太陽能LED路燈系統(tǒng)匹配設(shè)計

引言

LED發(fā)光原理為固體發(fā)光，按固體發(fā)光物理學原理，LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，所以發(fā)光效率高達90%以上，因此，LED被譽為21世紀新光源，即將成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源，被公認為當前十大前沿技術(shù)之一，LED光源這種新型照明光源必將會取代傳統(tǒng)照明光源，正帶動著一場新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命。

1系統(tǒng)簡介

一套完整的LED太陽能路燈系統(tǒng)包括：LED光源、控制器、蓄電池、太陽能電池組件及燈體。白天，太陽能電池組件將光能轉(zhuǎn)化為電能通過控制器儲存到蓄電池內(nèi)，晚上蓄電池通過控制器給光源供電，使其轉(zhuǎn)化為光能，照明道路。燈體主要起系統(tǒng)防護及白天的裝飾作用，保障這一循環(huán)正常運行。其中LED光源、控制器、蓄電池是決定路燈系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，在設(shè)計中必須對其進行優(yōu)化設(shè)計，合理配置。

1）系統(tǒng)匹配問題

現(xiàn)在做太陽能燈具的廠家往往過多的追求造型設(shè)計，而把最重要的系統(tǒng)匹配設(shè)計忽略了，不經(jīng)過深入考慮，簡單計算了事，最后導致燈具出現(xiàn)大量問題；還有些廠家為了營造自己產(chǎn)品的價格優(yōu)勢，不惜犧牲系統(tǒng)穩(wěn)定性，這些作法都是不可取的。

匹配設(shè)計是關(guān)系到系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的重要因素，要引起重視，主要應(yīng)考慮以下幾個方面：

（1）太陽電池發(fā)電量和負載耗電量配比合理。

（2）耗電量和蓄電池容量配比應(yīng)滿足持續(xù)陰雨天數(shù)要求且放電深度合理。

（3）太陽電池充電電流和蓄電池容量配比合理。

（4）負載放電電流與蓄電池容量配比合理。

2）LED路燈技術(shù)特點

道路照明的目的是為夜間行車者提供一個視覺安全可靠的條件，高亮度的LED路燈，它的亮度必須在符合現(xiàn)有道路條件下，交通安全所必須達到的亮度要求。其發(fā)光效率和發(fā)光強度能夠達到現(xiàn)有道路照明所需要的亮度要求。道路照明自2007年7月1日起實施建設(shè)部的行業(yè)標準CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計標準》，對道路照明照度要求見表1.為了使設(shè)計更趨于完美，主要應(yīng)該對以下幾點進行精心的考慮：

（1）光源的選擇

與常規(guī)照明相比，LED優(yōu)勢明顯。LED屬于低壓供電，絕緣要求不高，不需要變壓器、鎮(zhèn)流器、啟動器等附件，明顯節(jié)省投資；結(jié)構(gòu)簡單，屬于固體光源，不需要充氣，不需要玻璃外殼，也不存在氣體密封等問題，而且耐沖擊，耐震動，不易破碎；LED是冷光源，可控性好，響應(yīng)時間快，可反復頻繁亮滅，不會疲倦；超低能耗，超長壽命等。

LED路燈的智能化核心在于開關(guān)電源的設(shè)計。目前使用較廣泛的LED路燈開關(guān)電源一般具有整流濾波電路、調(diào)整電路、采樣電路、過流保護電路和DC恒流輸出電路。

在大功率LED應(yīng)用中，散熱是另一個主要考慮的方面，目前LED的能耗中約80%以上轉(zhuǎn)化為熱量，而半導體器件是不耐高溫的，散熱做不好，會引起很嚴重的光衰，一些嚴重的半年內(nèi)可能降到原來的一半，在路燈上大功率LED多是多顆串并聯(lián)應(yīng)用，必需采用鋁合金多翅片風）令散熱器。

（2）蓄電池的選擇

閥控式密封鉛酸電池在我國推廣應(yīng)用已有十多年了，由于其具有體積小、重量輕、自放電小、壽命長、節(jié)省投資、安裝簡便、安全可靠、使用方便、少維護不溢酸霧、對環(huán)境無腐蝕、無污染等優(yōu)良特性，并可實現(xiàn)無人值守和微機監(jiān)控的現(xiàn)代化管理方式；因而在光電路燈、光伏工程中被大量使用。但要正確理解“免維護”的含義，確保系統(tǒng)的安全可靠。

在使用過程中，對閥控式鉛酸蓄電池的維護需要建立精確的充放電制度并加以實施，才能使該蓄電池達到最優(yōu)的性能和最長的使用壽命。國內(nèi)外大量研究的結(jié)果表明，充放電方式?jīng)Q定了蓄電池使用的壽命，有一些蓄電池與其說是使用壞的，不如說是充電方式不妥被損壞的。

太陽能燈具從經(jīng)濟性和可靠性角度綜合考慮，一般以全年平均日照時數(shù)設(shè)計計算燈具配置，而實際工作時，往往都是由控制器時控功能設(shè)定一個工作時數(shù)，如6小時、8小時、1O小時等，這樣就造成了一年里每天工作時間都一樣，即每天耗電量一樣，但太陽能燈具是靠太陽工作的，而太陽輻射量隨不同的季節(jié)是有很大差異的，即每個燈具（太陽電池組件一定）各個季節(jié)的平均日發(fā)電量是大不相同的。

德州地區(qū)全年平均峰值日照時數(shù)約為4.44小時，春季：4.43小時、夏季：6.1 7小日寸、秋季：4.47小時、冬季：2.65小日寸。因平均每天發(fā)電量是和平均峰值日照實數(shù)成正比的，所以可得春季和秋季發(fā)電量和耗電量基本達到一個平衡，夏季電量富裕；冬季電量缺少。

這樣夏季造成了一定的浪費，而冬季卻嚴重不足，很容易造成蓄電池過放電，影響蓄電池壽命。出于自放電、系統(tǒng)匹配、成本等因素是極其不經(jīng)濟和不實用的。所以控制負載時間不失為一種解決辦法，根據(jù)德州峰值日照時數(shù)可得：夏季平均峰值日照時數(shù)比全年平均峰值日照時數(shù)比冬季平均峰值日照時數(shù)=6.1 7：4.44：2.65=7：5：3，則按全年峰值日照時數(shù)設(shè)計每天工作1O小時的太陽能燈具根據(jù)7：5：3這個比值可得出夏季最多允許工作14小時，冬季最多允許工作6小時（注意：未考慮季節(jié)不同溫度等的影響）。鑒于此，為了使蓄電池在冬季不至于過放電，可調(diào)整負載工作時間為小于或等于6小時。

（3）控制器的設(shè)計

由于太陽能電池組件的發(fā)電量隨天氣狀況、日照時間而變化，非常不穩(wěn)定，因此太陽能光伏獨立發(fā)電系統(tǒng)中對蓄電池的充放電控制要比普通應(yīng)用中對蓄電池的充放電控制更復雜一些?？刂破髟O(shè)計是否完善，直接決定整個太陽能路燈系統(tǒng)能否順利運行。

控制器最重要的模塊就是PWM調(diào)光控制器和恒流模塊。過去很多投資都投向太陽能電池和LED.很少有人關(guān)心到這兩部分，以至于目前市面上的控制器大都沒有PWM調(diào)光的能力，而目前的恒流模塊絕大多數(shù)都是采用從國外進口的芯片。在太陽能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量儲存單元的，而鉛蓄電池的輸出電壓從滿充到滿放，其電壓變化是會接近20%的。所以它所引起的LED電流變化就有可能超過4倍以上。顯然這是完全不能允許的。所以一定要把電流恒定。

另外，通過在LED路燈中加入智能型控制器，使LED路燈有了光控、時間控制和溫度控制，可以根據(jù)環(huán)境亮度自動啟閉路燈，防止白日亮燈造成浪費；可以使路燈在下半夜至黎明時間段道路行車和行人流量減少時自動降低供電電流，將照度控制在安全范圍，從而起到增加節(jié)能效果和延長燈具使用壽命的功效；當LED工作溫度接近其極限臨界溫度時，自動降低其工作電流，既保護光源不受損害，又保證道路的安全照度。

（4）其他方面

由于路燈是懸臂結(jié)構(gòu)，在自然環(huán)境下，受到風的剪力，高空懸掛，結(jié)構(gòu)安全是第一位的。所以，盡量簡化結(jié)構(gòu)，設(shè)計為流線型，以減少風阻，增加雨水的流速，并注意減輕重量，一是節(jié)約有色金屬，二是減少自重所帶來的應(yīng)力問題，增加道路照明的安全性。目前公知的太陽電池組件，所采用的封裝結(jié)構(gòu)為：玻璃一EVA一單體太陽電池一EVA-TPT膜層疊封裝，再組裝導線、接線盒、邊緣密封帶和鋁邊框，這種結(jié)構(gòu)中的單體電池的連接是通過互連條直接連接的。太陽電池組件只是起到了將太陽能轉(zhuǎn)換成的電能的發(fā)電作用，裝飾作用極少，而其要注意防風防塵等長期戶外條件下的氣候影響。

2結(jié)束語

我國的路燈總數(shù)超過1億盞，只要其中的6 000萬盞改成太陽能路燈，其每年節(jié)省的電量就超過一個三峽水電站的發(fā)電量。如果把今后每年新增的2 000萬盞路燈全部改用太陽能路燈，三年下來又是一個三峽水電站。其節(jié)能的效果是非?？捎^的。