太陽能大功率LED路燈的設(shè)計(jì)淺析

近年來隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和LED照明技術(shù)的發(fā)展，太陽能LED 路燈已進(jìn)入了城市照明領(lǐng)域。LED 是Light Emitting Diode(發(fā)光二極管)的縮寫， LED 作為照明光源與傳統(tǒng)的照明光源相比具有直流低電壓驅(qū)動(dòng)；耗電量少；抗振動(dòng)；壽命長(zhǎng)；納秒級(jí)的響應(yīng)速度；設(shè)計(jì)空間大；環(huán)保；可連續(xù)開關(guān)閃斷，能輕松實(shí)現(xiàn)0-100%調(diào)光功能等突出優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn)為是新一代的綠色照明器具。太陽能LED 路燈是以太陽能作為能源。每個(gè)路燈均是獨(dú)立的，安裝方便，無需鋪設(shè)電纜電線，無需交流電能和電費(fèi)，采用直流供電，光控定時(shí)控制，安全可靠，節(jié)能，經(jīng)濟(jì)，環(huán)保，實(shí)用。

　　本文以實(shí)際應(yīng)用為目的，對(duì)太陽能電池功率的選取原則及與蓄電池容量的匹配方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，對(duì)LED 在芯片功率選取、組合方式和驅(qū)動(dòng)方式等方面進(jìn)行分析配置， 設(shè)計(jì)滿足太原地區(qū)道路照明使用要求的太陽能LED 路燈。

　　太陽能電池板與蓄電池的選取

　　1 、太陽能電池板選取

　　目前硅系太陽能電池分為：?jiǎn)尉Ч杼柲茈姵亍⒍嗑Ч杼柲茈姵睾头蔷Ч璞∧ぬ柲茈姵厝N。目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24%，是目前所有種類的太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，技術(shù)也最為成熟。使用壽命一般可達(dá)15 年，最高可達(dá)25 年。多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率要降低不少，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右，同時(shí)多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。非晶硅薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低，目前國(guó)際先進(jìn)水平為10%左右，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率衰減，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。所以目前太陽能電池多采用單晶硅太陽能電池。

　　根據(jù)太陽能輻射原理，太陽能電池方陣面上所獲得輻射量的多少與很多因素有關(guān)：當(dāng)?shù)氐木暥?，海拔，大氣的污染程度或透明程度，一年?dāng)中四季的變化，一天時(shí)間的變化，到達(dá)地面的太陽輻射直、散分量的比例，地表面的反射系數(shù)，太陽能電池方陣的運(yùn)行方式或固定方陣的傾角變化以及太陽能電池方陣表面的清潔程度等。太陽能照明系統(tǒng)充放電效率取0.75，太陽能電池組件組失修正系數(shù)取0.95，灰塵遮擋及其它損失修正系數(shù)取0.90。經(jīng)過查詢資料和單位換算及簡(jiǎn)化處理后，可得到太陽能電池總用量P(Wp)的計(jì)算公式[1]

　　式中，QL 為負(fù)載日功耗(Wh)，HL 為水平面年平均日輻射量(KJ/m2·d)，Kop 為斜面輻射最佳輻射系數(shù)，A 為安全系數(shù)，一般取A=1.1～1.3。

　　蓄電池選取

　　由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作，蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能夠滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲(chǔ)下來，同時(shí)還要能夠存儲(chǔ)滿足連續(xù)陰雨天(七天)夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時(shí)造成浪費(fèi)。目前，與太陽能光伏電池相配套常使用的是閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護(hù)很少，性能可靠，故又被稱為“免維護(hù)電池”，有著其他蓄電池所無法比擬的優(yōu)越性。

　　蓄電池的容量要根據(jù)太陽能電池板的功率和LED 路燈的功率以及照明時(shí)間來決定，蓄電池應(yīng)與太陽能電池、LED 路燈相匹配。可用一種簡(jiǎn)單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽能電池功率必須比負(fù)載功率高出4 倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20~30%，才能保證給蓄電池正常蓄電。蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6倍以上為宜。

　　蓄電池的容量Bc 的計(jì)算可用下公式計(jì)算：

　　Bc=(PL*10*D)/(Kb*V)

　　式中：PL—日平均耗電量

　　D—陰雨天數(shù)

　　Kb—安全系數(shù)=1.1-1.4(包括了溫度修正系數(shù)To= 0 度上為1，-10 上為1.1，-10 下為1.2，放電深度cc=0.75)

　　V—工作電壓

　　根據(jù)上式就可以估算出蓄電池的容量，同時(shí)蓄電池的充電效率的高低取決于充電的方式。對(duì)蓄電池充電，通常采用的方法是在初期、中期快速充電，恢復(fù)蓄電池的容量；在充電末期采用小電流長(zhǎng)期補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量，在電池達(dá)到狀態(tài)后，采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)充電方式充電，以提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率及保證蓄電池的充電效果。蓄電池放電過程初期電壓下降較快；中期電壓緩慢下降且延續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間；在放電末期，放電電壓急劇下降，此時(shí)立即停止放電，否則將會(huì)給蓄電池照成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。在蓄電池的充放電過程中，除了設(shè)置合適的充放電閾值外，還需要對(duì)充放電閾值進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，并進(jìn)行必要的過充電和過放電保護(hù)。根據(jù)系統(tǒng)要求和對(duì)各種指標(biāo)的核定，選用12V/100Ah閥控密封式鉛酸蓄電池?！　?strong style="word-break: break-all; ">LED芯片選擇

　　按目前市場(chǎng)產(chǎn)品的輸入功率進(jìn)行分類，其輸入功率為幾十個(gè)mW 的LED，稱為傳統(tǒng)的小功率芯片；其輸入功率小于1W 的LED，叫做功率LED；對(duì)于輸入功率等于1W 或大于1W 的LED，則叫做W 級(jí)功率(大功率)LED。目前大功率比較常見的有1W、3W、5W、8W、10W。已大批量應(yīng)用的有1W 和3W LED，其正朝著大電流(300mA～1.4A)、高效率(60～120lm/W)、亮度可調(diào)的方向發(fā)展[3]。大功率LED 路燈采用單顆功率大于1 瓦以上的LED 芯片。將多個(gè)LED 芯片集成于印刷電路板上排列為一定間距的點(diǎn)陣作為平面發(fā)光源，組合成一個(gè)大功率LED 單體模塊，裝入路燈燈具中，藉由提高芯片面積來