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1、“大功率太阳能LED照明节能灯的研发”技术研究总结一、技术原理依据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，太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，作为一种巨量可再生能源，可以说是取之不尽、用之不竭。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方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能光伏发电在景观照明领域发展已经日趋完善。太阳能电池作为一种新能源，在民用方面首先应用在照明灯具上。目前，非主干道太阳能路灯，太阳能庭院灯和太阳能草坪灯等的应用已经逐渐形成规模。在太阳能照明灯具的设计中，涉及光源、太阳能电池系统、蓄电池充放电控制许多因素，其中任何一
2、个环节出现问题都会造成产品缺陷。同时，由于发展过快，很多产品技术上不够成熟，在太阳能电池板、光源的选择以及控制电路设计中存在许多缺陷，降低了产品的经济性和可靠性，浪费了许多资源。太阳能灯具及路灯都是由太阳能电池、控制器、蓄电池、光源、灯杆及灯头几部分构成：1、太阳能电池板： 太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，送至蓄电池中存储起来。太阳光电池板有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。在日照充足地区，一般采用多晶硅太阳能电池，因多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅电池低。在阴雨天较多、日照相对不是很充足的地区，一般采用单晶硅太
3、阳能电池，因单晶硅太阳能电池效率比多晶硅高，且性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池一般用在特殊场合，其价格最高。2、控制器 控制器是太阳能灯具必不可少的一部分。其作用是控制控制太阳能电池的充放电，同时还可控制灯具的开启与关闭。在灯具中，为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及过度放电。同时，控制器还应兼有路灯控制功能，具有光控功能，并应具有夜间自动关闭灯具功能，以节约不必要的电能消耗，便于阴雨天延长路灯工作时间。3、蓄电池 蓄电池性能的好坏直接影响到太阳能灯具的寿命和性能。太阳能光伏发电系统的输出能量极不稳定，在一天中，阳光强度随时都在变化，所以灯具中需要配置
4、性能优异的蓄电池才能工作在最佳状态。蓄电池白天存储太阳能电池提供的电能，夜间给光源提供照明电能。在能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夜晚照明需要的电能。蓄电池容量应与太阳能电池、用电负荷（光源）相匹配。4、光源 太阳能路灯采用何种光源是太阳能路灯是否能绿色节能和正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用太阳能专用节能灯、低压钠灯、无极灯、氙气灯和 LED灯光源。 （1）太阳能专用节能灯：功率小，一般为3-7W，光效较高，但使用寿命短，仅2000小时左右，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。 （2）低压钠灯：低压钠灯光效高（可达200Lm/w），
5、价格高，需专用逆变器，显色性较差，采用较少。 （3）无极灯：功率小，光效较高，显色性好。在市电中寿命可以达到3万小时，但在太阳能灯具上使用寿命大大减少和普通节能灯差不多，且需要使用精密的触发器，造价也较高。 （4）氙气灯：光效高，显色性好，寿命约3000小时，工作时需逆器。在太阳能灯具上使用需要对光源进行散光和散热。（5）LED：LED半导体光源，寿命长，可达80000小时，工作电压低，显色性好，属冷光源，光效较高， LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。目前有小功率LED和大功率LED之分，大功率LED各项性能指标优于小功率LED，但成本较高。 （6）灯杆及灯头 灯杆的高度、灯头的功率应根
6、据道路的宽度、灯具的间距，道路的照度标准确定。二、设计研制过程1、工作原理介绍太阳能路灯是运用太阳能光伏发电原理制成的，太阳能电池白天将太阳能电池板接收到的太阳辐射能转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中。夜晚时分，当照度逐渐降低，太阳能电池板输出电压减小，当低于一定值时控制器动作，启动照明光源，蓄电池为光源提供电能，同时控制器进行定时，到达设定时间控制器动作，关闭光源，蓄电池放电结束。2、设计思想一般太阳能路灯的设计，控制方式都较为简单，在充电控制和光源工作方式上比较传统，能够满足一般照明，节能效果一般，经常会出现因蓄电池馈电或性能变差而不亮的情况，既降低了产品的经济性和可靠性，又浪
7、费了许多资源。我们设计、研发的大功率太阳能LED照明节能灯，以最佳照明方式进行节能。下面从以下几方面介绍一下研制过程。(1)光源的选择 LED半导体照明光源的光谱几乎全部集中于可见光频段，光谱中没有紫外线和红外线，属于典型的绿色照明光源，而且废弃物可回收，没有污染。具有使用寿命长、发光效率高、体积小、重量轻、环保安全可靠等优点。LED半导体照明光源启动电压和工作电压一致，使用中不需要镇流器，控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光。在路灯中，我们选取了不同发光角度和功率的大功率LED为照明光源，大功率LED按特定的排列组合构成灯头光源。工作电压24V，功率60 W/90W，色温5000-70
8、00K,光通量4800lm（60W）/5600lm（90W）。（2）太阳能电池组件选型新疆地区日照相对比较充足，年总日照辐射量为5000-5850MJ/M2，日辐射量3.8-4.5KWh/ M2。太阳能电池板选用电压24V，功率120W/180W的单晶硅板，光效达到127Wp/m2，效率较高，体积相对较小，对抗风设计非常有利。（3）蓄电池选型为保证蓄电池能够按路灯设计要求正常工作，蓄电池容量的选用应该满足正常晚间照明，并连续3个阴雨天的晚间照明。同时为满足太阳能光伏发电产生的电压、电流变化范围大的特点，应选用专用蓄电池，以便最大效率的发挥其性能。蓄电池容量选用24V/40Ah/60Ah的太阳能
9、专用免维护蓄电池即可满足路灯使用要求。在使用中装入地埋箱埋入地下，减少温差影响。（4）控制器设计控制器是该大功率太阳能路灯的核心部分。其智能化控制方式可充分发挥太阳能光伏发电照明的优越性。电路的核心控制芯片选用Atmel公司的89C2051单片计算机，控制器具有光控功能，在黄昏时分开启蓄电池供电回路，黎明时分，关闭蓄电池供电回路，太阳出来后对蓄电池进行充电。控制器对蓄电池充电过程分直流充电和正负脉冲充电二种方式；光源工作状态采用单片机对大功率LED进行分组变光节能控制，工作在全光、半光和休眠（可根据用户需要改变）方式。有效降低了电能消耗，延长了路灯阴雨天工作时间。三、技术方案利用太阳能光伏发电
10、和节能照明光源，能够有效缓解我国的能源紧张问题和环境污染状况。太阳能路灯不需要敷设输电线路，不消耗电网电能，一次性投入后，即可利用取之不尽、用之不竭的太阳能提供稳定可靠的照明。项目通过运用太阳能光伏发电、大功率白光LED光源及单片机技术等，开发用于对道路、厂房以及公共场所等照明的大功率节能灯具。（1）照明光源采用大功率白光LED，灯头由不同发光角度和功率的大功率LED按特定的排列组合构成光源，避免了安装透镜带来的亮度损耗。本项目太阳能路灯采用大功率半导体白光LED做为照明光源。LED半导体照明光源的光谱几乎全部集中于可见光频段，属于典型的绿色照明光源。具有使用寿命长、发光效率高、体积小、重量轻
11、、环保安全可靠等优点。在路灯设计中，我们选取了不同发光角度、不同功率的大功率LED，按照配光曲线和照明控制要求排列组合构成了光源，避免了安装透镜带来的亮度损耗。灯头工作电压24V，功率60 W/90W，色温5000-7000K，光通量4800lm（60W）/5600lm（90W）。光源形状分两种，一是平面发光型灯头，局部照度高，适合在灯下阅读、娱乐等；二是弧面发光型灯头，灯头照明角度大，照明范围宽，适合道路和场地照明。（2）照明系统采用单片机智能控制，照明光源采用LED分组变光节能控制，工作在全光、半光和休眠（可根据用户需要改变）方式。控制器是本项目太阳能路灯的核心部分。电路的核心控制芯片选用
12、Atmel公司的89C2051单片计算机，辅助芯片选用了常用的NE555时基集成电路，照明光源控制和蓄电池正负脉冲输出电路采用功率V-MOS管。控制器具有光控功能：在黄昏时自动开启蓄电池供电回路，为路灯供电；黎明时自动关闭蓄电池供电回路，太阳出来后对蓄电池进行充电。控制器控制路灯工作状态，光源大功率LED受单片机预定的时间控制，按照明时段进行分组变光节能控制，工作在全光、半光和休眠（可根据用户需要改变）方式。有效降低了电能消耗，延长了路灯阴雨天工作时间。（3）蓄电池充电采用具有修复功能的正负脉冲充电，并根据光照自动调节充电状态。控制器对蓄电池充电过程分直流充电和正负脉冲充电二种方式。阳光不理想
13、的天气，为保证蓄电池能够存储较多的电能，充电方式为直流充电，太阳能电池产生的所有电能都用来对蓄电池进行充电。阳光较强的天气，充电方式自动转换为正负脉冲充电，以此对蓄电池进行修复、维护，延长其使用寿命。为保证充电效率，脉冲发生器频率设定0.52Hz，TH=78.28ms，TL=1829.91ms，蓄电池充电时间1829.91ms，放电时间78.28ms，放电时间小于4%。脉冲发生器频率及脉宽（4）光源LED分组恒流驱动，有效控制了LED光衰，保证了每组LED灯的可靠工作。光源大功率LED按配光曲线和照明控制要求分组，每组6只。1W大功率LED组恒流电流为320mA，3W大功率LED组恒流电流为7
14、00mA，均小于安全工作电流。恒流工作电压范围20.5V30V。主要技术经济指标：LED光源：24V/60 W/90W（色温5000-7000K）寿 命：50000h光 通 量：4800lm（60W）/5600lm（90W）太阳能电池：24V/120W/180W太阳能电池寿命：12年。蓄 电 池：24V/40Ah/60Ah。蓄电池寿命：3年。连续3个阴雨天正常工作。四、工程图表1、年度实施进度项目实施自2009年1月起至2009年11月30日止时 间实施计划内容2009年2月-2009年3月制定研发与实施方案2009年4月-2009年6月完成研发设计、软件的编程与功能试验2009年6月-200
15、9年9月完成样品灯的制作、安装和调试2009年10月-2009年11月资料整理，准备验收2. 项目经费使用情况 科 目用途说明及计算依据经费（万元）设备费研制用必备设备、仪器0.8研制费研发、试制3.7材料费部件及电子元件6试验费安装、调试、数据采集、交通等0.8劳务费计划外临时用工等0.5管理费各种管理费用0.2合计123、课题参加人员表：4、路灯局部图片 传统LED路灯用的环氧电路板 本项目路灯用的铝基电路板 本项目用于普通路灯的灯头及热管散热结构 本项目使用的一体化模压铸铝灯头 弧面发光型灯头 平面发光型灯头 五、关键技术及创新点1、关键技术（1）大功率LED工作电流恒流控制与大功率LED的散热大功率LED在使用中最重要的就是控制工作电流和工作温度，这是控制光衰的根本所在。项目路灯在设计上使用三种方法控制光衰：一是对大功率LED进行分组，每组6只LED, 1W大功率LED组恒流电流为320mA，3W大功率LED组恒流电流为700mA，均小于安全工作电流,恒流工作电压范围为20.5V30V。二是在使用普通路灯灯头的散热上采取了热管散热结构，使大功率L
