LED發光原理為固體發光,按固體發光物理學原理,LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段,所以發光效率高達90%以上,因此,LED被譽為21世紀新光源,即將成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源,被公認為當前十大前沿技術之一,LED光源這種新型照明光源必將會取代傳統照明光源,正帶動著一場新的產業革命——照明革命。針對世界金融風暴的應對,中央發改委拿出4萬億連同地方財政的支持預計將有1O多萬億的資金投入到國家交通、扶持企業、完善基礎建設上。最近國家科技部在全國啟動“十城萬盞”LED路燈半導體照明應用工程,在這股強勁東風下,一貫得到政府支持的半導體照明產業,將是一個大發展的契機。
    1系統簡介
    一套完整的LED太陽能路燈系統包括:LED光源、控制器、蓄電池、太陽能電池組件及燈體。白天,太陽能電池組件將光能轉化為電能通過控制器儲存到蓄電池內,晚上蓄電池通過控制器給光源供電,使其轉化為光能,照明道路。燈體主要起系統防護及白天的裝飾作用,保障這一循環正常運行。其中LED光源、控制器、蓄電池是決定路燈系統性能的關鍵,在設計中必須對其進行優化設計,合理配置。
  1)系統匹配問題
    現在做太陽能燈具的廠家往往過多的追求造型設計,而把最重要的系統匹配設計忽略了,不經過深入考慮,簡單計算了事,最后導致燈具出現大量問題;還有些廠家為了營造自己產品的價格優勢,不惜犧牲系統穩定性,這些作法都是不可取的。
    匹配設計是關系到系統可靠性和穩定性的重要因素,要引起重視,主要應考慮以下幾個方面:
    (1)太陽電池發電量和負載耗電量配比合理。
    (2)耗電量和蓄電池容量配比應滿足持續陰雨天數要求且放電深度合理。
    (3)太陽電池充電電流和蓄電池容量配比合理。
    (4)負載放電電流與蓄電池容量配比合理。
  2)LED路燈技術特點
    道路照明的目的是為夜間行車者提供一個視覺安全可靠的條件,高亮度的LED路燈,它的亮度必須在符合現有道路條件下,交通安全所必須達到的亮度要求。其發光效率和發光強度能夠達到現有道路照明所需要的亮度要求。道路照明自2007年7月1日起實施建設部的行業標準CJJ45—2006《城市道路照明設計標準》,對道路照明照度要求見表1。為了使設計更趨于完美,主要應該對以下幾點進行精心的考慮:
    (1)光源的選擇
    與常規照明相比,LED優勢明顯。LED屬于低壓供電,絕緣要求不高,不需要變壓器、鎮流器、啟動器等附件,明顯節省投資;結構簡單,屬于固體光源,不需要充氣,不需要玻璃外殼,也不存在氣體密封等問題,而且耐沖擊,耐震動,不易破碎;LED是冷光源,可控性好,響應時間快,可反復頻繁亮滅,不會疲倦;超低能耗,超長壽命等。 LED路燈的智能化核心在于開關電源的設計。目前使用較廣泛的LED路燈開關電源一般具有整流濾波電路、調整電路、采樣電路、過流保護電路和DC恒流輸出電路。在大功率LED應用中,散熱是另一個主要考慮的方面,目前LED的能耗中約80%以上轉化為熱量,而半導體器件是不耐高溫的,散熱做不好,會引起很嚴重的光衰,一些嚴重的半年內可能降到原來的一半,在路燈上大功率LED多是多顆串并聯應用,必需采用鋁合金多翅片風)令散熱器。
    (2)蓄電池的選擇
    閥控式密封鉛酸電池在我國推廣應用已有十多年了,由于其具有體積小、重量輕、自放電小、壽命長、節省投資、安裝簡便、安全可靠、使用方便、少維護不溢酸霧、對環境無腐蝕、無污染等優良特性,并可實現無人值守和微機監控的現代化管理方式;因而在光電路燈、光伏工程中被大量使用。但要正確理解“免維護”的含義,確保系統的安全可靠。 在使用過程中,對閥控式鉛酸蓄電池的維護需要建立精確的充放電制度并加以實施,才能使該蓄電池達到最優的性能和最長的使用壽命。國內外大量研究的結果表明,充放電方式決定了蓄電池使用的壽命,有一些蓄電池與其說是使用壞的,不如說是充電方式不妥被損壞的。 太陽能燈具從經濟性和可靠性角度綜合考慮,一般以全年平均日照時數設計計算燈具配置,而實際工作時,往往都是由控制器時控功能設定一個工作時數,如6小時、8小時、1O小時等,這樣就造成了一年里每天工作時間都一樣,即每天耗電量一樣,但太陽能燈具是靠太陽工作的,而太陽輻射量隨不同的季節是有很大差異的,即每個燈具(太陽電池組件一定)各個季節的平均日發電量是大不相同的。德州地區全年平均峰值日照時數約為4.44小時,春季:4.43小時、夏季:6.17小日寸、秋季:4.47小時、冬季:2.65小日寸。因平均每天發電量是和平均峰值日照實數成正比的,所以可得春季和秋季發電量和耗電量基本達到一個平衡,夏季電量富裕;冬季電量缺少。這樣夏季造成了一定的浪費,而冬季卻嚴重不足,很容易造成蓄電池過放電,影響蓄電池壽命。出于自放電、系統匹配、成本等因素是極其不經濟和不實用的。所以控制負載時間不失為一種解決辦法,根據德州峰值日照時數可得:夏季平均峰值日照時數比全年平均峰值日照時數比冬季平均峰值日照時數=6.17:4.44:2.65=7:5:3,則按全年峰值日照時數設計每天工作1O小時的太陽能燈具根據7:5:3這個比值可得出夏季最多允許工作14小時,冬季最多允許工作6小時(注意:未考慮季節不同溫度等的影響)。鑒于此,為了使蓄電池在冬季不至于過放電,可調整負載工作時間為小于或等于6小時。
    (3)控制器的設計
    由于太陽能電池組件的發電量隨天氣狀況、日照時間而變化,非常不穩定,因此太陽能光伏獨立發電系統中對蓄電池的充放電控制要比普通應用中對蓄電池的充放電控制更復雜一些。控制器設計是否完善,直接決定整個太陽能路燈系統能否順利運行。控制器最重要的模塊就是PWM調光控制器和恒流模塊。過去很多投資都投向太陽能電池和LED。很少有人關心到這兩部分,以至于目前市面上的控制器大都沒有PWM調光的能力,而目前的恒流模塊絕大多數都是采用從國外進口的芯片。在太陽能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量儲存單元的,而鉛蓄電池的輸出電壓從滿充到滿放,其電壓變化是會接近20%的。所以它所引起的LED電流變化就有可能超過4倍以上。顯然這是完全不能允許的。所以一定要把電流恒定。另外,通過在LED路燈中加入智能型控制器,使LED路燈有了光控、時間控制和溫度控制,可以根據環境亮度自動啟閉路燈,防止白日亮燈造成浪費;可以使路燈在下半夜至黎明時間段道路行車和行人流量減少時自動降低供電電流,將照度控制在安全范圍,從而起到增加節能效果和延長燈具使用壽命的功效;當LED工作溫度接近其極限臨界溫度時,自動降低其工作電流,既保護光源不受損害,又保證道路的安全照度。
    (4)其他方面
    由于路燈是懸臂結構,在自然環境下,受到風的剪力,高空懸掛,結構安全是第一位的。所以,盡量簡化結構,設計為流線型,以減少風阻,增加雨水的流速,并注意減輕重量,一是節約有色金屬,二是減少自重所帶來的應力問題,增加道路照明的安全性。目前公知的太陽電池組件,所采用的封裝結構為:玻璃一EVA一單體太陽電池一EVA—TPT膜層疊封裝,再組裝導線、接線盒、邊緣密封帶和鋁邊框,這種結構中的單體電池的連接是通過互連條直接連接的。太陽電池組件只是起到了將太陽能轉換成的電能的發電作用,裝飾作用極少,而其要注意防風防塵等長期戶外條件下的氣候影響。
    2結束語
    我國的路燈總數超過1億盞,只要其中的6000萬盞改成太陽能路燈,其每年節省的電量就超過一個三峽水電站的發電量。如果把今后每年新增的2000萬盞路燈全部改用太陽能路燈,三年下來又是一個三峽水電站。其節能的效果是非常可觀的,而且完全不需要興師動眾地動員全國的力量來興建,而這樣發動各級地方政府的力量和各個有關企業的力量就可以完成。

2011年09月26日

LED太陽能路燈系統匹配設計解決方案

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