太陽能大功率LED路燈的設計淺析

近年來隨著太陽能光伏發電技術和LED照明技術的發展，太陽能LED 路燈已進入了城市照明領域。LED 是Light Emitting Diode(發光二極管)的縮寫， LED 作為照明光源與傳統的照明光源相比具有直流低電壓驅動；耗電量少；抗振動；壽命長；納秒級的響應速度；設計空間大；環保；可連續開關閃斷，能輕松實現0-100%調光功能等突出優點， 被認為是新一代的綠色照明器具。太陽能LED 路燈是以太陽能作為能源。每個路燈均是獨立的，安裝方便，無需鋪設電纜電線，無需交流電能和電費，采用直流供電，光控定時控制，安全可靠，節能，經濟，環保，實用。

　　本文以實際應用為目的，對太陽能電池功率的選取原則及與蓄電池容量的匹配方法進行簡單介紹，對LED 在芯片功率選取、組合方式和驅動方式等方面進行分析配置， 設計滿足太原地區道路照明使用要求的太陽能LED 路燈。

　　太陽能電池板與蓄電池的選取

　　1 、太陽能電池板選取

　　目前硅系太陽能電池分為：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，最高的達到24%，是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，技術也最為成熟。使用壽命一般可達15 年，最高可達25 年。多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池的光電轉換效率要降低不少，其光電轉換效率約12%左右，同時多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。非晶硅薄膜太陽能電池光電轉換效率偏低，目前國際先進水平為10%左右，且不夠穩定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減，直接影響了它的實際應用。所以目前太陽能電池多采用單晶硅太陽能電池。

　　根據太陽能輻射原理，太陽能電池方陣面上所獲得輻射量的多少與很多因素有關：當地的緯度，海拔，大氣的污染程度或透明程度，一年當中四季的變化，一天時間的變化，到達地面的太陽輻射直、散分量的比例，地表面的反射系數，太陽能電池方陣的運行方式或固定方陣的傾角變化以及太陽能電池方陣表面的清潔程度等。太陽能照明系統充放電效率取0.75，太陽能電池組件組失修正系數取0.95，灰塵遮擋及其它損失修正系數取0.90。經過查詢資料和單位換算及簡化處理后，可得到太陽能電池總用量P(Wp)的計算公式[1]

　　式中，QL 為負載日功耗(Wh)，HL 為水平面年平均日輻射量(KJ/m2·d)，Kop 為斜面輻射最佳輻射系數，A 為安全系數，一般取A=1.1～1.3。

　　蓄電池選取

　　由于太陽能光伏發電系統的輸入能量極不穩定，所以一般需要配置蓄電池系統才能工作，蓄電池容量的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，同時還要能夠存儲滿足連續陰雨天(七天)夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。目前，與太陽能光伏電池相配套常使用的是閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護很少，性能可靠，故又被稱為“免維護電池”，有著其他蓄電池所無法比擬的優越性。

　　蓄電池的容量要根據太陽能電池板的功率和LED 路燈的功率以及照明時間來決定，蓄電池應與太陽能電池、LED 路燈相匹配。可用一種簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須比負載功率高出4 倍以上，系統才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20~30%，才能保證給蓄電池正常蓄電。蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為宜。

　　蓄電池的容量Bc 的計算可用下公式計算：

　　Bc=(PL*10*D)/(Kb*V)

　　式中：PL—日平均耗電量

　　D—陰雨天數

　　Kb—安全系數=1.1-1.4(包括了溫度修正系數To= 0 度上為1，-10 上為1.1，-10 下為1.2，放電深度cc=0.75)

　　V—工作電壓

　　根據上式就可以估算出蓄電池的容量，同時蓄電池的充電效率的高低取決于充電的方式。對蓄電池充電，通常采用的方法是在初期、中期快速充電，恢復蓄電池的容量；在充電末期采用小電流長期補充電池因自放電而損失的電量，在電池達到狀態后，采用PWM(脈沖寬度調制)充電方式充電，以提高太陽能的轉換效率及保證蓄電池的充電效果。蓄電池放電過程初期電壓下降較快；中期電壓緩慢下降且延續較長的時間；在放電末期，放電電壓急劇下降，此時立即停止放電，否則將會給蓄電池照成不可逆轉的損壞。在蓄電池的充放電過程中，除了設置合適的充放電閾值外，還需要對充放電閾值進行適當的溫度補償，并進行必要的過充電和過放電保護。根據系統要求和對各種指標的核定，選用12V/100Ah閥控密封式鉛酸蓄電池。　　LED芯片選擇

　　按目前市場產品的輸入功率進行分類，其輸入功率為幾十個mW 的LED，稱為傳統的小功率芯片；其輸入功率小于1W 的LED，叫做功率LED；對于輸入功率等于1W 或大于1W 的LED，則叫做W 級功率(大功率)LED。目前大功率比較常見的有1W、3W、5W、8W、10W。已大批量應用的有1W 和3W LED，其正朝著大電流(300mA～1.4A)、高效率(60～120lm/W)、亮度可調的方向發展[3]。大功率LED 路燈采用單顆功率大于1 瓦以上的LED 芯片。將多個LED 芯片集成于印刷電路板上排列為一定間距的點陣作為平面發光源，組合成一個大功率LED 單體模塊，裝入路燈燈具中，藉由提高芯片面積來