太陽能LED廣告燈箱的研制

新疆維吾爾自治區新能源研究所 ■ 林閩 張艷紅 修強 熱孜望

一 引言

早在20世紀60年代，LED(半導體發光二極管)的發光原理就被人類掌握，并開始大量應用于各種儀器儀表的指示光源。隨著近代固體物理學和新型半導體材料的突破性發現，LED技術取得了突飛猛進的發展，尤其是用于照明的白光LED的應用，將改變傳統光源結構。實驗室中LED的光效已達到傳統光源的10倍，比白熾燈節能70%。在壽命上，LED可以連續發光超過10萬h，比傳統光源壽命長10～50倍。由于LED的這些顯著優點和技術日臻成熟，近年來逐漸開始應用于交通信號燈、景觀燈、大面積顯示屏等。與此同時，太陽能技術在過去10年來的大幅進步，已使太陽能作為低功耗直流電源實現了實用化，成本大幅度降低。LED技術和太陽能技術相得益彰，兩者的結合可以在很大程度上擺脫傳統光源對人工維護等方面的依賴，降低使用成本。

二 光伏照明系統設計

1光伏系統的電壓等級確定

IEC標準、國內標準規范以及行業內大部分企業的產品規格中，太陽能電源控制器、逆變器直流電壓規格等級為：12V、24V、48V、110V、220V等。在LED系統中，負載是由一個個小LED串并聯組成的模塊，為直接選用規范的控制器、逆變器產品，LED模塊的額定電壓應和電池板、控制器相匹配，同時還要考慮直流側電流不能太大，降低線損，并根據負載容量確定電壓等級。

2蓄電池容量設計

要按供電保證率來考慮。在實踐中，應調查用戶所在地一年中實際連續陰雨天的最大天數。在新疆，一般要滿足用戶連續三個陰雨天正常供電。根據用電需求情況，計算日耗電量如下：

日平均用電時間根據用戶需求可取4～12h，整機效率一般取80%，LED廣告燈箱是無人值守系統，要考慮在冬、夏季負載電流可能的變化情況，估算日耗電量實際上應接近于設計最大值。為使太陽能系統長期可靠運行，根據設備廠家提供的壽命期內蓄電池容量衰減及效率下降情況，確定蓄電池容量為：

3太陽電池板的傾角

對于固定傾角的太陽能獨立供電系統，選擇當地緯度為太陽電池板的傾角，可使太陽能系統的年發電量最大。但作為獨立供電系統，首先要考慮一年四季都能滿足用戶需求的均衡供電問題。事實上，冬季太陽輻射弱、發電少、夜間時間長，光伏照明系統的實際用電量會大于夏季，因此首先要側重于提高冬半年的發電量。冬季太陽高度角低，根據經驗，一般情況下傾角可選擇當地緯度加5?～8?，然后測算此傾角下發電量，再根據推算結果進行修正。

以下是太陽電池板傾角的一種理論計算方法。

目前氣象臺站的所有觀測項目(直接輻射、散射輻射以及總輻射)都是以水平面為基礎的，但在實際利用太陽能的過程中，為了獲取盡可能多的太陽能量，取得更好的經濟效益，工程上往往是將采光裝置安放成某一傾斜角度。因此，將已知水平面的太陽輻射強度轉化成任意平面上的太陽輻射強度，并且找出在某一時間某一角度下可獲得最大能量，即在某時刻下的最佳傾角設計，在太陽能工程中有很大的實際意義。

最佳傾角設計是一個復雜的數學問題，這里不具體介紹其推導過程，以下給出的計算公式是最精確的計算方法之一。

任意平面上的太陽能輻射計算公式為：

其中：I為任意平面上的太陽能輻射；i為水平面上的太陽能輻射；α為任意平面與水平面夾角（傾角）；?為當地緯度；A為方位角；δ為太陽赤緯角；h為太陽高度角；ω為太陽時角。通過積分運算得出最大的輻射強度，與之對應的傾角即為最佳。當然，根據經驗通過迭代法計算相對更快。

4LED光源的恒壓、恒流控制技術

首先，并不是所有的發光二極管都適合做LED光源，必須選擇經過特殊工藝制造的高光效、高亮度的專用LED。由于LED的發光效率與其工作電壓、電流、內電阻、溫度等都有關聯，而LED一般都具有較寬的工作電壓范圍，在額定電壓、電流、溫度下，發光效率最高。隨著LED使用時間的延長，其溫度會升高，內阻等特性將改變，光效下降，所以LED的驅動應采取穩壓或恒流控制。一般情況下，LED的恒流驅動電路輸出的電流恒定，而輸出的直流電壓卻隨負載阻值不同在一定范圍內變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高；恒流電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。LED的穩壓驅動電路輸出電壓是固定的，而輸出和電流卻隨著負載的增減而變化；穩壓電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路；以穩壓驅動電路驅動LED，每串需要加上合適的電阻方可使LED顯示亮度平均，且亮度會受電壓變化的影響。一般恒流驅動電路驅動的價格要高于穩壓驅動電路驅動。

三 太陽能技術和LED技術在廣告燈箱上的結合

1太陽能LED廣告燈箱的工作原理及其設計

太陽能LED廣告燈箱是一種新型照明產品，具有節能、環保、安裝方便、使用維護簡單、成本低廉等優點，是常規廣告燈箱的替代產品。白天，太陽電池經過控制器給蓄電池充電；夜間，由蓄電池經控制器給LED光源供電，點亮廣告燈箱。系統構成包括太陽電池板、廣告燈箱、LED光源、蓄電池、控制器等，如圖1所示。

現以新疆農業職業技術學院安裝的太陽能LED廣告燈箱為實例，介紹其設計和制作過程。

圖1 太陽能LED廣告燈箱系統工作原理

安裝地點：昌吉，新疆農業職業技術學院大門內道路兩側。地理緯度：北緯43?47'。安裝數量：8個。使用要求：每天5h。

(1) 廣告燈箱的選型設計

根據與用戶的協商，廣告燈箱采用普通結構，尺寸為2.4m ×1.2m；箱體和立柱采用常用的不銹鋼結構；太陽電池板和廣告燈箱為一體化設計，位于燈箱兩邊立柱的正上方；電池板下沿要高于箱體遮雨蓬至少30cm，以防止冬季積雪淹沒電池板；根據后面電池板的選型結果，燈箱的總高為3.3m；燈箱面板采用高透光耐光板(當然也可采用玻璃，但太重，而且價格相差不大)；內襯反光底板采用和燈箱同尺寸的鋁塑板。常規的同尺寸單面燈箱一般配有6支40W日光燈管，本項目用LED模塊代替。

(2) LED光源的選型設計

并不是所有的LED都適合廣告燈箱，經大量調研后，選擇了LED光條(一種很薄的窄條，在上面等距鑲嵌有LED顆粒)和LED模塊(業內稱之為“食人魚模塊”)這兩種產品。每3粒LED加一個小電阻構成一個模塊，制作在一個帶背膠的塑料襯底上。廠家可按用戶要求進行等距的串并聯制作，每個模塊之間用導線連接，線的選材、粗細都可按用戶要求，當然也可自己制作。這是兩種成熟的產品，在深圳等地大量外銷。

(3) 配光設計

在制作LED燈箱之前，我們已對常規的燈箱做過亮度和光效測試，如何采用最少的LED并達到較佳的實用效果是我們追求的目標。無論是LED光條，還是LED模塊都有一個發射角，角度有45?、90?、135?等，我們選取各種LED在實驗室進行了配光測試，主要測試指標為照度、均勻度、電流。完成測試后確定燈箱厚度，上下兩排的LED一定要形成光路的交叉，否則會出現一個陰影帶(見圖2)。根據對照射面的照度測試和光強均勻度計算，最后確定燈箱厚度為20cm，2個LED模塊的縱向間距為36cm，橫向間距為30cm。

圖2 LED陣列正面和縱向排列示意圖

燈箱寬度為1.2m，1.2/0.36=3.3，考慮到燈箱兩邊的照度，取4排LED模塊；燈箱長度為2.4m，2.4/0.3=8，同樣考慮燈箱兩邊照度，每排取9個LED模塊，廣告燈箱共采用4×9=36個LED模塊并聯組成一個光陣。導線選擇1.5mm的多股銅芯線。經測試，在電壓為直流12V的情況下，整個LED組合的電流值為2.4A，LED陣列功率不到30W。燈箱的日耗電量為30×5÷0.8=187.5Wh，即12V系統15.625Ah。

(4) 蓄電池容量設計

考慮到壽命和價格因素，選用12V的免維護膠體鉛酸蓄電池。蓄電池容量=日耗電量×連續陰雨天數÷(1?衰減因子)=15.625×3÷(1?0.3)=67Ah，最后選定蓄電池為12V 80Ah。

(5) 太陽電池板的傾角和功率設計

在北方地區，夏季夜間較短，日照時間長，太陽輻射好；而冬季夜間較長，日照時間短，太陽輻射差。因此，光伏系統要保證一年四季的正常應用，必須要有好的設計方案，不能僅僅為了滿足使用要求(亮度、時長等)而一味增大太陽能系統功率，這樣只會使系統的價格變得更加昂貴。在滿足用戶需求的情況下，設計最經濟的配置是我們的設計原則。

首先，根據安裝地的氣象條件，確定太陽輻射最弱的月份(一般在冬季)，根據這個月太陽高度角的變化情況確定電池板的傾角，然后進行系統功率匹配設計，在保證太陽能資源最差月份正常使用的條件下，再逐一計算驗證其他月份是否也能滿足使用的要求。太陽能光伏照明系統的最大障礙是過冬問題，在低溫環境下，太陽電池板易被冰雪覆蓋，接收功率下降，造成系統不能正常工作，而且由于光伏照明系統電池板的安裝位置都較高，清除積雪很困難。經過長期研究，我們發現一個規律：冬季下雪在物體表面上的溶化脫落速度與平面的傾斜角度、磨擦系數、雪的物質特性以及風向風力、環境溫度、海拔、太陽輻射強度等有關，對太陽電池板來說，總有一個最小的傾角使得冰雪不易在表面上站住(或是太陽出來后，積雪便迅速滑落)，這個角度在不同的地區是不同的。大量實驗證明，在烏魯木齊，臨界角度為52?，即只要大于52?，冰雪在電池板表面站不住，小于這個角度，則冬天不能良好發電。由于冬季太陽高度角低，對電池板的傾角也要求較大，例如在烏魯木齊選定的角度是55?，因此，太陽能廣告燈箱、太陽能路燈等光伏照明系統的傾角設計和光伏電站有較大不同。昌吉和烏魯木齊緯度接近，大氣透明度優于烏魯木齊，在這里也選定為55?。根據用戶要求，選用多晶硅電池組件。查新疆新能源研究所內部的技術手冊，當地最弱輻射月份為12月份，折算的水平面表面的日平均峰值日照時數為1.9h。再通過上述計算方法得出在55?傾斜面上的日平均峰值日照時數約為2.7h。

光伏功率=日耗電量÷峰值日照時數÷效率因子=187.5÷2.7÷0.8=87W

最后選用兩塊50W的電池板。其他月份由于日照時間長和太陽輻射好，對當月來講雖然不是最佳發電角度，但通過計算，發電量仍可滿足使用要求。安裝方向為正南偏西5?。

(6) 控制器和恒流源的選型設計

筆者所在單位就設計過帶恒流驅動的太陽能光伏照明控制器，具有光控、時控、過充、過放保護、短路、過載等多種保護功能。當然，也可以選擇普通太陽能路燈控制器，型號規格為12V 10A。再選擇一個功率為30W的LED路燈上用的恒流源，國內生產恒流源的廠家很多，選擇范圍廣。

(7) LED廣告燈箱的制作及安裝

完成上述設計后，開始LED燈箱的制作。選擇一家合適的專門制作燈箱的加工廠，提出技術要求，加工工藝和常規燈箱相同。做好的箱體在實驗室內拿下底板，最好先在內層刷層白漆，利于光的反射，或直接選用白色襯底的底板材料，然后按前述尺寸在底板上均勻排列LED模塊。先劃好位置尺寸，連接上導線，再用專用膠將LED模塊固定在底板上，接好控制器、恒流源、穩壓電源等，點亮測試通過，一個LED光陣就完成了。

太陽能LED廣告燈箱的安裝和常規產品基本一樣，工程量少了挖電纜溝等工作，多了太陽電池板安裝及固定的工作，燈箱的基礎既可以用預埋件水泥預制，也可以用膨脹螺絲在水泥地面上固定，主要看當地的風力，若風太大則選擇第一種方法把基礎做牢固。最后在燈箱附近選合適位置挖個蓄電池地埋坑，接好系統并測試后，把專用地埋箱埋好，清理完場地后，任務全部完成。

2太陽能LED廣告燈箱的經濟性分析及實踐經驗

以新疆農業職業技術學院的廣告燈箱為例。按2009年的工程造價，每個太陽能LED廣告燈箱的造價為6350元，其中太陽能LED部分的增量投資為2750元。市場上同樣大小的普通廣告燈箱工程造價一般為8000元左右(含挖電纜溝及材料)，太陽能LED廣告燈箱有足夠的利潤空間，并且無需支付電費，經濟性顯著。LED廣告燈箱亮度、均勻度等光照效果優于常規日光燈，競爭力非常明顯。以當前太陽電池低于6元/W的價格，太陽能LED廣告燈箱的市場前景更為廣闊。

圖3 太陽能LED廣告燈箱系統結構

表1 太陽能LED廣告燈箱的技術經濟指標一覽表

在北方，為了在冬季也能使用，通常會在燈箱下方挖一個1.5m的深坑，把蓄電池地埋箱放進去后再掩埋；或做一個有保溫的基座，且必須保留一定的通風口，通常由電纜上下出入口擔當通風的作用。控制器可放置在廣告燈箱或地埋箱內。若控制器在廣告燈箱內，對芯片有更高的要求，要能耐嚴寒，必須采用帶探頭的溫度傳感器，否則蓄電池的溫度補償將不準確。這些要求對控制器的性能和可靠性是一個挑戰，成本價格也會增高。若控制器在地埋箱里，工作環境基本常溫狀態，和電池溫度接近，但即使采用了免維護蓄電池，酸霧的影響也很大，會直接縮短控制器壽命，而且壞了還不易更換。太陽能LED廣告燈箱的安裝和常規產品一樣，非常簡單，由于無需挖電纜溝，安裝較快。

本文所提及的電池板傾角等關鍵問題，也是在應用中要特別注意的地方。本文中多項技術都已申請專利，但由于單位性質，市場做的并不好。從2006年開始，先后在烏魯木齊雅山公園、新疆農業職業技術學院、新疆太陽能科技開發公司院內、烏魯木齊縣水西溝鎮方家莊村等地安裝了幾十個太陽能LED廣告燈箱、3000多盞太陽能路燈，在光伏照明應用上的一些成功經驗被業內廣為傳播，有利地推動了新疆光伏照明事業的發展。

3實驗效果(圖4)

四 結論

通過實踐表明，把太陽能光伏發電技術和LED技術科學地融入到廣告燈箱中應用，其效果非常理想。太陽能LED廣告燈箱的工程價格接近于常規燈箱，具有極高的社會經濟效益，既節能又環保，同時具有高度的可靠性，可實現免維護，無需挖溝埋纜，且隨意安裝，非常方便。

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