太阳能led路灯的设计特点.pdf

太阳能L ED 路灯的设计特点 品能光电技术( 上海) 有限公司赵宏 作为地球上永不枯竭和清洁安全的能源，太阳能将是2 1 世纪 最理想的新能源半导体照明利用半导体发光二极管( L E D ) 提供固 体光源，具有节能、寿命长、环保等显著优点，成为人类照明史上继 白炽灯、日光灯之后新的飞跃太阳能L E D 照明产品集成了太阳能 光伏发电和L E D 固态照明的优点，是新一代能源和新一代光源的 结合其中使用L E D 作为光源的太阳能路灯克服了传统太阳能路 灯光源寿命短、光源功率大等缺点，引起了越来越多的关注，并已逐 渐开始在很多地区推广应用 太阳能L E D 路灯由光伏方阵、蓄电池、控制器和灯具( 包括 L E D 灯头、控制箱、灯杆等支撑部件) 所组成，在设计时必须充分考 虑其特点，合理设计，才能保证产品既能稳定可靠地作，又能使投 资最少，达到最好的经济效益 本文分别从光伏方阵、蓄电池、控制器和L E D 灯具几方面阐述 太阳能L E D 路灯设计中需注意的问题 1 光伏方阵的设计2 蓄电池的选择 1 ．1 光伏电池容量的选择 从使用的角度看，我们希望即使在无日照时间， 路灯也能工作，但对于纬度较高的地区，夏天和冬天 无日照的时间相差很多。

以上海为例，6 月2 1 日夏至 日，无1 3 照时问为9 ．9 5 h ；而在1 2 月2 2 日冬至日，无 1 3 照时间为1 4 ．0 5 h ，相差达4 h 同时光伏方阵夏天接 收到的太阳辐射量多，冬天接收到的少如按无日照 时间灯具都需点亮的要求计算，所需太阳电池组件功 率很高，不仅整灯成本无法接受，灯杆结构上也很难 承受因为太阳能路灯本身结构紧凑，一般光伏组件 安装于灯杆顶端或灯杆中间部分，考虑到灯杆的强 度，组件面积和重量如果太大对于灯杆的结构强度和 整灯的稳定性不利，特别是在遇到大风时可能无法承 受目前的太阳能路灯一般规定灯具每晚满功率工作 的时间，然后计算出整个系统在这一段时间内消耗的 总功率，结合灯具安装地的太阳能资源状况计算出所 需太阳电池的容量 1 ．2 方阵倾角的选择 太阳能路灯系统属于独立光伏系统由于受到蓄 电池容量的限制，对于全年日平均耗电量相同的负 载，要求光伏方阵最好也能全年均衡地对蓄电池充 电，可以通过选择适当的方阵倾角来尽量满足这个要 求然而对于太阳能路灯系统，各个月份每天耗电量 不一样在北半球，冬至前后的负载日平均耗电量最 多，从这一点来考虑似乎应当取1 2 月份光伏方阵能 接收到最多太阳辐照量的角度为方阵最佳倾角。

但是 这样会造成光伏电池在夏天接收到的太阳辐照量反 而比在冬天接收到的少，显然这是不合适的因此光 伏阵列倾角应当根据具体条件确定同时还要注意到 光伏方阵必须朝向赤道方向安装，而照明灯通常要求 与路面垂直，道路走向又可能沿着不同的方向因此， 在结构设计时应该考虑方阵面能够在一定的水平范 围内转动，以便在现场安装时调整，使得方阵面向赤 道方向，即在北半球方阵面朝向正南，固定后就不再 改变 应用于光伏系统中的蓄电池属于循环工作的形 式，但其工作条件和蓄电池应用在其它场合的工作条 件不同其主要区别可以概括为以下几点： ( 1 ) 充电率非常小，平均充电电流一般为0 ．0 2 C 5 0 ~ 0 ．0 1 C 1 0 0 ，很少达到0 ．2 C 5 —0 ．1 C 1 0 ； ( 2 ) 放电率非常小，通常为C 2 0 一C 2 4 0 ，或者更小； ( 3 ) 由于受到自然资源的限制，蓄电池只有在有 1 3 照时才能充电，即充电时间受到限制； ( 4 ) 不能按给定的充电规律对蓄电池进行充电由 于蓄电池应用在这个特殊的环境下，致使其寿命要比 所预计的短，一般仅能使用l 2 年，是整个太阳能灯 具系统中最脆弱的环节。

基于蓄电池在光伏系统中的使用特点，在选择蓄 电池时，必须选择优质的铅酸免维护蓄电池，如太阳 能路灯需在低温下使用，建议使用胶体电池由于实 际使用中蓄电池充放电的电流均较小，可能导致蓄电 池放电后无法充满的情况因此设置蓄电池放电的下 限电压时应比其它应用场合高，设为1 1 ．5 ～1 2 V 较为 恰当，放电深度的设置以不超过电池容量的6 0 ％为 宜为避免过充电和过放电，充放电控制中最好加入 温度补偿控制 3 控制器性能的要求 太阳能路灯一般价格较高，控制器成本在整个灯 具成本中所占比例很低但控制器作为整个灯具系统 运行的核心，其品质和可靠性决定了整个系统运转的 品质传统太阳能灯具的控制器大多采用模拟电路控 制，只能实现简单的充放电控制和灯具的开关功能 随着电子和计算机技术的发展，许多功能强劲、可靠 性高的单片机的成本已大大降低以单片机为核心的 太阳能控制器具有更加强大的功能，特别适合于太阳 能L E D 路灯的控制 采用高性能单片机的太阳能路灯控制器除了具 备一般光伏系统的防反充、防过充和过放、防短路和 反接、自动开关照明灯等功能以外，还可以实现其它 中国照明学会室内室外照明专业委员会2 0 0 6 年年会1 0 9 殿照明节能研讨会论文集 新的功能：从L E D 的控制来看，可以通过控制L E D 的工作电流，延长灯具夜间点亮的时间；通过对L E D 温度的测量，确保L E D 温度不会超过其安全限值，从 而保证L E D 可靠地工作；从对光伏电池能量的利用 来看，可以加入最大功率点跟踪( m p p t ) 的功能，使太 阳能电池能够输出更多的电力，提高太阳能电池的利 用效率；从对蓄电池的充放电控制来看，可以加入蓄 电池充放电的温度补偿功能，并可以根据蓄电池的实 际使用状况设定更合适的充放电策略，从而延长蓄电 池的使用寿命；从灯具参数的设置来看，采用单片机 控制可以使用功能更多的人机界面，因此可以根据灯 具不同的使用环境和用户的要求，更方便地实现对灯 具的参数调整。

因此，选择以高性能单片机为控制核心的太阳能 控制器，对整个系统来说提高的成本不多，却可以使 系统的技术含量和运行质量大大提高，是太阳能L E D 路灯控制器的理想选择 在L E D 灯具的设计中，应根据L E D 本身的特点 进行灯具的设计，不应简单利用传统灯具修改，进行 简单的光源替换从外形结构来看，L E D 光源尺寸小、 单颗功率小，因此一盏灯具需使用多颗L E D ，如直接 按传统灯具的外形进行设计，L E D 的散热、发光的利 用都难以达到满意的效果，但如果从L E D 的特点出 发，则可以将灯具( 灯头部分) 设计得较为轻薄扁平， 不仅有利于L E D 散热，而且可以成为一种与传统灯 具不同的、外形更为美观的新型灯具从灯具的配光 来看，由于L E D 的指向性很强，传统灯具的反光罩基 本无法利用因此，需要考虑适用于L E D 灯具的新的 配光方法，例如采用不同功率的L E D ，配合不同角度 的透镜将L E D 安装于不同角度的平面上达到希望的 配光效果国外已有专门针对L E D 特点设计的类似 灯具，并取得了较好的效果 6 结束语 4 控制箱的设置 术为絮裟釜言箍然器篙薹 与常规的路灯不同，太阳能路灯一般都要配备控品中难度最大、存在问题最多的产品之一。

因此在设 制箱，用以放置蓄电池和控制器控制箱通常置于灯计建造中，除了要着重考虑其外形美观，结构合理，与 杆下部，也可以和基座相结合目前一般采用将蓄电环境协调以外，更主要的是要进行细致、科学的最佳 池放于地面上的控制箱内的做法，但这种方法影响整化设计，配备充分而又必要的太阳电池方阵和蓄电池 个灯具的外观；因此也经常可见将蓄电池埋设于地下容量，以保证系统既能稳定可靠地工作，又能使投资 的产品，但维护保养较为困难，对控制箱防水防潮要最少，达到最好的经济效益 求较高，其合理陛还有待进一步确认 5L E D 灯具的设计 太阳能路灯必须选用低功耗、高亮度、寿命长的 照明光源，大功率L E D ( 1 W 以上) 由于可靠性高，寿 命达5 万小时且发光效率较高而被认为是太阳能路 灯比较理想的光源目前，由于L E D 发光效率和成本 的制约，太阳能L E D 路灯主要用于住宅区的道路照 明和对于亮度要求不高，同时接通电网有困难的码 头、仓库、公园、博物馆等特殊场所，较少用于城市道 路或公路等需要大功率照明的地方 1 1 0中国照明学会室内室外照明专业委员会2 0 0 6 年年会 暨照明节能研讨会论文集 。