太阳能大功率LED路灯的设计

摘要：为积极响应国家节能减排、大力开发利用新能源的号召，以实际应用为目的，围绕太阳能光伏发电技术和LED照明技术，设计了一套太阳能LED路灯照明系统。介绍了太阳能电池功率的选取原则及与蓄电池容量的匹配方法，重点分析研究了基于ATmegal28单片机和XLT604驱动器的太阳能照明系统中的太阳能控制器和LED驱动，同时就LED在芯片的功率选取、组合方式等问题上进行了分析。所设计的太阳能LED路灯照明系统照度良好、环保节能，满足太原地区城市道路照明的要求。
关键词：太阳能组件；大功率LED；组合方式；驱动器XLT604；太阳能路灯

    近年来随着太阳能光伏发电技术和LED照明技术的发展，太阳能LED路灯已进入了城市照明领域。LED作为照明光源与传统的照明光源相比具有直流低电压驱动、耗电量少、抗振动、寿命长、纳秒级的响应速度、设计空间大、环保、可连续开关闪断，能轻松实现O～100％调光功能等优点，被认为是新一代的绿色照明设备。太阳能LED路灯是以太阳能作为能源。每个路灯均是独立的，安装方便，无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费，采用直流供电，光控定时控制，安全可靠、节能、经济、环保，实用。

1 太阳能电池板与蓄电池的选取
1．1 太阳能电池板选取
    目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率约为15％，最高达到24％，是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，技术也最为成熟。使用寿命一般可达15 a，最高可达25 a。多晶硅太阳能电池比单晶硅太阳能电池的光电转换效率要降低不少，其光电转换效率约12％，同时多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。非晶硅薄膜太阳能电池光电转换效率偏低，目前国际先进水平约为10％，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减，直接影响了其实际应用。所以目前多采用单晶硅太阳能电池。
    根据太阳能辐射原理，太阳能电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度、海拔、大气的污染程度或透明程度、一年当中四季的变化、一天时间的变化、到达地面的太阳辐射值、散分量的比例、地表面的反射系数、太阳能电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳能电池方阵表面的清洁程度等。太阳能照明系统充放电效率取0．75。太阳能电池组件组失修正系数取0．95，灰尘遮挡及其他损失修正系数取0．90。经过查询资料和单位换算及简化处理后，可得到太阳能电池总用量P的计算公式
  
式中，QL为负载日功耗(Wh)；HL为水平面年平均日辐射量(KJ／(m2·d))；Kop为斜面辐射最佳辐射系数；A为安全系数，一般取1.1～1.3。
1．2 蓄电池的选取
    蓄电池的容量要根据太阳能电池板的功率和LED路灯的功率以及照明时间来决定，蓄电池应与太阳能电池、LED路灯相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须高出负载功率4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20％～30％，才能保证给蓄电池正常蓄电。因此，蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
    蓄电池的容量Bc的计算公式：
    
    式中，PL为日平均耗电量，D为阴雨天数，Kb为安全系数，1.1～1.4(包括了温度修正系数To=O℃上为1，-10℃上为1.1，-lO℃下为1.2，放电深度cc=O．75)，V为工作电压。
    根据式(2)可以估算出蓄电池的容量，同时蓄电池的充电效率的高低取决于充电的方式。根据系统要求和对各种指标的核定，这里选用12 V 100 Ah阀控密封式铅酸蓄电池。

2 太阳能控制器硬件设计
    太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是控制太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制设备。能自动防止蓄电池过充电和过放电。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。
    本文设计的充电控制器用ATmegal28单片机作为主控器件，检测太阳能电池板的输出电压，选择适合的DC／DC支路，检测蓄电池的电压值，根据蓄电池的电荷状态，选择合适的充电方式，为蓄电池提供过充电、过放电保护。

    图1为采用斩波式PWM充电原理图，检测蓄电池的充电端电压，将检测得到的蓄电池端电压与给定点电压比较。若蓄电池的电压小于给定电压，斩波器全通，迅速给蓄电池充电；若大于给定电压，则根据比例调整功率管的占空比，充电进入慢充阶段，改善充电特性，最后进入涓流充电，防止过充。
    AVRl28单片机(PB4)给出充电的控制信号，即PB4=1，NPN型0805的三极管导通，此时集电极接地，使得IRF4905栅源电压钳位在-1O V，IRF4905管导通，太阳能电池板向蓄电池充电；反之，NPN型0805三极管截止Vcs=0 V，IRF4905管断开，太阳电池板不能向蓄电池充电。
    ATmegal28内置10位的逐次逼近型A／D转换器。A／D转换器与8通道的模拟多路复用器连接，采样端口F的8路单端输入电压。蓄电池正极与单片机PF1引脚相接，当电压低到10V，单片机自动检测到并作出相应处理，如图2所示。

3 LED的选择
    按目前市场产品的输入功率对LED分类．其中输入功率为几十mW的，称为传统的小功率芯片；其输入功率小于1 W的，为功率LED；输入功率等于1 W或大于1 W的，则为W级功率(大功率)LED。目前大功率比较常见的有1，3，5，8，1OW。已批量应用的有1 W和3 W LED，并正朝大电流(300 mA～1．4 A)、高效率(60～1 204 lm／W)、亮度可调的方向发展。大功率LED路灯采用单颗功率大于1 W以上的LED。选用美国CREE公司的3 W LED将多个芯片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，组合成一个大功率LED单体模块，装入路灯灯具中，借此提高芯片面积，并增加发光量。
    将多个LED集中在一起设计道路照明，除足够的光通量和合理的光学设计保证合理的光分布外，更为重要的是散热问题。由于路灯具有户外夜间使用，散热面位于侧上面以及体型受限制较小等特点，有利于空气自然对流散热，所以LED路灯选择自然对流散热方式，同时整灯采用高导热系数铝作为散热主体，解决了LED的散热问瞬

4 LED组合及驱动方式
    常用的LED组合方式有3种：并联、串联和混联。
    1)并联方式 要求LED驱动器输出较大电流，负载电压较低。分配在所有LED两端电压相同，当LED的一致性差别较大时，通过每颗LED电流不一致，其亮度也不同。
    2)串联方式 要求LED驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时，分配在不同的LED两端电压不同，通过每颗LED的电流相同，LED的基本亮度一致。
    3)混联方式 在需要使用比较多LED时，如果将所有LED串联，将需要LED驱动器输出较高的电压；如果将所有LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。将所有LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动器的成本也会大增。混联方式的LED数量平均分配，分配在一串LED上的电压相同，通过同一串每颗IED上的电流也基本相同，LED亮度一致。同时通过每串LED的电流也相近。
    通过以上分析，大功率LED应用于照明领域，由于LED的电流、电压参数具有典型的PN结伏安特性，其正向压降的微小变化会引起较大的正向电流变化。不稳定的工作电流会影响LED的寿命和光衰。所以大功率LED的亮度完全是由电流控制的，驱动电路必须提供恒定的电流。
    在驱动电路中选用大功率LED驱动器XLT604驱动LED。XLT604是采用BICMOS工艺设计的PWM高效LED驱动控制器，它在输入电压7～450 VDC范围内能有效驱动高亮LED。该驱动器能以高达300 kHz的固定频率驱动外部MOSFET，其频率可由外部电阻编程决定。外部高亮LED串可采用恒流方式控制，以保持恒定亮度并增强LED的可靠性，其恒流值由外部取样电阻值决定，变化范围为几mA～1 A。XLT604驱动的LED可通过外部控制电压线性调节亮度，亦可通过外部低频PWM方式调节LED串的亮度，所以根据太阳能LED路灯设计实际需要，选择LED混联方式，并选用XLT604驱动器设计驱动电路来驱动LED，如图3所示。

    XLT604各引脚主要功能有：LD为线性输入调光端；ROSC为振荡电阻接入段；CS为LED电流采样输入端；GND为芯片地；GATE为驱动外部MOSFET栅极；VDD为芯片电源；PWM为PWM输入调光端，兼作使能端。

5 太阳能30W LED路灯系统设计
    太原地区年日照总时数为2360～2796 h。年太阳辐射总量为5 442．8～5652．18 MJ／m2，峰值日照时数为4．832 053 2，属全国高照率范畴，因此，太原地区具有良好的太阳能利用条件。下面以太原地区30 W LED路灯系统为例进行说明：
    1)确定当地气象地理条件  经过资料查询太原地区：纬度：北纬37°27'～38°25’，经度：东经111°30’～113°09’海拔：800 m，
最长阴雨天：7 d
    2)负载日耗量的确定  照明路灯功率30 W，每天连续工作时间lO h，因此，每日耗电
    3)倾角的确定  太原地区倾角选38°，太阳能电池板最佳倾角：38°+5°=43°，因此，太阳能电池板面向正南。
    4)太阳能电池总能量的计算  通过资料查询，得知太原地区Kop=1．1，从当地的纬度、经度、海拔，和当地气象部门公布的数据：太原地区日平均太阳辐射量为15 MJ／(m2·d)，因此水平面年平均日辐射量HL=15 000 KJ／(m2·d)。
    
    太阳能电池选用组件参数：工作电压为17．2 V，工作电流为3．49 A，开路电压为21．6 V，短路电流为3．9 A，峰值功率为60 Wp。选用峰值功率为60 Wp的太阳能电池板，所用太阳能电池组件共2块，太阳能电池设计12 V蓄电池充电。
    5)蓄电池的容量Bc的计算
    可用式(5)计算蓄电池的容量Bc：
    
    因此选用两组12 V 100 Ah阀控密封式铅酸蓄电池即可。
    目前大功率LED路灯基本是采用5 000 K左右所在色温的白光。作为道路照明光源，视觉感过分阴冷，同时远视时观察能力会下降，选用3 000 K左右的暖白光是比较适合道路照明的。同时还要考虑到电池组件支架的抗风设计和灯杆的抗风设计，LED路灯的工作电压一般为12 V或24 V，属于安全电压，不做电气保护接地。但LED路灯金属灯杆应做防雷接地，接地电阻不大于10 Ω。

6 结论
    太阳能LED路灯照明系统是自然能源太阳能与环保光源LED的完美结合，其发展前景极其广阔。但是，太阳能LED路灯在实际的应用中还存在很多问题。包括：1)集中管理的问题；2)太阳能电池寿命、蓄电池寿命以及其他的控制元器件寿命往往低于LED寿命的问题；3)一般安装高度比较高的太阳能电池的重量带来对灯杆设计的防风能力提高的问题。这些问题都是太阳能LED路灯照明需要进一步解决的。