太陽能大功率LED 路燈的設(shè)計(jì)

摘要：為積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、大力開發(fā)利用新能源的號(hào)召，以實(shí)際應(yīng)用為目的，圍繞太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和LED照明技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套太陽能LED 路燈照明系統(tǒng)。介紹了太陽能電池功率的選取原則及與蓄電池容量的匹配方法，重點(diǎn)分析研究了基于ATmega128 單片機(jī)和XLT* 驅(qū)動(dòng)器的太陽能照明系統(tǒng)中的太陽能控制器和LED 驅(qū)動(dòng)， 同時(shí)就LED 在芯片的功率選取、組合方式等問題上進(jìn)行了分析。所設(shè)計(jì)的太陽能LED 路燈照明系統(tǒng)照度良好、環(huán)保節(jié)能，滿足太原地區(qū)城市道路照明的要求。

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 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)光功能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代的綠色照明設(shè)備。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。

1 太陽能電池板與蓄電池的選取

1.1 太陽能電池板選取

目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為15%，最高達(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 a，最高可達(dá)25 a。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%，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)水平約為10%，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率衰減，直接影響了其實(shí)際應(yīng)用。所以目前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)氐木暥取⒑０?、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)地面的太陽輻射值、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，灰塵遮擋及其他損失修正系數(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 的計(jì)算公式

1.2 蓄電池的選取

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?？捎靡环N簡(jiǎn)單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽能電池功率必須高出負(fù)載功率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。因此，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)算公式：

式中，PL 為日平均耗電量，D 為陰雨天數(shù)，Kb 為安全系數(shù)，1.1～1.4 （包括了溫度修正系數(shù)To=0 ℃上為1，-10 ℃上為1.1，-10 ℃下為1.2，放電深度cc=0.75），V 為工作電壓。

根據(jù)式（2）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。根據(jù)系統(tǒng)要求和對(duì)各種指標(biāo)的核定，這里選用12 V 100 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池。

2 太陽能控制器硬件設(shè)計(jì)

太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是控制太陽能電池方陣對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備，能自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電。它對(duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。

本文設(shè)計(jì)的充電控制器用ATmega128 單片機(jī)作為主控器件，檢測(cè)太陽能電池板的輸出電壓，選擇適合的DC/DC 支路，檢測(cè)蓄電池的電壓值，根據(jù)蓄電池的電荷狀態(tài)，選擇合適的充電方式，為蓄電池提供過充電、過放電保護(hù)。

圖1 為采用斬波式PWM 充電原理圖， 檢測(cè)蓄電池的充電端電壓， 將檢測(cè)得到的蓄電池端電壓與給定點(diǎn)電壓比較。若蓄電池的電壓小于給定電壓，斬波器全通，迅速給蓄電池充電；若大于給定電壓，則根據(jù)比例調(diào)整功率管的占空比，充電進(jìn)入慢充階段，改善充電特性，最后進(jìn)入涓流充電，防止過充。
 

AVR128 單片機(jī)（PB4）給出充電的控制信號(hào)，即PB4=1，NPN 型0805 的三極管導(dǎo)通，此時(shí)集電極接地，使得IRF4905柵源電壓鉗位在-10 V，IRF4905 管導(dǎo)通， 太陽能電池板向蓄電池充電； 反之，NPN 型0805 三極管截止VGS=0 V，IRF4905管斷開，太陽電池板不能向蓄電池充電。

ATmega128 內(nèi)置10 位的逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器與8 通道的模擬多路復(fù)用器連接，采樣端口F 的8 路單端輸入電壓。蓄電池正極與單片機(jī)PF1 引腳相接，當(dāng)電壓低到10 V，單片機(jī)自動(dòng)檢測(cè)到并作出相應(yīng)處理，如圖2 所示。

3 LED 的選擇

按目前市場(chǎng)產(chǎn)品的輸入功率對(duì)LED 分類，其中輸入功率為幾十mW 的，稱為傳統(tǒng)的小功率芯片；其輸入功率小于1 W的，為功率LED；輸入功率等于1 W 或大于1 W 的，則為W級(jí)功率（大功率）LED。目前大功率比較常見的有1，3，5，8，10 W。已批量應(yīng)用的有1 W 和3 W LED，并正朝大電流（300 mA～1.4 A）、高效率（60～1 204 lm/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 W 以上的LED。選用美國(guó)CREE 公司的3 W LED 將多個(gè)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，借此提高芯片面積，并增加發(fā)光量。

將多個(gè)LED 集中在一起設(shè)計(jì)道路照明，除足夠的光通量和合理的光學(xué)設(shè)計(jì)保證合理的光分布外，更為重要的是散熱問題。由于路燈具有戶外夜間使用，散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等特點(diǎn)， 有利于空氣自然對(duì)流散熱， 所以LED 路燈選擇自然對(duì)流散熱方式，同時(shí)整燈采用高導(dǎo)熱系數(shù)鋁作為散熱主體，解決了LED 的散熱問題。

4 LED 組合及驅(qū)動(dòng)方式

常用的LED 組合方式有3 種：并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)。

1）并聯(lián)方式要求LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較大電流，負(fù)載電壓較低。分配在所有LED 兩端電壓相同，當(dāng)LED 的一致性差別較大時(shí)， 通過每顆LED 電流不一致， 其亮度也不同。

2）串聯(lián)方式要求LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓。當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)， 分配在不同的LED 兩端電壓不同，通過每顆LED 的電流相同，LED 的基本亮度一致。

3） 混聯(lián)方式在需要使用比較多LED 時(shí)， 如果將所有LED 串聯(lián)，將需要LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓；如果將所有LED 并聯(lián)，則需要LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流。將所有LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED 的使用量，而且并聯(lián)LED 負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)大增?；炻?lián)方式的LED 數(shù)量平均分配， 分配在一串LED 上的電壓相同， 通過同一串每顆LED 上的電流也基本相同，LED 亮度一致。同時(shí)通過每串LED 的電流也相近。

通過以上分析，大功率LED 應(yīng)用于照明領(lǐng)域，由于LED的電流、電壓參數(shù)具有典型的PN 結(jié)伏安特性， 其正向壓降的微小變化會(huì)引起較大的正向電流變化。不穩(wěn)定的工作電流會(huì)影響LED 的壽命和光衰。所以大功率LED 的亮度完全是由電流控制的， 驅(qū)動(dòng)電路必須提供恒定的電流。

在驅(qū)動(dòng)電路中選用大功率LED 驅(qū)動(dòng)器XLT* 驅(qū)動(dòng)LED。XLT* 是采用BICMOS 工藝設(shè)計(jì)的PWM 高效LED 驅(qū)動(dòng)控制器，它在輸入電壓7～450 VDC 范圍內(nèi)能有效驅(qū)動(dòng)高亮LED。該驅(qū)動(dòng)器能以高達(dá)300 kHz 的固定頻率驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，其頻率可由外部電阻編程決定。外部高亮LED 串可采用恒流方式控制， 以保持恒定亮度并增強(qiáng)LED 的可靠性，其恒流值由外部取樣電阻值決定，變化范圍為幾mA～1 A。XLT* 驅(qū)動(dòng)的LED 可通過外部控制電壓線性調(diào)節(jié)亮度，亦可通過外部低頻PWM 方式調(diào)節(jié)LED 串的亮度，所以根據(jù)太陽能LED 路燈設(shè)計(jì)實(shí)際需要， 選擇LED 混聯(lián)方式， 并選用XLT* 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)LED，如圖3 所示。

XLT* 各引腳主要功能有：LD 為線性輸入調(diào)光端；ROSC 為振蕩電阻接入段；CS 為L(zhǎng)ED 電流采樣輸入端；GND為芯片地；GATE 為驅(qū)動(dòng)外部MOSFET 柵極；VDD 為芯片電源；PWM 為PWM 輸入調(diào)光端，兼作使能端。

5 太陽能30 W LED 路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太原地區(qū)年日照總時(shí)數(shù)為2 360～2 796 h。年太陽輻射總量為5 442.8～5652.18 MJ/m2， 峰值日照時(shí)數(shù)為4.832 053 2，屬全國(guó)高照率范疇，因此，太原地區(qū)具有良好的太陽能利用條件。下面以太原地區(qū)30 W LED 路燈系統(tǒng)為例進(jìn)行說明：

1）確定當(dāng)?shù)貧庀蟮乩項(xiàng)l件經(jīng)過資料查詢太原地區(qū)：緯度:北緯37°27′～38°25′，經(jīng)度:東經(jīng)111°30′～113°09′海拔:800 m，最長(zhǎng)陰雨天:7 d

2）負(fù)載日耗量的確定照明路燈功率30 W，每天連續(xù)工作時(shí)間10 h，因此，每日耗電
 

QL=30 w×10 h=300 Wh （3）

3）傾角的確定太原地區(qū)傾角選38°，太陽能電池板最佳傾角：38°＋5°＝43°，因此，太陽能電池板面向正南。

4）太陽能電池總能量的計(jì)算通過資料查詢，得知太原地區(qū)Kop=1.1，從當(dāng)?shù)氐木暥取⒔?jīng)度、海拔，和當(dāng)?shù)貧庀蟛块T公布的數(shù)據(jù)： 太原地區(qū)日平均太陽輻射量為

，

因此水平面年平均日輻射量

。

太陽能電池選用組件參數(shù)：工作電壓為17.2 V，工作電流為3.49 A，開路電壓為21.6 V，短路電流為3.9 A，峰值功率為60 Wp。選用峰值功率為60 Wp 的太陽能電池板，所用太陽能電池組件共2 塊，太陽能電池設(shè)計(jì)12 V 蓄電池充電。

5）蓄電池的容量Bc的計(jì)算可用式（5）計(jì)算蓄電池的容量Bc：

Bc=（30 W×10×7）/（1.1×12）=159 Ah （5）

因此選用兩組12 V 100 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池即可。

目前大功率LED 路燈基本是采用5 000 K 左右所在色溫的白光。作為道路照明光源，視覺感過分陰冷，同時(shí)遠(yuǎn)視時(shí)觀察能力會(huì)下降， 選用3 000 K 左右的暖白光是比較適合道路照明的。同時(shí)還要考慮到電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，LED 路燈的工作電壓一般為12 V 或24 V，屬于安全電壓，不做電氣保護(hù)接地。但LED 路燈金屬燈桿應(yīng)做防雷接地，接地電阻不大于10 Ω。

6 結(jié)論

太陽能LED 路燈照明系統(tǒng)是自然能源太陽能與環(huán)保光源LED 的完美結(jié)合， 其發(fā)展前景極其廣闊。但是， 太陽能LED 路燈在實(shí)際的應(yīng)用中還存在很多問題。包括：1）集中管理的問題；2）太陽能電池壽命、蓄電池壽命以及其他的控制元器件壽命往往低于LED 壽命的問題；3）一般安裝高度比較高的太陽能電池的重量帶來對(duì)燈桿設(shè)計(jì)的防風(fēng)能力提高的問題。這些問題都是太陽能LED 路燈照明需要進(jìn)一步解決的。