1、太陽能LED路燈畢業論文 課題名稱：_太陽能LED路燈的設計 系 部：_ 專 業：_ 姓 名：_ 學 號：_ 指導教師：_摘要近年來能源及與之相關的環境成為全世界各國最為關注的熱點，各國都在從自己本國的國情出發來解決能源與環境問題。對我國來說，由于人均能源資源短缺（尤其是油、氣、水），環境容量（亦是資源）有限，西部生態脆弱，這個問題尤為嚴重，它將極大的制約我國的可持續發展以及為中華民族子孫萬代生生息息留有生存空間。從某種意義上講，人類社會的發展離不開優質能源的出現和先進能源技術的使用。在當今世界，能源的發展，能源和環境，是全世界、全人類共同關心的問題，也是我國社會經濟發展的重要問題。近年來，我

2、國GDP每年以10%的速度發展，能源消耗急驟增加，環境、生態日益惡化。這種對自然無序的、掠奪性索取的發展模式已難以為繼，實際上已造成當前十分嚴重的、不可逆轉的后果，大自然的懲罰已經不斷地凸現出來，并還要繼續加重。在這樣的嚴峻形勢下，節能成為了社會生活的主題。  本文設計了一種具有時控和光控相結合的太陽能路燈控制器，利用光敏電阻實現光電控制。傍晚光線暗時控制器自動接通路燈電源，深夜行人少時根據設置的時間熄滅路燈，早上再自動接通電源點亮路燈、天亮后自動關斷。關鍵詞控制器 蓄電池充放電控制 太陽能電池；LED；鉛酸蓄電池；時控、光控電路；目 錄第1章 引言3第二章 方案論證52.1 設計要

3、求.52.2 方案選擇5第3章 系統總體框圖6第四章 系統硬件.64.1 太陽能電池板.64.2 太陽能電池的基本特性74.3 蓄電池.8 4.4太陽能控制器介紹.84.5 照明負載104.6 蓄電池和太陽能板選用114.7過充過放電路12 第五章 太陽能路燈系統設計13 5.1設計要求.13 5.2設計原理.13致謝14 結束語.14參考文獻15第一章 引言面對人類的可持續發展，從現有常規能源向清潔、可再生的新能源過渡已提到議事上來了。因為新能源是依托高新技術的發展，開辟持久可再生能源的道路，以滿足人類不斷增長的能源需求，并保護地球的潔凈。利用太陽能發電，既不需要燃料，也沒有煙塵和灰渣，不污

4、染環境，非常清潔。特別是太陽能電池組件，使用壽命可達20年以上，性能穩定，同時維護費用較低。太陽輻射能是取之不盡、用之不竭的,是人類能夠自由利用的能源。在世界能源短缺、環境污染日益嚴重的今天，充分開發利用太陽能是世界各國政府可持續發展的能源戰略決策。與傳統的照明工具相比，超高亮白光LED照明源體積小、重量輕、方向性好并可耐各種惡劣條件，在功耗、壽命以及環保等方面有不可比擬的優越性，再加上太陽能燈具的節能性和安裝簡便，所以凡有工頻交流電燈具的地方，LED燈具的觸角就會到達。21世紀將是以固體發光材料為核心的，即以LED為代表的新型光源、綠色照明的世紀。今后。隨著各國政府的高度重視和加大投入，LE

5、D必將成為本世紀極具競爭力的新型綠色環保光源而掀起一次照明領域新的革命6。太陽能道路照明燈不需要架設輸電線路或挖溝鋪設電纜，不用專人管理和控制，可安裝在廣場、停車場、高爾夫球場、校園、公園、街道和高速公路等任何地方。道路照明與人們生產生活密切相關，隨著我國城市化進程的加快，綠色、高效、長壽命的LED路燈逐漸走入人們的視野。太陽能路燈發展狀況當前國際常規能源價格不斷上漲，國內能源供應緊張，許多城市出現拉閘限電的尷尬，能源替代已上升到國家能源戰略安全的高度。太陽能作為無限可再生能源，逐步部分替代城市生產、生活常規能源已是大勢所趨。太陽能照明作為太陽能最重要的利用方式之一，也越來越受到能源行業和照明

6、行業的關注。目前中國太陽能照明技術已經比較成熟，太陽能路燈具的可靠性得到很大程度的提高， 業界先進企業的太陽能照明燈具已經達到甚至超過國家照明標準。在能源緊張、拉閘限電的城市及用電困難的邊遠地區，有著很強的可推廣性。 從長遠來看，太陽能照明系統的前景很好。人們的消費著眼點首先是實用、成本低，而目前采用的太陽能發電照明系統是根據中國國情和民情研發的，性價比較高。太陽能照明在未來十年后將會普及，成為未來照明行業發展趨勢。太陽能路燈工作原理系統由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED燈頭、控制箱（內有控制器、蓄電池）和燈桿幾部分構成；太陽能電池板光效達到127Wp/m2，效率較高，對系統的抗風設計非

7、常有利；燈頭部分以1W白光LED和1W黃光LED集成于印刷電路板上排列為一定間距的點陣作為平面發光源。控制箱箱體以不銹鋼為材質，美觀耐用；控制箱內放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統選用閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護很少，故又被稱為“免維護電池”，有利于系統維護費用的降低；充放電控制器在設計上兼顧了功能齊備（具備光控、時控、過充保護、過放保護和反接保護等）與成本控制，實現很高的性價比實現很高的性價比。第二章 方案論證2.1 設計要求（1）電池板功率的計算和選用；（2）蓄電池容量、充放電控制和充放電狀態顯示；（3）連續陰雨天三天路燈仍能照明；(4）光線暗時路燈自動點亮，為節省電能晚上24

8、點熄滅，早上5點路燈點亮，早上光線強時路燈自動熄滅（開關燈時間點可調）；（5）系統斷電時可以保存用戶所設定的各種參數。2.2 方案選擇太陽能路燈跟普通路燈控制電路功能基本一樣，都是為了完成晚上亮燈，早晨熄燈的作用,還有就是對蓄電池的充電管理。國內外常用的控制器有單獨的光控制型、時鐘控器型等，但由于其工作原理不同，各有優缺點。單獨的光控型一般采用感光探頭，當晚上光線弱時，自動開啟路燈；早上光線較強時，自動關閉路燈，達到自動控制的作用。為節省電力，早期的光控開關，使用分立半導體器件，電路復雜，元器件較多，體積也較大，并且故障率高。隨著半導體技術的發展，出現了時基集成電路。使光控開關電路簡化。感光探

9、頭是影響光控開關性能的關鍵元器件，同時對它安裝位置也有一定要求，力求避免各種干擾光線，但在實際使用中，感光探頭難以判斷各種干擾光線，經常會產生誤動作1。采用時鐘控器型的路燈控制器，要預先設定開關時間，使路燈按時亮燈、準時熄燈，從而達到自動控制的目的。優點是定時開關預先設定的開關時間不受外界干擾，除本身故障外不會產生誤動作。缺點是不能根據季節變化和特殊的天氣情況自動變換開關時間，需人工經常調整開關時間，費時費力，不利于節省電力。定時開關又分為機械鐘表型和電子鐘表型，機械鐘表型以石英鐘為主，走時精準，但是由于機芯內使用塑料齒輪在高溫下會變形，從而導致停機現象。路燈的智能控制這一課題己有研究者，但目

10、前尚未有成熟的產品上市。本設計是結合以上幾種控制方式的優點，綜合從節電、經濟和實用等方面考慮，利用定時控制和光敏電阻控制相結合的方式，實現太陽能路燈的設計。第三章 系統總體框圖太陽能LED路燈在白天通過太陽能電池組件采集太陽光的能量，并將其轉化為電能存儲起來，即向蓄電池充電，在晚上光線較暗時由蓄電池經路燈控制處理器控制，點亮LED燈用于路燈照明。 太陽能電池板充放電控制器蓄 電 池路燈控制處理器LED路燈負載圖1 總體電路方框圖根據各部分電路的功能不同，整體電路可以分為以下幾個部分，太陽能電池板組件、過充過放電控制電路、STC12C2051單片機、蓄電池、時控光控電路、照明負載和時間顯示電路。

11、系統總體方框圖如圖1所示。由太陽能電池板通過7805穩壓電路為單片機供電，并通過為蓄電池充電，當蓄電池電壓較低時其容量損耗得很快，使用壽命也會縮減，為延長蓄電池的壽命，要防止蓄電池出現過充或過放，因此本電路加的有過充過放控制電路。第四章 系統硬件4.1 太陽能電池板在新能源中，公認技術含量最高、最有發展前途的是太陽能發電。太陽能發電主要有太陽能熱發電和太陽能光發電兩種基本方式。(1) 太陽能熱發電：將吸收的太陽輻射熱能轉換成電能的裝置，可分為兩類：一類是太陽能熱電直接轉換，如溫差發電等，目前功率都很小，有的尚處于原理試驗階段；另一類是太陽能熱動力發電，是將太陽熱能通過熱機帶動發電機發電，其基本

12、構成包括集熱裝置、儲能系統、熱機和發電機等。有些國家正在研制較大功率的裝置，已達到并網發電的實際應用水平。由于太陽能熱發電技術復雜，商業應用只適合比較大的容量，因此發展不快，實際應用不多。(2) 太陽能光發電：直接將太陽的光能轉換成電能的利用方式，可分為光伏發電、光感應發電、光化學發電和光生物發電。目前應用的光伏發電，是將照射到太陽能電池上的光，產生光伏效應直接轉換成直流電能輸出，一般由太陽能電池方陣及支架、蓄電池、控制器、逆變器等部分組成。其缺點：間歇性。受氣候條件影響；能量密度低；初始投資高。迄今已有100多個國家參與太陽能光電池的開發應用。近年來，產量迅速增加生產成本開始下降7。目前光伏

13、發電主要用于三大方面：為無電場合提供電源；太陽能日用電子產品。如各類太陽能充電器、太陽能燈具等；并網發電。4.2 太陽能電池的基本特性太陽能電池陣列的伏安特性具有強烈的非線性。太陽能電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的：當日射S=l000Wm2；太陽能電池溫度T=25；大氣質量AM=1.5時，太陽能電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽能電池陣列額定功率的單位為“峰瓦”，記以“Wp”。為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。關于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術刊物上出現得不少。通過Hay模型的計算，可以得到的不

14、同傾角平面的月平均太陽輻照量變化。在不同角度傾斜面上，太陽輻照量差別較大，要為電池板選擇合適的傾角使其能獲得最大的太陽輻照量9。太陽能電池板分為單晶硅和多晶硅兩種，多晶面積較大，發電效率沒有單晶高，因此根據需要本設計采用70W單晶硅太陽能電池組件。4.3 蓄電池蓄電池組是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將方陣在有日照時發出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。目前常用的是鉛酸蓄電池，重要的場合也有用鎘鎳蓄電池，但價格較高，相對來說應用沒有前一種廣泛。蓄電池是一種化學電源，它將直流電能轉

15、變為化學能儲存起來。需要時再把化學能轉變為電能釋放出來。能量轉換過程是可逆的，前者稱為蓄電池充電，后者稱為蓄電池放電。在光伏發電系統中，蓄電池對系統產生的電能起著儲存和調節作用。由于光伏系統的功率輸出每天都在變化，在日照不足發電很少或需要維修光伏系統時。蓄電池也能夠提供相對穩定的電能12。在光伏發電系統中，蓄電池處于浮充放電狀態，夏天日照量大，方陣給蓄電池充電；冬天日照量小，這部分儲存的電能逐步放出。在這種季節性循環的基礎上還要加上小得多的日循環：白天方陣給蓄電池充電，晚上負載用電則全部由蓄電池供給。因此要求蓄電池的自放電要小，耐過充放，而且充放電效率要高，當然還要考慮價格低廉，使用方便等因素

16、。蓄電池的循環壽命主要由電池工藝結構與制造質量所決定。但是使用過程和維護工作對蓄電池壽命也有很大影響，有時是重大影響。首先，放電深度對蓄電池的循環壽命影響很大，蓄電池經常深度放電，循環壽命將縮短。其次，同一額定容量的蓄電池經常采用大電流充電和放電，對蓄電池壽命都產生影響。大電流充電，特別是過充時極板活性物質容易脫落，嚴重時使正負極板短路；大電流放電時，產生的硫酸鹽顆粒大，極板活性物質不能被充分利用，長此下去電池的實際容量將逐漸減小，這樣使用壽命也會受到影響。本電路采用鉛酸免維護蓄電池，不需專門的維護；即便傾倒電解液也不會溢出，不向空氣中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。但是對蓄電池的過充電更為敏感

17、，因此對過充保護要求高；當長時間反復過充電后，蓄電池極板易變形。4.4 太陽能控制器 太陽能控制器采用高速CPU微處理器和高精度A/D模數轉換器，是一個微機數據采集和監測控制系統。既可快速實時采集光伏系統當前的工作狀態，隨時獲得PV站的工作信息，又可詳細積累PV站的歷史數據，為評估PV系統設計的合理性及檢驗系統部件質量的可靠性提供了準確而充分的依據。此外，太陽能控制器還具有串行通信數據傳輸功能，可將多個光伏系統子站進行集中管理和遠距離控制。 太陽能控制器通常有6個標稱電壓等級：12V、24V、48V、110V、220V、600V . 太陽能控制器的選擇退出保護電壓一些客戶經常發現，太陽能路燈在

18、亮了一段時間后，尤其是連續陰雨天之后，路燈就會連續幾天甚至很多天不亮，檢測蓄電池電壓也正常，控制器、燈也都沒有故障。 這個問題曾經讓很多工程商疑惑，其實這個是“退出欠壓保護”的電壓值的問題，這個值設置的越高，在欠壓后的恢復時間越長，也就造成了很多天都無法亮燈。 LED燈恒電流輸出LED由于自身的特性，必須要通過技術手段對其進行恒流或限流，否則無法正常使用。常見的LED燈都是通過另加一個驅動電源來實現對LED燈的恒流，但是這個驅動卻占到整個燈總功率的10-20左右，比如一個理論值42W的LED燈，加上驅動后實際功率可能在46-50W左右。在計算電池板功率和蓄電池容量的時候，必須多加1020來滿足

19、驅動所造成的功耗。除此以外，多加了驅動就多了一個產生故障的環節。工業版控制器通過軟件進行無功耗恒流，穩定性高，降低了整體功耗。 輸出時段普通的控制器一般只能設置開燈后4小時或者8小時等若干個小時關閉，已經無法滿足眾多客戶的需求。工業版控制器可以分成3個時段，每個時段的時間可任意設置，根據使用環境的不同，每個時段可以設置成關閉狀態。比如有些廠區或者風景區夜間無人，可以把第二個時段（深夜）關閉，或者第二、第三個時段都關閉，降低使用成本。 LED燈輸出功率調節在太陽能應用的燈具當中，LED燈是最適合通過脈寬調節來實現輸出不同的功率。限制脈寬或者限制電流的同時，對LED燈整個輸出的占空比進行調節，例如

20、單顆1W的LED 7串5并合計35W的LED燈，在夜間放電，可以將深夜和凌晨的時段分別進行功率調節，如深夜調節成15W、凌晨調節成25W，并鎖定電流，這樣即可以滿足整夜的照明，又節約了電池板、蓄電池的配置成本。經長期試驗證明，脈寬調節方式的LED燈，整燈產生的熱量要小的多，能夠延長LED的使用壽命。 有些燈廠在為了達到夜間省電的目的，把LED燈的內部做成2路電源，夜間關閉一路電源來實現輸出功率的減半，但實踐證明，此種方法只會導致一半的光源首先光衰，亮度不一致或者一路光源提早損壞。 線損補償線損補償功能目前常規的控制器很難做到，因為需要軟件設置，根據不同的線徑與線長給予自動補償。線損補償在低壓系

21、統中其實是很重要的，因為電壓較低，線損相對比較大，如果沒有相應的線損電壓補償，輸出端的電壓可能會低于輸入端很多，這樣就會造成蓄電池提前欠壓保護，蓄電池容量的實際應用率被打了折扣。值得注意的是，我們在使用低壓系統時，為了降低線損壓降，盡量不要使用太細的線纜，線纜也不要過長。 散熱很多控制器為了降低成本，沒有考慮散熱問題，這樣負載電流較大或者充電電流較大時，熱量增加，控制器的場管內阻被增大，導致充電效率大幅下降，場管過熱后使用壽命也大大降低甚至被燒毀，尤其夏季的室外環境溫度就很高，所以良好的散熱裝置應該是控制器必不可少的。 4.5照明負載LED外施電壓后在其內部會產生受激電子躍遷光輻射。按照不同半

22、導體基本材料的物理特性，所產生的光波長是不同的。發光二極管的實質性結構是PN結，在半導體PN結通以正向電流時注入少數載流子，少數載流子的發光復合就是發光二極管的工作機理。半導體PN結發光實質為固體發光，而各種固體發光都是固體內不同能量狀態的電子躍遷的結果。半導體材料的發光機理決定了單一LED芯片不可能發出連續光譜的白光，必須以其它的方式合成白光。白光LED通常是在發射藍光的InGaN基材上涂熒光材料，熒光材料在受到藍光激勵時會發出黃光，藍光和黃光的混合物形成白光8。由于LED是直流供電器件，很容易制成直流燈具，廣泛應用于直流系統，如太陽能燈具產品。超高亮白光LED應用于太陽能燈具，單個束光型超

23、高亮度LED發光管其產生的光線方向性太強，綜合視覺效果較差，因此應首選平光型超高亮LED或平光型與束光型超高亮LED組合使用，將多個LED集中于一起，排列組合成一定規則的LED發光源。超高亮白光LED發光源既要保證有一定的照射強度，又要使其具有較高的光效，然而電流的增大，光通量雖然增大，但是，另一方面電流的增加會引起光源熱損耗的增加，通常導致管溫的增加，其綜合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合點為最佳工作點，一般為17.5mA 。超高亮白光LED發光源具有如下優點 ：(1)壽命長。LED的壽命長達100000h，而白熾燈的壽命一般不超過2000 h，熒光燈的壽命也不過5000 h左右。(

24、2)效率高。相對于傳統的第一代照明光源白熾燈，LED的功耗只有前者的1020。(3)綠色環保。與廣泛使用的第二代照明熒光燈相比，LED不含汞、無頻閃，是一種環保光源。(4)耐低溫。環境使用溫度在一4080 ，環境適應性非常強7。這種電路的關鍵是針對蓄電池的充放電特性設計一個比較好的電壓比較點，再加上發光二極管構成的充放電狀態指示電路，便成了一個具有實用功能的智能控制器，具有防蓄電池過放電、過充電功能。在太陽輻照不足的幾個月，由于蓄電池的充電狀態通常較低，使蓄電池放電時端電壓也較低，這樣負載工作電流較小、功率小，系統也能夠工作更長的時間。反之在太陽輻照比較充足時，負載工作電流較大、功率大、也更亮

25、。太陽能LED發光源：在太陽能LED燈具中，發光源所用的LED數量，從1個到上千個不等，一定數量的LED組成一個發光源時，其排列和組合是一個非常重要的關鍵點。即不同的排列和組合對整體的亮度都有影響。在LED排列組合上依據光學原理及數學推導建立數學模型，最有效地發揮超高亮白光LED的發光效率，并使得單位面積LED的數量少以降低成本。本設計采用的單個高亮管的正常工作電壓3.3V，共采用28個1W高亮管，每7個高亮管串聯成一組，共四組并連在電路中，這樣也可以減少當電路中的某一個高亮管出現故障時對其他高亮管的影響，由于高亮管的直射效果好，所以燈具的體積要盡量小一些，這樣可以使高亮管的照射范圍更大一些，

26、高亮管盡量選用照射角度大一些的高亮管。4.6 蓄電池和太陽能板的選用泰安地區安裝在太陽能路燈。路燈的工作電壓為12V /15W,由于路燈一天要工作8個小時左右,考慮連續陰天3天情況下系統的供電,泰安地區日照數3小時。且按80%的放電率計算,求組件選用的功率以及蓄電池的容量：組件功率：(15W×8H)/3×1.560W3-日照數，在當地氣象局都可查詢到8-照明時間1.5-損耗系數電池容量： Qx=(15W×8H）/12V×（31）×1.8=72AH式中:Qx蓄電池容量;8蓄電池放電時間;1.8-損耗系數連續陰雨天3天，考慮當天夜間已放電一天，故按

27、3+1天計算應選用組件功率60W和72Ah免維護蓄電池。太陽能LED燈具的具體技術指標如表1所示：表1 太陽能LED燈具的主要性能指標太陽能電池60W ，12 VLED發光源28只LED、每只1 W 工作溫度-40 +80過充保護電壓12 V(25C)過放保護電壓10 V蓄電池12 V,72Ah照明時間天黑后，光控自動啟動電光轉換功能，使路燈點亮；在深夜時控（時間點可調）自動使路燈熄滅；早晨時控（時間點可調）自動使路燈點亮；天亮后光控自動恢復到光電轉換模式陰雨天保證時間保證連續3個陰雨天正常工作4.7 過充、過放控制電路 過充控制，就是在蓄電池處于過充狀態時斷開充電電路，過放控制電路就是在蓄電

28、池處于過放狀態時斷開放電電路。過充、過放控制都是為了保護蓄電池，延長蓄電池的使用壽命。過充、過放控制電路如圖4。過充、過放判斷的依據主要是蓄電池電壓的高低，其工作原理如下：過充控制電路中將繼電器J1的開關串聯在充電電路中，當白天有太陽光時處于正常充電狀態時，由太陽能板吸熱經繼電器開關常閉點向蓄電池充電，當蓄電池的電壓高于26V時，認為蓄電池處于過充狀態，U1A“-”端電壓高于“+”端電壓時U1A輸出“-”，低電平，使Q1截止，同時Q2導通，繼電器線圈J1通電，則繼電器常閉點斷開，常開點閉合，充電電路斷開過充指示燈亮，停止向蓄電池充電，達到過充保護功能。圖4 過充過放控制電路過放控制電路中將繼電

29、器J2的開關串聯在放電電路中，當處于正常放電狀態時，放電電路正常工作。在晚上由蓄電池向負載供電時，當蓄電池的電壓低于22V時，認為蓄電池處于過放狀態，此時U1B“+”端電壓低于其“-”端電壓時，U1B輸出“-”低電平，使Q3截止，同時Q4導通，繼電器線圈J2通電，繼電器開關由常閉點轉到常開點，放電電路就斷開，過放指示燈亮停止向負載供電。達到過放保護功能。 太陽能路燈系統設計5.1 設計要求一個設計得好的太陽能路燈系統，其設計標準為：1、 能穩定、可靠的給計劃負載（燈源）供電；2、 根據使用地的地理位置、輻射條件選擇好方陣的最佳傾角，以使太陽能電池板獲得最佳的輻射度，并在一年中有時間上的均勻性；

30、3、 太陽能電池方陣和蓄電池的選配是優化經濟的；4、 系統的整體設計安全可靠。5、 盡延長提高蓄電池壽命。5.2 設計原理太陽能路燈系統的設計包括兩個方面：容量設計和硬件設計。太陽能路燈系統容量設計的主要目的就是要計算出系統在全年內能夠可靠工作所需的太陽電池組件和蓄電池的容量。同時要注意協調系統工作的最大可靠性和系統成本兩者之間的關系，在滿足系統工作的最大可靠性基礎上盡量地減少系統成本。太陽能路燈系統硬件設計的主要目的是根據實際情況選擇合適的硬件設備包括太陽電池組件的選型，支架設計，電纜的選擇，控制系統的設計、防雷設計、照明和照度設計等。在進行系統設計的時候需要綜合考慮系統的軟件和硬件兩個方面。在進行太陽能路燈系統的設計之前，需要了解并獲取一些進行計算和選擇必需的基本數據：太陽能路燈系統現場的地理位置，包括地點、緯度、經度和海拔；該地區的氣象資料等。太陽能路燈系統軟件設計的內容包括負載用電量的估算，太陽電池組件數量和蓄電池容量的計算以及太陽電池組件安裝最佳傾角的計算。因為太陽