离线式太阳能LED路灯的可靠性研究与应用

公文礼

(西安南亚科技有限责任公司，西安710075)

离线式太阳能LED路灯的可靠性研究与应用

公文礼

(西安南亚科技有限责任公司，西安710075)

近年来，能源危机和与之相关的环境问题成为全球人类共同关注的热点，世界各国都在从本国的国情出发来解决能源与环境问题。不论发展中国家还是发达国家，能源问题都是全人类共同关心和需要解决的问题。目前，中国GDP每年以10%左右的速度发展，能源消耗急剧增加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果。在这样的严峻形势下，节能成为了社会生活的主题，随着国家节能减排政策的逐步落实，大功率LED灯具的技术日趋成熟，越来越多的LED应用于日常的照明领域，LED照明已进入千家万户。经过几年的使用与探索，LED路灯技术上备受困扰的散热和电源驱动两大难题也被全球的灯具厂家逐步克服，LED路灯的推广应用面临的将是照明质量的提高和灯具的长期可靠性问题，可靠性是LED路灯能否彻底替代传统高压钠灯的关键所在。尤其是国家光伏产业发展战略中的太阳能LED路灯，虽然从宏观上可以为国家节省较多的电能消耗和铺设电缆等高昂工程费用，但是太阳能LED路灯能否真正实现全天候的彻底无电源照明，只有解决了太阳能LED路灯的可靠性问题，太阳能LED路灯才能真正得到推广和广泛的应用。文章通过对现阶段的太阳能LED路灯所采用的方案详细分析，并结合实际例子阐述了可能影响太阳能LED路灯可靠性的几个关键参数以及灯具中关键部件可靠性选型中需要注意的问题，希望为太阳能LED路灯进一步的应用推广提供行之有效的方案。

太阳能LED路灯；关键部件可靠性；蓄电池充放电控制；LED光源

1 中国太阳能LED路灯的应用前景和优势

近年来，随着太阳能电池转换效率和生产技术的不断提高，太阳能光伏发电的应用越来越广泛，尤其是在照明领域，太阳能LED路灯作为光伏发电系统在国内的主要应用模式，已在全国各地得到了推广。在能源短缺，环境污染日益严重的今天，充分开发并利用太阳能是世界各国政府的可持续发展能源战略决策。我国富饶广阔的土地上，有着十分丰富的太阳能资源(见图1)。全国各地太阳能年辐射总量为3 340～8 400 MJ/m2，尤其是青藏高原地区，这里平均海拔在4 000 m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。太阳能资源具有广阔的市场前景，新型的能源加上最节能的LED灯具，无疑是个完美的组合。根据科学家的保守估计，在未来的10年里，太阳能电池的平均转换效率达到20%以上，而价格将下降一半，这就是说，10年以后的今天，照明电力的一半可能来源于太阳能，达到真正的绿色照明。太阳能电池的PN结，能够把太阳能转换为电能。LED则是另一个可以将电能转换为光的PN结，它的光效也在不断提高，其使用寿命可以达到10万小时以上，这是真正意义上的绿色照明。所以，发展LED太阳能路灯将具有不可估量的市场和应用前景。

离线式太阳能LED路灯应用的优势：

1)灯具寿命长。单晶硅或多晶硅太阳能组件的有效使用寿命为25年，25年后电池组件可继续使用，只是发电量略有下降。大功率LED理论上使用寿命可达10万小时，通过静态功耗低的智能控制器使用寿命长。

图1 中国太阳能资源的地理分布情况注：图中4个太阳能资源带的年辐射量指标Ⅰ资源丰富带6 700 MJ(m2·a)Ⅱ资源较富带5 400～6 700 MJ/(m2·a)Ⅲ资源一般带4 200～5 400 MJ/(m2·a)Ⅳ资源贫乏带<4 200 MJ/(m2·a)

2)灯具长期工作可靠稳定。LED光源为固态光源，它和单晶硅或多晶硅等太阳能组件具有抗台风、抗潮湿、抗紫外线辐射等特点。

3)正真能做到免维护，无人值守。灯具一次安装到位，运行中自行充电和开关灯，无需人工操作。

4)照明时长和亮度可以人为控制。LED路灯很容易实现人工智能控制，可以根据当地日照条件设定照明时长，也可以根据亮度自动开启并调整路灯的亮度，比如根据道路情况后半夜可将亮度降低一半。

5)使用离线式太阳能LED灯具不用架设或埋设电力线路，不用电网的电能，不用花费大量人力、物力等工程费用及保养维护。

2 太阳能LED路灯的基本结构及工作原理

2.1 太阳能LED路灯的基本结构

太阳能LED路灯主要由太阳电池组件、组件支架、LED(光源)灯头组件、充放电控制器、蓄电池、灯杆等几部分组成(如图2和图3所示)。

图2 太阳能LED路灯应用实例

图3

2.2 太阳能LED路灯的工作原理

太阳能LED路灯是利用太阳能电池的光生伏特效应原理，白天太阳能电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器进行充电，储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向LED(光源)组件持续供电，一直到天亮或者设定的时间后自动切断。太阳能LED路灯系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当天黑照度降低至10 lx左右，太阳能电池板开路电压4.5 V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池开始对LED路灯放电。蓄电池放电至设定的放电时间后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束(图3)。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池的过充和过放电。

3 影响太阳能LED路灯系统可靠性的几个关键参数的确定

太阳能LED路灯系统设计的成功与否，从理论上来说，主要是由几个主要参数决定，这些参数设置是否合理，就要靠科学的计算和合理的分析。所以基本设计思路是先确定光源的功率，根据使用地路灯每天工作的时间，结合当地连续阴雨的天数，计算蓄电池的容量和太阳电池组件的功率。为了确保系统的稳定性与可靠性，在设计时需要特别注意以下参数的确定和计算。

1)必须弄清楚太阳能LED路灯使用地的经度与纬度。通过项目所在地的地理位置进一步得到使用地的气象资源信息，比如月(年)平均太阳能辐照情况、平均气温、风力资源等，根据这些条件确定当地的太阳能标准峰值时数(h)和太阳以能电池组件的安装倾斜角与方位角。

2)弄清楚项目路灯所使用的路况，比如车道数目(双向四车道还是双向八车道)、灯杆间距(40 m还是30 m)、布灯原则(对称还是间隔布灯)等，并结合路面对照度的要求，通过计算选用合适的LED光源并确定灯具总功率。LED光源功率的大小直接影响整个系统的其他参数和工程造价。

3)了解当地冬天和夏天夜长时间，合理确定太阳能LED路灯平均每天晚上工作的时长。这是决定太阳能LED路灯系统中组件参数大小的关键数据，通过确定工作时长，可以初步计算出灯具每天的功耗和与之相应的太阳能电池组件功率及充电电流。

4)基本参数确定后，再根据气象信息了解当地连续3年来连续阴雨天数的情况，通过平均计算，太阳能LED路灯需要持续照明的连续阴雨天数。这个参数决定了蓄电池容量的大小及阴雨天过后恢复电池容量所需要的太阳能电池组件的功率，在连续阴雨天能否正常工作是考验太阳能路灯可靠性的直接依据。这也是目前好多LED太阳能路灯项目失败的直接因素之一。

5)为了更加可靠的设计，需要通过统计，再了解当地3年来两个连续阴雨天之间的间隔天数。这是决定系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率。 这个参数是完全离线式LED路灯能否持续工作的关键指标。

6)在实际的设计应用中，由于上述诸多因素综合制约，同时又受项目经费的制约，最终的结果往往有较大的差异。为了便于理解对参数的确定，可以通过实例来说明太阳能LED路灯系统设计计算方法。

太阳能路灯的具体设计思路是，先根据路面需求得到LED路灯所需的功率，确定太阳能电池组件的功率，然后计算蓄电池的容量。但太阳能LED路灯又有其特殊性，为了确保系统工作的长期可靠性，在设计时需要特别注意查询了解当地的气象信息，根据这些气象信息初步确定系统的外在要求，从而为灯具的设计提供原始的计算依据。

可以通过例子来说明太阳能路灯系统设计的具体方法。例如：需要在某地安装一批离线式太阳能LED路灯，路面为双向4车道，双向对称布灯，灯距间隔30 m，灯杆高10 m，了解当地的时差信息，要求路灯每晚工作8 h，保证连续7个阴雨天能正常工作。通过查询，当地地理位置东经114°，北纬23°，年平均水平日太阳辐射为3.82 kW·h/m2，年平均月气温为20.5 ℃，多年来两个连续的阴雨天间隔时长为25 d。根据以上信息，初步得出光伏组件安装的倾斜角为26°，标准峰值时数约3.9 h。根据提供的路面需求，我们初步确定LED光源功率需要100 W，灯具总光通量9 600 lm。下面再进一步详细计算：

目前太阳能板的光效已达到127 Wp/m2，国产晶体硅电池效率在10%至13%左右，国外同类产品效率约18%至23%。可由一个或多个太阳能电池片组成光伏组件。

根据光源功率100 W计算LED路灯日均耗电量：Q=W·H/U=100×8/12=66.6 Ah，式中，U为系统蓄电池标称电压，一般蓄电池可以选择12 V或者24 V两种标称电压。

满足路灯日用电的太阳能电池组件的充电电流：I1=Q×1.05/h/0.85/0.9=9.1 A，式中，1.05为太阳能充电综合损失系数，0.85为蓄电池的充电效率，0.9为控制器的效率。

确定蓄电池的容量，满足连续7个阴雨天正常工作的电池容量：

C=Q×(d+1)/0.75×1.1=66.6×8/0.75×1.1=781.4 Ah，取782 Ah。式中，0.75为蓄电池放电深度，1.1为蓄电池安全系数。需要4节12 V，200 Ah的电池组成电池组。

连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量的太阳能电池组件充电电流：

I2=C×0.75/h/D=782×0.75/3.9/25=6 A。式中，0.75为蓄电池放电深度。

太阳电池组件的功率为：(I1+I2)×18=(9.1+6)×18=270 Wp，式中，18为太阳电池组件的工作电压。选取2块峰值功率为135 Wp的太阳能电池组件。

通过计算，我们得到了系统的几个主要的参数，从这几个参数不难看出，系统所需的太阳能电池组件的功率和蓄电池容量是比较大的，这无疑增加了灯具的成本，这也是目前许多路灯项目为了减少成本而修改系统参数，最后导致工作不可靠的原因之一。但是，随着太阳能发电技术的不断提高和锂离子等新能源电池的成熟应用，它们的性价比会不断提高，不久的将来，这些问题将不再成为制约灯具可靠性设计的障碍。

实际使用中，考虑到太阳在不同季节造成的阴影变化，尤其是夏季和冬季，差别极大，所以在系统设计中也要予以充分的考虑。此外，灯具使用中还要考虑安装地的风沙灰尘及泥污对太阳能板的影响，以及冬天太阳能板面结冰等一系列实际问题，所以在系统设计中一定要有足够的功率预留空间，从而保证灯具长期可靠工作。

7)在资金充足的地方，利用风力互补是进一步解决太阳能LED路灯可靠性的重要手段，特别是在连续阴雨较多的城市，利用风力可以解决阴雨天太阳能路灯无法正常工作的弊端。我国风力资源十分丰富，根据国家气象局的资料,我国离地10 m高的风能资源总储量约32.26亿kW，其中可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW,近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW(如图4所示)。根据我国风功率密度地理分布图，合理利用该地的地理资源以解决目前条件下太阳能LED路灯应用中的不足，在风能密度大的地方优先采用太阳能风光互补LED路灯是完全可以实现的。路灯风力发电设备一般安装在10 m左右的高度，根据该地10 m高风功率密度指标查看风功率密度等级表(如表1所示)，从而判断该地是否适合推广风光互补LED路灯。

图4 我国风功率密度地理分布图

风功率密度等级1234567风功率密度/(W·m-2)<100100～150150～200200～250250～300300～400400～1000

太阳能和风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性。可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要作用。太阳能和风能是可再生能源中利用比较广泛的两种。利用风光互补技术是解决现有太阳能LED路灯缺陷，提高路灯工作可靠性的主要手段，在资金保证的前提下，应在条件具备的地方优先推广。风光互补路灯系统具备了风能和太阳能产品的双重优点，没有风能的时候可以通过太阳能电池组件来发电并储存在蓄电池中，有风能没有光能的时候可以通过风力发电机来发电并储存。风光都具备时，可以同时发电。在白天可以利用太阳光和风力资源发电，晚上利用风力发电机发电，使供电系统更具稳定性和可靠性。运行的时候通过蓄电池向负载放电，为负载提供电力。路灯开关无须人工操作，由智能时控器自动感应天空亮度进行控制。

当然，如果考虑太阳能和风能互补的路灯方案，在确定基本参数时，连续阴雨天的天数和两个连续阴雨间隔天数可以减少，甚至可以根据风能大小不予考虑。这样，风能发电机额外增加的成本可从太阳能板功率的减小和蓄电池容量的减小来弥补。

4 离线式太阳能LED路灯中的几个关键部件对其工作可靠性的影响

4.1 太阳能电池组件的可靠性

4.1.1 太阳能电池的封装工艺及选择

太阳能电池的主要功能是将太阳的光能转换成电能，这个现象称之为光伏效应。在众多太阳能电池应用中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池三种，在选择时要根据路灯的使用环境合理应用。

多晶硅太阳能电池的生产工艺相对简单，由于多晶硅太阳能电池技术的不断进步，其转换效率得到了不断提高，价格比单晶硅低。在太阳光充足，日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好。

单晶硅太阳能电池的效率比较高，因单晶硅太阳能电池电性能参数比较稳定，但价格高于多晶硅太阳能电池。在阴雨天比较多，阳光相对不充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好。

而非晶硅太阳能电池在室内或者阳光很弱的情况下使用比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。

太阳能电池是利用光伏效应把太阳的光能转换成电能。对于硅电池来说，在标准条件下(光谱辐照度：100 W/m2,光谱：AM1.5，温度：25℃)，它的开路电压为0.48 V～0.6 V。将多个单体太阳能电池连接，并进行封装，可以构成不同面积、不同功率的太阳能电池组件，单体太阳能电池一般不使用，实际应用较多的是太阳能电池组件。

太阳能电池与太阳辐照度的对数成正比，具有负的温度系数，即温度每上升一度，电压便下降2～3 mV，所以在设计时要考虑结合当地的气温情况。

太阳能电池的封装形式主要有层压工艺和滴胶工艺两种，封装工艺不同将直接影响太阳能电池的使用寿命。采用层压工艺封装的太阳能电池可以保证25年以上的工作寿命，其工艺特性和使用寿命优于滴胶工艺封装的形式，所以在太阳能电池设计选型时，对厂家的封装工艺也要予以考虑。

对太阳能电池工艺上确定后，具体选择产品时，还必须对不同厂家提供的太阳能电池组件的五个主要电气性能参数进行比较，选用质量可靠的产品。

A.Isc=短路电流；

B.Im=峰值电流；

C.Voc=开路电压；

D.Vm=峰值电压；

E.Pm=峰值功率=(Im×Vm)。

4.1.2 太阳能电池组件功率的选择

太阳能电池峰值功率是标准条件下(STC)太阳能电池(组件)输出的最大功率，单位为峰瓦，用符号Wp表示(标准条件STC 即：欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1 000 W/m2，电池温度25 ℃)。

太阳能电池(组件)的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池(组件)的工作温度。在不同的时间、不同的地点，同一块太阳能电池的输出功率是不同的。所以在灯具的设计中，我们不能盲目认为，只要阳光充足的地方就会有额定输出功率，甚至认为太阳能电池在灯光下也可以正常使用。

如果按面积来简单计算，在当前的工艺下，每平米太阳能电池的输出功率大约为120 W。随着光电转换效率的不断提高，其输出功率也将逐步增大。太阳能电池组件输出功率的选择，要根据太阳能LED灯具的光源功率、控制器的功耗以及线路的损耗、使用时间和当地的气候地理条件等多方面因素综合考虑，并通过前面计算方法来确定。

4.1.3 太阳能电池组件必须有合理科学的安装倾角

由于我国南、北纬度跨越较大，太阳能电池组件安装倾角要随安装地区纬度的不同而作相应调整。一般情况下，长江以南地区的安装倾角在30°左右，长江以北地区的安装倾角在45°左右，东北地区应在50°左右。安装方向为正南方或偏西5°。如果是水平放置的太阳能电池，其输出功率将降低15%～20%。安装地点的选择应满足组件在当地一年中光照时间最少天数内，太阳光从上午9：00到下午3：00能够照射到组件。

太阳电池组件工作时其安装方向应保证最大限度地接收日光照射，考虑一天内阳光入射方向的变化和一年内冬夏季太阳距地平线高度的不同，建议在一般情况下组件朝赤道方向倾斜安装，即北半球组件受光面应朝向南方，南半球组件受光面应朝向北方。一般情况下其组件与地面的夹角应参照当地纬度±(5°～10°)，在长江下游太阳能电池的最理想倾斜角度是40°左右，方向为正南方。具体应用中可参阅我国主要30个城市平均日照及最佳安装倾角(如表2所示)。

在现有的工程应用中，有些太阳能灯具为了美观将太阳能电池水平放置，在这种情况下，太阳能电池的输出功率将减少15%～20%，有的厂家甚至在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩，太阳能电池的输出功率又将减少5%左右。通过对国外太阳能灯具的研究，在美观和节能两者之间，大多数都选择节能。

表2 我国主要30个城市平均日照及最佳安装倾角

续表

城市纬度倾角/(°)平均日照天津39．10+54．65南昌28．67+23．80哈尔滨45．68+34．39福州26．08+43．45沈阳41．77+14．60长春43．90+14．75郑州34．72+74．04济南36．68+64．44呼和浩特40．78+35．57武汉30．63+73．80太原37．78+54．83广州23．16-73．52乌鲁木齐43．78+124．60长沙28．20+63．21西宁36．75+15．45香港22-75．32兰州36．05+84．40海口20．03+123．84西安34．30+143．59南宁22．82+53．53上海31．17+33．8成都30．67+22．88贵阳26．58+82．86合肥31．85+93．69昆明35．02-84．25拉萨29．70-86．70银川38．8+25．45南京32+53．82

4.1.4 太阳能电池组件安装时要解决好太阳能电池组件的热岛效应问题

太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被树叶等遮挡物长时间遮挡，被遮挡的单片太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，甚至会造成整个太阳能电池组件损坏，这就是所谓热岛效应。所以在灯具的安装施工中要防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，并且尽可能远离树木，使太阳能电池表面不附着遮挡物。

另外，太阳能电池组件的电压会随着温度的升高而降低，由于高温的影响，电池组件的电压损失约2 V，而充电过程控制器上的二极管压降0.7 V，所以一般选择工作电压为18 V的组件较好。

由于太阳能路灯的特殊性，太阳能电池板一般安装在灯杆上，路灯灯杆一般都是7 m以上，重心较高，而且大部分太阳能电池板都是悬挂式，为增强整套设备的抗风力，一般选择多块太阳能电池板组成所需要的组件功率，并且安装时要根据当地的季风特点尽量避开迎风面，防止太阳能板风阻过大。

4.2 蓄电池(组)的可靠性

由于太阳能路灯系统蓄电池的充电直接由太阳能电池提供，得到的能量极不稳定 ,所以要配置容量合理、性能可靠的蓄电池，以保证光伏发电系统的正常工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池、胶体电池，它们的容量选择直接影响系统的可靠性以及系统价格。通过前面的计算我们知道，蓄电池容量的可靠性选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足夜晚照明的前提下,把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大，则蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。

蓄电池的选择主要根据太阳能电池和灯具的功率来确定，在太阳能LED路灯系统中，选用较多的是免维护铅酸蓄电池。免维护铅酸电池是一种新型的蓄电池，它采用全密封方式，放电率高，特性稳定，无需加水，安装简单，占地面积小，理论寿命一般为5～7年。

如果蓄电池容量过小就不能满足夜晚照明时长的需要，连续阴雨天时，灯具将会连续数天出现黑灯现象，这是系统最致命的缺陷。如果蓄电池容量设计过大，蓄电池长期处在亏电状态，容易缩短蓄电池寿命，同时也浪费不必要的投资。

在选择蓄电池时，要考虑放电率对蓄电池容量的影响，温度对蓄电池容量的影响，放电深度对蓄电池容量的影响等几个方面。所以一定要选用深循环的太阳能专用蓄电池。蓄电池并联时，需要考虑各单体电池间的不平衡影响，单体电池必须经过配对测试才能使用，通常情况下并联组数不宜超过4组。

磷酸铁锂电池是目前世界公认最理想的太阳能灯具电池，是继锰酸锂电池之后发展起来的新型环保电池，在未来的5年内会成为铅酸电池的有力竞争者，在未来的10年内可能会取代铅酸电池，随着技术的不断成熟和价格的下降，或许未来会成为主要的灯具电源。是因为它具有以下的优点：

1)超长寿命。长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，磷酸铁锂电池的循环寿命达到2 000次以上，同样条件下使用，将达到7～8年。综合考虑，性能价格比为铅酸电池的4倍以上。

2)使用安全。磷酸铁锂经过严格的安全测试，即使在最恶劣的环境中也不会发生爆炸。

3)耐高温。磷酸铁锂电热峰值可达350～500 ℃，而锰酸锂和钴酸锂只在200 ℃左右。

4)无记忆效应，可充电电池经常处于充满不放完的条件下，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电，适合太阳能板对电池的不间断充电。

5)容量大、体积小、重量轻。同等规格容量的磷酸铁锂电池体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。

6)绿色环保。铅酸电池中存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，将对环境造成二次污染，而磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质，不会对环境造成任何污染公。该电池在生产及使用中均无污染，认为绿色环保电池。

所以，磷酸铁锂电池是值得推广和使用的LED灯具电源，则不环保太阳能LED路灯蓄电池的可靠性。

4.3 充放电控制器的可靠性

太阳能LED灯具能否可靠工作，取决于充放电控制电路。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电。另外，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制复杂得多。太阳能灯具的可靠与否，往往取决于充放电控制电路的性能。

所以控制器是太阳能LED灯具系统中最重要的部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，其性能直接影响系统的可靠性和稳定性，特别是对蓄电池的寿命及充电质量的影响。目前较好的控制器一般要选用工业级的MCU做主控制器(如图5所示)，通过对环境温度的测量，对蓄电池和太阳能电池组件电压、电流等参数的检测判断，控制MOSFET器件的开通和关断，达到对蓄电池过充过放的控制和保护功能。如果采用智能型太阳能灯具控制器能为蓄电池提供全面保护，蓄电池更能可靠地长久工作。

图5 一种基于IR2104的同步Buck太阳能充电电路

通过图示电路可以知道，我们在进行路灯控制器设计时，应根据蓄电池的特性，设定各个关键参数点，比如蓄电池的过充点、过放点、恢复连接点及SOC放电控制等。特别需要注意控制器恢复连接点参数，由于蓄电池有电压自恢复特性，当蓄电池处于过放电状态时，控制器切断负载，随后蓄电池电压恢复，如果控制器各参数点设置不当，则可能出现灯具闪烁不定，缩短蓄电池和光源的寿命。充放电控制器必须具备防反充电、防过充电、防过放电以及温度补偿功能，同时必须具有恒流恒压充电的基本功能。

防止反充电功能。一般最简单的方法就是在太阳能电池回路中串联一个二极管，二极管防止反充电，这个二极管应该是肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。另外，还可以用场效应晶体管控制防止反充电功能，它的管压降比肖特基二极管更低，只是控制电路要比前面复杂一些。

防止过充电功能。可以在输入回路中串联或并联一个泄放晶体管，电压鉴别电路控制晶体管的开关，将多余的太阳能电池能量通过晶体管泄放，保证没有过高的电压给蓄电池充电。过充电保护功能关键是过充电压点的选择，单节铅酸蓄电池为2.2 V。

防过放电功能、除了Ni-Cd电池外，其他蓄电池一般都有防止蓄电池过放电功能，以防止蓄电池过放电而导致永久性损坏。需要注意的是，太阳能电池系统一般相对蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜设置过低。

温度补偿功能。蓄电池电压控制点随环境温度而变化，所以太阳能路灯系统应该有一个受温度控制的基准电压。对于单节铅酸蓄电池是-3～-7 mV/℃，我们通常选用-4 mV/℃。

蓄电池充放电控制是整个系统的重要功能，影响整个太阳能路灯系统的运行效率，还能防止蓄电池组的过充电和过放电。蓄电池的过充电或过放电对其性能和寿命有严重影响。充放电控制功能，按控制方式可分为开关控制(含单路和多路开关控制)型和脉宽调制(PWM)控制(含最大功率跟踪控制)型。开关控制型中的开关器件可以是继电器，也可以是MOS晶体管。脉宽调制(PWM)控制型只能选用MOS晶体管作为其开关器件。采用脉宽调制控制器方式，并选用MOS晶体管作为开关器件。当白天晴天的情况下，根据蓄电池的剩余容量，选择相应的占空比方式向蓄电池充电，力求高效充电；夜间根据蓄电池的剩余容量及未来的天气情况，通过调整占空比方式进而调节LED灯亮度，以保证均衡合理使用蓄电池。

太阳能路灯由多个LED灯串联而成，亮度可通过PWM方式调节，即通过控制电路的EN端改变流经LED的电流，从而调节LED灯亮度，电流强度可以从几十毫安到1安培，最终使LED灯达到标称的亮度。在夜间可以通过MCU板的时钟电路自动调节输出功率，达到半亮照明。

PWM控制信号可由微控制器产生，也可由其他脉冲信号产生，PWM信号可使通过LED灯的工作电流从0变到额定电流，即可使LED灯从暗变为正常亮度。PWM占空比越小(高电平时间长)，亮度越高。利用PWM控制LED的亮度，非常方便和灵活，是最常用的调光方法，PWM的频率可从几十Hz到几千Hz。

PWM调光是通过控制MOSFET晶体管实现的。由于一般路灯系统的单元采用的电压是由几个蓄电池串联产生的，所以在选用MOSFET晶体管时，首先要考虑MOSFET的耐压，要求MOSFET的耐压要高于100 V；其次，根据驱动LED灯电流的大小，选择MOSFET的IDS的最大电流。在直流供电情况下，首先考虑的是IDS最大电流值和RDS值。一般情况下，IDS最大电流是LED灯驱动电流的5倍以上。MOSFET的内阻要小，LED驱动电流越大，RDS越小，变换效率越高。

此外充放电控制系统还应具有对蓄电池过充的保护功能(如图6所示)，即充电电压高于保护电压(15 V)时，自动调低蓄电池的充电电压。此后当电压降至维护电压(13.2 V)时，蓄电池进入浮充状态，当低于维护电压(13.2 V)后浮充关闭，进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压(10.8 V)时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM方式充电，既可使太阳能电池板发挥最大功效，又提高了系统的充电效率，防止蓄电池的反充、过充、过放。

图6 太阳能LED路灯控制电路系统框图

4.4 LED光源的可靠性分析

影响LED光源寿命的两大因素——恒流驱动和散热问题，一般通过合理的电源驱动设计和壳体散热结构设计，完全可以解决。

LED光源的选型对于太阳能路灯来说也是最关键的一步，目前针对太阳能路灯专用的光源较少，常见的光源有直流节能灯、高频无极灯、低压钠灯和LED光源。为减少有限能量的损失，避免传统光源需要逆变而损耗无谓的功率，光源以LED为首选。LED 作为半导体光源，具有其他光源无法比拟的优势，特别从节能角度来说是太阳能路灯最为理想的光源，LED路灯光源是低电压、低功耗、环保节能型路灯光源，适合各种场合的照明使用。LED路灯驱动电源是专门针对LED路灯系统设计的，为LED灯具提供恒流电源。LED光源可以通过PWM控制，在需要的时候以高效率增强模式点亮LED灯具，提供良好的照明，而其他时间段则以超节能模式输出，节约蓄电池的电力消耗。

单颗的大功率LED光源VF通常在3.0～3.6之间，在LED路灯设计中通常以串联或并联的方式工作。所以在设计驱动电源方案时，要充分考虑串并联的个数和路数，这将涉及控制系统的输出电压，如果串联个数过多，控制系统电源就要采用升压Boost结构，系统自身的功耗势必增大；电压过低时，灯头到灯杆底部的电源系统的线损又会增大。所以在设计时要在二者之间选择一个折中的方案。采用Buck-Boost拓扑结构是比较合理的方案。

LED路灯光源种类的选择也很重要，CREE、Lumileds、OSRAM等公司相继推出了各种封装形式的光源。通常根据外壳的散热条件以及灯具的配光要求来决定封装形式，同时，要根据选择好的光源数量设计合理的光源串、并联驱动方案，最后再确定驱动电源的输出电压和电流。由于大功率LED光源受封装工艺的限制，目前应用比较成熟且适合路灯光源的LED主要有以下3种结构型式，到底选用哪一种，要根据灯具的使用状况和功率需求来确定。

1)小功率贴片型LED光源(如图7所示)。(常见的有3528,3030,5050等封装形式)在路灯应用中一般与铝基板焊接，可采用回流焊，工艺自动化高。做成灯条后整体导热接触充分，导电性能良好，生产效率高，成品率也相对高。LED 贴片体积更小，由于路灯的总功率较大，需要数十颗甚至上百颗进行串并联组合，所以在焊接装配前一定要对光源进行光色和VF值分档，同一灯具尽量选用光色一致，VF值接近的光源，这样才能保证电路上匹配，光色上一致柔和。VF值的匹配对整灯的可靠性影响很大，否则会造成早期个别光源光衰过大或者死灯。

图7 小功率LED 贴片型

2)大功率基座(朗伯)型LED 光源(如图8所示)。这是目前应用最多也最成熟的方案。一般采用多颗LED光源进行串联后再分几组并联。这种封装结构的光源光效最高，已达100 lm/W以上，性能较稳定，也是功率最大、应用最成熟的光源，目前的技术能力达到了1 W、3 W以及5 W的规格。单颗大功率LED受封装工艺影响，光强分布近似朗伯源的点光源或者蝙蝠翼型的点光源两种模式，一般出光角度为60°～120°。在路灯设计时，光学设计需要二次光学配光才能达到理想效果。

图8 大功率基座(基板)型LED 光源

3)多芯片COB集成型LED光源(如图9所示)。多芯片集成型白光LED具有独特的优势，通过不同的串并联组合，实现各种不同的额定电压和电流，可以更好地与驱动电路和控制器匹配，提高整体发光效能，降低成本。单位面积的芯片数可多可少，可以封装成各种不同的点和面光源。这种路灯安装工艺简单，由于多点发光，二次光学设计的难度大。一般单颗就能达到路灯需要的60 W甚至200 W，所以对灯具的散热要求也比较苛刻。灯具设计时灵活性不大，受芯片局限性大，但光学系统及灯具结构可借鉴老式路灯的外壳，节约前期开发成本。如果专门为之作配光设计，难度较大，由于为面光源，势必造成一部分光浪费。虽然这种方案价格相对较低，工艺简单，但因为它是通过封装多个小功率芯片组合而成，数颗LED 瞬间产生的热量要持续通过壳体导出，散热性能直接决定了灯具使用寿命。在设计时如果只考虑灯具的造型，势必会对散热有所影响，长期使用会引起光源的色温漂移和照度降低。另外，由于芯片内部为数颗小LED串并联(如图10)，众多芯片的个体差异会造成每串电路上的不平衡，如果封装工艺不成熟，很容易导致光源的光衰较大，而且使用中即使某几颗坏了也无法发现，这些问题直接影响着灯具的可靠性。

图9 多芯片集成型LED光源

图10 一般多芯片集成型LED光源内部电路示意图

4.5 太阳能灯具系统安装的可靠性

虽然灯具在设计时已经进行了详细的计算，对关键部件选型也进行了严格的筛选，但是这些对于需要长期可靠工作的灯具来说还远远不够。除了在灯具组装中靠严格的工艺保证品质外，在整个系统安装时更要注意以下问题，如果安装不当会瞬间使灯具系统毁于一旦。

1)灯头(光源组件和驱动电源)部分的防水要达到IP65，灯头上的配件材料和表面处理要耐夏天的高温和冬季的严寒。

2)路灯一般安装在户外10 m高左右，LED属于敏感元件，灯具系统要具有防雷击措施，在灯头外壳内设置雷电保护区，将LED 光源、驱动电源以及控制电路安置在雷电保护区内，保护区域直接受外壳屏蔽。

防雷等电位连接，为彻底消除雷电引起的毁坏性电位差，各个内层保护区的界面处也要进行局部等电位连接，各个局部等电位连接处要互相连接，最后与主等电位处相连。

外部防雷与内部防雷相结合，现在一般的LED 路灯外部都是导体材料，本身就相当于一个避雷针，在设计上必须安装引下线和地网，这些系统构成外部防雷系统。该系统可避免LED路灯因直击雷引起火灾及人身安全事故。内部防雷系统通过接地、设置电压保护等方式对设备进行保护。该系统可防止感应雷和其他形式的过电压侵入。内部防雷系统在很多器件上，如外壳、进出保护区的电缆、金属管道等都要连接外部防雷系统或者设置过压保护器，并进行等电位连接。

防雷模块和过压保护模块，防雷器的作用是在最短时间(纳秒级)内将被保护系统连入等电位系统中，使设备各端口等电位。同时将电路中因雷击而产生的巨大脉冲能量经短路线释放到大地，降低设备各接口端的电位差，从而起到保护设备的作用。

3)蓄电池一般安装在灯杆下，除了防水外，冬季要防冻，防止电池过早老化。

4)太阳能板面积相对较大，灯杆和太阳能板在安装结构上要具有较强的抗风能力。

5 结论

通过对离线式太阳能LED路灯系统设计中各个参数的可靠性分析，结合关键部件对灯具可靠性的影响，我们认识到，离线式太阳能LED路灯要真正达到3年以上连续可靠并且无间断运行，除了在系统设计初期必须考虑诸多外在使用环境信息，还需经过计算，确定比较准确的主要参数，同时在灯具设计实施中，特别是在关键部件的选型中也要充分考虑具体的技术指标。总之，影响太阳能LED路灯可靠性的因素很多，我们必须不断研究探索，再结合实际使用中出现的问题总结经验，积极优化系统设计，才能确保太阳能路灯真正实现绿色照明。

[1] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社.

The reliability study and application of an off-line solar LED street light

Gong Wenli

(Xi’an Nanya Technology Co., Ltd. Xi’an 710075,P.R.China)

In recent years, the energy crisis and the related problems such as environmental protection has become a global topic of human beings，All countries in the world solve the problem in energy and environmental protection from their own conditions. From the perspective of human development, human society constantly explore new sources of energy and human get progress with the development of new energy technologies. In recent years, global warming, environmental pollution is serious. Both developing countries or developed country, We should pay attention to the energy issues and it need to be solved by all mankind. In recent years, the GDP of China increase by 10% a year, energy consumption increases sharply, the environment, ecological get worse day by day. This disorderly, predatory development model which is unsustainable has caused the current serious irreversible consequences already. Punishment by nature has continually intruded and it will increase. In such a serious situation, energy saving has become the theme of social life. As the energy conservation and emission reduction policy is implemented gradually, the technology of high power LED lamps and lanterns is advancing day after day. A growing number of LED has been applied to daily lighting field, LED lighting has entered innumberable families. A lot of places upgrade urban lighting. After several years of the use and exploration of LED, two big problems of the street lamp, beleaguered cooling and power drive ,have also been gradually overcome by the manufacturer . The application of LED street light. We are now facing the problem of how to improve the quality of the lighting and the long-term reliability problems of lamps and lanterns. Reliability the key to whether the LED light can replace the traditional high pressure sodium lamp. Especially the national photovoltaic industry development strategy of solar LED street light. Although can save more for the country’s high power consumption and laying cable engineering cost from on macroscopic, but solar LED street lamp can truly realize the all-weather completely passive lighting only when we can solve the problem of the reliability of the solar LED street light. This article is based on the detailed analysis of the plan adopted by present stage of solar LED street light. Combined with practical examples this paper expounds several key parameters of the calculation which may affect the reliability of solar LED street lamp and several problems when we facing the selection of the key components. I am looking forward to providing effective reference to the further promotion of solar LED street lamp.

solar LED street lamp; key components reliability; battery charging and discharging control; LED light source

2016- 02-20

公文礼(1974-)，男，机电工程师，主要从事LED半导体光学应用及冷光源照明灯具的研制,景观及城市亮化工程的设计工作。