太陽能大功率LED路燈的設計

摘要：為積極響應國家節(jié)能減排、大力開發(fā)利用新能源的號召，以實際應用為目的，圍繞太陽能光伏發(fā)電技術和LED照明技術，設計了一套太陽能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，重點分析研究了基于ATmegal28單片機和XLT604驅動器的太陽能照明系統(tǒng)中的太陽能控制器和LED驅動，同時就LED在芯片的功率選取、組合方式等問題上進行了分析。所設計的太陽能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。
關鍵詞：太陽能組件；大功率LED；組合方式；驅動器XLT604；太陽能路燈

近年來隨著太陽能光伏發(fā)電技術和LED照明技術的發(fā)展，太陽能LED路燈已進入了城市照明領域。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動、耗電量少、抗振動、壽命長、納秒級的響應速度、設計空間大、環(huán)保、可連續(xù)開關閃斷，能輕松實現(xiàn)O～100％調光功能等優(yōu)點，被認為是新一代的綠色照明設備。太陽能LED路燈是以太陽能作為能源。每個路燈均是獨立的，安裝方便，無需鋪設電纜電線，無需交流電能和電費，采用直流供電，光控定時控制，安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保，實用。

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換效率約為15％，最高達到24％，是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，技術也最為成熟。使用壽命一般可達15 a，最高可達25 a。多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池的光電轉換效率要降低不少，其光電轉換效率約12％，同時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換效率偏低，目前國際先進水平約為10％，且不夠穩(wěn)定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減，直接影響了其實際應用。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：當?shù)氐木暥?、海拔、大氣的污染程度或透明程度、一年當中四季的變化、一天時間的變化、到達地面的太陽輻射值、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化處理后，可得到太陽能電池總用量P的計算公式

式中，QL為負載日功耗(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1.1～1.3。
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間來決定，蓄電池應與太陽能電池、LED路燈相匹配。可用一種簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須高出負載功率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載日耗量高6倍以上為宜。
蓄電池的容量Bc的計算公式：

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=O℃上為1，-10℃上為1.1，-lO℃下為1.2，放電深度cc=O．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)要求和對各種指標的核定，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計
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蓄電池充電以及蓄電池給負載供電的自動控制設備。能自動防止蓄電池過充電和過放電。它對蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能輸出，是整個系統(tǒng)的核心控制部分。
本文設計的充電控制器用ATmegal28單片機作為主控器件，檢測太陽能電池板的輸出電壓，選擇適合的DC／DC支路，檢測蓄電池的電壓值，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。

圖1為采用斬波式PWM充電原理圖，檢測蓄電池的充電端電壓，將檢測得到的蓄電池端電壓與給定點電壓比較。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)比例調整功率管的占空比，充電進入慢充階段，改善充電特性，最后進入涓流充電，防止過充。