太阳能LED路灯的设计

太阳能LED路灯的设计摘要近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。

对我国来说，由于人均能源资源短缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这个问题尤为严重，它将极大的制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息息留有生存空间。

从某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。

在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。

近年来，我国GDP每年以10%的速度发展，能源消耗急骤增加，环境、生态日益恶化。

这种对自然无序的、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，大自然的惩罚已经不断地凸现出来，并还要继续加重。

在这样的严峻形势下，节能成为了社会生活的主题。

本文设计了一种具有时控和光控相结合的太阳能路灯控制器，利用光敏电阻实现光电控制。

傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。

关键词：控制器，蓄电池充放电控制，太阳能电池，LED，铅酸蓄电池，时控、光控电路目录1 引言 (3)1.1太阳能路灯工作原理 (4)2 方案论证 (5)2.1 设计要求 (5)2.2 方案选择 (5)3 系统总体框图 (6)4 系统硬件 (6) (6)4.1 太阳能电池板·4.2太阳能电池的基本特性 (7)4.3 蓄电池 (7) (8)4.4 太阳能控制器·4.5照明负载 (10)4.6 蓄电池和太阳能板的选用 (11)4.7 过充、过放控制电路 (12)5 太阳能路灯系统设计 (13)5.1 设计要求 (13)5.2 设计原理 (14)总结....................................................................错误！未定义书签。

参考文献.. (14)1引言面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。

因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。

利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。

特别是太阳能电池组件，使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。

太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。

在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。

与传统的照明工具相比，超高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED灯具的触角就会到达。

21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。

今后。

随着各国政府的高度重视和加大投入，LED必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命。

太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。

道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。

太阳能路灯发展状况当前国际常规能源价格不断上涨，国内能源供应紧张，许多城市出现拉闸限电的尴尬，能源替代已上升到国家能源战略安全的高度。

太阳能作为无限可再生能源，逐步部分替代城市生产、生活常规能源已是大势所趋。

太阳能照明作为太阳能最重要的利用方式之一，也越来越受到能源行业和照明行业的关注。

目前中国太阳能照明技术已经比较成熟，太阳能路灯具的可靠性得到很大程度的提高，业界先进企业的太阳能照明灯具已经达到甚至超过国家照明标准。

在能源紧张、拉闸限电的城市及用电困难的边远地区，有着很强的可推广性。

从长远来看，太阳能照明系统的前景很好。

人们的消费着眼点首先是实用、成本低，而目前采用的太阳能发电照明系统是根据中国国情和民情研发的，性价比较高。

太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。

1.1太阳能路灯工作原理系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W白光LED和1W黄光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。

控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。

本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比实现很高的性价比。

2方案论证2.1 设计要求（1）电池板功率的计算和选用；（2）蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示；（3）连续阴雨天三天路灯仍能照明；（4）光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上24点熄灭，早上5点路灯点亮，早上光线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调）；（5）系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。

2.2 方案选择太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。

国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。

单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光线较强时，自动关闭路灯，达到自动控制的作用。

为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。

随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路。

使光控开关电路简化。

感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作[1]。

采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。

优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。

缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。

定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。

路灯的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。

本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现太阳能路灯的设计。

3 系统总体框图太阳能LED 路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮LED 灯用于路灯照明。

根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。

系统总体方框图如图1所示。

由太阳能电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。

4系统硬件4.1 太阳能电池板在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。

太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种基本方式。

(1) 太阳能热发电：将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类：一类是太阳能热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，是将太阳热能通过热机带动发电机发电，其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。

有些国家正在研制较大太阳能电池板充放电控制器蓄电池路灯控制处理LED 路灯负载图1总体电路方框图功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。

由于太阳能热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量，因此发展不快，实际应用不多。

(2) 太阳能光发电：直接将太阳的光能转换成电能的利用方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。

目前应用的光伏发电，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。

其缺点：间歇性。

受气候条件影响；能量密度低；初始投资高。

迄今已有100多个国家参与太阳能光电池的开发应用。

近年来，产量迅速增加．生产成本开始下降[7]。

目前．光伏发电主要用于三大方面：为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品。

如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。

4.2 太阳能电池的基本特性太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。

太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射S=l000W／m2；太阳能电池温度T=25℃；大气质量AM=1.5时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。

太阳能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“Wp”。

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。

关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。

通过Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。

在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量[9]。

太阳能电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大，发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用70W单晶硅太阳能电池组件。

4.3 蓄电池蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。

蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。

一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。

目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。

蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。

需要时再把化学能转变为电能释放出来。

能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。

在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。

由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。

蓄电池也能够提供相对稳定的电能[12]。