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太阳能LED路灯系统设计

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2020年4月19日
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太阳能LED路灯系统设计
物理学 陈世雄 1711209
摘要 太阳能LED路灯以太阳光为能源，白天充电晚上使用，无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费免维护。

关键词 太阳能电池 LED光源 控制器 蓄电池

Abstract Solar LED street light sunlight for energy, charging use at night during the day, without complex and expensive pipeline laid, can be arbitrary adjust the layout of the lamps and lanterns, safety and energy saving no pollution, no artificial work stable and reliable operation, saving electricity maintenance free.

Keywords: solar cell LED light source control Lead acid battery

引言 随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种"取之不尽、用之不竭"的安全、环保新能源越来越受重视。同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。
1. LED太阳能路灯的应用现状与发展前景
随着现代化城市建设水平的日益提高，城市照明用电量急剧增高，节约用电与用电设备和工程的研究与应用已成为对应能源危机的当务之急。将太阳能作为再生电能源和采用电子LED器件作为光源就成为了城市照明所研究的主题，LED在太阳能路灯中的应用有着日趋强劲的势态，越来越显示出巨大的发展前景。
LED是light Emitting Diode的英文缩写，即发光二极管，是一种半导体器件，具有寿命仪表面板扳和音响等设备的指示灯，以及汽车的尾灯照明和车体的彩灯装饰中。另外，LED还有着两个突出的优点：一是产生的光谱中没有紫外线和红外线，没有幅射，其废弃物可回收，不会造成污染，极具环保效益；二是LED的亮度可控制、耗能低，极具节能效果；因此，LED属于典型的绿色照明光源，必将代替传统的白炽灯和荧光灯。必然成为自爱迪生于1879年创造白炽灯100多年以来照明技术的又一次革命。
一套基本的LED太阳能路灯包括太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池和LED。LED是单向导电性能的电子器件，在电压下工作，利用太阳能电源能够用最简单的方式供电给LED进行工作。太阳能电源与高亮度LED的完美结合，当然应该是照明产品设计和生产的最佳选择。另外，LED寿命长，正常使用寿命在50000小时以上，远大于常见的节能灯寿命，可减小维护路灯的费用和人力；作为电子器件LED自身耗能很小，太阳能电池功率选用可比其它同功率灯要小，更经济实惠，由此可见太阳能LED路灯的发展前景极其远大。
2.系统的基本组成
太阳能路灯有以下几个部分组成：太阳能电池板、LED光源、控制器、蓄电池组等。
太阳能电池组件一般选用单晶硅或者多晶硅太阳能电池组件；LED灯头一般选用大功率LED光源；控制器一般放置在灯杆内，具有光控、时控制、过充过放保护及反接保护，更高级的控制器更具备四季调整亮灯时间功能、半功率功能、智能充放电功能等；蓄电池一般放置于地下或则会有专门的蓄电池保温箱，可采用阀控式铅酸蓄电池、胶体蓄电池、铁铝蓄电池或者锂电池等。太阳能灯具全自动工作，不需要挖沟布线，但灯杆需要装置在预埋件（混凝土底座）上。
2.1系统设计思路
该系统用于西宁地区，系统的设计需要考虑该地区光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；
该地区的气象资料，包括近十年的逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数等特殊气象情况。
2.2 LED路灯配置方案
（1） 蓄电池容量的计算 设LED路灯的工作参数与环境参数如下：
<1>LED路灯，功率为30W，DC12V供电系统；
<2>当地日均有效光照 5.5h 小时；
<3>每日放电时间12h；
<4>连续阴雨天3天（加雨夜前一天的用电，共4天）。
蓄电池容量计算如下：
电流
蓄电池容量
考虑蓄电池充、放电预留20%容量；加20%损耗；
实际蓄电池容量
实际蓄电池为12V/180A·h。
（2） 太阳能电池板功率的计算 设LED路灯的工作参数与环境参数如下：
<1>LED路灯，功率为30W，电流为2.5A；
<2>每天放电时间为12h；
<3>太阳板预留最少20%；
<4>当地有效光照以日均 5.5h 计算；
<5>太阳能电池板的工作电压为17.4V。
太阳能电池板功率的计算如下：

太阳能电池板实际所需
实际太阳能电池板为18V/150W。
3.太阳能电池板

型号 JNGPB436150 类型 太阳能路灯
防护等级 IP65 光源类型 LED
额定功率 150W（W）电压 18（V）
日照时间 3.5（h）外形尺寸 1480X670X40mm（mm）
寿命 20年（h） 用途 路灯专用

太阳能电池板
开路电压 (Voc): 21.3 v
工作电压(Vmp): 17.4 v
短路电流 (Isc): 8.9 A
工作电流(Imp): 8.3 A
电池板功率(Pmax): 150 W
4. LED光源
(1) LED点光源是指以LED作为发光体的点光源，LED属于人造电光源之一。参见“点光源”。
(2) 主要特点
<1>体积小
LED光源与传统光源相比体积小、重量轻，能够制作成各种形状的器件，便于各种灯具和设备的布置与设计，适应性强，适用范围广。
<2>环保性能好
由于LED光源在生产过程中无需添加金属汞，因此LED废弃后，不会造成汞污染，且其废弃物几乎能够全部回收利用，不但节约了资源，还保护了环境。
<3>安全稳定
LED光源使用低压直流电就能够驱动，一般供电电压在6~24V之间，因此安全性能比较好，特别适用于公共场所。另外在外界环境较好的条件下，LED光源比传统光源的光衰小、寿命长，即使频繁开关，也不影响其使用寿命。
<4>抗震、抗冲击性能好
LED光源的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，在结构上没有玻璃外壳，不需要像白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽成真空或冲入特定气体。因此，LED光源的抗震、抗冲击性能良好，给其生产、运输、使用各环节带来了便利。
<5>指向性强
与传统光源相比，LED光源发出的光线是定向的，从LED发出的大部分光线能直接射向被照面，利用率远高于传统光源。
<6>响应时间快
白炽灯的响应时间为毫秒级，LED光源的响应时间则为纳秒级。因此，广泛应用于交通信号及汽车信号灯领域。
<7>发光效率较高
随着LED照明技术的发展，LED光源的发光效率已经由原来的不到10lm/W提高到100lm/W以上，且其发光效率仍有较大提高的潜力。
<8>光色丰富
LED光源经过改变电流、化学修饰、单色光混合等方法，能够实现可见光波段各种颜色的发光和变色，即使对于白光LED也能够制作成各种色温的光源。因此，在室内装饰照明和景观照明中具有明显的优势。
<9>无闪烁、无紫外线
LED光源采用的是直流供电，发光稳定不闪烁，且光谱主要集中在可见光区域，基本无紫外线或红外线辐射的干扰，从而能够避免频闪效应带来的不利影响，提高人眼舒适性。
<10>亮度可调性好
根据LED光源的发光原理，LED的发光亮度或输出光通量基本随电流正向变化。而其工作电流在额定范围内可大可小，具有良好的可调性，为LED光源实现按需照明、亮度无级控制奠定了基础。
正是因为LED光源具有以上传统光源无法比拟的优势，因此LED光源成为各国照明事业发展的重点和方向。传统光源。

5.太阳能控制器

（1）太阳能路灯控制器参数
自动系统电压 12V/24V AUTO
工作环境温度 -25℃~+55℃
额定充电电流 10A
额定负载电流 10A
过载、短路保护 1.25倍额定电流60秒.1.5倍额定电流5秒时过载保护动作.
空载电流       ≤6mA
　 过压保护       17V(12V),34V(24V)
工作温度       -35℃至+55℃
　强充电压       14.6V(12V)  29.2V(24V)（维持充电时间10分钟）仅当出现过放电时调用
　均衡充电压   14.4V(12V)  28.8V(24V)（维持充电时间10分钟）
　浮充电压       13.6V(12V)  27.2V(24V)
　充电恢复电压 13.2 V(12V)  26.4V(24V)
温度补偿       -5mv/℃/2V
蓄电池低压保护   11V(12V)  22V(24V)
负载恢复工作电压       12.6V(12V)  25.2V(24V)
控制方式     充电为PWM脉宽调制
控制器采用工程塑料、铝合金基底，具有更加的散热性能，延长自身使用时间。
外壳尺寸 140×90×28mm
安装孔尺寸：133.5 X 70(mm)
（2）太阳能路灯控制器功能
<1> 适用于太阳能路灯系统，自动判断环境亮度，具备准确合理的开关灯时间
<2>使用国外纳瓦技术的先进微处理器，实现智能控制、具有更稳定的性能，uA级的工作电流具有极低自身功耗，节约电能。
<3>自动电压适应12v/24v系统
<4>蓄电池过充、过放、短路保护，控制器将关闭负载，停止供电，根据需要进行恢复性充电。
<5>　具有电池和太阳能板极性的防反接保护功能，经过场效应管控制杜绝蓄电池对电池板的反向放电防止蓄电池容量损耗。
<6>负载过载以及短路保护经过软件快速感应，更好的保护不损坏任何部件不烧保险丝；
<7>智能高效PWM充电模式，具有强充、均衡充、浮充三种充电方式，同时具有高精度温度补偿功能。
<8>一路负载输出，具有纯光控模式；光控加单时段控制模式，满足客户对路灯系统的个性化需求
<9>具有直流输出或者1hz频闪输出选择，频闪输出适用于LED交通警示灯等
<10>　直观的三个LED状态指示灯能够清楚了解太阳能充电状态，蓄电池状态，负载状态<11>采用数字LED显示模式指示灯能够清楚了解当前工作模式，一键式操作完成所有设置，使用方便直观。
6.蓄电池

品牌：尚立
型号：180AH
化学类型：铅酸蓄电池
电压：12（V）
类型：储能用蓄电池
荷电状态：免维护蓄电池
电池盖和排气拴结构：阀控式密闭蓄电池
额定容量：180
外型尺寸：522*240*219/228（mm）
产品认证：ce
适用范围：太阳能蓄电池

(1) 使用条件及环境
<1>充电电流（浮充使用）;0.15CA以下；
<2>放电电流：0.05--3CA；
<3>环境温度：0--40℃（适宜温度25℃）；
<4>充电电压：12V电池推荐值。

7. 结束语
太阳能LED路灯以太阳光为能源，白天充电晚上使用，无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费免维护，太阳能光伏板与LED光源相结合，为客户实现最佳性价比和高可靠性。