太阳能大功率LED路灯的设计浅析

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 是Light Emitting Diode(发光二极管)的缩写， 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0-100%调光功能等突出优点， 被认为是新一代的绿色照明器具。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。

本文以实际应用为目的，对太阳能电池功率的选取原则及与蓄电池容量的匹配方法进行简单介绍，对LED 在芯片功率选取、组合方式和驱动方式等方面进行分析配置， 设计满足太原地区道路照明使用要求的太阳能LED路灯。

太阳能电池板与蓄电池的选取

1 、太阳能电池板选取

目前硅系太阳能电池分为：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到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 年，最高可达25 年。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%左右，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，目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减，直接影响了它的实际应用。所以目前太阳能电池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直、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，灰尘遮挡及其它损失修正系数取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(Wp)的计算公式[1]

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A=1.1～1.3。

蓄电池选取

由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作，蓄电池容量的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，同时还要能够存储满足连续阴雨天(七天)夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。目前，与太阳能光伏电池相配套常使用的是阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，性能可靠，故又被称为“免维护电池”，有着其他蓄电池所无法比拟的优越性。

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比负载功率高出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。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 的计算可用下公式计算：

Bc=(PL*10*D)/(Kb*V)

式中：PL—日平均耗电量

D—阴雨天数

Kb—安全系数=1.1-1.4(包括了温度修正系数To= 0 度上为1，-10 上为1.1，-10 下为1.2，放电深度cc=0.75)

V—工作电压

根据上式就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。对蓄电池充电，通常采用的方法是在初期、中期快速充电，恢复蓄电池的容量;在充电末期采用小电流长期补充电池因自放电而损失的电量，在电池达到状态后，采用PWM(脉冲宽度调制)充电方式充电，以提高太阳能的转换效率及保证蓄电池的充电效果。蓄电池放电过程初期电压下降较快;中期电压缓慢下降且延续较长的时间;在放电末期，放电电压急剧下降，此时立即停止放电，否则将会给蓄电池照成不可逆转的损坏。在蓄电池的充放电过程中，除了设置合适的充放电阈值外，还需要对充放电阈值进行适当的温度补偿，并进行必要的过充电和过放电保护。根据系统要求和对各种指标的核定，选用12V/100Ah阀控密封式铅酸蓄电池。

LED 芯片选择

按目前市场产品的输入功率进行分类，其输入功率为几十个mW 的LED，称为传统的小功率芯片;其输入功率小于1W 的LED，叫做功率LED;对于输入功率等于1W 或大于1W 的LED，则叫做W 级功率(大功率)LED。目前大功率比较常见的有1W、3W、5W、8W、10W。已大批量应用的有1W 和3W LED，其正朝着大电流(300mA～1.4A)、高效率(60～120lm/W)、亮度可调的方向发展[3]。大功率LED 路灯采用单颗功率大于1 瓦以上的LED芯片。将多个LED 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，藉由提高芯片面积来增加发光量。

将多个LED 集中在一起进行道路照明设计时、除足够的光通量和合理的光学设计以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有利于空气自然对流散热的优点，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 的散热问题。

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。

并联方式：要求LED驱动器输出较大的电流，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，而通过每颗LED 的电流不一致，LED 的亮度也不同。

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。

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LED 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。

在驱动电路中我们选用大功率LED驱动芯片XLT604驱动LED，XLT604是采用BICMOS工艺设计的PWM高效LED驱动控制芯片。它在输入电压从7VDC到450VDC范围内能有效驱动高亮LED。该芯片能以高达300KHz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，变化范围从几毫安到1安培。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驱动芯片进行驱动电路设计对LED进行驱动。

太原地区太阳能LED 路灯设计(路灯为30w 系统)

太原地区年日照总时数为2360 小时～2796 小时。年太阳辐射总量为5442.8 兆焦耳/平方米～5652.18 兆焦耳/平方米，峰值日照时数4.8320532，属全国高照率范畴。具有良好的太阳能利用条件。

以太原地区30wLED 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：800m

最长阴雨天：7 天

(2)负载日耗量的确定

照明路灯功率30w，每天连续工作时间10 小时，因此，每日耗电为：QL=30w×10h=300Wh

(3)经过资料查询，太原地区倾角选38°，最佳倾角：38° 10°=48°，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、经度和海拔，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15MJ/m2d，因此水平面年平均日辐射量：HL=15000KJ/m2dP=5618×A×QL/(Kop×HL)=5618×1.1×300/(1.1×15000)=112WP

太阳能电池选用组件：

工作电压：17.2V

工作电流：3.49A

开路电压：21.6V

短路电流：3.9A

峰值功率：60Wp，

选用峰值功率为60Wp 的太阳能电池板，所用太阳能电池组件共计为2 块，太阳能电池设计为12V 蓄电池充电。

(5)蓄电池的容量Bc 的计算可用下公式计算：

Bc=(30W*10*7)/(1.1*12)=159 Ah

因此选用两组12V100Ah 阀控密封式铅酸蓄电池即可。

(6)目前大功率LED路灯基本上是采用5000K 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3000K 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12V 或24V，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 欧姆。

结论

本文对太原地区的太阳能大功率LED 路灯的实现和应用进行了简要的介绍和分析。太阳能LED 路灯在实际的应用中还存在很多问题，包括：第一，集中管理的问题，如果不使用电气线路，就很难实现对路灯来说比较重要的集中管理和远程监控，第二，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都低于LED 寿命的问题，要实现整个系统长寿命的工作还需要解决很多问题，同样也会产生比较高的维护成本;第三，一般安装高度比较高的太阳能电池的重量问题带来对灯杆设计的防风能力提高也会带来成本的提高，等等这些问题都是太阳能LED 路灯照明目前从根本上无法解决的问题。所以，太阳能大功率LED路灯的应用还有很长的路要走。