理2

2方案论证3

2.1设计要求3

2.2方案选择3

3系统总体框图4

4系统硬件4

4.1太阳能电池板4

4.2太阳能电池的基本特性5

4.3蓄电池5

4.4太阳能控制器6

4.5照明负载8

4.6蓄电池和太阳能板的选用10

4.7过充、过放控制电路11

5太阳能路灯系统设计12

5.1设计要求12

5.2设计原理12

总结13

参考文献14

1引言

面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。

因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。

利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。

特别是太阳能电池组件，使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。

太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。

在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。

与传统的照明工具相比，超高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED灯具的触角就会到达。

21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。

今后。

随着各国政府的高度重视和加大投入，LED必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命。

太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。

道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。

太阳能路灯发展状况

当前国际常规能源价格不断上涨，国内能源供应紧张，许多城市出现拉闸限电的尴尬，能源替代已上升到国家能源战略安全的高度。

太阳能作为无限可再生能源，逐步部分替代城市生产、生活常规能源已是大势所趋。

太阳能照明作为太阳能最重要的利用方式之一，也越来越受到能源行业和照明行业的关注。

目前中国太阳能照明技术已经比较成熟，太阳能路灯具的可靠性得到很大程度的提高，业界先进企业的太阳能照明灯具已经达到甚至超过国家照明标准。

在能源紧张、拉闸限电的城市及用电困难的边远地区，有着很强的可推广性。

从长远来看，太阳能照明系统的前景很好。

人们的消费着眼点首先是实用、成本低，而目前采用的太阳能发电照明系统是根据中国国情和民情研发的，性价比较高。

太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。

1.1太阳能路灯工作原理

系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W白光LED和1W黄光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。

控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。

本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比实现很高的性价比。

2方案论证

2.1设计要求

（1）电池板功率的计算和选用；

（2）蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示；

（3）连续阴雨天三天路灯仍能照明；

（4）光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上24点熄灭，早上5点路灯点亮，早上光线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调）；

（5）系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。

2.2方案选择

太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。

国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。

单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光线较强时，自动关闭路灯，达到自动控制的作用。

为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。

随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路。

使光控开关电路简化。

感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作[1]。

采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。

优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。

缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。

定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。

路灯的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。

本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现太阳能路灯的设计。

3系统总体框图

太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮LED灯用于路灯照明。

根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。

系统总体方框图如图1所示。

由太阳能电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。

4系统硬件

4.1太阳能电池板

在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。

太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种基本方式。

（1）太阳能热发电：

将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类：

一类是太阳能热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，是将太阳热能通过热机带动发电机发电，其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。

有些国家正在研制较大功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。

由于太阳能热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量，因此发展不快，实际应用不多。

（2）太阳能光发电：

直接将太阳的光能转换成电能的利用方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。

目前应用的光伏发电，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。

其缺点：

间歇性。

受气候条件影响；能量密度低；初始投资高。

迄今已有100多个国家参与太阳能光电池的开发应用。

近年来，产量迅速增加．生产成本开始下降[7]。

目前．光伏发电主要用于三大方面：

为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品。

如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。

4.2太阳能电池的基本特性

太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。

太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：

当日射S=l000W／m2；太阳能电池温度T=25℃；大气质量AM=1.5时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。

太阳能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“Wp”。

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。

关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。

通过Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。

在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量[9]。

太阳能电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大，发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用70W单晶硅太阳能电池组件。

4.3蓄电池

蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。

蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。

一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。

目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。

蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。

需要时再把化学能转变为电能释放出来。

能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。

在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。

由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。

蓄电池也能够提供相对稳定的电能[12]。

在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。

在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：

白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。

因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。

蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。

但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。

首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。

其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。

大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小，这样使用寿命也会受到影响。

本电路采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。

但是对蓄电池的过充电更为敏感，因此对过充保护要求高；当长时间反复过充电后，蓄电池极板易变形。

4.4太阳能控制器

　太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。

既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。

此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。

太阳能控制器通常有6个标称电压等级：

12V、24V、48V、110V、220V、600V.

太阳能控制器的选择

退出保护电压

一些客户经常发现，太阳能路灯在亮了一段时间后，尤其是连续阴雨天之后，路灯就会连续几天甚至很多天不亮，检测蓄电池电压也正常，控制器、灯也都没有故障。

这个问题曾经让很多工程商疑惑，其实这个是“退出欠压保护”的电压值的问题，这个值设置的越高，在欠压后的恢复时间越长，也就造成了很多天都无法亮灯。

LED灯恒电流输出，LED由于自身的特性，必须要通过技术手段对其进行恒流或限流，否则无法正常使用。

常见的LED灯都是通过另加一个驱动电源来实现对LED灯的恒流，但是这个驱动却占到整个灯总功率的10％-20％左右，比如一个理论值42W的LED灯，加上驱动后实际功率可能在46-50W左右。

在计算电池板功率和蓄电池容量的时候，必须多加10％－20％来满足驱动所造成的功耗。

除此以外，多加了驱动就多了一个产生故障的环节。

工业版控制器通过软件进行无功耗恒流，稳定性高，降低了整体功耗。

输出时段，普通的控制器一般只能设置开灯后4小时或者8小时等若干个小时关闭，已经无法满足众多客户的需求。

工业版控制器可以分成3个时段，每个时段的时间可任意设置，根据使用环境的不同，每个时段可以设置成关闭状态。

比如有些厂区或者风景区夜间无人，可以把第二个时段（深夜）关闭，或者第二、第三个时段都关闭，降低使用成本。

LED灯输出功率调节

在太阳能应用的灯具当中，LED灯是最适合通过脉宽调节来实现输出不同的功率。

限制脉宽或者限制电流的同时，对LED灯整个输出的占空比进行调节，例如单颗1W的LED7串5并合计35W的LED灯，在夜间放电，可以将深夜和凌晨的时段分别进行功率调节，如深夜调节成15W、凌晨调节成25W，并锁定电流，这样即可以满足整夜的照明，又节约了电池板、蓄电池的配置成本。

经长期试验证明，脉宽调节方式的LED灯，整灯产生的热量要小的多，能够延长LED的使用寿命。

有些灯厂在为了达到夜间省电的目的，把LED灯的内部做成2路电源，夜间关闭一路电源来实现输出功率的减半，但实践证明，此种方法只会导致一半的光源首先光衰，亮度不一致或者一路光源提早损坏。

线损补偿

线损补偿功能目前常规的控制器很难做到，因为需要软件设置，根据不同的线径与线长给予自动补偿。

线损补偿在低压系统中其实是很重要的，因为电压较低，线损相对比较大，如果没有相应的线损电压补偿，输出端的电压可能会低于输入端很多，这样就会造成蓄电池提前欠压保护，蓄电池容量的实际应用率被打了折扣。

值得注意的是，我们在使用低压系统时，为了降低线损压降，尽量不要使用太细的线缆，线缆也不要过长。

散热很多控制器为了降低成本，没有考虑散热问题，这样负载电流较大或者充电电流较大时，热量增加，控制器的场管内阻被增大，导致充电效率大幅下降，场管过热后使用寿命也大大降低甚至被烧毁，尤其夏季的室外环境温度就很高，所以良好的散热装置应该是控制器必不可少的。

4.5照明负载

LED外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。

按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。

发光二极管的实质性结构是P—N结，在半导体P—N结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。

半导体P—N结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。

半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。

白光LED通常是在发射蓝光的InGaN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光[8]。

由于LED是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。

超高亮白光LED应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度LED发光管其产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮LED或平光型与束光型超高亮LED组合使用，将多个LED集中于一起，排列组合成一定规则的LED发光源。

超高亮白光LED发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为17.5mA。

超高亮白光LED发光源具有如下优点：

（1）寿命长。

LED的寿命长达100000h，而白炽灯的寿命一般不超过2000h，荧光灯的寿命也不过5000h左右。

（2）效率高。

相对于传统的第一代照明光源白炽灯，LED的功耗只有前者的10％～20％。

（3）绿色环保。

与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。

（4）耐低温。

环境使用温度在一40℃～80℃，环境适应性非常强[7]。

这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。

在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。

反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。

太阳能LED发光源：

在太阳能LED灯具中，发光源所用的LED数量，从1个到上千个不等，一定数量的LED组成一个发光源时，其排列和组合是一个非常重要的关键点。

即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。

在LED排列组合上依据光学原理及数学推导建立数学模型，最有效地发挥超高亮白光LED的发光效率，并使得单位面积LED的数量少以降低成本。

本设计采用的单个高亮管的正常工作电压3.3V，共采用28个1W高亮管，每7个高亮管串联成一组，共四组并连在电路中，这样也可以减少当电路中的某一个高亮管出现故障时对其他高亮管的影响，由于高亮管的直射效果好，所以灯具的体积要尽量小一些，这样可以使高亮管的照射范围更大一些，高亮管尽量选用照射角度大一些的高亮管。

4.6蓄电池和太阳能板的选用

某地区安装在太阳能路灯。

路灯的工作电压为12V/15W,由于路灯一天要工作8个小时左右,考虑连续阴天3天情况下系统的供电,某地区日照数3小时。

且按80%的放电率计算,求组件选用的功率以及蓄电池的容量：

组件功率：

（15W×8H）/3×1.5＝60W

3---日照数，在当地气象局都可查询到

8---照明时间

1.5--损耗系数

电池容量：

Qx=〔（15W×8H）/12V〕×（3＋1）×1.8=72AH

式中:

Qx——蓄电池容量;

8——蓄电池放电时间;

1.8---损耗系数

连续阴雨天3天，考虑当天夜间已放电一天，故按3+1天计算

应选用组件功率60W和72Ah免维护蓄电池。

太阳能LED灯具的具体技术指标如表1所示：

表1太阳能LED灯具的主要性能指标

太阳能电池

60W，12V

LED发光源

28只LED、每只1W

工作温度

-40℃+80℃

过充保护电压

12V（25C）

过放保护电压

10V

蓄电池

12V,72Ah

照明时间

天黑后，光控自动启动电光转换功能，使路灯点亮；在深夜时控（时间点可调）自动使路灯熄灭；早晨时控（时间点可调）自动使路灯点亮；天亮后光控自动恢复到光电转换模式

阴雨天保证时间

保证连续3个阴雨天正常工作

4.7过充、过放控制电路

过充控制，就是在蓄电池处于过充状态时断开充电电路，过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。

过充、过放控制都是为了保护蓄电池，

延长蓄电池的使用寿命。

过充、过放控制电路如图4。

过充、过放判断的依据主要是蓄电池电压的高低，其工作原理如下：

过充控制电路中将继电器J1的开关串联在充电电路中，当白天有太阳光时处于正常充电状态时，由太阳能板吸热经继电器开关常闭点向蓄电池充电，当蓄电池的电压高于26V时，认为蓄电池处于过充状态，U1A“-”端电压高于“+”端电压时U1A输出“-”，低电平，使Q1截止，同时Q2导通，继电器线圈J1通电，则继电器常闭点断开，常开点闭合，充电电路断开过充指示灯亮，停止向蓄电池充电，达到过充保护功能。

过放控制电路中将继电器J2的开关串联在放电电路中，当处于正常放电状态时，放电电路正常工作。

在晚上由蓄电池向负载供电时，当蓄电池的电压低于22V时，认为蓄电池处于过放状态，此时U1B“+”端电压低于其“-”端电压时，U1B输出“-”低电平，使Q3截止，同时Q4导通，继电器线圈J2通电，继电器开关由常闭点转到常开点，放电电路就断开，过放指示灯亮停止向负载供电。

达到过放保护功能。

5太阳能路灯系统设计

5.1设计要求

一个设计得好的太阳能路灯系统，其设计标准为：

能稳定、可靠的给计划负载（灯源）供电；

根据使用地的地理位置、辐射条件选择好方阵的最佳倾角，以使太阳能电池板获得最佳的辐射度，并在一年中有时间上的均匀性；

太阳能电池方阵和蓄电池的选配是优化经济的；

系统的整体设计安全可靠；

尽延长提高蓄电池寿命。

5.2设计原理

太阳能路灯系统的设计包括两个方面：

容量设计和硬件设计。

太阳能路灯系统容量设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳电池组件和蓄电池的容量。

同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量地减少系统成本。

太阳能路灯系统硬件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备包括太阳电池组件的选型，支架设计，电缆的选择，控制系统的设计、防雷设计、照明和照度设计等。

在进行系统设计的时候需要综合考虑系统的软件和硬件两个方面。

在进行太阳能路灯系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：

太阳能路灯系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料等。

太阳能路灯系统软件设计的内容包括负载用电量的估算，太阳电池组件数量和蓄电池容量的计算以及太阳电池组件安装最佳倾角的计算。

因为太阳电池组件数量和蓄电池容量是光伏系统软件设计的关键部分，所以本节将着重讲述计算与选择太阳电池太阳电池组件和蓄电池的方法。