太陽(yáng)能大功率LED 路燈的設(shè)計(jì)

摘要：為積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、大力開(kāi)發(fā)利用新能源的號(hào)召，以實(shí)際應(yīng)用為目的，圍繞太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和LED照明技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套太陽(yáng)能LED 路燈照明系統(tǒng)。介紹了太陽(yáng)能電池功率的選取原則及與蓄電池容量的匹配方法，重點(diǎn)分析研究了基于ATmega128 單片機(jī)和XLT* 驅(qū)動(dòng)器的太陽(yáng)能照明系統(tǒng)中的太陽(yáng)能控制器和LED 驅(qū)動(dòng)， 同時(shí)就LED 在芯片的功率選取、組合方式等問(wèn)題上進(jìn)行了分析。所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)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。

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 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)光功能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代的綠色照明設(shè)備。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。

1 太陽(yáng)能電池板與蓄電池的選取

1.1 太陽(yáng)能電池板選取

目前單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為15%，最高達(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 a，最高可達(dá)25 a。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%，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)水平約為10%，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率衰減，直接影響了其實(shí)際應(yīng)用。所以目前多采用單晶硅太陽(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)輻射值、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，灰塵遮擋及其他損失修正系數(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 的計(jì)算公式

1.2 蓄電池的選取

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)能電池功率必須高出負(fù)載功率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。因此，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=0 ℃上為1，-10 ℃上為1.1，-10 ℃下為1.2，放電深度cc=0.75），V 為工作電壓。

根據(jù)式（2）可以估算出蓄電池的容量，同時(shí)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(duì)各種指標(biāo)的核定，這里選用12 V 100 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池。

2 太陽(yáng)能控制器硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能控制器全稱為太陽(yáng)能充放電控制器，是控制太陽(yáng)能電池方陣對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備，能自動(dòng)防止蓄電池過(guò)充電和過(guò)放電。它對(duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽(yáng)電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。

本文設(shè)計(jì)的充電控制器用ATmega128 單片機(jī)作為主控器件，檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓，選擇適合的DC/DC 支路，檢測(cè)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(guò)充電、過(guò)放電保護(hù)。

圖1 為采用斬波式PWM 充電原理圖， 檢測(cè)蓄電池的充電端電壓， 將檢測(cè)得到的蓄電池端電壓與給定點(diǎn)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(diào)整功率管的占空比，充電進(jìn)入慢充階段，改善充電特性，最后進(jìn)入涓流充電，防止過(guò)充。

AVR128 單片機(jī)（PB4）給出充電的控制信號(hào)，即PB4=1，NPN 型0805 的三極管導(dǎo)通，此時(shí)集電極接地，使得IRF4905柵源電壓鉗位在-10 V，IRF4905 管導(dǎo)通， 太陽(yáng)能電池板向蓄電池充電； 反之，NPN 型0805 三極管截止VGS=0 V，IRF4905管斷開(kāi)，太陽(yáng)電池板不能向蓄電池充電。

ATmega128 內(nèi)置10 位的逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器與8 通道的模擬多路復(fù)用器連接，采樣端口F 的8 路單端輸入電壓。蓄電池正極與單片機(jī)PF1 引腳相接，當(dāng)電壓低到10 V，單片機(jī)自動(dòng)檢測(cè)到并作出相應(yīng)處理，如圖2 所示。

3 LED 的選擇

按目前市場(chǎng)產(chǎn)品的輸入功率對(duì)LED 分類(lèi)，其中輸入功率為幾十mW 的，稱為傳統(tǒng)的小功率芯片；其輸入功率小于1 W的，為功率LED；輸入功率等于1 W 或大于1 W 的，則為W級(jí)功率（大功率）LED。目前大功率比較常見(jiàn)的有1，3，5，8，10 W。已批量應(yīng)用的有1 W 和3 W LED，并正朝大電流（300 mA～1.4 A）、高效率（60～1 204 lm/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 W 以上的LED。選用美國(guó)CREE 公司的3 W LED 將多個(gè)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，借此提高芯片面積，并增加發(fā)光量。

將多個(gè)LED 集中在一起設(shè)計(jì)道路照明，除足夠的光通量和合理的光學(xué)設(shè)計(jì)保證合理的光分布外，更為重要的是散熱問(wèn)題。由于路燈具有戶外夜間使用，散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等特點(diǎn)， 有利于空氣自然對(duì)流散熱， 所以LED 路燈選擇自然對(duì)流散熱方式，同時(shí)整燈采用高導(dǎo)熱系數(shù)鋁作為散熱主體，解決了LED 的散熱問(wèn)題。

4 LED 組合及驅(qū)動(dòng)方式

常用的LED 組合方式有3 種：并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)。

1）并聯(lián)方式要求LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較大電流，負(fù)載電壓較低。分配在所有LED 兩端電壓相同，當(dāng)LED 的一致性差別較大時(shí)， 通過(guò)每顆LED 電流不一致， 其亮度也不同。

2）串聯(lián)方式要求LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓。當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)， 分配在不同的LED 兩端電壓不同，通過(guò)每顆LED 的電流相同，LED 的基本亮度一致。

3） 混聯(lián)方式在需要使用比較多LED 時(shí)， 如果將所有LED 串聯(lián)，將需要LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓；如果將所有LED 并聯(lián)，則需要LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流。將所有LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED 的使用量，而且并聯(lián)LED 負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)大增?；炻?lián)方式的LED 數(shù)量平均分配， 分配在一串LED 上的電壓相同， 通過(guò)同一串每顆LED 上的電流也基本相同，LED 亮度一致。同時(shí)通過(guò)每串LED 的電流也相近。

通過(guò)以上分析，大功率LED 應(yīng)用于照明領(lǐng)域，由于LED的電流、電壓參數(shù)具有典型的PN 結(jié)伏安特性， 其正向壓降的微小變化會(huì)引起較大的正向電流變化。不穩(wěn)定的工作電流會(huì)影響LED 的壽命和光衰。所以大功率LED 的亮度完全是由電流控制的， 驅(qū)動(dòng)電路必須提供恒定的電流。

在驅(qū)動(dòng)電路中選用大功率LED 驅(qū)動(dòng)器XLT* 驅(qū)動(dòng)LED。XLT* 是采用BICMOS 工藝設(shè)計(jì)的PWM 高效LED 驅(qū)動(dòng)控制器，它在輸入電壓7～450 VDC 范圍內(nèi)能有效驅(qū)動(dòng)高亮LED。該驅(qū)動(dòng)器能以高達(dá)300 kHz 的固定頻率驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，其頻率可由外部電阻編程決定。外部高亮LED 串可采用恒流方式控制， 以保持恒定亮度并增強(qiáng)LED 的可靠性，其恒流值由外部取樣電阻值決定，變化范圍為幾mA～1 A。XLT* 驅(qū)動(dòng)的LED 可通過(guò)外部控制電壓線性調(diào)節(jié)亮度，亦可通過(guò)外部低頻PWM 方式調(diào)節(jié)LED 串的亮度，所以根據(jù)太陽(yáng)能LED 路燈設(shè)計(jì)實(shí)際需要， 選擇LED 混聯(lián)方式， 并選用XLT* 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，如圖3 所示。

XLT* 各引腳主要功能有：LD 為線性輸入調(diào)光端；ROSC 為振蕩電阻接入段；CS 為L(zhǎng)ED 電流采樣輸入端；GND為芯片地；GATE 為驅(qū)動(dòng)外部MOSFET 柵極；VDD 為芯片電源；PWM 為PWM 輸入調(diào)光端，兼作使能端。

5 太陽(yáng)能30 W LED 路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太原地區(qū)年日照總時(shí)數(shù)為2 360～2 796 h。年太陽(yáng)輻射總量為5 442.8～5652.18 MJ/m2， 峰值日照時(shí)數(shù)為4.832 053 2，屬全國(guó)高照率范疇，因此，太原地區(qū)具有良好的太陽(yáng)能利用條件。下面以太原地區(qū)30 W LED 路燈系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明：

1）確定當(dāng)?shù)貧庀蟮乩項(xiàng)l件經(jīng)過(guò)資料查詢太原地區(qū)：緯度:北緯37°27′～38°25′，經(jīng)度:東經(jīng)111°30′～113°09′海拔:800 m，最長(zhǎng)陰雨天:7 d

2）負(fù)載日耗量的確定照明路燈功率30 W，每天連續(xù)工作時(shí)間10 h，因此，每日耗電

QL=30 w×10 h=300 Wh （3）

3）傾角的確定太原地區(qū)傾角選38°，太陽(yáng)能電池板最佳傾角：38°＋5°＝43°，因此，太陽(yáng)能電池板面向正南。

4）太陽(yáng)能電池總能量的計(jì)算通過(guò)資料查詢，得知太原地區(qū)Kop=1.1，從當(dāng)?shù)氐木暥?、?jīng)度、海拔，和當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)公布的數(shù)據(jù)： 太原地區(qū)日平均太陽(yáng)輻射量為

，

因此水平面年平均日輻射量

。

太陽(yáng)能電池選用組件參數(shù)：工作電壓為17.2 V，工作電流為3.49 A，開(kāi)路電壓為21.6 V，短路電流為3.9 A，峰值功率為60 Wp。選用峰值功率為60 Wp 的太陽(yáng)能電池板，所用太陽(yáng)能電池組件共2 塊，太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)12 V 蓄電池充電。

5）蓄電池的容量Bc的計(jì)算可用式（5）計(jì)算蓄電池的容量Bc：

Bc=（30 W×10×7）/（1.1×12）=159 Ah （5）

因此選用兩組12 V 100 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池即可。

目前大功率LED 路燈基本是采用5 000 K 左右所在色溫的白光。作為道路照明光源，視覺(jué)感過(guò)分陰冷，同時(shí)遠(yuǎn)視時(shí)觀察能力會(huì)下降， 選用3 000 K 左右的暖白光是比較適合道路照明的。同時(shí)還要考慮到電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，LED 路燈的工作電壓一般為12 V 或24 V，屬于安全電壓，不做電氣保護(hù)接地。但LED 路燈金屬燈桿應(yīng)做防雷接地，接地電阻不大于10 Ω。

6 結(jié)論

太陽(yáng)能LED 路燈照明系統(tǒng)是自然能源太陽(yáng)能與環(huán)保光源LED 的完美結(jié)合， 其發(fā)展前景極其廣闊。但是， 太陽(yáng)能LED 路燈在實(shí)際的應(yīng)用中還存在很多問(wèn)題。包括：1）集中管理的問(wèn)題；2）太陽(yáng)能電池壽命、蓄電池壽命以及其他的控制元器件壽命往往低于LED 壽命的問(wèn)題；3）一般安裝高度比較高的太陽(yáng)能電池的重量帶來(lái)對(duì)燈桿設(shè)計(jì)的防風(fēng)能力提高的問(wèn)題。這些問(wèn)題都是太陽(yáng)能LED 路燈照明需要進(jìn)一步解決的。