太陽能照明一體化路燈設計與應用

傅創業 楊志偉

(浙江晶日照明科技有限公司，浙江湖州 313000)

1 引言

中國是能源消耗大國，能源消耗以煤、石油、天然氣為主，這些原料儲量有限，不可再生，而且能源消耗同時排出二氧化碳和硫的氧化物，導致地球溫室效應和酸雨，破壞環境。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區的太陽輻射總量很大，尤以青藏高原地區最大。以拉薩為例，年平均日照時間為3005.7h，相對日照為68%，太陽總輻射為816kJ/cm2·a。由此可見，太陽能作為一種新興能源，具有廣闊的應用前景。

對于我國偏遠地區，特別是高原、山區等地，部分地區電網覆蓋不足，或低壓配電裝置安裝質量不高，或居民居住相對分散，采用架構電網的方式用于戶外照明并不實際且鋪設電纜復雜，維護成本高，太陽能照明的應用能有效解決上述普通電網無法解決的照明問題。

2 現階段太陽能照明路燈及問題

1)太陽能照明具有無需敷設電纜、有效降低維護成本，與LED結合則具有壽命長、環保等優勢。但是我國大部分地區的峰值日照還不是很充分，只有少數西部和高原地區比較好，太陽能路燈綜合性能直接受當地日照強弱的影響，在日照不足的地方會產生蓄電池欠壓而導致光源不亮的情況，達不到相應照明需求，而加大蓄電池容量及太陽能板尺寸又導致成本增加;現有大功率30W以上的太陽能照明成本很高，影響太陽能大面積推廣及應用。

2)通常將蓄電池箱體地埋或焊接在燈桿底座上，經常發生蓄電池偷盜、維護成本增加問題;并且埋地蓄電池由于施工不良或地域特點、防水防潮沒有處理好從而對蓄電池的壽命產生較大影響 (見圖1)。

3)由于太陽能路燈整合了蓄電池、燈具、控制器、燈桿太陽能板等四大主要部件及多股連接線等附件，安裝非常不方便，存在線路接反造成控制器和太陽能板燒毀、故障不容易排查等諸多問題。

圖1 傳統太陽能路燈Fig.1 The traditional solar road lantern

3 一體化太陽能路燈的發展需求與特點

一體化太陽能路燈的設計目的是為了利用太陽能這種綠色環保的可再生能源，給山區、農村等電網無法覆蓋或電網不穩定的地方，提供低碳環保，且滿足特殊地區需求的高效率照明。采用先進的智能控制及可調角度太陽能板配合，最大限度的將太陽能轉化為電能，并保證整套系統可靠，穩定運行。同時，相較于傳統太陽能燈具，一體化太陽能路燈安裝更便捷，維護更簡單，性價比更高 (見圖2)。

一體化太陽能路燈的特點有:

1)太陽能板、蓄電池、光伏控制器一體化，擺脫了原有的地埋箱或在燈桿底部焊接蓄電池箱的方式，使安裝、維護更方便。

2)可在10°～50°之間靈活調節太陽能電池板的傾斜角，滿足全球各維度的安裝需求，同時，精確的刻度保證太陽能路燈批量安裝的一致性。

3)采用新型的配光設計，產生路上行人所需的垂直面照度，使路面縱向照明范圍更大，路面照度均勻性更好。

4)燈具采用智能控制單元，高效太陽能電能轉換，自適應亮度調節，提高了80%電池續航能力，并有效延長蓄電池壽命1～3年。

5)每天工作10小時 (自適應亮度調節)，連續陰雨8天正常工作。

6)產品結構輕盈，簡潔美觀。

圖2 一體化太陽能LED路燈系統Fig.2 Integrated solar LED road lantern system

4 一體化太陽能路燈構成

一體化太陽能路燈由燈具、太陽能電池板、蓄電池組件、太陽能路燈專用智能控制器、蓄電池箱五部分組成 (見圖3)。

太陽能電池板:太陽能電池板是太陽能路燈的核心部分，作用是將太陽的輻射能轉化為電能，送至蓄電池存儲起來。這里選用高效單晶硅太陽能板，效率達到16%以上。

燈具:具有調光功能。光源選用長壽命，高光效LED。7W路燈采用3顆LED，光通量為550lm，15W路燈采用6顆LED，光通量為1050lm.

蓄電池組件:選用質量能量比高，壽命長的膠體電池，使用壽命最長可達8年。蓄電池白天存儲太陽能電池板轉化的電能，夜晚為燈具提供可靠的電源，同時滿足連續陰雨天的使用需要。

太陽能路燈專用智能控制器:該控制器智能控制太陽能電池板，蓄電池及燈具間的充放電，提供光控，時控及紅外控制的多種控制方式，并具有溫度補償，過流保護，欠壓保護，過壓保護，短路保護等保護機制，有效保證燈具亮燈時間及延長蓄電池壽命。

蓄電池組件和智能控制器均安裝在蓄電池箱中。

圖3 一體化太陽能路燈結構圖Fig.3 The structure of integrated solar road lantern

5 燈具配光設計及控制方法

5.1 燈具配光設計

當人夜晚在道路行走時，需要盡可能迅速識別對面走來的其他行人，以便于交流或采取防范措施，并有足夠時間做正確反應。因此需要配光在1.5米的高度有足夠的垂直照度。該配光在燈桿高5米.路面寬5米燈具仰角為25°的情況下，距離地面1.5米高，沿路中心線垂直照度最小值大于0.5lx，路面平均照度3lx.

5.2 燈具智能控制設計

太陽能專用智能控制器基本結構框圖如圖4所示。

該智能控制器采用MEGA168作為處理芯片，實現如下功能:

(1)12V/24V系統自動判斷。

(2)檢測蓄電池，太陽能板電壓，檢測充電電流，放電電流，檢測環境溫度。

(3)根據控制策略及檢測數據實現太陽能板對蓄電池的高效充電。

(4)自適應燈光調節設計。

(5)溫度補償，欠壓，過壓，過流，短路，反接保護，實現蓄電池保護與負載保護。

圖4 太陽能控制器基本框圖Fig.4 Solar controller basic block diagram

(6)允許通過紅外方式更改預設參數及控制燈具開關。

5.2.1 充電設計

充電設計采用PWM脈寬調制充電方式。對于12V的系統，當蓄電池處于欠壓狀態時，控制器控制太陽能板以0.25C的電流恒流充電，當蓄電池電壓大于12V后轉而采用直充方式直至蓄電池電壓直充電壓上限設定值，之后進入浮充狀態，脈寬逐漸減小，降低充電電流。當蓄電池達到14.4V，保持低于0.1C的電流以補償蓄電池因自放電產生的能量損失，見圖5。

圖5 充電特性曲線Fig.5 Charging characteristic curve

5.2.2 自適應放電設計

當剛入夜時，燈具首先判斷蓄電池電量，計算亮度調節參數，在半小時內從30%的亮度上升到該亮度參數。在夜晚放電過程中，根據蓄電池電量80%、60%、30%三個臨界點調節燈具亮度，同時燈具具有三段調光功能及后半夜降功率功能。允許通過設定的時間在蓄電池電量判斷的基礎上，計算新的調光值，實現以蓄電池電量及放電時間為依據的自適應放電功能。該設計不僅滿足道路照明需要，同時也延長蓄電池放電時間。

自適應放電框圖如圖6所示。

圖6 放電框圖Fig.6 Discharge diagram

5.2.3 溫度補償與保護設計

溫度的變化會影響蓄電池的性能，控制太陽能板對蓄電池進行充電時，采用有效的溫度補償可以有效提高太陽能路燈的可靠性。

本控制器通過AD采樣，計算負溫度系數熱敏電阻的阻值，對環境溫度為－20°到+50°之間進行溫度補償，溫度補償系數為－18mV/℃。

為了避免負載短路或過載，將采樣的放電電流數據與保護閾值進行比對，若超過閾值則關斷負載，定時自檢測，直到負載正?；蚓S修后開通。為了防止蓄電池過放，定時采樣蓄電池電壓，當蓄電池電壓達到過放點以下，及時關斷負載，有效保護蓄電池使用壽命。充電過程中通過設置過充電壓、欠壓保護等參數，防止蓄電池過充及調用合適的充電機制。對充電電流的采樣，有效調節太陽能板使蓄電池充電過程中電流不超過蓄電池最大充電電流。

6 產品應用試點

試驗案例地點:貴州省六盤水慕泥克村的山區。慕泥克村位于貴州六盤水市的南面50km，該村是一個苗族少數名族居住區，位于山區，道路均是山間小道，沒有基本照明，道路很多地方還沒有通電。如果采用常規照明，需要從很遠的地方敷設電纜，成本高，山區施工難度大。

本次試點應用采用了一體化的太陽能LED燈具組件，技術參數如表1所示。

安裝方式為在道路附近有民居的地方分散安裝，起到居民外出活動與安全出行的作用;燈具照射范圍可達8米;通過控制器智能調節及探測蓄電池電量狀態，分時段照明，實現了山區道路基本照明。改試點成功應用了小功率一體化太陽能在山區的照明 (見圖7)。

表1 14W一體化LED燈具技術參數Table 1 Technical parameters of 14W integrated LED lamps and lanterns

圖7 安裝實景照片Fig.7 Installation live-action pictures

7 結語

太陽能照明具有廣闊的發展空間，我們將不斷努力，對包括提高太陽能板與蓄電池間充電效率、更優化控制策略、有效延長太陽能路燈持續陰雨天亮燈時間、在保持太陽能路燈的輕便結構的前提下提高太陽能照明路燈功率等課題深入研究，提高太陽能照明路燈的品質與壽命。

［1］杜玲燕，詹旭.基于STC12C5410的太陽能LED照明系統設計.電子與封裝，2012.

［2］李雪梅，邱望標，李操.太陽能LED路燈照明系統設計，電工技術，2009.

［3］陳輝，閆偉亮，方涌東，張偉.大眾科技，2008.

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