太阳能照明一体化路灯设计与应用

2013-09-16傅创业杨志伟

照明工程学报 2013年1期

傅创业杨志伟

(浙江晶日照明科技有限公司，浙江湖州 313000)

1 引言

中国是能源消耗大国，能源消耗以煤、石油、天然气为主，这些原料储量有限，不可再生，而且能源消耗同时排出二氧化碳和硫的氧化物，导致地球温室效应和酸雨，破坏环境。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大，尤以青藏高原地区最大。以拉萨为例，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68%，太阳总辐射为816kJ/cm2·a。由此可见，太阳能作为一种新兴能源，具有广阔的应用前景。

对于我国偏远地区，特别是高原、山区等地，部分地区电网覆盖不足，或低压配电装置安装质量不高，或居民居住相对分散，采用架构电网的方式用于户外照明并不实际且铺设电缆复杂，维护成本高，太阳能照明的应用能有效解决上述普通电网无法解决的照明问题。

2 现阶段太阳能照明路灯及问题

1)太阳能照明具有无需敷设电缆、有效降低维护成本，与LED结合则具有寿命长、环保等优势。但是我国大部分地区的峰值日照还不是很充分，只有少数西部和高原地区比较好，太阳能路灯综合性能直接受当地日照强弱的影响，在日照不足的地方会产生蓄电池欠压而导致光源不亮的情况，达不到相应照明需求，而加大蓄电池容量及太阳能板尺寸又导致成本增加;现有大功率30W以上的太阳能照明成本很高，影响太阳能大面积推广及应用。

2)通常将蓄电池箱体地埋或焊接在灯杆底座上，经常发生蓄电池偷盗、维护成本增加问题;并且埋地蓄电池由于施工不良或地域特点、防水防潮没有处理好从而对蓄电池的寿命产生较大影响 (见图1)。

3)由于太阳能路灯整合了蓄电池、灯具、控制器、灯杆太阳能板等四大主要部件及多股连接线等附件，安装非常不方便，存在线路接反造成控制器和太阳能板烧毁、故障不容易排查等诸多问题。

图1 传统太阳能路灯Fig.1 The traditional solar road lantern

3 一体化太阳能路灯的发展需求与特点

一体化太阳能路灯的设计目的是为了利用太阳能这种绿色环保的可再生能源，给山区、农村等电网无法覆盖或电网不稳定的地方，提供低碳环保，且满足特殊地区需求的高效率照明。采用先进的智能控制及可调角度太阳能板配合，最大限度的将太阳能转化为电能，并保证整套系统可靠，稳定运行。同时，相较于传统太阳能灯具，一体化太阳能路灯安装更便捷，维护更简单，性价比更高 (见图2)。

一体化太阳能路灯的特点有:

1)太阳能板、蓄电池、光伏控制器一体化，摆脱了原有的地埋箱或在灯杆底部焊接蓄电池箱的方式，使安装、维护更方便。

2)可在10°～50°之间灵活调节太阳能电池板的倾斜角，满足全球各维度的安装需求，同时，精确的刻度保证太阳能路灯批量安装的一致性。

3)采用新型的配光设计，产生路上行人所需的垂直面照度，使路面纵向照明范围更大，路面照度均匀性更好。

4)灯具采用智能控制单元，高效太阳能电能转换，自适应亮度调节，提高了80%电池续航能力，并有效延长蓄电池寿命1～3年。

5)每天工作10小时 (自适应亮度调节)，连续阴雨8天正常工作。

6)产品结构轻盈，简洁美观。

图2 一体化太阳能LED路灯系统Fig.2 Integrated solar LED road lantern system

4 一体化太阳能路灯构成

一体化太阳能路灯由灯具、太阳能电池板、蓄电池组件、太阳能路灯专用智能控制器、蓄电池箱五部分组成 (见图3)。

太阳能电池板:太阳能电池板是太阳能路灯的核心部分，作用是将太阳的辐射能转化为电能，送至蓄电池存储起来。这里选用高效单晶硅太阳能板，效率达到16%以上。

灯具:具有调光功能。光源选用长寿命，高光效LED。7W路灯采用3颗LED，光通量为550lm，15W路灯采用6颗LED，光通量为1050lm.

蓄电池组件:选用质量能量比高，寿命长的胶体电池，使用寿命最长可达8年。蓄电池白天存储太阳能电池板转化的电能，夜晚为灯具提供可靠的电源，同时满足连续阴雨天的使用需要。

太阳能路灯专用智能控制器:该控制器智能控制太阳能电池板，蓄电池及灯具间的充放电，提供光控，时控及红外控制的多种控制方式，并具有温度补偿，过流保护，欠压保护，过压保护，短路保护等保护机制，有效保证灯具亮灯时间及延长蓄电池寿命。

蓄电池组件和智能控制器均安装在蓄电池箱中。

图3 一体化太阳能路灯结构图Fig.3 The structure of integrated solar road lantern

5 灯具配光设计及控制方法

5.1 灯具配光设计

当人夜晚在道路行走时，需要尽可能迅速识别对面走来的其他行人，以便于交流或采取防范措施，并有足够时间做正确反应。因此需要配光在1.5米的高度有足够的垂直照度。该配光在灯杆高5米.路面宽5米灯具仰角为25°的情况下，距离地面1.5米高，沿路中心线垂直照度最小值大于0.5lx，路面平均照度3lx.

5.2 灯具智能控制设计

太阳能专用智能控制器基本结构框图如图4所示。

该智能控制器采用MEGA168作为处理芯片，实现如下功能:

(1)12V/24V系统自动判断。

(2)检测蓄电池，太阳能板电压，检测充电电流，放电电流，检测环境温度。

(3)根据控制策略及检测数据实现太阳能板对蓄电池的高效充电。

(4)自适应灯光调节设计。

(5)温度补偿，欠压，过压，过流，短路，反接保护，实现蓄电池保护与负载保护。

图4 太阳能控制器基本框图Fig.4 Solar controller basic block diagram

(6)允许通过红外方式更改预设参数及控制灯具开关。

5.2.1 充电设计

充电设计采用PWM脉宽调制充电方式。对于12V的系统，当蓄电池处于欠压状态时，控制器控制太阳能板以0.25C的电流恒流充电，当蓄电池电压大于12V后转而采用直充方式直至蓄电池电压直充电压上限设定值，之后进入浮充状态，脉宽逐渐减小，降低充电电流。当蓄电池达到14.4V，保持低于0.1C的电流以补偿蓄电池因自放电产生的能量损失，见图5。

图5 充电特性曲线Fig.5 Charging characteristic curve

5.2.2 自适应放电设计

当刚入夜时，灯具首先判断蓄电池电量，计算亮度调节参数，在半小时内从30%的亮度上升到该亮度参数。在夜晚放电过程中，根据蓄电池电量80%、60%、30%三个临界点调节灯具亮度，同时灯具具有三段调光功能及后半夜降功率功能。允许通过设定的时间在蓄电池电量判断的基础上，计算新的调光值，实现以蓄电池电量及放电时间为依据的自适应放电功能。该设计不仅满足道路照明需要，同时也延长蓄电池放电时间。

自适应放电框图如图6所示。

图6 放电框图Fig.6 Discharge diagram

5.2.3 温度补偿与保护设计

温度的变化会影响蓄电池的性能，控制太阳能板对蓄电池进行充电时，采用有效的温度补偿可以有效提高太阳能路灯的可靠性。

本控制器通过AD采样，计算负温度系数热敏电阻的阻值，对环境温度为－20°到+50°之间进行温度补偿，温度补偿系数为－18mV/℃。

为了避免负载短路或过载，将采样的放电电流数据与保护阈值进行比对，若超过阈值则关断负载，定时自检测，直到负载正常或维修后开通。为了防止蓄电池过放，定时采样蓄电池电压，当蓄电池电压达到过放点以下，及时关断负载，有效保护蓄电池使用寿命。充电过程中通过设置过充电压、欠压保护等参数，防止蓄电池过充及调用合适的充电机制。对充电电流的采样，有效调节太阳能板使蓄电池充电过程中电流不超过蓄电池最大充电电流。