太陽(yáng)能大功率LED路燈的設(shè)計(jì)淺析

近年來(lái)隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和LED照明技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能LED 路燈已進(jìn)入了城市照明領(lǐng)域。LED 是Light Emitting Diode(發(fā)光二極管)的縮寫(xiě)， 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(kāi)關(guān)閃斷，能輕松實(shí)現(xiàn)0-100%調(diào)光功能等突出優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn)為是新一代的綠色照明器具。太陽(yáng)能LED 路燈是以太陽(yáng)能作為能源。每個(gè)路燈均是獨(dú)立的，安裝方便，無(wú)需鋪設(shè)電纜電線，無(wú)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。

　　本文以實(shí)際應(yīng)用為目的，對(duì)太陽(yáng)能電池功率的選取原則及與蓄電池容量的匹配方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，對(duì)LED 在芯片功率選取、組合方式和驅(qū)動(dòng)方式等方面進(jìn)行分析配置， 設(shè)計(jì)滿足太原地區(qū)道路照明使用要求的太陽(yáng)能LED 路燈。

　　太陽(yáng)能電池板與蓄電池的選取

　　1 、太陽(yáng)能電池板選取

　　目前硅系太陽(yáng)能電池分為：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。目前單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24%，是目前所有種類(lèi)的太陽(yáng)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 年，最高可達(dá)25 年。多晶硅太陽(yáng)能電池比單晶硅太陽(yáng)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%左右，同時(shí)多晶硅太陽(yáng)能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽(yáng)能電池短。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低，目前國(guó)際先進(jìn)水平為10%左右，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率衰減，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。所以目前太陽(yáng)能電池多采用單晶硅太陽(yáng)能電池。

　　根據(jù)太陽(yáng)能輻射原理，太陽(yáng)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?，海拔，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(yáng)輻射直、散分量的比例，地表面的反射系數(shù)，太陽(yáng)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(yáng)能電池方陣表面的清潔程度等。太陽(yáng)能照明系統(tǒng)充放電效率取0.75，太陽(yáng)能電池組件組失修正系數(shù)取0.95，灰塵遮擋及其它損失修正系數(shù)取0.90。經(jīng)過(guò)查詢資料和單位換算及簡(jiǎn)化處理后，可得到太陽(yáng)能電池總用量P(Wp)的計(jì)算公式[1]

　　式中，QL 為負(fù)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A=1.1～1.3。

　　蓄電池選取

　　由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作，蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能夠滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽(yáng)能電池組件的能量盡量存儲(chǔ)下來(lái)，同時(shí)還要能夠存儲(chǔ)滿足連續(xù)陰雨天(七天)夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過(guò)小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過(guò)大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時(shí)造成浪費(fèi)。目前，與太陽(yáng)能光伏電池相配套常使用的是閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護(hù)很少，性能可靠，故又被稱(chēng)為“免維護(hù)電池”，有著其他蓄電池所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

　　蓄電池的容量要根據(jù)太陽(yáng)能電池板的功率和LED 路燈的功率以及照明時(shí)間來(lái)決定，蓄電池應(yīng)與太陽(yáng)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(yáng)能電池功率必須比負(fù)載功率高出4 倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。太陽(yáng)能電池的電壓要超過(guò)蓄電池的工作電壓20~30%，才能保證給蓄電池正常蓄電。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)算可用下公式計(jì)算：

　　Bc=(PL*10*D)/(Kb*V)

　　式中：PL—日平均耗電量

　　D—陰雨天數(shù)

　　Kb—安全系數(shù)=1.1-1.4(包括了溫度修正系數(shù)To= 0 度上為1，-10 上為1.1，-10 下為1.2，放電深度cc=0.75)

　　V—工作電壓

　　根據(jù)上式就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。對(duì)蓄電池充電，通常采用的方法是在初期、中期快速充電，恢復(fù)蓄電池的容量；在充電末期采用小電流長(zhǎng)期補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量，在電池達(dá)到狀態(tài)后，采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)充電方式充電，以提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率及保證蓄電池的充電效果。蓄電池放電過(guò)程初期電壓下降較快；中期電壓緩慢下降且延續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間；在放電末期，放電電壓急劇下降，此時(shí)立即停止放電，否則將會(huì)給蓄電池照成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。在蓄電池的充放電過(guò)程中，除了設(shè)置合適的充放電閾值外，還需要對(duì)充放電閾值進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，并進(jìn)行必要的過(guò)充電和過(guò)放電保護(hù)。根據(jù)系統(tǒng)要求和對(duì)各種指標(biāo)的核定，選用12V/100Ah閥控密封式鉛酸蓄電池。　　LED芯片選擇

　　按目前市場(chǎng)產(chǎn)品的輸入功率進(jìn)行分類(lèi)，其輸入功率為幾十個(gè)mW 的LED，稱(chēng)為傳統(tǒng)的小功率芯片；其輸入功率小于1W 的LED，叫做功率LED；對(duì)于輸入功率等于1W 或大于1W 的LED，則叫做W 級(jí)功率(大功率)LED。目前大功率比較常見(jiàn)的有1W、3W、5W、8W、10W。已大批量應(yīng)用的有1W 和3W LED，其正朝著大電流(300mA～1.4A)、高效率(60～120lm/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 瓦以上的LED 芯片。將多個(gè)LED 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，藉由提高芯片面積來(lái)