LED太阳能草坪灯工程技术应用4435.docx

LED太太阳能草草坪灯工程技技术应用用一、LEED太阳阳能照明明的发展展趋势太阳能作作为一种种新兴的的绿色能能源，以以其无可可比拟的的优势得得到迅速速的推广广应用。作作为第四四代新光光源，在在城市亮亮化美化化、道路路照明、庭庭院照明明、室内内照明以以及其他他各领域域的照明明和应用用中得到到了有效效的利用用。尤其其是在偏偏远无电电地区，太太阳能照照明灯具具更具有有广泛的的应用前前景。 一般人人认为，节节能灯可可节能44/5是是伟大的的创举，但但LEDD比节能能灯还要要节能11/4，这这是固体体光源伟伟大的革革新。除除此之外外，LEED还具具有光线线质量高高，基本本上无辐辐射，可可靠耐用用，维护护费用极极为低廉廉等优势势，属于于典型的的绿色照照明光源源。超高高亮LEED的研研制成功功，大大大地降低低了太阳阳能灯具具使用成成本，使使之达到到或接近近工频交交流电照照明系统统初装的的成本报报价，并并且具有有保护环环境、安安装简便便、操作作安全、经经济节能能等优点点。由于于LEDD具有的的光效率率高，发发热量低低等优势势，已经经越来越越多地应应用在照照明领域域，并呈呈现出取取代传统统照明光光源的趋趋势。 在我国国西部，非非主干道道太阳能能路灯、太太阳能庭庭院灯渐渐成规模模。随着着太阳能能灯具的的大力发发展，“绿色照照明”必将会会成为一一种趋势势。而LLED太太阳能草草坪灯作作为其中中的一个个代表，也也将得到到大力的的推广和和应用，本本文主要要介绍它它的一些些知识，希希望能给给大家一一些启发发。二、LEED太阳阳能草坪坪灯简介介LED太太阳能草草坪灯是是一种集集节能环环保、照照明与美美化环境境为一体体的新型型的绿色色能源景景观照明明灯具。太太阳能草草坪灯节节能、环环保、安安全、美美观。该该太阳能能草坪灯灯采用高高效率单单晶硅太太阳能电电池组件件，白天天可将太太阳光光光能转换换成电能能储存于于蓄电池池，夜晚晚天黑后后则自动动点亮灯灯管照明明，广泛泛适用于于公园草草坪、花花园别墅墅、广场场绿地、旅旅游景点点、度假假村、高高尔夫球球场、企企业工厂厂绿地亮亮化美化化、住宅宅小区绿绿地照明明、各种种绿化带带等的景景观点缀缀、景观观照明。太太阳能系系列草坪坪灯主要要用来亮亮化点缀缀照明，采采用高亮亮度LEED发光光二极管管设计，具具有亮度度高、安安装简便便、工作作可靠、不不敷设电电缆、不不消耗常常规能源源、使用用寿命长长等优点点。太阳阳能草坪坪灯光源源及电源源系统设设计方法法由于太太阳能草草坪灯独独特的优优点，近近年来得得到迅速速发展。草草坪灯功功率小，主主要以装装饰为目目的，对对可移动动性要求求高，电电路铺设设困难，防防水要求求高的场场地适用用。这些些使得由由太阳电电池供电电的草坪坪灯显示示出许多多前所未未有的优优势。三、LEED太阳阳能草坪坪灯的定定义及结结构组成成太阳能草草坪灯主主要利用用太阳能能电池的的能源来来进行工工作，当当白天太太阳光照照射在太太阳能电电池上，把把光能转转变成电电能存贮贮在蓄电电池中，再再由蓄电电池在晚晚间为草草坪灯的的LEDD（发光光二极体体）提供供电源。其其优点主主要为安安全、节节能、方方便、环环保等。适适用于住住宅社区区绿草地地美化照照明点缀缀，公园园草坪美美化点缀缀。LEED太阳阳能草坪坪灯的结结构组成成：由太太阳能电电池组件件（光电电板）、超超高亮LLED灯灯（光源源）、免免维护可可充电蓄蓄电池、自自动控制制电路、灯灯具等组组成。四、太阳阳能草坪坪灯的系系统组成成、控制制原理和和电路原原理（1）太太阳能草草坪灯的的系统组组成：LEDD太阳能能草坪灯灯是一个个独立的的发电系系统。它它能够独独立的完完成把太太阳能转转换为电电能，并并能把电电能转换换成热能能供照明明和装饰饰使用，而而不需要要电线的的传输。一一个独立立的光伏伏系统一一般由以以下三部部分组成成：太阳阳电池组组件；充充、放电电控制器器、逆变变器、测测试仪表表和计算算机监控控等电力力电子设设备和蓄蓄电池或或其它蓄蓄能和辅辅助发电电设备。光光伏系统统具有以以下的特特点：没没有转动动部件，不不产生噪噪音； 没有空空气污染染、不排排放废水水；没有有燃烧过过程，不不需要燃燃料； 维修保保养简单单，维护护费用低低；运行行可靠性性、稳定定性好；作为关关键部件件的太阳阳电池使使用寿命命长，晶晶体硅太太阳电池池寿命可可达到225年以以上；根根据需要要很容易易扩大发发电规模模。图4-00 几种种常见的的LEDD太阳能能草坪灯灯图4-11是一个个典型的的供应直直流负载载的光伏伏系统示示意图。其其中包含含了光伏伏系统中中的几个个主要部部件：光光伏组件件方阵：由太阳阳电池组组件（也也称光伏伏电池组组件）按按照系统统需求串串、并联联而成，在在太阳光光照射下下将太阳阳能转换换成电能能输出，它它是太阳阳能光伏伏系统的的核心部部件。LED太太阳能草草坪灯是是一个小小型的太太阳能供供电系统统（图44-2是是一个简简单的太太阳能供供电系统统）。它它的结构构非常简简单主要要由太阳阳能电池池板、充充放电控控制器、蓄蓄电池、照照明电路路和灯杆杆等部分分组成（如如图4-3）。图4-33 LEED太阳阳能草坪坪灯的组组成（2）太太阳能草草坪灯的的控制原原理：太太阳能草草坪灯的的控制器器主要是是用于蓄蓄电池充充放电的的而控制制。图44-4就就是一个个最基本本的充放放电控制制器。在在该图中中，由光光伏电池池板、蓄蓄电池、太太阳能控控制器和和负载组组成了一一个基本本的光伏伏应用系系统。这这里的开开关K11和K33为充电电开关，KK3为放放电开关关，它们们均属于于太阳能能控制中中心的一一部分。图图中开关关的开合合由控制制电路根根据系统统的充放放电状态态来决定定。当蓄蓄电池充充满电时时断开充充电开关关，需要要充电时时闭合充充电开关关；当蓄蓄电池放放电时闭闭合K22，否则则断开。而而这些控控制电路路可以采采用三极极管、电电阻、电电容、电电感构成成的电压压比较升升压充放放电电路路，也可可以采用用光控电电路，或或者采用用集成运运放构成成的电压压滞回比比较器，还还可以采采用单片片机。鉴鉴于廉价价的考虑虑一般采采用前者者。图4-44 充放放电控制制器基本本原理图4-55 蓄电电池充放放电示意意图一般来说说，一个个合格的的太阳能能充放电电控制器器具有以以下几种种充放电电保护模模式：1、直充充保护点点电压：直充也也叫急充充，属于于快速充充电，一一般都是是在蓄电电池电压压较低的的时候用用大电流流和相对对高电压压对蓄电电池充电电，但是是，有个个控制点点，也叫叫保护点点，就是是上表中中的数值值，当充充电时蓄蓄电池端端电压高高于这些些保护值值时，应应停止直直充。直直充保护护点电压压一般也也是“过充保保护点”电压，充充电时蓄蓄电池端端电压不不能高于于这个保保护点，否否则会造造成过充充电，对对蓄电池池是有损损害的。2、均充充控制点点电压：直充结结束后，蓄蓄电池一一般会被被充放电电控制器器静置一一段时间间，让其其电压自自然下落落，当下下落到“恢复电电压”值时，会会进入均均充状态态。为什什么要设设计均充充？就是是当直充充完毕之之后，可可能会有有个别电电池“落后”（端电电压相对对偏低），为为了将这这些个别别分子拉拉回来，使使所有的的电池端端电压具具有均匀匀一致性性，所以以就要以以高电压压配以适适中的电电流再充充那么一一小会，可可见所谓谓均充，也也就是“均衡充充电”。均充充时间不不宜过长长，一般般为几分分钟十十几分钟钟，时间间设定太太长反而而有害。对对配备一一块两块块蓄电池池的小型型系统而而言，均均充意义义不大。所所以，路路灯控制制器一般般不设均均充，只只有两个个阶段。3、浮充充控制点点电压：一般是是均充完完毕后，蓄蓄电池也也被静置置一段时时间，使使其端电电压自然然下落，当当下落至至“维护电电压”点时，就就进入浮浮充状态态，目前前均采用用PWMM（既脉脉宽调制制）方式式，类似似于“涓流充充电”（即小小电流充充电），电电池电压压一低就就充上一一点，一一低就充充上一点点，一股股一股地地来，以以免电池池温度持持续升高高，这对对蓄电池池来说是是很有好好处的，因因为电池池内部温温度对充充放电的的影响很很大。其其实PWWM方式式主要是是为了稳稳定蓄电电池端电电压而设设计的，通通过调节节脉冲宽宽度来减减小蓄电电池充电电电流。这这是非常常科学的的充电管管理制度度。具体体来说就就是在充充电后期期、蓄电电池的剩剩余电容容量（SSOC）>>80%时，就就必须减减小充电电电流，以以防止因因过充电电而过多多释气（氧氧气、氢氢气和酸酸气）。4、过放放保护终终止电压压：这比比较好理理解。蓄蓄电池放放电不能能低于这这个值，这这是国标标的规定定。蓄电电池厂家家虽然也也有自己己的保护护参数（企企标或行行标），但但最终还还是要向向国标靠靠拢的。需需要注意意的是，为为了安全全起见，一一般将112V电电池过放放保护点点电压人人为加上上0.33V作为为温度补补偿或控控制电路路的零点点漂移校校正，这这样122V电池池的过放放保护点点电压即即为111.100V，那那么244V系统统的过放放保护点点电压就就为222.200V 。目目前很多多生产充充放电控控制器的的厂家都都采用222.22V(224V系系统)标标准。（3）太太阳能草草坪灯充充放电控控制器的的设计：充电控控制器作作为光伏伏电池和和铅酸蓄蓄电池的的接口电电路，一一般都希希望让其其工作在在最大功功率点，实实现更高高的效率率，但是是在实现现最大功功率点跟跟踪（MMPPTT）的同同时，还还需要考考虑进行行蓄电池池充电控控制。目目前常用用的主电电路拓扑扑主要有有降压型型电路（BBuckk）变换换器、升升压型电电路（BBoosst）变变换器、丘丘克电路路（Cuuk）变变换器等等。一般般光伏电电池输出出电压波波动较大大，而BBuckk变换器器或Booostt变换器器只能进进行降压压或升压压变换，受受此影响响，光伏伏电池不不能在大大范围内内完全工工作于最最大功率率点，从从而造成成系统效效率下降降。同时时，Buuck变变换器输输入电流流纹波较较大，如如果输入入端不加加一个储储能电容容就会使使系统工工作在断断续状态态下，从从而导致致光伏电电池输出出电流时时断时续续，不能能处于最最佳工作作状态；而Booostt变换器器输出电电流纹波波较大，用用此电流流对蓄电电池进行行充电，不不利于蓄蓄电池的的使用寿寿命；CCuk变变换器同同时具有有升压和和降压功功能，将将Cukk变换器器应用于于光伏系系统充电电控制器器中，可可以在较较大范围围内实现现最大功功率点跟跟踪，有有利于系系统效率率的提高高。因此此，常选选用Cuuk变换换器作为为充电控控制器的的主电路路，其系系统拓扑扑如图332所示示。Cuk变变换器在在负载电电流连续续的情况况下，其其电路的的稳态过过程有： 1、开开关管VVr导通通期间此期间开开关管VVr导通通，电容容C2上的电电压使二二极管DD2反偏而而截止，这这时输入入电流iiL2使LLl储能；C2的放电电电流iiL2使LL2储能，并并供电给给负载，如如图3-3(aa)所示示。 2、开关关管Vrr截止期期间此期期间开关关管Vrr截止，二二极管DD2正偏而而导通，电电源和LLl的释能能电流iiLl向CC2充电，同同时L22的释能能电流iiL2以维维持负载载，如图图3.33(b)所示。因因此，VVr截止止期间CC2充电，VVr导通通期间CC2向负载载放电，CC2起能量量传递的的作用。（4）太太阳能草草坪灯的的电路原原理：太太阳能草草坪灯的的电路原原理比较较简单。下下面我们们具体介介绍一种种简单的的太阳能能草坪灯灯的电路路原理。它它的控制制器就是是采用升升压电路路来实现现的。一种简单单的太阳阳能草坪坪灯的电电路原理理图元器件选选择：BBT1选选用3.8V80mmA太阳阳能电池池板，单单晶硅为为好，多多晶硅次次之；BBT2选选用两节节1.22V6600mmA NNi-CCd电池池，如需需要增大大发光度度或延长长时间，可可相应提提高太阳阳能板及及电池功功率。VVQ2、VVQ3、VVQ5的的在2000左右右，VQQ4需值大的的晶体管管。VDD1尽量量选管压压低的，如如锗管或或肖特基基二极管管。LEED可选选用白、蓝蓝、绿色色超高亮亮度散光光或聚光光。当选选用红黄黄橙等低低压降LLED时时，电路路需重新新设定。RR3、RR5建议议选用11%精度度电阻；R4用用亮阻110k200k，暗阻阻1M以上的的光敏电电阻。其其他电阻阻可选用用普通碳碳膜(114)W、(188)W电电阻。LL1用(144)W色色电感，直直流阻抗抗要小。该电路的的工作原原理：白白天有太太阳光时时，由BBT1把把光能转转换为电电能，由由VD11对BTT2充电电，由于于有光照照，光敏敏电阻呈呈低阻，VVQ4 b极为为低电平平而截止止。当晚晚上无光光照时光光敏电阻阻呈高阻阻，VQQ4导通通，VQQ2 bb极为低低电平也也导通，由由VQ33、VQQ5、CC2、RR6、LL1组成成的DCC升压电电路工作作，LEED得电电发光。DC升压压电路其其核心就就是一个个互补管管振荡电电路，其其工作过过程为：VQ22导通时时电源通通过L11、R66、VQQ4向CC2充电电，由于于C2两两端电压压不能突突变，VVQ3 b极为为高电平平，VQQ3不导导通，随随着C22的充电电其压降降越来越越高，VVQ3 b极电电位越来来越低，当当低至VVQ3导导通电压压时VQQ3导通通，VQQ5相继继导通，CC2通过过VQ55 cee结、电电源、VVQ3 eb结结(由于于VQ22导通，我我们假设设其ecc结短路路，VQQ3 ee极直接接电源正正极)放放电。当放完电电后VQQ3截止止，VQQ5截止止，电源源再次向向C2充充电，之之后VQQ3导通通，VQQ5导通通，C22放电，如如此反复复，电路路形成振振荡，在在振荡过过程中，VVQ5导导通时电电源经LL1和VVQ5 ce结结到地，电电流经LL1储能能，VQQ5截止止时L11产生感感应电动动势，和和电源叠叠加后驱驱动LEED，LLED发发光。本本可以提提高电池池电压直直接驱动动LEDD，以提提高效率率，但电电池电压压提高，相相应的太太阳能电电池价格格也大幅幅提高，只只要电路路元件设设置合适适，其效效率还是是可以接接受的。当当白天充充电不够够时(如如遇上阴阴雨天等等)，BBT2可可能发生生过放电电，这样样会损坏坏电池，为为此特加加R5构构成过放放保护：当电池池电压降降至2VV时，由由于R55的分压压使VQQ4基极极电位不不足以使使VQ44导通，从从而保护护电池。增增加R55会影响响VQ44的导通通深度。五、LEED太阳阳能草坪坪灯的光光源优势势及光源源的选择择目前多数数草坪灯灯选用LLED作作为光源源，LEED寿命命长，可可以达到到10000000小时以以上，工工作电压压低，非非常适合合应用在在太阳能能草坪灯灯上。特特别是LLED技技术已经经经历了了其关键键的突破破，并且且其特性性在过去去5年中中有很大大提高，其其性能价价格比也也有较大大的提高高。另外外，LEED由低低压直流流供电，其其光源控控制成本本低，使使调节明明暗，频频繁开关关都成为为可能，并并且不会会对LEED的性性能产生生不良影影响。还还可以方方便地控控制颜色色，改变变光的分分布，产产生动态态幻景，所所以它特特别适用用在太阳阳能草坪坪灯上。但是LEED有它它许多固固有的特特性，使使用时如如果不注注意就会会造成不不良后果果。LEED目前前市场上上销售的的发光效效率仅能能达到115lmmW，只只能达到到三色基基色高效效节能灯灯1/33，三色色基色高高效节能能灯的发发光效率率可以达达到500600lmWW，从价价格上看看，目前前生产每每1m的的成本：三色基基色高效效节能灯灯（含电电子镇流流器）00.0222元，220022年5mmm白光LLED价价格为11.93.00元，目目前生产产每1mm的成本本价格相相差悬殊殊。从使使用寿命命上看，三三色基色色高效节节能灯（含含电子镇镇流器）的的寿命可可以达到到60000h，LLED可可以达到到10000000h以上上，从表表面上看看LEDD寿命是是三色基基色高节节能灯（含含电子镇镇流器）的的几十倍倍，但是是事实并并非如此此。目前前太阳能能草坪灯灯大多数数采用超超高亮白白光LEED，它它在200mA下下超高亮亮白光LLED光光通维持持率达到到初始强强度500%的时时间（寿寿命）不不到1000000h，复复旦大学学电光源源所曾经经证明上上述论点点。这就就是说，目目前在许许多情况况下LEED并非非最好的的太阳能能草坪灯灯光源，除除非它是是低档的的使用年年限仅112年年的太阳阳能草坪坪灯，或或者是11W以下下的太阳阳能草坪坪灯。对对于1WW以上的的太阳能能草坪灯灯，最好好使用三三色基色色高效节节能灯。目目前有一一些太阳阳能草坪坪灯用330440只超超高亮白白光LEED，输输入功率率2W以以上，在在这种情情况下如如果用三三色基色色高效节节能灯，价价格只有有LEDD的1/10，光光通量是是原来的的4倍，可可喜的是是现在已已经研制制成功22100W的低低压直流流三色基基色高效效节能灯灯，寿命命可以达达到60000hh。根据上面面分析，我我们认为为1W以以下的小小功率太太阳能草草坪灯，有有调节明明暗，频频繁开关关的功能能，一般般应该使使用LEED作为为光源。但但是在使使用超高高亮白光光LEDD时特别别要注意意光通维维持率问问题，否否则容易易引起质质量事故故。对于于功率较较大的太太阳能草草坪灯，目目前使用用三色基基色高效效节能灯灯比较合合理。这这里要强强调的是是，以上上结论仅仅仅是目目前的分分析，当当LEDD技术水水平提高高以后，价价格下降降，以上上结论需需要调整整。六、太阳阳能草坪坪灯系统统组合中中的几个个问题（1）光光敏传感感器。太太阳能草草坪灯需需要光控控开关，设设计者往往往会用用光敏电电阻来自自动开关关灯，实实际上太太阳能电电池本身身就是一一个极好好的光敏敏传感器器，用它它做光敏敏开关，特特性比光光敏电阻阻好。对对于仅仅仅使用一一只1.2VNNiCCd电池池的太阳阳能草坪坪灯来说说，太阳阳能电池池组件由由四片太太阳能电电池串联联组成，电电压低，弱弱光下电电压更低低，以至至天没有有黑电压压已经低低于0.7V，造造成光控控开关失失灵。在在这种情情况下，只只要加一一只晶体体管直接接耦合放放大，即即可解决决问题。 （2）按蓄电池电压高低控制负载大小。太阳能草坪灯往往对连续阴雨可维持时间要求很高，这就增加系统成本。我们在连续阴雨蓄电池电压降低时减少LED接入个数，或者减少太阳能草坪灯每天的发光时间，这样就能减少系统成本。 （3）太阳能电池封装形式。目前太阳能电池的封装形式主要有两种，层压和滴胶。层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅12年。因此，1W以下的小功率太阳能草坪灯，在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能草坪灯，建议使用层压的封装形式。 （4）闪烁变光。渐亮渐暗是节能的好办法，它一方面可以增加太阳能草坪照射效果，另一方面可以通过改变闪烁占空比控制蓄电池平均输出电流，延长系统工作时间，或者在同等条件下，可减小太阳能电池的功率，成本将大幅度下降。 （5）三色基色高效节能灯的开关速度。这个问题非常重要，它甚至决定着太阳能草坪灯的使用寿命，三色基色高效节能灯启动时有高达1020倍的启动电流，系统在承受这样大的电流情况下可能电压有大幅度下降，太阳能草坪灯无法启动或者反复启动，直至损坏。（6）升升压电路路效率的的提高及及对LEED灯的的影响。小功率太阳能草坪灯一般都有升压电路，如果采用振荡电路，电感升压。电感采用标准色码电感器，标准色码电感器中使用开放磁路，磁通损失大，所以电路效率低。如果采用闭合磁路制造电感升压，如磁环，升压电路效率将有很大提高。LED的特性接近稳压二极管，工作电压变化0.1V，工作电流可能变化20mA左右。为了安全，普通情况下使用串联限流电阻，极大的能量损失显然不适合太阳能草坪灯，并且LED亮度随工作电压变化，而且一定要自动限流，否则将损坏LED。一般LED的峰值电流50100mA，反高能电池反接或者蓄电池空载，升压电路峰值电压过高时很可能超过这个极限，损坏LED。