太阳能与LED结合设计--太阳能路灯照明系统

在世界能源短缺，环境污染日益严重的今天，充分开发并利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能路灯以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆，可以方便安装在广场、校园、公园、街道等多方面的优点而越来越受
重视。

太阳能路灯照明系统通常由太阳电池组件、蓄电池、光源、控制器(交流光源还需逆变器)等几部分组成。本文从：① 光源选择；② 控制电路；
③太阳电池板最佳倾角确定；④太阳电池组件和蓄电池容量确定等几个方面对在珠海运行的太阳能路灯照明系统进行了设计优化。

太阳能路灯与普通路灯不同，它采用太阳电池作为唯一的供电源，因为目前太阳电池组件的成本还比较高，所以为了降低系统成本，必须使用高效
的光源。LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件，近年来LED技术已经有了关键的突破，其性能价格比也有较大的提高，与传统的路灯光源相比LED光源具有光效率高，接近白炽灯的两倍，寿命长，可达到105h以上；传统的光源功耗比较大，而且大多在高压下工作，使用升压逆变环节又降低了能源利用率，而LED采用低压直流供电，安全而且光源控制成本低，使调节明暗，频繁开关成为可能。
太阳能路灯系统一般都是小型光伏系统，世界银行的标准是小型光伏系统控制器自耗电流要小于额定工作电流的1％，因此控制器电路的设计与低
功耗器件的选择非常重要。太阳能路灯中采用的是由集成运放构成的电压比较器作为控制电路，这种电路完全是由硬件组成的控制系统，简单可靠、维护方便、成本低、电路本身功耗也极低，是一种匹配性很好的电路。这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压同差，同时器件的选择要可靠，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的控制器电路，具有防蓄电池过放电、过充电功能。系统采用直接耦合的方式的充放电控制器电路，根据LED同蓄电池的匹配特性，能够做到功率自适应，在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大，也会更亮。

确定太阳电池板最佳倾角

在独立光伏系统设计中，太阳电池组件平面通常朝向赤道，相对地平面有一定倾角。由于太阳辐照量随季节、气候变化，倾角不一样，各个月份而接受到的太阳辐照造差别很大，而且由于蓄电池充电时受其额定容量限制，放电时义受到放电深度限制，因此在太阳能路灯优化设计中，要按照负载情况，当地气候状况、地理条件来确定最佳倾角度，使方阵平面上的太阳辐照量尽量满足连续性，均匀性，极大性的要求，降低系统成本。

负载情况

太阳能路灯类产品主要有定时和光控两种工作方式，实际上是衡型负载方式和季节性负载方式T作。定时控制：不受外界影响，定时开关灯， 是存在天黑灯不亮或天亮灯还亮的问题 光控太阳能路灯在户外光线暗到一定程度(200 lx)时自动开灯，天亮时自动关灯，优点是可以根据光照情况自动控制光源工作，不存在天未黑光源就工作和灭已黑还不工作的情况，一年四季均可以正常工作。光控方式的工作时间与当地的纬度和当日的太
阳赤纬相关。由日出和日落的时角公式：
COs= COS L一― tan ~tan8o ] (1)，
j6一纬度； 一赤纬，当天赤纬角为在太阳时正午，光线与赤道平面的夹角。
在通常情况下，日出前0．5 h和口落后0．5 h，虽然没有日照，但是天空尚有余光，这是可以不需要开灯照明，因此光控太阳能路灯工作时间 J．以减
少1 h，可以用下面公式计算路灯工作时间为：
T= 23―2／15cos一[一tan~tan8] (2)
通过公式(2)计算，呵得到安装在珠海的光控太阳能路灯全年工作时间变化图1，从图中可以看出光控太阳能路灯最长工作时间在冬至，为12．35 h，在夏至时最短j二作时间9．65 h；由于珠海地区纬度比较低，光控太阳能路灯全年工作时间变化不是很大，因此虽然该处光控太阳能路灯是季节性不均衡负载，但是负载量变化不是很大，负载情况不是影响太阳电池组件最佳倾角的主要因素。再考虑到控制开关灯的可靠性和控制器成本，在珠海设计的
太阳能路灯采用的光控方式工作。

气候情况

珠海市地处北回归线以南，属南亚热带海洋性季风气候，光照充足。太阳辐射年总量为4 651．6MJ／n~，是广东省内太阳能资源较丰富的地区之一。从图2可以看出，珠海地区一年中总辐射量最少的时段是春季，阴雨天气比较多，大气透明度差，巾、低云层