一種太陽能LED草坪燈照明設(shè)計(jì)思路全解

1、引言

　　太陽能作為一種新興的綠色能源，以其無可比擬的優(yōu)勢得到迅速的推廣應(yīng)用。作為第四代新光源，在城市亮化美化、道路照明、庭院照明、室內(nèi)照明以及其他各領(lǐng)域的照明和應(yīng)用中得到了有效的利用。尤其是在偏遠(yuǎn)無電地區(qū)，太陽能照明燈具更具有廣泛的應(yīng)用前景。 一般人認(rèn)為，節(jié)能燈可節(jié)能4/5是偉大的創(chuàng)舉，但LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4，這是固體光源偉大的革新。

除此之外，LED還具有光線質(zhì)量高，基本上無輻射，可靠耐用，維護(hù)費(fèi)用極為低廉等優(yōu)勢，屬于典型的綠色照明光源。超高亮LED的研制成功，大大地降低了太陽能燈具使用成本，使之達(dá)到或接近工頻交流電照明系統(tǒng)初裝的成本報(bào)價(jià)，并且具有保護(hù)環(huán)境、安裝簡便、操作安全、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。由于LED具有的光效率高，發(fā)熱量低等優(yōu)勢，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在照明領(lǐng)域，并呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng)照明光源的趨勢。

在我國西部，非主干道太陽能路燈、太陽能庭院燈漸成規(guī)模。隨著太陽能燈具的大力發(fā)展，“綠色照明”必將會(huì)成為一種趨勢。而LED太陽能草坪燈作為其中的一個(gè)代表，也將得到大力的推廣和應(yīng)用，本文主要介紹它的一些知識(shí)，希望能給大家一些啟發(fā)。

　　2、LED太陽能草坪燈的定義及結(jié)構(gòu)組成

　　太陽能草坪燈主要利用太陽能電池的能源來進(jìn)行工作，當(dāng)白天太陽光照射在太陽能電池上，把光能轉(zhuǎn)變成電能存貯在蓄電池中，再由蓄電池在晚間為草坪燈的LED（發(fā)光二極體）提供電源。其優(yōu)點(diǎn)主要為安全、節(jié)能、方便、環(huán)保等。適用于住宅社區(qū)綠草地美化照明點(diǎn)綴，公園草坪美化點(diǎn)綴。LED太陽能草坪燈的結(jié)構(gòu)組成：由太陽能電池組件（光電板）、超高亮LED燈（光源）、免維護(hù)可充電蓄電池、自動(dòng)控制電路、燈具等組成。

　　3、太陽能草坪燈的系統(tǒng)組成、控制原理和電路原理

　　3.1 太陽能草坪燈的系統(tǒng)組成

　　LED太陽能草坪燈是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)。它能夠獨(dú)立的完成把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并能把電能轉(zhuǎn)換成熱能供照明和裝飾使用，而不需要電線的傳輸。一個(gè)獨(dú)立的光伏系統(tǒng)一般由以下三部分組成：太陽電池組件；充、放電控制器、逆變器、測試儀表和計(jì)算機(jī)監(jiān)控等電力電子設(shè)備和蓄電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備。光伏系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪音； 沒有空氣污染、不排放廢水；沒有燃燒過程，不需要燃料； 維修保養(yǎng)簡單，維護(hù)費(fèi)用低；運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性好；作為關(guān)鍵部件的太陽電池使用壽命長，晶體硅太陽電池壽命可達(dá)到25年以上；根據(jù)需要很容易擴(kuò)大發(fā)電規(guī)模。

圖1：幾種常見的LED太陽能草坪燈

　　圖2是一個(gè)典型的供應(yīng)直流負(fù)載的光伏系統(tǒng)示意圖。其中包含了光伏系統(tǒng)中的幾個(gè)主要部件：光伏組件方陣：由太陽電池組件（也稱光伏電池組件）按照系統(tǒng)需求串、并聯(lián)而成，在太陽光照射下將太陽能轉(zhuǎn)換成電能輸出，它是太陽能光伏系統(tǒng)的核心部件。

圖2：直流負(fù)載的太陽能光伏系統(tǒng)

　　LED太陽能草坪燈是一個(gè)小型的太陽能供電系統(tǒng)（圖3是一個(gè)簡單的太陽能供電系統(tǒng)）。它的結(jié)構(gòu)非常簡單主要由太陽能電池板、充放電控制器、蓄電池、照明電路和燈桿等部分組成（如圖4）。

圖3：小型太陽能供電系統(tǒng)

圖4：LED太陽能草坪燈的組成

　　3.2 太陽能草坪燈的控制原理

　　太陽能草坪燈的控制器主要是用于蓄電池充放電的而控制。圖4-4就是一個(gè)最基本的充放電控制器。在該圖中，由光伏電池板、蓄電池、太陽能控制器和負(fù)載組成了一個(gè)基本的光伏應(yīng)用系統(tǒng)。這里的開關(guān)K1和K3為充電開關(guān)，K3為放電開關(guān)，它們均屬于太陽能控制中心的一部分。圖中開關(guān)的開合由控制電路根據(jù)系統(tǒng)的充放電狀態(tài)來決定。當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)斷開充電開關(guān)，需要充電時(shí)閉合充電開關(guān)；當(dāng)蓄電池放電時(shí)閉合K2，否則斷開。而這些控制電路可以采用三極管、電阻、電容、電感構(gòu)成的電壓比較升壓充放電電路，也可以采用光控電路，或者采用集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓滯回比較器，還可以采用單片機(jī)。鑒于廉價(jià)的考慮一般采用前者。

圖5：充放電控制器的基本原理

圖6：蓄電池放電示意圖

　　一般來說，一個(gè)合格的太陽能充放電控制器具有以下幾種充放電保護(hù)模式：

　　a 直充保護(hù)點(diǎn)電壓：直充也叫急充，屬于快速充電，一般都是在蓄電池電壓較低的時(shí)候用大電流和相對高電壓對蓄電池充電，但是，有個(gè)控制點(diǎn)，也叫保護(hù)點(diǎn)，就是上表中的數(shù)值，當(dāng)充電時(shí)蓄電池端電壓高于這些保護(hù)值時(shí)，應(yīng)停止直充。直充保護(hù)點(diǎn)電壓一般也是“過充保護(hù)點(diǎn)”電壓，充電時(shí)蓄電池端電壓不能高于這個(gè)保護(hù)點(diǎn)，否則會(huì)造成過充電，對蓄電池是有損害的。

　　b 均充控制點(diǎn)電壓：直充結(jié)束后，蓄電池一般會(huì)被充放電控制器靜置一段時(shí)間，讓其電壓自然下落，當(dāng)下落到“恢復(fù)電壓”值時(shí)，會(huì)進(jìn)入均充狀態(tài)。為什么要設(shè)計(jì)均充？就是當(dāng)直充完畢之后，可能會(huì)有個(gè)別電池“落后”（端電壓相對偏低），為了將這些個(gè)別分子拉回來，使所有的電池端電壓具有均勻一致性，所以就要以高電壓配以適中的電流再充那么一小會(huì)，可見所謂均充，也就是“均衡充電”。均充時(shí)間不宜過長，一般為幾分鐘~十幾分鐘，時(shí)間設(shè)定太長反而有害。對配備一塊兩塊蓄電池的小型系統(tǒng)而言，均充意義不大。所以，路燈控制器一般不設(shè)均充，只有兩個(gè)階段。

　　c 浮充控制點(diǎn)電壓：一般是均充完畢后，蓄電池也被靜置一段時(shí)間，使其端電壓自然下落，當(dāng)下落至“維護(hù)電壓”點(diǎn)時(shí)，就進(jìn)入浮充狀態(tài)，目前均采用PWM（既脈寬調(diào)制）方式，類似于“涓流充電”（即小電流充電），電池電壓一低就充上一點(diǎn)，一低就充上一點(diǎn)，一股一股地來，以免電池溫度持續(xù)升高，這對蓄電池來說是很有好處的，因?yàn)殡姵貎?nèi)部溫度對充放電的影響很大。其實(shí)PWM方式主要是為了穩(wěn)定蓄電池端電壓而設(shè)計(jì)的，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來減小蓄電池充電電流。這是非?？茖W(xué)的充電管理制度。具體來說就是在充電后期、蓄電池的剩余電容量（SOC）>80%時(shí)，就必須減小充電電流，以防止因過充電而過多釋氣（氧氣、氫氣和酸氣）。

　　d 過放保護(hù)終止電壓：這比較好理解。蓄電池放電不能低于這個(gè)值，這是國標(biāo)的規(guī)定。蓄電池廠家雖然也有自己的保護(hù)參數(shù)（企標(biāo)或行標(biāo)），但最終還是要向國標(biāo)靠攏的。需要注意的是，為了安全起見，一般將12V電池過放保護(hù)點(diǎn)電壓人為加上0.3V作為溫度補(bǔ)償或控制電路的零點(diǎn)漂移校正，這樣12V電池的過放保護(hù)點(diǎn)電壓即為11.10V，那么24V系統(tǒng)的過放保護(hù)點(diǎn)電壓就為22.20V 。目前很多生產(chǎn)充放電控制器的廠家都采用22.2V（24V系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.3 太陽能草坪燈充放電控制器的設(shè)計(jì)

　　充電控制器作為光伏電池和鉛酸蓄電池的接口電路，一般都希望讓其工作在最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更高的效率，但是在實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的同時(shí)，還需要考慮進(jìn)行蓄電池充電控制。目前常用的主電路拓?fù)渲饕薪祲盒碗娐罚˙uck）變換器、升壓型電路（Boost）變換器、丘克電路（Cuk）變換器等。一般光伏電池輸出電壓波動(dòng)較大，而Buck變換器或Boost變換器只能進(jìn)行降壓或升壓變換，受此影響，光伏電池不能在大范圍內(nèi)完全工作于最大功率點(diǎn)，從而造成系統(tǒng)效率下降。同時(shí)，Buck變換器輸入電流紋波較大，如果輸入端不加一個(gè)儲(chǔ)能電容就會(huì)使系統(tǒng)工作在斷續(xù)狀態(tài)下，從而導(dǎo)致光伏電池輸出電流時(shí)斷時(shí)續(xù)，不能處于最佳工作狀態(tài)；而Boost變換器輸出電流紋波較大，用此電流對蓄電池進(jìn)行充電，不利于蓄電池的使用壽命；Cuk變換器同時(shí)具有升壓和降壓功能，將Cuk變換器應(yīng)用于光伏系統(tǒng)充電控制器中，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，有利于系統(tǒng)效率的提高。因此，常選用Cuk變換器作為充電控制器的主電路，其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D7所示。

圖7：Cuk充電控制器主電路

　　Cuk變換器在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，其電路的穩(wěn)態(tài)過程有：

　　1、開關(guān)管Vr導(dǎo)通期間

　　此期間開關(guān)管Vr導(dǎo)通，電容C2上的電壓使二極管D2反偏而截止，這時(shí)輸入電流iL2使Ll儲(chǔ)能；C2的放電電流iL2使L2儲(chǔ)能，并供電給負(fù)載，如圖8（a）所示。

　　2、開關(guān)管Vr截止期間此期間開關(guān)管Vr截止，二極管D2正偏而導(dǎo)通，電源和Ll的釋能電流iLl向C2充電，同時(shí)L2的釋能電流iL2以維持負(fù)載，如圖8（b）所示。因此，Vr截止期間C2充電，Vr導(dǎo)通期間C2向負(fù)載放電，C2起能量傳遞的作用。

圖8：Cuk變換器連續(xù)工作模式等效電路圖

　　3.4 太陽能草坪燈的電路原理

　　太陽能草坪燈的電路原理比較簡單。下面我們具體介紹一種簡單的太陽能草坪燈的電路原理。它的控制器就是采用升壓電路來實(shí)現(xiàn)的。

圖9：一種簡單的太陽能草坪燈的電路原理圖

　　元器件選擇：BT1選用3.8V/80mA太陽能電池板，單晶硅為好，多晶硅次之；BT2選用兩節(jié)1.2V/600mA Ni-Cd電池，如需要增大發(fā)光度或延長時(shí)間，可相應(yīng)提高太陽能板及電池功率。VQ2、VQ3、VQ5的β在200左右，VQ4需β值大的晶體管。VD1盡量選管壓低的，如鍺管或肖特基二極管。LED可選用白、藍(lán)、綠色超高亮度散光或聚光。當(dāng)選用紅黃橙等低壓降LED時(shí)，電路需重新設(shè)定。R3、R5建議選用1%精度電阻；R4用亮阻10kΩ～20kΩ，暗阻1MΩ以上的光敏電阻。其他電阻可選用普通碳膜（1/4）W、（1/8）W電阻。L1用（1/4）W色電感，直流阻抗要小。

　　該電路的工作原理：白天有太陽光時(shí)，由BT1把光能轉(zhuǎn)換為電能，由VD1對BT2充電，由于有光照，光敏電阻呈低阻，VQ4 b極為低電平而截止。當(dāng)晚上無光照時(shí)光敏電阻呈高阻，VQ4導(dǎo)通，VQ2 b極為低電平也導(dǎo)通，由VQ3、VQ5、C2、R6、L1組成的DC升壓電路工作，LED得電發(fā)光。

　　DC升壓電路其核心就是一個(gè)互補(bǔ)管振蕩電路，其工作過程為：VQ2導(dǎo)通時(shí)電源通過L1、R6、VQ4向C2充電，由于C2兩端電壓不能突變，VQ3 b極為高電平，VQ3不導(dǎo)通，隨著C2的充電其壓降越來越高，VQ3 b極電位越來越低，當(dāng)?shù)椭罺Q3導(dǎo)通電壓時(shí)VQ3導(dǎo)通，VQ5相繼導(dǎo)通，C2通過VQ5 ce結(jié)、電源、VQ3 eb結(jié)（由于VQ2導(dǎo)通，我們假設(shè)其ec結(jié)短路，VQ3 e極直接電源正極）放電。

　　當(dāng)放完電后VQ3截止，VQ5截止，電源再次向C2充電，之后VQ3導(dǎo)通，VQ5導(dǎo)通，C2放電，如此反復(fù)，電路形成振蕩，在振蕩過程中，VQ5導(dǎo)通時(shí)電源經(jīng)L1和VQ5 ce結(jié)到地，電流經(jīng)L1儲(chǔ)能，VQ5截止時(shí)L1產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，和電源疊加后驅(qū)動(dòng)LED，LED發(fā)光。本可以提高電池電壓直接驅(qū)動(dòng)LED，以提高效率，但電池電壓提高，相應(yīng)的太陽能電池價(jià)格也大幅提高，只要電路元件設(shè)置合適，其效率還是可以接受的。當(dāng)白天充電不夠時(shí)（如遇上陰雨天等），BT2可能發(fā)生過放電，這樣會(huì)損壞電池，為此特加R5構(gòu)成過放保護(hù)：當(dāng)電池電壓降至2V時(shí)，由于R5的分壓使VQ4基極電位不足以使VQ4導(dǎo)通，從而保護(hù)電池。增加R5會(huì)影響VQ4的導(dǎo)通深度。

　　4、光源優(yōu)勢及選擇

　　目前多數(shù)草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長，可以達(dá)到100000小時(shí)以上，工作電壓低，非常適合應(yīng)用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了其關(guān)鍵的突破，并且其特性在過去5年中有很大提高，其性能價(jià)格比也有較大的提高。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，使調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)都成為可能，并且不會(huì)對LED的性能產(chǎn)生不良影響。還可以方便地控制顏色，改變光的分布，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)幻景，所以它特別適用在太陽能草坪燈上。

　　但是LED有它許多固有的特性，使用時(shí)如果不注意就會(huì)造成不良后果。LED目前市場上銷售的發(fā)光效率僅能達(dá)到15lmW，只能達(dá)到三色基色高效節(jié)能燈1/3，三色基色高效節(jié)能燈的發(fā)光效率可以達(dá)到50－60lmW，從價(jià)格上看，目前生產(chǎn)每1m的成本：三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）0.022元，2002年φ5mm白光LED價(jià)格為1.9－3.0元，目前生產(chǎn)每1m的成本價(jià)格相差懸殊。從使用壽命上看，三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的壽命可以達(dá)到6000h，LED可以達(dá)到100000h以上，從表面上看LED壽命是三色基色高節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的幾十倍，但是事實(shí)并非如此。

目前太陽能草坪燈大多數(shù)采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通維持率達(dá)到初始強(qiáng)度50%的時(shí)間（壽命）不到10000h，復(fù)旦大學(xué)電光源所曾經(jīng)證明上述論點(diǎn)。這就是說，目前在許多情況下LED并非最好的太陽能草坪燈光源，除非它是低檔的使用年限僅1－2年的太陽能草坪燈，或者是1W以下的太陽能草坪燈。對于1W以上的太陽能草坪燈，最好使用三色基色高效節(jié)能燈。目前有一些太陽能草坪燈用30－40只超高亮白光LED，輸入功率2W以上，在這種情況下如果用三色基色高效節(jié)能燈，價(jià)格只有LED的1/10，光通量是原來的4倍，可喜的是現(xiàn)在已經(jīng)研制成功2－10W的低壓直流三色基色高效節(jié)能燈，壽命可以達(dá)到6000h。

　　根據(jù)上面分析，我們認(rèn)為1W以下的小功率太陽能草坪燈，有調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)的功能，一般應(yīng)該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時(shí)特別要注意光通維持率問題，否則容易引起質(zhì)量事故。對于功率較大的太陽能草坪燈，目前使用三色基色高效節(jié)能燈比較合理。這里要強(qiáng)調(diào)的是，以上結(jié)論僅僅是目前的分析，當(dāng)LED技術(shù)水平提高以后，價(jià)格下降，以上結(jié)論需要調(diào)整。

　　5、遇到的問題

　　5.1 光敏傳感器

　　太陽能草坪燈需要光控開關(guān)，設(shè)計(jì)者往往會(huì)用光敏電阻來自動(dòng)開關(guān)燈，實(shí)際上太陽能電池本身就是一個(gè)極好的光敏傳感器，用它做光敏開關(guān)，特性比光敏電阻好。對于僅僅使用一只1.2VNi－Cd電池的太陽能草坪燈來說，太陽能電池組件由四片太陽能電池串聯(lián)組成，電壓低，弱光下電壓更低，以至天沒有黑電壓已經(jīng)低于0.7V，造成光控開關(guān)失靈。在這種情況下，只要加一只晶體管直接耦合放大，即可解決問題。

　　5.2 按蓄電池電壓高低控制負(fù)載大小

　　太陽能草坪燈往往對連續(xù)陰雨可維持時(shí)間要求很高，這就增加系統(tǒng)成本。我們在連續(xù)陰雨蓄電池電壓降低時(shí)減少LED接入個(gè)數(shù)，或者減少太陽能草坪燈每天的發(fā)光時(shí)間，這樣就能減少系統(tǒng)成本。

　　5.3 太陽能電池封裝形式

　　目前太陽能電池的封裝形式主要有兩種，層壓和滴膠。層壓工藝可以保證太陽能電池工作壽命25年以上，滴膠雖然當(dāng)時(shí)美觀，但是太陽能電池工作壽命僅僅1－2年。因此，1W以下的小功率太陽能草坪燈，在沒有過高壽命要求的情況下，可以使用滴膠封裝形式，對于使用年限有規(guī)定的太陽能草坪燈，建議使用層壓的封裝形式。

　　5.4 閃爍變光

　　漸亮漸暗是節(jié)能的好辦法，它一方面可以增加太陽能草坪照射效果，另一方面可以通過改變閃爍占空比控制蓄電池平均輸出電流，延長系統(tǒng)工作時(shí)間，或者在同等條件下，可減小太陽能電池的功率，成本將大幅度下降。

　　5.5 三色基色高效節(jié)能燈的開關(guān)速度

　　這個(gè)問題非常重要，它甚至決定著太陽能草坪燈的使用壽命，三色基色高效節(jié)能燈啟動(dòng)時(shí)有高達(dá)10－20倍的啟動(dòng)電流，系統(tǒng)在承受這樣大的電流情況下可能電壓有大幅度下降，太陽能草坪燈無法啟動(dòng)或者反復(fù)啟動(dòng)，直至損壞。

　　5.6 升壓電路效率的提高及對LED燈的影響

　　小功率太陽能草坪燈一般都有升壓電路，如果采用振蕩電路，電感升壓。電感采用標(biāo)準(zhǔn)色碼電感器，標(biāo)準(zhǔn)色碼電感器中使用開放磁路，磁通損失大，所以電路效率低。如果采用閉合磁路制造電感升壓，如磁環(huán)，升壓電路效率將有很大提高。LED的特性接近穩(wěn)壓二極管，工作電壓變化0.1V，工作電流可能變化20mA左右。為了安全，普通情況下使用串聯(lián)限流電阻，極大的能量損失顯然不適合太陽能草坪燈，并且LED亮度隨工作電壓變化，而且一定要自動(dòng)限流，否則將損壞LED。一般LED的峰值電流50－100mA，反高能電池反接或者蓄電池空載，升壓電路峰值電壓過高時(shí)很可能超過這個(gè)極限，損壞LED。