離線式太陽能LED路燈的可靠性研究與應用

公文禮

(西安南亞科技有限責任公司，西安710075)

離線式太陽能LED路燈的可靠性研究與應用

公文禮

(西安南亞科技有限責任公司，西安710075)

近年來，能源危機和與之相關的環境問題成為全球人類共同關注的熱點，世界各國都在從本國的國情出發來解決能源與環境問題。不論發展中國家還是發達國家，能源問題都是全人類共同關心和需要解決的問題。目前，中國GDP每年以10%左右的速度發展，能源消耗急劇增加，環境、生態日益惡化。這種對自然無序、掠奪性索取的發展模式已難以為繼，實際上已造成當前十分嚴重的、不可逆轉的后果。在這樣的嚴峻形勢下，節能成為了社會生活的主題，隨著國家節能減排政策的逐步落實，大功率LED燈具的技術日趨成熟，越來越多的LED應用于日常的照明領域，LED照明已進入千家萬戶。經過幾年的使用與探索，LED路燈技術上備受困擾的散熱和電源驅動兩大難題也被全球的燈具廠家逐步克服，LED路燈的推廣應用面臨的將是照明質量的提高和燈具的長期可靠性問題，可靠性是LED路燈能否徹底替代傳統高壓鈉燈的關鍵所在。尤其是國家光伏產業發展戰略中的太陽能LED路燈，雖然從宏觀上可以為國家節省較多的電能消耗和鋪設電纜等高昂工程費用，但是太陽能LED路燈能否真正實現全天候的徹底無電源照明，只有解決了太陽能LED路燈的可靠性問題，太陽能LED路燈才能真正得到推廣和廣泛的應用。文章通過對現階段的太陽能LED路燈所采用的方案詳細分析，并結合實際例子闡述了可能影響太陽能LED路燈可靠性的幾個關鍵參數以及燈具中關鍵部件可靠性選型中需要注意的問題，希望為太陽能LED路燈進一步的應用推廣提供行之有效的方案。

太陽能LED路燈；關鍵部件可靠性；蓄電池充放電控制；LED光源

1 中國太陽能LED路燈的應用前景和優勢

近年來，隨著太陽能電池轉換效率和生產技術的不斷提高，太陽能光伏發電的應用越來越廣泛，尤其是在照明領域，太陽能LED路燈作為光伏發電系統在國內的主要應用模式，已在全國各地得到了推廣。在能源短缺，環境污染日益嚴重的今天，充分開發并利用太陽能是世界各國政府的可持續發展能源戰略決策。我國富饒廣闊的土地上，有著十分豐富的太陽能資源(見圖1)。全國各地太陽能年輻射總量為3 340～8 400 MJ/m2，尤其是青藏高原地區，這里平均海拔在4 000 m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時間長。太陽能資源具有廣闊的市場前景，新型的能源加上最節能的LED燈具，無疑是個完美的組合。根據科學家的保守估計，在未來的10年里，太陽能電池的平均轉換效率達到20%以上，而價格將下降一半，這就是說，10年以后的今天，照明電力的一半可能來源于太陽能，達到真正的綠色照明。太陽能電池的PN結，能夠把太陽能轉換為電能。LED則是另一個可以將電能轉換為光的PN結，它的光效也在不斷提高，其使用壽命可以達到10萬小時以上，這是真正意義上的綠色照明。所以，發展LED太陽能路燈將具有不可估量的市場和應用前景。

離線式太陽能LED路燈應用的優勢：

1)燈具壽命長。單晶硅或多晶硅太陽能組件的有效使用壽命為25年，25年后電池組件可繼續使用，只是發電量略有下降。大功率LED理論上使用壽命可達10萬小時，通過靜態功耗低的智能控制器使用壽命長。

圖1 中國太陽能資源的地理分布情況注：圖中4個太陽能資源帶的年輻射量指標Ⅰ資源豐富帶6 700 MJ(m2·a)Ⅱ資源較富帶5 400～6 700 MJ/(m2·a)Ⅲ資源一般帶4 200～5 400 MJ/(m2·a)Ⅳ資源貧乏帶<4 200 MJ/(m2·a)

2)燈具長期工作可靠穩定。LED光源為固態光源，它和單晶硅或多晶硅等太陽能組件具有抗臺風、抗潮濕、抗紫外線輻射等特點。

3)正真能做到免維護，無人值守。燈具一次安裝到位，運行中自行充電和開關燈，無需人工操作。

4)照明時長和亮度可以人為控制。LED路燈很容易實現人工智能控制，可以根據當地日照條件設定照明時長，也可以根據亮度自動開啟并調整路燈的亮度，比如根據道路情況后半夜可將亮度降低一半。

5)使用離線式太陽能LED燈具不用架設或埋設電力線路，不用電網的電能，不用花費大量人力、物力等工程費用及保養維護。

2 太陽能LED路燈的基本結構及工作原理

2.1 太陽能LED路燈的基本結構

太陽能LED路燈主要由太陽電池組件、組件支架、LED(光源)燈頭組件、充放電控制器、蓄電池、燈桿等幾部分組成(如圖2和圖3所示)。

圖2 太陽能LED路燈應用實例

圖3

2.2 太陽能LED路燈的工作原理

太陽能LED路燈是利用太陽能電池的光生伏特效應原理，白天太陽能電池吸收太陽能光子能量產生電能，通過控制器進行充電，儲存在蓄電池里，當夜幕降臨或燈具周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器向LED(光源)組件持續供電，一直到天亮或者設定的時間后自動切斷。太陽能LED路燈系統工作原理簡單，利用光生伏特效應原理制成的太陽能電池白天接收太陽輻射能并轉化為電能輸出，經過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當天黑照度降低至10 lx左右，太陽能電池板開路電壓4.5 V左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池開始對LED路燈放電。蓄電池放電至設定的放電時間后，充放電控制器動作，蓄電池放電結束(圖3)。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池的過充和過放電。

3 影響太陽能LED路燈系統可靠性的幾個關鍵參數的確定

太陽能LED路燈系統設計的成功與否，從理論上來說，主要是由幾個主要參數決定，這些參數設置是否合理，就要靠科學的計算和合理的分析。所以基本設計思路是先確定光源的功率，根據使用地路燈每天工作的時間，結合當地連續陰雨的天數，計算蓄電池的容量和太陽電池組件的功率。為了確保系統的穩定性與可靠性，在設計時需要特別注意以下參數的確定和計算。

1)必須弄清楚太陽能LED路燈使用地的經度與緯度。通過項目所在地的地理位置進一步得到使用地的氣象資源信息，比如月(年)平均太陽能輻照情況、平均氣溫、風力資源等，根據這些條件確定當地的太陽能標準峰值時數(h)和太陽以能電池組件的安裝傾斜角與方位角。

2)弄清楚項目路燈所使用的路況，比如車道數目(雙向四車道還是雙向八車道)、燈桿間距(40 m還是30 m)、布燈原則(對稱還是間隔布燈)等，并結合路面對照度的要求，通過計算選用合適的LED光源并確定燈具總功率。LED光源功率的大小直接影響整個系統的其他參數和工程造價。

3)了解當地冬天和夏天夜長時間，合理確定太陽能LED路燈平均每天晚上工作的時長。這是決定太陽能LED路燈系統中組件參數大小的關鍵數據，通過確定工作時長，可以初步計算出燈具每天的功耗和與之相應的太陽能電池組件功率及充電電流。

4)基本參數確定后，再根據氣象信息了解當地連續3年來連續陰雨天數的情況，通過平均計算，太陽能LED路燈需要持續照明的連續陰雨天數。這個參數決定了蓄電池容量的大小及陰雨天過后恢復電池容量所需要的太陽能電池組件的功率，在連續陰雨天能否正常工作是考驗太陽能路燈可靠性的直接依據。這也是目前好多LED太陽能路燈項目失敗的直接因素之一。

5)為了更加可靠的設計，需要通過統計，再了解當地3年來兩個連續陰雨天之間的間隔天數。這是決定系統在一個連續陰雨天過后充滿蓄電池所需要的電池組件功率。 這個參數是完全離線式LED路燈能否持續工作的關鍵指標。

6)在實際的設計應用中，由于上述諸多因素綜合制約，同時又受項目經費的制約，最終的結果往往有較大的差異。為了便于理解對參數的確定，可以通過實例來說明太陽能LED路燈系統設計計算方法。

太陽能路燈的具體設計思路是，先根據路面需求得到LED路燈所需的功率，確定太陽能電池組件的功率，然后計算蓄電池的容量。但太陽能LED路燈又有其特殊性，為了確保系統工作的長期可靠性，在設計時需要特別注意查詢了解當地的氣象信息，根據這些氣象信息初步確定系統的外在要求，從而為燈具的設計提供原始的計算依據。

可以通過例子來說明太陽能路燈系統設計的具體方法。例如：需要在某地安裝一批離線式太陽能LED路燈，路面為雙向4車道，雙向對稱布燈，燈距間隔30 m，燈桿高10 m，了解當地的時差信息，要求路燈每晚工作8 h，保證連續7個陰雨天能正常工作。通過查詢，當地地理位置東經114°，北緯23°，年平均水平日太陽輻射為3.82 kW·h/m2，年平均月氣溫為20.5 ℃，多年來兩個連續的陰雨天間隔時長為25 d。根據以上信息，初步得出光伏組件安裝的傾斜角為26°，標準峰值時數約3.9 h。根據提供的路面需求，我們初步確定LED光源功率需要100 W，燈具總光通量9 600 lm。下面再進一步詳細計算：

目前太陽能板的光效已達到127 Wp/m2，國產晶體硅電池效率在10%至13%左右，國外同類產品效率約18%至23%。可由一個或多個太陽能電池片組成光伏組件。

根據光源功率100 W計算LED路燈日均耗電量：Q=W·H/U=100×8/12=66.6 Ah，式中，U為系統蓄電池標稱電壓，一般蓄電池可以選擇12 V或者24 V兩種標稱電壓。

滿足路燈日用電的太陽能電池組件的充電電流：I1=Q×1.05/h/0.85/0.9=9.1 A，式中，1.05為太陽能充電綜合損失系數，0.85為蓄電池的充電效率，0.9為控制器的效率。

確定蓄電池的容量，滿足連續7個陰雨天正常工作的電池容量：

C=Q×(d+1)/0.75×1.1=66.6×8/0.75×1.1=781.4 Ah，取782 Ah。式中，0.75為蓄電池放電深度，1.1為蓄電池安全系數。需要4節12 V，200 Ah的電池組成電池組。

連續陰雨天過后需要恢復蓄電池容量的太陽能電池組件充電電流：

I2=C×0.75/h/D=782×0.75/3.9/25=6 A。式中，0.75為蓄電池放電深度。

太陽電池組件的功率為：(I1+I2)×18=(9.1+6)×18=270 Wp，式中，18為太陽電池組件的工作電壓。選取2塊峰值功率為135 Wp的太陽能電池組件。

通過計算，我們得到了系統的幾個主要的參數，從這幾個參數不難看出，系統所需的太陽能電池組件的功率和蓄電池容量是比較大的，這無疑增加了燈具的成本，這也是目前許多路燈項目為了減少成本而修改系統參數，最后導致工作不可靠的原因之一。但是，隨著太陽能發電技術的不斷提高和鋰離子等新能源電池的成熟應用，它們的性價比會不斷提高，不久的將來，這些問題將不再成為制約燈具可靠性設計的障礙。

實際使用中，考慮到太陽在不同季節造成的陰影變化，尤其是夏季和冬季，差別極大，所以在系統設計中也要予以充分的考慮。此外，燈具使用中還要考慮安裝地的風沙灰塵及泥污對太陽能板的影響，以及冬天太陽能板面結冰等一系列實際問題，所以在系統設計中一定要有足夠的功率預留空間，從而保證燈具長期可靠工作。

7)在資金充足的地方，利用風力互補是進一步解決太陽能LED路燈可靠性的重要手段，特別是在連續陰雨較多的城市，利用風力可以解決陰雨天太陽能路燈無法正常工作的弊端。我國風力資源十分豐富，根據國家氣象局的資料,我國離地10 m高的風能資源總儲量約32.26億kW，其中可開發和利用的陸地上風能儲量有2.53億kW,近海可開發和利用的風能儲量有7.5億kW(如圖4所示)。根據我國風功率密度地理分布圖，合理利用該地的地理資源以解決目前條件下太陽能LED路燈應用中的不足，在風能密度大的地方優先采用太陽能風光互補LED路燈是完全可以實現的。路燈風力發電設備一般安裝在10 m左右的高度，根據該地10 m高風功率密度指標查看風功率密度等級表(如表1所示)，從而判斷該地是否適合推廣風光互補LED路燈。

圖4 我國風功率密度地理分布圖

風功率密度等級1234567風功率密度/(W·m-2)<100100～150150～200200～250250～300300～400400～1000

太陽能和風能在資源條件和技術應用上都有很好的互補特性。可再生能源的綜合利用對我國社會經濟的可持續發展和環境保護起著重要作用。太陽能和風能是可再生能源中利用比較廣泛的兩種。利用風光互補技術是解決現有太陽能LED路燈缺陷，提高路燈工作可靠性的主要手段，在資金保證的前提下，應在條件具備的地方優先推廣。風光互補路燈系統具備了風能和太陽能產品的雙重優點，沒有風能的時候可以通過太陽能電池組件來發電并儲存在蓄電池中，有風能沒有光能的時候可以通過風力發電機來發電并儲存。風光都具備時，可以同時發電。在白天可以利用太陽光和風力資源發電，晚上利用風力發電機發電，使供電系統更具穩定性和可靠性。運行的時候通過蓄電池向負載放電，為負載提供電力。路燈開關無須人工操作，由智能時控器自動感應天空亮度進行控制。

當然，如果考慮太陽能和風能互補的路燈方案，在確定基本參數時，連續陰雨天的天數和兩個連續陰雨間隔天數可以減少，甚至可以根據風能大小不予考慮。這樣，風能發電機額外增加的成本可從太陽能板功率的減小和蓄電池容量的減小來彌補。

4 離線式太陽能LED路燈中的幾個關鍵部件對其工作可靠性的影響

4.1 太陽能電池組件的可靠性

4.1.1 太陽能電池的封裝工藝及選擇

太陽能電池的主要功能是將太陽的光能轉換成電能，這個現象稱之為光伏效應。在眾多太陽能電池應用中較普遍且較實用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非晶硅太陽能電池三種，在選擇時要根據路燈的使用環境合理應用。

多晶硅太陽能電池的生產工藝相對簡單，由于多晶硅太陽能電池技術的不斷進步，其轉換效率得到了不斷提高，價格比單晶硅低。在太陽光充足，日照好的東西部地區，采用多晶硅太陽能電池為好。

單晶硅太陽能電池的效率比較高，因單晶硅太陽能電池電性能參數比較穩定，但價格高于多晶硅太陽能電池。在陰雨天比較多，陽光相對不充足的南方地區，采用單晶硅太陽能電池為好。

而非晶硅太陽能電池在室內或者陽光很弱的情況下使用比較好，因為非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低。

太陽能電池是利用光伏效應把太陽的光能轉換成電能。對于硅電池來說，在標準條件下(光譜輻照度：100 W/m2,光譜：AM1.5，溫度：25℃)，它的開路電壓為0.48 V～0.6 V。將多個單體太陽能電池連接，并進行封裝，可以構成不同面積、不同功率的太陽能電池組件，單體太陽能電池一般不使用，實際應用較多的是太陽能電池組件。

太陽能電池與太陽輻照度的對數成正比，具有負的溫度系數，即溫度每上升一度，電壓便下降2～3 mV，所以在設計時要考慮結合當地的氣溫情況。

太陽能電池的封裝形式主要有層壓工藝和滴膠工藝兩種，封裝工藝不同將直接影響太陽能電池的使用壽命。采用層壓工藝封裝的太陽能電池可以保證25年以上的工作壽命，其工藝特性和使用壽命優于滴膠工藝封裝的形式，所以在太陽能電池設計選型時，對廠家的封裝工藝也要予以考慮。

對太陽能電池工藝上確定后，具體選擇產品時，還必須對不同廠家提供的太陽能電池組件的五個主要電氣性能參數進行比較，選用質量可靠的產品。

A.Isc=短路電流；

B.Im=峰值電流；

C.Voc=開路電壓；

D.Vm=峰值電壓；

E.Pm=峰值功率=(Im×Vm)。

4.1.2 太陽能電池組件功率的選擇

太陽能電池峰值功率是標準條件下(STC)太陽能電池(組件)輸出的最大功率，單位為峰瓦，用符號Wp表示(標準條件STC 即：歐洲委員會定義的101標準，輻射強度1 000 W/m2，電池溫度25 ℃)。

太陽能電池(組件)的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽光譜分布和太陽能電池(組件)的工作溫度。在不同的時間、不同的地點，同一塊太陽能電池的輸出功率是不同的。所以在燈具的設計中，我們不能盲目認為，只要陽光充足的地方就會有額定輸出功率，甚至認為太陽能電池在燈光下也可以正常使用。

如果按面積來簡單計算，在當前的工藝下，每平米太陽能電池的輸出功率大約為120 W。隨著光電轉換效率的不斷提高，其輸出功率也將逐步增大。太陽能電池組件輸出功率的選擇，要根據太陽能LED燈具的光源功率、控制器的功耗以及線路的損耗、使用時間和當地的氣候地理條件等多方面因素綜合考慮，并通過前面計算方法來確定。

4.1.3 太陽能電池組件必須有合理科學的安裝傾角

由于我國南、北緯度跨越較大，太陽能電池組件安裝傾角要隨安裝地區緯度的不同而作相應調整。一般情況下，長江以南地區的安裝傾角在30°左右，長江以北地區的安裝傾角在45°左右，東北地區應在50°左右。安裝方向為正南方或偏西5°。如果是水平放置的太陽能電池，其輸出功率將降低15%～20%。安裝地點的選擇應滿足組件在當地一年中光照時間最少天數內，太陽光從上午9：00到下午3：00能夠照射到組件。

太陽電池組件工作時其安裝方向應保證最大限度地接收日光照射，考慮一天內陽光入射方向的變化和一年內冬夏季太陽距地平線高度的不同，建議在一般情況下組件朝赤道方向傾斜安裝，即北半球組件受光面應朝向南方，南半球組件受光面應朝向北方。一般情況下其組件與地面的夾角應參照當地緯度±(5°～10°)，在長江下游太陽能電池的最理想傾斜角度是40°左右，方向為正南方。具體應用中可參閱我國主要30個城市平均日照及最佳安裝傾角(如表2所示)。

在現有的工程應用中，有些太陽能燈具為了美觀將太陽能電池水平放置，在這種情況下，太陽能電池的輸出功率將減少15%～20%，有的廠家甚至在太陽能電池上面增加一個裝飾性外罩，太陽能電池的輸出功率又將減少5%左右。通過對國外太陽能燈具的研究，在美觀和節能兩者之間，大多數都選擇節能。

表2 我國主要30個城市平均日照及最佳安裝傾角

續表

城市緯度傾角/(°)平均日照天津39．10+54．65南昌28．67+23．80哈爾濱45．68+34．39福州26．08+43．45沈陽41．77+14．60長春43．90+14．75鄭州34．72+74．04濟南36．68+64．44呼和浩特40．78+35．57武漢30．63+73．80太原37．78+54．83廣州23．16-73．52烏魯木齊43．78+124．60長沙28．20+63．21西寧36．75+15．45香港22-75．32蘭州36．05+84．40海口20．03+123．84西安34．30+143．59南寧22．82+53．53上海31．17+33．8成都30．67+22．88貴陽26．58+82．86合肥31．85+93．69昆明35．02-84．25拉薩29．70-86．70銀川38．8+25．45南京32+53．82

4.1.4 太陽能電池組件安裝時要解決好太陽能電池組件的熱島效應問題

太陽能電池組件在使用過程中，如果有一片太陽能電池單獨被樹葉等遮擋物長時間遮擋，被遮擋的單片太陽能電池在強烈陽光照射下就會發熱損壞，甚至會造成整個太陽能電池組件損壞，這就是所謂熱島效應。所以在燈具的安裝施工中要防止熱島效應，一般是將太陽能電池傾斜放置，并且盡可能遠離樹木，使太陽能電池表面不附著遮擋物。

另外，太陽能電池組件的電壓會隨著溫度的升高而降低，由于高溫的影響，電池組件的電壓損失約2 V，而充電過程控制器上的二極管壓降0.7 V，所以一般選擇工作電壓為18 V的組件較好。

由于太陽能路燈的特殊性，太陽能電池板一般安裝在燈桿上，路燈燈桿一般都是7 m以上，重心較高，而且大部分太陽能電池板都是懸掛式，為增強整套設備的抗風力，一般選擇多塊太陽能電池板組成所需要的組件功率，并且安裝時要根據當地的季風特點盡量避開迎風面，防止太陽能板風阻過大。

4.2 蓄電池(組)的可靠性

由于太陽能路燈系統蓄電池的充電直接由太陽能電池提供，得到的能量極不穩定 ,所以要配置容量合理、性能可靠的蓄電池，以保證光伏發電系統的正常工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池、Ni-H蓄電池、膠體電池，它們的容量選擇直接影響系統的可靠性以及系統價格。通過前面的計算我們知道，蓄電池容量的可靠性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,把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要存儲滿足連續陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大，則蓄電池始終處在虧電狀態，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。

蓄電池的選擇主要根據太陽能電池和燈具的功率來確定，在太陽能LED路燈系統中，選用較多的是免維護鉛酸蓄電池。免維護鉛酸電池是一種新型的蓄電池，它采用全密封方式，放電率高，特性穩定，無需加水，安裝簡單，占地面積小，理論壽命一般為5～7年。

如果蓄電池容量過小就不能滿足夜晚照明時長的需要，連續陰雨天時，燈具將會連續數天出現黑燈現象，這是系統最致命的缺陷。如果蓄電池容量設計過大，蓄電池長期處在虧電狀態，容易縮短蓄電池壽命，同時也浪費不必要的投資。

在選擇蓄電池時，要考慮放電率對蓄電池容量的影響，溫度對蓄電池容量的影響，放電深度對蓄電池容量的影響等幾個方面。所以一定要選用深循環的太陽能專用蓄電池。蓄電池并聯時，需要考慮各單體電池間的不平衡影響，單體電池必須經過配對測試才能使用，通常情況下并聯組數不宜超過4組。

磷酸鐵鋰電池是目前世界公認最理想的太陽能燈具電池，是繼錳酸鋰電池之后發展起來的新型環保電池，在未來的5年內會成為鉛酸電池的有力競爭者，在未來的10年內可能會取代鉛酸電池，隨著技術的不斷成熟和價格的下降，或許未來會成為主要的燈具電源。是因為它具有以下的優點：

1)超長壽命。長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高也就500次，磷酸鐵鋰電池的循環壽命達到2 000次以上，同樣條件下使用，將達到7～8年。綜合考慮，性能價格比為鉛酸電池的4倍以上。

2)使用安全。磷酸鐵鋰經過嚴格的安全測試，即使在最惡劣的環境中也不會發生爆炸。

3)耐高溫。磷酸鐵鋰電熱峰值可達350～500 ℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200 ℃左右。

4)無記憶效應，可充電電池經常處于充滿不放完的條件下，容量會迅速低于額定容量值，這種現象叫做記憶效應。鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處于什么狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電，適合太陽能板對電池的不間斷充電。

5)容量大、體積小、重量輕。同等規格容量的磷酸鐵鋰電池體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。

6)綠色環保。鉛酸電池中存在著大量的鉛，在其廢棄后若處理不當，將對環境造成二次污染，而磷酸鐵鋰材料無任何有毒有害物質，不會對環境造成任何污染公。該電池在生產及使用中均無污染，認為綠色環保電池。

所以，磷酸鐵鋰電池是值得推廣和使用的LED燈具電源，則不環保太陽能LED路燈蓄電池的可靠性。

4.3 充放電控制器的可靠性

太陽能LED燈具能否可靠工作，取決于充放電控制電路。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度放電。另外，由于太陽能光伏發電系統的輸入能量極不穩定，光伏發電系統中對蓄電池充電的控制要比普通蓄電池充電的控制復雜得多。太陽能燈具的可靠與否，往往取決于充放電控制電路的性能。

所以控制器是太陽能LED燈具系統中最重要的部件，它的最大功能是對蓄電池進行全面的管理，其性能直接影響系統的可靠性和穩定性，特別是對蓄電池的壽命及充電質量的影響。目前較好的控制器一般要選用工業級的MCU做主控制器(如圖5所示)，通過對環境溫度的測量，對蓄電池和太陽能電池組件電壓、電流等參數的檢測判斷，控制MOSFET器件的開通和關斷，達到對蓄電池過充過放的控制和保護功能。如果采用智能型太陽能燈具控制器能為蓄電池提供全面保護，蓄電池更能可靠地長久工作。

圖5 一種基于IR2104的同步Buck太陽能充電電路

通過圖示電路可以知道，我們在進行路燈控制器設計時，應根據蓄電池的特性，設定各個關鍵參數點，比如蓄電池的過充點、過放點、恢復連接點及SOC放電控制等。特別需要注意控制器恢復連接點參數，由于蓄電池有電壓自恢復特性，當蓄電池處于過放電狀態時，控制器切斷負載，隨后蓄電池電壓恢復，如果控制器各參數點設置不當，則可能出現燈具閃爍不定，縮短蓄電池和光源的壽命。充放電控制器必須具備防反充電、防過充電、防過放電以及溫度補償功能，同時必須具有恒流恒壓充電的基本功能。

防止反充電功能。一般最簡單的方法就是在太陽能電池回路中串聯一個二極管，二極管防止反充電，這個二極管應該是肖特基二極管，肖特基二極管的壓降比普通二極管低。另外，還可以用場效應晶體管控制防止反充電功能，它的管壓降比肖特基二極管更低，只是控制電路要比前面復雜一些。

防止過充電功能。可以在輸入回路中串聯或并聯一個泄放晶體管，電壓鑒別電路控制晶體管的開關，將多余的太陽能電池能量通過晶體管泄放，保證沒有過高的電壓給蓄電池充電。過充電保護功能關鍵是過充電壓點的選擇，單節鉛酸蓄電池為2.2 V。

防過放電功能、除了Ni-Cd電池外，其他蓄電池一般都有防止蓄電池過放電功能，以防止蓄電池過放電而導致永久性損壞。需要注意的是，太陽能電池系統一般相對蓄電池是小倍率放電，所以放電截止電壓不宜設置過低。

溫度補償功能。蓄電池電壓控制點隨環境溫度而變化，所以太陽能路燈系統應該有一個受溫度控制的基準電壓。對于單節鉛酸蓄電池是-3～-7 mV/℃，我們通常選用-4 mV/℃。

蓄電池充放電控制是整個系統的重要功能，影響整個太陽能路燈系統的運行效率，還能防止蓄電池組的過充電和過放電。蓄電池的過充電或過放電對其性能和壽命有嚴重影響。充放電控制功能，按控制方式可分為開關控制(含單路和多路開關控制)型和脈寬調制(PWM)控制(含最大功率跟蹤控制)型。開關控制型中的開關器件可以是繼電器，也可以是MOS晶體管。脈寬調制(PWM)控制型只能選用MOS晶體管作為其開關器件。采用脈寬調制控制器方式，并選用MOS晶體管作為開關器件。當白天晴天的情況下，根據蓄電池的剩余容量，選擇相應的占空比方式向蓄電池充電，力求高效充電；夜間根據蓄電池的剩余容量及未來的天氣情況，通過調整占空比方式進而調節LED燈亮度，以保證均衡合理使用蓄電池。

太陽能路燈由多個LED燈串聯而成，亮度可通過PWM方式調節，即通過控制電路的EN端改變流經LED的電流，從而調節LED燈亮度，電流強度可以從幾十毫安到1安培，最終使LED燈達到標稱的亮度。在夜間可以通過MCU板的時鐘電路自動調節輸出功率，達到半亮照明。

PWM控制信號可由微控制器產生，也可由其他脈沖信號產生，PWM信號可使通過LED燈的工作電流從0變到額定電流，即可使LED燈從暗變為正常亮度。PWM占空比越小(高電平時間長)，亮度越高。利用PWM控制LED的亮度，非常方便和靈活，是最常用的調光方法，PWM的頻率可從幾十Hz到幾千Hz。

PWM調光是通過控制MOSFET晶體管實現的。由于一般路燈系統的單元采用的電壓是由幾個蓄電池串聯產生的，所以在選用MOSFET晶體管時，首先要考慮MOSFET的耐壓，要求MOSFET的耐壓要高于100 V；其次，根據驅動LED燈電流的大小，選擇MOSFET的IDS的最大電流。在直流供電情況下，首先考慮的是IDS最大電流值和RDS值。一般情況下，IDS最大電流是LED燈驅動電流的5倍以上。MOSFET的內阻要小，LED驅動電流越大，RDS越小，變換效率越高。

此外充放電控制系統還應具有對蓄電池過充的保護功能(如圖6所示)，即充電電壓高于保護電壓(15 V)時，自動調低蓄電池的充電電壓。此后當電壓降至維護電壓(13.2 V)時，蓄電池進入浮充狀態，當低于維護電壓(13.2 V)后浮充關閉，進入均充狀態。當蓄電池電壓低于保護電壓(10.8 V)時，控制器自動關閉負載開關以保護蓄電池不受損壞。通過PWM方式充電，既可使太陽能電池板發揮最大功效，又提高了系統的充電效率，防止蓄電池的反充、過充、過放。

圖6 太陽能LED路燈控制電路系統框圖

4.4 LED光源的可靠性分析

影響LED光源壽命的兩大因素——恒流驅動和散熱問題，一般通過合理的電源驅動設計和殼體散熱結構設計，完全可以解決。

LED光源的選型對于太陽能路燈來說也是最關鍵的一步，目前針對太陽能路燈專用的光源較少，常見的光源有直流節能燈、高頻無極燈、低壓鈉燈和LED光源。為減少有限能量的損失，避免傳統光源需要逆變而損耗無謂的功率，光源以LED為首選。LED 作為半導體光源，具有其他光源無法比擬的優勢，特別從節能角度來說是太陽能路燈最為理想的光源，LED路燈光源是低電壓、低功耗、環保節能型路燈光源，適合各種場合的照明使用。LED路燈驅動電源是專門針對LED路燈系統設計的，為LED燈具提供恒流電源。LED光源可以通過PWM控制，在需要的時候以高效率增強模式點亮LED燈具，提供良好的照明，而其他時間段則以超節能模式輸出，節約蓄電池的電力消耗。

單顆的大功率LED光源VF通常在3.0～3.6之間，在LED路燈設計中通常以串聯或并聯的方式工作。所以在設計驅動電源方案時，要充分考慮串并聯的個數和路數，這將涉及控制系統的輸出電壓，如果串聯個數過多，控制系統電源就要采用升壓Boost結構，系統自身的功耗勢必增大；電壓過低時，燈頭到燈桿底部的電源系統的線損又會增大。所以在設計時要在二者之間選擇一個折中的方案。采用Buck-Boost拓撲結構是比較合理的方案。

LED路燈光源種類的選擇也很重要，CREE、Lumileds、OSRAM等公司相繼推出了各種封裝形式的光源。通常根據外殼的散熱條件以及燈具的配光要求來決定封裝形式，同時，要根據選擇好的光源數量設計合理的光源串、并聯驅動方案，最后再確定驅動電源的輸出電壓和電流。由于大功率LED光源受封裝工藝的限制，目前應用比較成熟且適合路燈光源的LED主要有以下3種結構型式，到底選用哪一種，要根據燈具的使用狀況和功率需求來確定。

1)小功率貼片型LED光源(如圖7所示)。(常見的有3528,3030,5050等封裝形式)在路燈應用中一般與鋁基板焊接，可采用回流焊，工藝自動化高。做成燈條后整體導熱接觸充分，導電性能良好，生產效率高，成品率也相對高。LED 貼片體積更小，由于路燈的總功率較大，需要數十顆甚至上百顆進行串并聯組合，所以在焊接裝配前一定要對光源進行光色和VF值分檔，同一燈具盡量選用光色一致，VF值接近的光源，這樣才能保證電路上匹配，光色上一致柔和。VF值的匹配對整燈的可靠性影響很大，否則會造成早期個別光源光衰過大或者死燈。

圖7 小功率LED 貼片型

2)大功率基座(朗伯)型LED 光源(如圖8所示)。這是目前應用最多也最成熟的方案。一般采用多顆LED光源進行串聯后再分幾組并聯。這種封裝結構的光源光效最高，已達100 lm/W以上，性能較穩定，也是功率最大、應用最成熟的光源，目前的技術能力達到了1 W、3 W以及5 W的規格。單顆大功率LED受封裝工藝影響，光強分布近似朗伯源的點光源或者蝙蝠翼型的點光源兩種模式，一般出光角度為60°～120°。在路燈設計時，光學設計需要二次光學配光才能達到理想效果。

圖8 大功率基座(基板)型LED 光源

3)多芯片COB集成型LED光源(如圖9所示)。多芯片集成型白光LED具有獨特的優勢，通過不同的串并聯組合，實現各種不同的額定電壓和電流，可以更好地與驅動電路和控制器匹配，提高整體發光效能，降低成本。單位面積的芯片數可多可少，可以封裝成各種不同的點和面光源。這種路燈安裝工藝簡單，由于多點發光，二次光學設計的難度大。一般單顆就能達到路燈需要的60 W甚至200 W，所以對燈具的散熱要求也比較苛刻。燈具設計時靈活性不大，受芯片局限性大，但光學系統及燈具結構可借鑒老式路燈的外殼，節約前期開發成本。如果專門為之作配光設計，難度較大，由于為面光源，勢必造成一部分光浪費。雖然這種方案價格相對較低，工藝簡單，但因為它是通過封裝多個小功率芯片組合而成，數顆LED 瞬間產生的熱量要持續通過殼體導出，散熱性能直接決定了燈具使用壽命。在設計時如果只考慮燈具的造型，勢必會對散熱有所影響，長期使用會引起光源的色溫漂移和照度降低。另外，由于芯片內部為數顆小LED串并聯(如圖10)，眾多芯片的個體差異會造成每串電路上的不平衡，如果封裝工藝不成熟，很容易導致光源的光衰較大，而且使用中即使某幾顆壞了也無法發現，這些問題直接影響著燈具的可靠性。

圖9 多芯片集成型LED光源

圖10 一般多芯片集成型LED光源內部電路示意圖

4.5 太陽能燈具系統安裝的可靠性

雖然燈具在設計時已經進行了詳細的計算，對關鍵部件選型也進行了嚴格的篩選，但是這些對于需要長期可靠工作的燈具來說還遠遠不夠。除了在燈具組裝中靠嚴格的工藝保證品質外，在整個系統安裝時更要注意以下問題，如果安裝不當會瞬間使燈具系統毀于一旦。

1)燈頭(光源組件和驅動電源)部分的防水要達到IP65，燈頭上的配件材料和表面處理要耐夏天的高溫和冬季的嚴寒。

2)路燈一般安裝在戶外10 m高左右，LED屬于敏感元件，燈具系統要具有防雷擊措施，在燈頭外殼內設置雷電保護區，將LED 光源、驅動電源以及控制電路安置在雷電保護區內，保護區域直接受外殼屏蔽。

防雷等電位連接，為徹底消除雷電引起的毀壞性電位差，各個內層保護區的界面處也要進行局部等電位連接，各個局部等電位連接處要互相連接，最后與主等電位處相連。

外部防雷與內部防雷相結合，現在一般的LED 路燈外部都是導體材料，本身就相當于一個避雷針，在設計上必須安裝引下線和地網，這些系統構成外部防雷系統。該系統可避免LED路燈因直擊雷引起火災及人身安全事故。內部防雷系統通過接地、設置電壓保護等方式對設備進行保護。該系統可防止感應雷和其他形式的過電壓侵入。內部防雷系統在很多器件上，如外殼、進出保護區的電纜、金屬管道等都要連接外部防雷系統或者設置過壓保護器，并進行等電位連接。

防雷模塊和過壓保護模塊，防雷器的作用是在最短時間(納秒級)內將被保護系統連入等電位系統中，使設備各端口等電位。同時將電路中因雷擊而產生的巨大脈沖能量經短路線釋放到大地，降低設備各接口端的電位差，從而起到保護設備的作用。

3)蓄電池一般安裝在燈桿下，除了防水外，冬季要防凍，防止電池過早老化。

4)太陽能板面積相對較大，燈桿和太陽能板在安裝結構上要具有較強的抗風能力。

5 結論

通過對離線式太陽能LED路燈系統設計中各個參數的可靠性分析，結合關鍵部件對燈具可靠性的影響，我們認識到，離線式太陽能LED路燈要真正達到3年以上連續可靠并且無間斷運行，除了在系統設計初期必須考慮諸多外在使用環境信息，還需經過計算，確定比較準確的主要參數，同時在燈具設計實施中，特別是在關鍵部件的選型中也要充分考慮具體的技術指標。總之，影響太陽能LED路燈可靠性的因素很多，我們必須不斷研究探索，再結合實際使用中出現的問題總結經驗，積極優化系統設計，才能確保太陽能路燈真正實現綠色照明。

[1] 沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].北京：化學工業出版社.

The reliability study and application of an off-line solar LED street light

Gong Wenli

(Xi’an Nanya Technology Co., Ltd. Xi’an 710075,P.R.China)

In recent years, the energy crisis and the related problems such as environmental protection has become a global topic of human beings，All countries in the world solve the problem in energy and environmental protection from their own conditions. From the perspective of human development, human society constantly explore new sources of energy and human get progress with the development of new energy technologies. In recent years, global warming, environmental pollution is serious. Both developing countries or developed country, We should pay attention to the energy issues and it need to be solved by all mankind. In recent years, the GDP of China increase by 10% a year, energy consumption increases sharply, the environment, ecological get worse day by day. This disorderly, predatory development model which is unsustainable has caused the current serious irreversible consequences already. Punishment by nature has continually intruded and it will increase. In such a serious situation, energy saving has become the theme of social life. As the energy conservation and emission reduction policy is implemented gradually, the technology of high power LED lamps and lanterns is advancing day after day. A growing number of LED has been applied to daily lighting field, LED lighting has entered innumberable families. A lot of places upgrade urban lighting. After several years of the use and exploration of LED, two big problems of the street lamp, beleaguered cooling and power drive ,have also been gradually overcome by the manufacturer . The application of LED street light. We are now facing the problem of how to improve the quality of the lighting and the long-term reliability problems of lamps and lanterns. Reliability the key to whether the LED light can replace the traditional high pressure sodium lamp. Especially the national photovoltaic industry development strategy of solar LED street light. Although can save more for the country’s high power consumption and laying cable engineering cost from on macroscopic, but solar LED street lamp can truly realize the all-weather completely passive lighting only when we can solve the problem of the reliability of the solar LED street light. This article is based on the detailed analysis of the plan adopted by present stage of solar LED street light. Combined with practical examples this paper expounds several key parameters of the calculation which may affect the reliability of solar LED street lamp and several problems when we facing the selection of the key components. I am looking forward to providing effective reference to the further promotion of solar LED street lamp.

solar LED street lamp; key components reliability; battery charging and discharging control; LED light source

2016- 02-20

公文禮(1974-)，男，機電工程師，主要從事LED半導體光學應用及冷光源照明燈具的研制,景觀及城市亮化工程的設計工作。