一种LED太阳能路灯系统匹配设计的方法

0 引言
    LED发光原理为固体发光，按固体发光物理学原理，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高达90％以上，因此，LED被誉为21世纪新光源，即将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源，被公认为当前十大前沿技术之一，LED光源这种新型照明光源必将会取代传统照明光源，正带动着一场新的产业革命——照明革命。针对世界金融风暴的应对，中央发改委拿出4万亿连同地方财政的支持预计将有1 O多万亿的资金投入到国家交通、扶持企业、完善基础建设上。最近国家科技部在全国启动“十城万盏”LED路灯半导体照明应用工程，在这股强劲东风下，一贯得到政府支持的半导体照明产业，将是一个大发展的契机。

1 系统简介
    一套完整的LED太阳能路灯系统包括：LED光源、控制器、蓄电池、太阳能电池组件及灯体。白天，太阳能电池组件将光能转化为电能通过控制器储存到蓄电池内，晚上蓄电池通过控制器给光源供电，使其转化为光能，照明道路。灯体主要起系统防护及白天的装饰作用，保障这一循环正常运行。其中LED光源、控制器、蓄电池是决定路灯系统性能的关键，在设计中必须对其进行优化设计，合理配置。
    1)系统匹配问题
    现在做太阳能灯具的厂家往往过多的追求造型设计，而把最重要的系统匹配设计忽略了，不经过深入考虑，简单计算了事，最后导致灯具出现大量问题；还有些厂家为了营造自己产品的价格优势，不惜牺牲系统稳定性，这些作法都是不可取的。
    匹配设计是关系到系统可靠性和稳定性的重要因素，要引起重视，主要应考虑以下几个方面：
    (1)太阳电池发电量和负载耗电量配比合理。
    (2)耗电量和蓄电池容量配比应满足持续阴雨天数要求且放电深度合理。
    (3)太阳电池充电电流和蓄电池容量配比合理。
    (4)负载放电电流与蓄电池容量配比合理。
    2)LED路灯技术特点
    道路照明的目的是为夜间行车者提供一个视觉安全可靠的条件，高亮度的LED路灯，它的亮度必须在符合现有道路条件下，交通安全所必须达到的亮度要求。其发光效率和发光强度能够达到现有道路照明所需要的亮度要求。道路照明自2007年7月1日起实施建设部的行业标准CJJ45—2006《城市道路照明设计标准》，对道路照明照度要求见表1。为了使设计更趋于完美，主要应该对以下几点进行精心的考虑：

    (1)光源的选择
    与常规照明相比，LED优势明显。LED属于低压供电，绝缘要求不高，不需要变压器、镇流器、启动器等附件，明显节省投资；结构简单，属于固体光源，不需要充气，不需要玻璃外壳，也不存在气体密封等问题，而且耐冲击，耐震动，不易破碎；LED是冷光源，可控性好，响应时间快，可反复频繁亮灭，不会疲倦；超低能耗，超长寿命等。
    LED路灯的智能化核心在于开关电源的设计。目前使用较广泛的LED路灯开关电源一般具有整流滤波电路、调整电路、采样电路、过流保护电路和DC恒流输出电路。
    在大功率LED应用中，散热是另一个主要考虑的方面，目前LED的能耗中约80％以上转化为热量，而半导体器件是不耐高温的，散热做不好，会引起很严重的光衰，一些严重的半年内可能降到原来的一半，在路灯上大功率LED多是多颗串并联应用，必需采用铝合金多翅片风)令散热器。
    (2)蓄电池的选择
    阀控式密封铅酸电池在我国推广应用已有十多年了，由于其具有体积小、重量轻、自放电小、寿命长、节省投资、安装简便、安全可靠、使用方便、少维护不溢酸雾、对环境无腐蚀、无污染等优良特性，并可实现无人值守和微机监控的现代化管理方式；因而在光电路灯、光伏工程中被大量使用。但要正确理解“免维护”的含义，确保系统的安全可靠。 [p]
    在使用过程中，对阀控式铅酸蓄电池的维护需要建立精确的充放电制度并加以实施，才能使该蓄电池达到最优的性能和最长的使用寿命。国内外大量研究的结果表明，充放电方式决定了蓄电池使用的寿命，有一些蓄电池与其说是使用坏的，不如说是充电方式不妥被损坏的。
    太阳能灯具从经济性和可靠性角度综合考虑，一般以全年平均日照时数设计计算灯具配置，而实际工作时，往往都是由控制器时控功能设定一个工作时数，如6小时、8小时、1O小时等，这样就造成了一年里每天工作时间都一样，即每天耗电量一样，但太阳能灯具是靠太阳工作的，而太阳辐射量随不同的季节是有很大差异的，即每个灯具(太阳电池组件一定)各个季节的平均日发电量是大不相同的。
    德州地区全年平均峰值日照时数约为4．44小时，春季：4．43小时、夏季：6．1 7小日寸、秋季：4．47小时、冬季：2．65小日寸。因平均每天发电量是和平均峰值日照实数成正比的，所以可得春季和秋季发电量和耗电量基本达到一个平衡，夏季电量富裕；冬季电量缺少。
    这样夏季造成了一定的浪费，而冬季却严重不足，很容易造成蓄电池过放电，影响蓄电池寿命。出于自放电、系统匹配、成本等因素是极其不经济和不实用的。所以控制负载时间不失为一种解决办法，根据德州峰值日照时数可得：夏季平均峰值日照时数比全年平均峰值日照时数比冬季平均峰值日照时数=6．1 7：4．44：2．65=7：5：3，则按全年峰值日照时数设计每天工作1O小时的太阳能灯具根据7：5：3这个比值可得出夏季最多允许工作14小时，冬季最多允许工作6小时(注意：未考虑季节不同温度等的影响)。鉴于此，为了使蓄电池在冬季不至于过放电，可调整负载工作时间为小于或等于6小时。
    (3)控制器的设计
    由于太阳能电池组件的发电量随天气状况、日照时间而变化，非常不稳定，因此太阳能光伏独立发电系统中对蓄电池的充放电控制要比普通应用中对蓄电池的充放电控制更复杂一些。控制器设计是否完善，直接决定整个太阳能路灯系统能否顺利运行。
    控制器最重要的模块就是PWM调光控制器和恒流模块。过去很多投资都投向太阳能电池和LED。很少有人关心到这两部分，以至于目前市面上的控制器大都没有PWM调光的能力，而目前的恒流模块绝大多数都是采用从国外进口的芯片。在太阳能路灯中通常是采用铅蓄电池作为能量储存单元的，而铅蓄电池的输出电压从满充到满放，其电压变化是会接近20%的。所以它所引起的LED电流变化就有可能超过4倍以上。显然这是完全不能允许的。所以一定要把电流恒定。
    另外，通过在LED路灯中加入智能型控制器，使LED路灯有了光控、时间控制和温度控制，可以根据环境亮度自动启闭路灯，防止白日亮灯造成浪费；可以使路灯在下半夜至黎明时间段道路行车和行人流量减少时自动降低供电电流，将照度控制在安全范围，从而起到增加节能效果和延长灯具使用寿命的功效；当LED工作温度接近其极限临界温度时，自动降低其工作电流，既保护光源不受损害，又保证道路的安全照度。
    (4)其他方面
    由于路灯是悬臂结构，在自然环境下，受到风的剪力，高空悬挂，结构安全是第一位的。所以，尽量简化结构，设计为流线型，以减少风阻，增加雨水的流速，并注意减轻重量，一是节约有色金属，二是减少自重所带来的应力问题，增加道路照明的安全性。目前公知的太阳电池组件，所采用的封装结构为：玻璃一EVA一单体太阳电池一EVA—TPT膜层叠封装，再组装导线、接线盒、边缘密封带和铝边框，这种结构中的单体电池的连接是通过互连条直接连接的。太阳电池组件只是起到了将太阳能转换成的电能的发电作用，装饰作用极少，而其要注意防风防尘等长期户外条件下的气候影响。

2 结束语
    我国的路灯总数超过1亿盏，只要其中的6 000万盏改成太阳能路灯，其每年节省的电量就超过一个三峡水电站的发电量。如果把今后每年新增的2 000万盏路灯全部改用太阳能路灯，三年下来又是一个三峡水电站。其节能的效果是非常可观的，而且完全不需要兴师动众地动员全国的力量来兴建，而这样发动各级地方政府的力量和各个有关企业的力量就可以完成。