傅創(chuàng)業(yè) 楊志偉

(浙江晶日照明科技有限公司，浙江湖州 313000)

1 引言

中國是能源消耗大國，能源消耗以煤、石油、天然氣為主，這些原料儲量有限，不可再生，而且能源消耗同時排出二氧化碳和硫的氧化物，導(dǎo)致地球溫室效應(yīng)和酸雨，破壞環(huán)境。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大，尤以青藏高原地區(qū)最大。以拉薩為例，年平均日照時間為3005.7h，相對日照為68%，太陽總輻射為816kJ/cm2·a。由此可見，太陽能作為一種新興能源，具有廣闊的應(yīng)用前景。

對于我國偏遠地區(qū)，特別是高原、山區(qū)等地，部分地區(qū)電網(wǎng)覆蓋不足，或低壓配電裝置安裝質(zhì)量不高，或居民居住相對分散，采用架構(gòu)電網(wǎng)的方式用于戶外照明并不實際且鋪設(shè)電纜復(fù)雜，維護成本高，太陽能照明的應(yīng)用能有效解決上述普通電網(wǎng)無法解決的照明問題。

2 現(xiàn)階段太陽能照明路燈及問題

1)太陽能照明具有無需敷設(shè)電纜、有效降低維護成本，與LED結(jié)合則具有壽命長、環(huán)保等優(yōu)勢。但是我國大部分地區(qū)的峰值日照還不是很充分，只有少數(shù)西部和高原地區(qū)比較好，太陽能路燈綜合性能直接受當?shù)厝照諒娙醯挠绊懀谌照詹蛔愕牡胤綍a(chǎn)生蓄電池欠壓而導(dǎo)致光源不亮的情況，達不到相應(yīng)照明需求，而加大蓄電池容量及太陽能板尺寸又導(dǎo)致成本增加;現(xiàn)有大功率30W以上的太陽能照明成本很高，影響太陽能大面積推廣及應(yīng)用。

2)通常將蓄電池箱體地埋或焊接在燈桿底座上，經(jīng)常發(fā)生蓄電池偷盜、維護成本增加問題;并且埋地蓄電池由于施工不良或地域特點、防水防潮沒有處理好從而對蓄電池的壽命產(chǎn)生較大影響 (見圖1)。

3)由于太陽能路燈整合了蓄電池、燈具、控制器、燈桿太陽能板等四大主要部件及多股連接線等附件，安裝非常不方便，存在線路接反造成控制器和太陽能板燒毀、故障不容易排查等諸多問題。

圖1 傳統(tǒng)太陽能路燈Fig.1 The traditional solar road lantern

3 一體化太陽能路燈的發(fā)展需求與特點

一體化太陽能路燈的設(shè)計目的是為了利用太陽能這種綠色環(huán)保的可再生能源，給山區(qū)、農(nóng)村等電網(wǎng)無法覆蓋或電網(wǎng)不穩(wěn)定的地方，提供低碳環(huán)保，且滿足特殊地區(qū)需求的高效率照明。采用先進的智能控制及可調(diào)角度太陽能板配合，最大限度的將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并保證整套系統(tǒng)可靠，穩(wěn)定運行。同時，相較于傳統(tǒng)太陽能燈具，一體化太陽能路燈安裝更便捷，維護更簡單，性價比更高 (見圖2)。

一體化太陽能路燈的特點有:

1)太陽能板、蓄電池、光伏控制器一體化，擺脫了原有的地埋箱或在燈桿底部焊接蓄電池箱的方式，使安裝、維護更方便。

2)可在10°～50°之間靈活調(diào)節(jié)太陽能電池板的傾斜角，滿足全球各維度的安裝需求，同時，精確的刻度保證太陽能路燈批量安裝的一致性。

3)采用新型的配光設(shè)計，產(chǎn)生路上行人所需的垂直面照度，使路面縱向照明范圍更大，路面照度均勻性更好。

4)燈具采用智能控制單元，高效太陽能電能轉(zhuǎn)換，自適應(yīng)亮度調(diào)節(jié)，提高了80%電池續(xù)航能力，并有效延長蓄電池壽命1～3年。

5)每天工作10小時 (自適應(yīng)亮度調(diào)節(jié))，連續(xù)陰雨8天正常工作。

6)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕盈，簡潔美觀。

圖2 一體化太陽能LED路燈系統(tǒng)Fig.2 Integrated solar LED road lantern system

4 一體化太陽能路燈構(gòu)成

一體化太陽能路燈由燈具、太陽能電池板、蓄電池組件、太陽能路燈專用智能控制器、蓄電池箱五部分組成 (見圖3)。

太陽能電池板:太陽能電池板是太陽能路燈的核心部分，作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能，送至蓄電池存儲起來。這里選用高效單晶硅太陽能板，效率達到16%以上。

燈具:具有調(diào)光功能。光源選用長壽命，高光效LED。7W路燈采用3顆LED，光通量為550lm，15W路燈采用6顆LED，光通量為1050lm.

蓄電池組件:選用質(zhì)量能量比高，壽命長的膠體電池，使用壽命最長可達8年。蓄電池白天存儲太陽能電池板轉(zhuǎn)化的電能，夜晚為燈具提供可靠的電源，同時滿足連續(xù)陰雨天的使用需要。

太陽能路燈專用智能控制器:該控制器智能控制太陽能電池板，蓄電池及燈具間的充放電，提供光控，時控及紅外控制的多種控制方式，并具有溫度補償，過流保護，欠壓保護，過壓保護，短路保護等保護機制，有效保證燈具亮燈時間及延長蓄電池壽命。

蓄電池組件和智能控制器均安裝在蓄電池箱中。

圖3 一體化太陽能路燈結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of integrated solar road lantern

5 燈具配光設(shè)計及控制方法

5.1 燈具配光設(shè)計

當人夜晚在道路行走時，需要盡可能迅速識別對面走來的其他行人，以便于交流或采取防范措施，并有足夠時間做正確反應(yīng)。因此需要配光在1.5米的高度有足夠的垂直照度。該配光在燈桿高5米.路面寬5米燈具仰角為25°的情況下，距離地面1.5米高，沿路中心線垂直照度最小值大于0.5lx，路面平均照度3lx.

5.2 燈具智能控制設(shè)計

太陽能專用智能控制器基本結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

該智能控制器采用MEGA168作為處理芯片，實現(xiàn)如下功能:

(1)12V/24V系統(tǒng)自動判斷。

(2)檢測蓄電池，太陽能板電壓，檢測充電電流，放電電流，檢測環(huán)境溫度。

(3)根據(jù)控制策略及檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)太陽能板對蓄電池的高效充電。

(4)自適應(yīng)燈光調(diào)節(jié)設(shè)計。

(5)溫度補償，欠壓，過壓，過流，短路，反接保護，實現(xiàn)蓄電池保護與負載保護。

圖4 太陽能控制器基本框圖Fig.4 Solar controller basic block diagram

(6)允許通過紅外方式更改預(yù)設(shè)參數(shù)及控制燈具開關(guān)。

5.2.1 充電設(shè)計

充電設(shè)計采用PWM脈寬調(diào)制充電方式。對于12V的系統(tǒng)，當蓄電池處于欠壓狀態(tài)時，控制器控制太陽能板以0.25C的電流恒流充電，當蓄電池電壓大于12V后轉(zhuǎn)而采用直充方式直至蓄電池電壓直充電壓上限設(shè)定值，之后進入浮充狀態(tài)，脈寬逐漸減小，降低充電電流。當蓄電池達到14.4V，保持低于0.1C的電流以補償蓄電池因自放電產(chǎn)生的能量損失，見圖5。

圖5 充電特性曲線Fig.5 Charging characteristic curve

5.2.2 自適應(yīng)放電設(shè)計

當剛?cè)胍箷r，燈具首先判斷蓄電池電量，計算亮度調(diào)節(jié)參數(shù)，在半小時內(nèi)從30%的亮度上升到該亮度參數(shù)。在夜晚放電過程中，根據(jù)蓄電池電量80%、60%、30%三個臨界點調(diào)節(jié)燈具亮度，同時燈具具有三段調(diào)光功能及后半夜降功率功能。允許通過設(shè)定的時間在蓄電池電量判斷的基礎(chǔ)上，計算新的調(diào)光值，實現(xiàn)以蓄電池電量及放電時間為依據(jù)的自適應(yīng)放電功能。該設(shè)計不僅滿足道路照明需要，同時也延長蓄電池放電時間。

自適應(yīng)放電框圖如圖6所示。

圖6 放電框圖Fig.6 Discharge diagram

5.2.3 溫度補償與保護設(shè)計

溫度的變化會影響蓄電池的性能，控制太陽能板對蓄電池進行充電時，采用有效的溫度補償可以有效提高太陽能路燈的可靠性。

本控制器通過AD采樣，計算負溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值，對環(huán)境溫度為－20°到+50°之間進行溫度補償，溫度補償系數(shù)為－18mV/℃。

為了避免負載短路或過載，將采樣的放電電流數(shù)據(jù)與保護閾值進行比對，若超過閾值則關(guān)斷負載，定時自檢測，直到負載正?；蚓S修后開通。為了防止蓄電池過放，定時采樣蓄電池電壓，當蓄電池電壓達到過放點以下，及時關(guān)斷負載，有效保護蓄電池使用壽命。充電過程中通過設(shè)置過充電壓、欠壓保護等參數(shù)，防止蓄電池過充及調(diào)用合適的充電機制。對充電電流的采樣，有效調(diào)節(jié)太陽能板使蓄電池充電過程中電流不超過蓄電池最大充電電流。

6 產(chǎn)品應(yīng)用試點

試驗案例地點:貴州省六盤水慕泥克村的山區(qū)。慕泥克村位于貴州六盤水市的南面50km，該村是一個苗族少數(shù)名族居住區(qū)，位于山區(qū)，道路均是山間小道，沒有基本照明，道路很多地方還沒有通電。如果采用常規(guī)照明，需要從很遠的地方敷設(shè)電纜，成本高，山區(qū)施工難度大。

本次試點應(yīng)用采用了一體化的太陽能LED燈具組件，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

安裝方式為在道路附近有民居的地方分散安裝，起到居民外出活動與安全出行的作用;燈具照射范圍可達8米;通過控制器智能調(diào)節(jié)及探測蓄電池電量狀態(tài)，分時段照明，實現(xiàn)了山區(qū)道路基本照明。改試點成功應(yīng)用了小功率一體化太陽能在山區(qū)的照明 (見圖7)。

表1 14W一體化LED燈具技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of 14W integrated LED lamps and lanterns

圖7 安裝實景照片F(xiàn)ig.7 Installation live-action pictures

7 結(jié)語

太陽能照明具有廣闊的發(fā)展空間，我們將不斷努力，對包括提高太陽能板與蓄電池間充電效率、更優(yōu)化控制策略、有效延長太陽能路燈持續(xù)陰雨天亮燈時間、在保持太陽能路燈的輕便結(jié)構(gòu)的前提下提高太陽能照明路燈功率等課題深入研究，提高太陽能照明路燈的品質(zhì)與壽命。

［1］杜玲燕，詹旭.基于STC12C5410的太陽能LED照明系統(tǒng)設(shè)計.電子與封裝，2012.

［2］李雪梅，邱望標，李操.太陽能LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計，電工技術(shù)，2009.

［3］陳輝，閆偉亮，方涌東，張偉.大眾科技，2008.

［4］張盛忠.戶外太陽能光伏照明應(yīng)用設(shè)計，2011.