太陽(yáng)能LED路燈系統匹配設計

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(jiàn)光頻段，所以發(fā)光效率高達90%以上，因此，LED被譽(yù)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(huì )取代傳統照明光源，正帶動(dòng)著(zhù)一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命。

1系統簡(jiǎn)介

一套完整的LED太陽(yáng)能路燈系統包括：LED光源、控制器、蓄電池、太陽(yáng)能電池組件及燈體。白天，太陽(yáng)能電池組件將光能轉化為電能通過(guò)控制器儲存到蓄電池內，晚上蓄電池通過(guò)控制器給光源供電，使其轉化為光能，照明道路。燈體主要起系統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性能的關(guān)鍵，在設計中必須對其進(jìn)行優(yōu)化設計，合理配置。

1）系統匹配問(wèn)題

現在做太陽(yáng)能燈具的廠(chǎng)家往往過(guò)多的追求造型設計，而把最重要的系統匹配設計忽略了，不經(jīng)過(guò)深入考慮，簡(jiǎn)單計算了事，最后導致燈具出現大量問(wèn)題；還有些廠(chǎng)家為了營(yíng)造自己產(chǎn)品的價(jià)格優(yōu)勢，不惜犧牲系統穩定性，這些作法都是不可取的。

匹配設計是關(guān)系到系統可靠性和穩定性的重要因素，要引起重視，主要應考慮以下幾個(gè)方面：

（1）太陽(yáng)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滿(mǎn)足持續陰雨天數要求且放電深度合理。

（3）太陽(yáng)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(diǎn)

道路照明的目的是為夜間行車(chē)者提供一個(gè)視覺(jué)安全可靠的條件，高亮度的LED路燈，它的亮度必須在符合現有道路條件下，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)施建設部的行業(yè)標準CJJ45-2006《城市道路照明設計標準》，對道路照明照度要求見(jiàn)表1.為了使設計更趨于完美，主要應該對以下幾點(diǎn)進(jìn)行精心的考慮：

（1）光源的選擇

與常規照明相比，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、鎮流器、啟動(dòng)器等附件，明顯節省投資；結構簡(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(wèn)題，而且耐沖擊，耐震動(dòng)，不易破碎；LED是冷光源，可控性好，響應時(shí)間快，可反復頻繁亮滅，不會(huì )疲倦；超低能耗，超長(cháng)壽命等。

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

在大功率LED應用中，散熱是另一個(gè)主要考慮的方面，目前LED的能耗中約80%以上轉化為熱量，而半導體器件是不耐高溫的，散熱做不好，會(huì )引起很?chē)乐氐墓馑?，一些嚴重的半年內可能降到原?lái)的一半，在路燈上大功率LED多是多顆串并聯(lián)應用，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推廣應用已有十多年了，由于其具有體積小、重量輕、自放電小、壽命長(cháng)、節省投資、安裝簡(jiǎn)便、安全可靠、使用方便、少維護不溢酸霧、對環(huán)境無(wú)腐蝕、無(wú)污染等優(yōu)良特性，并可實(shí)現無(wú)人值守和微機監控的現代化管理方式；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，確保系統的安全可靠。

在使用過(guò)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(shí)施，才能使該蓄電池達到最優(yōu)的性能和最長(cháng)的使用壽命。國內外大量研究的結果表明，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(shuō)是使用壞的，不如說(shuō)是充電方式不妥被損壞的。

太陽(yáng)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(shí)數設計計算燈具配置，而實(shí)際工作時(shí)，往往都是由控制器時(shí)控功能設定一個(gè)工作時(shí)數，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(yáng)能燈具是靠太陽(yáng)工作的，而太陽(yáng)輻射量隨不同的季節是有很大差異的，即每個(gè)燈具（太陽(yáng)電池組件一定）各個(gè)季節的平均日發(fā)電量是大不相同的。

德州地區全年平均峰值日照時(shí)數約為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(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，而冬季卻嚴重不足，很容易造成蓄電池過(guò)放電，影響蓄電池壽命。出于自放電、系統匹配、成本等因素是極其不經(jīng)濟和不實(shí)用的。所以控制負載時(shí)間不失為一種解決辦法，根據德州峰值日照時(shí)數可得：夏季平均峰值日照時(shí)數比全年平均峰值日照時(shí)數比冬季平均峰值日照時(shí)數=6.1 7：4.44：2.65=7：5：3，則按全年峰值日照時(shí)數設計每天工作1O小時(shí)的太陽(yáng)能燈具根據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：未考慮季節不同溫度等的影響）。鑒于此，為了使蓄電池在冬季不至于過(guò)放電，可調整負載工作時(shí)間為小于或等于6小時(shí)。

（3）控制器的設計

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

控制器最重要的模塊就是PWM調光控制器和恒流模塊。過(guò)去很多投資都投向太陽(yáng)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(méi)有PWM調光的能力，而目前的恒流模塊絕大多數都是采用從國外進(jìn)口的芯片。在太陽(yáng)能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量?jì)Υ鎲卧?，而鉛蓄電池的輸出電壓從滿(mǎn)充到滿(mǎn)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(guò)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(guò)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，可以根據環(huán)境亮度自動(dòng)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(shí)間段道路行車(chē)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，從而起到增加節能效果和延長(cháng)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(shí)，自動(dòng)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

由于路燈是懸臂結構，在自然環(huán)境下，受到風(fēng)的剪力，高空懸掛，結構安全是第一位的。所以，盡量簡(jiǎn)化結構，設計為流線(xiàn)型，以減少風(fēng)阻，增加雨水的流速，并注意減輕重量，一是節約有色金屬，二是減少自重所帶來(lái)的應力問(wèn)題，增加道路照明的安全性。目前公知的太陽(yáng)電池組件，所采用的封裝結構為：玻璃一EVA一單體太陽(yáng)電池一EVA-TPT膜層疊封裝，再組裝導線(xiàn)、接線(xiàn)盒、邊緣密封帶和鋁邊框，這種結構中的單體電池的連接是通過(guò)互連條直接連接的。太陽(yáng)電池組件只是起到了將太陽(yáng)能轉換成的電能的發(fā)電作用，裝飾作用極少，而其要注意防風(fēng)防塵等長(cháng)期戶(hù)外條件下的氣候影響。

2結束語(yǔ)

我國的路燈總數超過(guò)1億盞，只要其中的6 000萬(wàn)盞改成太陽(yáng)能路燈，其每年節省的電量就超過(guò)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(wàn)盞路燈全部改用太陽(yáng)能路燈，三年下來(lái)又是一個(gè)三峽水電站。其節能的效果是非?？捎^(guān)的。