太陽能LED路燈系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

引言

LED發(fā)光原理為固體發(fā)光，按固體發(fā)光物理學(xué)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(dá)90%以上，因此，LED被譽(yù)為21世紀(jì)新光源，即將成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源，被公認(rèn)為當(dāng)前十大前沿技術(shù)之一，LED光源這種新型照明光源必將會(huì)取代傳統(tǒng)照明光源，正帶動(dòng)著一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命。

1系統(tǒng)簡(jiǎn)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(chǔ)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(hù)及白天的裝飾作用，保障這一循環(huán)正常運(yùn)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(jì)中必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)，而把最重要的系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)忽略了，不經(jīng)過深入考慮，簡(jiǎn)單計(jì)算了事，最后導(dǎo)致燈具出現(xiàn)大量問題；還有些廠家為了營(yíng)造自己產(chǎn)品的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，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(jì)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(gè)方面：

（1）太陽電池發(fā)電量和負(fù)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(fù)載放電電流與蓄電池容量配比合理。

2）LED路燈技術(shù)特點(diǎn)

道路照明的目的是為夜間行車者提供一個(gè)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(dá)到的亮度要求。其發(fā)光效率和發(fā)光強(qiáng)度能夠達(dá)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(shí)施建設(shè)部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)道路照明照度要求見表1.為了使設(shè)計(jì)更趨于完美，主要應(yīng)該對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行精心的考慮：

（1）光源的選擇

與常規(guī)照明相比，LED優(yōu)勢(shì)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(dòng)器等附件，明顯節(jié)省投資；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)，不易破碎；LED是冷光源，可控性好，響應(yīng)時(shí)間快，可反復(fù)頻繁亮滅，不會(huì)疲倦；超低能耗，超長(zhǎng)壽命等。

LED路燈的智能化核心在于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。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(hù)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(gè)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(dǎo)體器件是不耐高溫的，散熱做不好，會(huì)引起很嚴(yán)重的光衰，一些嚴(yán)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(fēng)）令散熱器。

（2）蓄電池的選擇

閥控式密封鉛酸電池在我國(guó)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(zhǎng)、節(jié)省投資、安裝簡(jiǎn)便、安全可靠、使用方便、少維護(hù)不溢酸霧、對(duì)環(huán)境無腐蝕、無污染等優(yōu)良特性，并可實(shí)現(xiàn)無人值守和微機(jī)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(hù)”的含義，確保系統(tǒng)的安全可靠。

在使用過程中，對(duì)閥控式鉛酸蓄電池的維護(hù)需要建立精確的充放電制度并加以實(shí)施，才能使該蓄電池達(dá)到最優(yōu)的性能和最長(zhǎng)的使用壽命。國(guó)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(jì)性和可靠性角度綜合考慮，一般以全年平均日照時(shí)數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算燈具配置，而實(shí)際工作時(shí)，往往都是由控制器時(shí)控功能設(shè)定一個(gè)工作時(shí)數(shù)，如6小時(shí)、8小時(shí)、1O小時(shí)等，這樣就造成了一年里每天工作時(shí)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(gè)燈具（太陽電池組件一定）各個(gè)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(shí)數(shù)約為4.44小時(shí)，春季：4.43小時(shí)、夏季：6.1 7小日寸、秋季：4.47小時(shí)、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(shí)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(dá)到一個(gè)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(fèi)，而冬季卻嚴(yán)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(jì)和不實(shí)用的。所以控制負(fù)載時(shí)間不失為一種解決辦法，根據(jù)德州峰值日照時(shí)數(shù)可得：夏季平均峰值日照時(shí)數(shù)比全年平均峰值日照時(shí)數(shù)比冬季平均峰值日照時(shí)數(shù)=6.1 7：4.44：2.65=7：5：3，則按全年峰值日照時(shí)數(shù)設(shè)計(jì)每天工作1O小時(shí)的太陽能燈具根據(jù)7：5：3這個(gè)比值可得出夏季最多允許工作14小時(shí)，冬季最多允許工作6小時(shí)（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(fù)載工作時(shí)間為小于或等于6小時(shí)。

（3）控制器的設(shè)計(jì)

由于太陽能電池組件的發(fā)電量隨天氣狀況、日照時(shí)間而變化，非常不穩(wěn)定，因此太陽能光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)蓄電池的充放電控制要比普通應(yīng)用中對(duì)蓄電池的充放電控制更復(fù)雜一些?？刂破髟O(shè)計(jì)是否完善，直接決定整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)能否順利運(yùn)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(guó)外進(jìn)口的芯片。在太陽能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量?jī)?chǔ)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(huì)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(shí)間控制和溫度控制，可以根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)啟閉路燈，防止白日亮燈造成浪費(fèi)；可以使路燈在下半夜至黎明時(shí)間段道路行車和行人流量減少時(shí)自動(dòng)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(zhǎng)燈具使用壽命的功效；當(dāng)LED工作溫度接近其極限臨界溫度時(shí)，自動(dòng)降低其工作電流，既保護(hù)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(fēng)的剪力，高空懸掛，結(jié)構(gòu)安全是第一位的。所以，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為流線型，以減少風(fēng)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(dǎo)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(fēng)防塵等長(zhǎng)期戶外條件下的氣候影響。

2結(jié)束語

我國(guó)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(gè)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(gè)三峽水電站。其節(jié)能的效果是非?？捎^的。