太陽能大功率LED路燈的設計

馬福昌，霍永濤，馬 珺

（太原理工大學 測控技術研究所，山西 太原 030024）

近年來隨著太陽能光伏發電技術和LED照明技術的發展，太陽能LED路燈已進入了城市照明領域。LED作為照明光源與傳統的照明光源相比具有直流低電壓驅動、耗電量少、抗振動、壽命長、納秒級的響應速度、設計空間大、環保、可連續開關閃斷，能輕松實現0～100%調光功能等優點，被認為是新一代的綠色照明設備。太陽能LED路燈是以太陽能作為能源。每個路燈均是獨立的，安裝方便，無需鋪設電纜電線，無需交流電能和電費，采用直流供電，光控定時控制，安全可靠、節能、經濟、環保，實用。

1 太陽能電池板與蓄電池的選取

1.1 太陽能電池板選取

目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率約為15%，最高達到24%，是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，技術也最為成熟。使用壽命一般可達15 a，最高可達25 a。多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池的光電轉換效率要降低不少，其光電轉換效率約12%，同時多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。非晶硅薄膜太陽能電池光電轉換效率偏低，目前國際先進水平約為10%，且不夠穩定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減，直接影響了其實際應用。所以目前多采用單晶硅太陽能電池。

根據太陽能輻射原理，太陽能電池方陣面上所獲得輻射量的多少與很多因素有關：當地的緯度、海拔、大氣的污染程度或透明程度、一年當中四季的變化、一天時間的變化、到達地面的太陽輻射值、散分量的比例、地表面的反射系數、太陽能電池方陣的運行方式或固定方陣的傾角變化以及太陽能電池方陣表面的清潔程度等。太陽能照明系統充放電效率取0.75，太陽能電池組件組失修正系數取0.95，灰塵遮擋及其他損失修正系數取0.90。經過查詢資料和單位換算及簡化處理后，可得到太陽能電池總用量P的計算公式[1]

式中，QL為負載日功耗 （Wh）；HL為水平面年平均日輻射量（KJ／（m2·d））；Kop 為斜面輻射最佳輻射系數；A 為安全系數，一般取 1.1～1.3。

1.2 蓄電池的選取[2]

蓄電池的容量要根據太陽能電池板的功率和LED路燈的功率以及照明時間來決定，蓄電池應與太陽能電池、LED路燈相匹配?？捎靡环N簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須高出負載功率4倍以上，系統才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20%～30%，才能保證給蓄電池正常蓄電。因此，蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為宜。

蓄電池的容量Bc的計算公式：

式中，PL為日平均耗電量，D為陰雨天數，Kb為安全系數，1.1～1.4（包括了溫度修正系數 To=0℃上為 1，-10℃上為1.1，-10℃下為 1.2，放電深度 cc=0.75），V為工作電壓。

根據式（2）可以估算出蓄電池的容量，同時蓄電池的充電效率的高低取決于充電的方式。根據系統要求和對各種指標的核定，這里選用12 V 100 Ah閥控密封式鉛酸蓄電池。

2 太陽能控制器硬件設計

太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是控制太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給負載供電的自動控制設備，能自動防止蓄電池過充電和過放電。它對蓄電池的充、放電條件加以規定和控制，并按照負載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能輸出，是整個系統的核心控制部分。

本文設計的充電控制器用ATmega128單片機作為主控器件，檢測太陽能電池板的輸出電壓，選擇適合的DC/DC支路，檢測蓄電池的電壓值，根據蓄電池的電荷狀態，選擇合適的充電方式，為蓄電池提供過充電、過放電保護。

圖1為采用斬波式PWM充電原理圖，檢測蓄電池的充電端電壓，將檢測得到的蓄電池端電壓與給定點電壓比較。若蓄電池的電壓小于給定電壓，斬波器全通，迅速給蓄電池充電；若大于給定電壓，則根據比例調整功率管的占空比，充電進入慢充階段，改善充電特性，最后進入涓流充電，防止過充。

AVR128單片機（PB4）給出充電的控制信號，即PB4=1，NPN型0805的三極管導通，此時集電極接地，使得IRF4905柵源電壓鉗位在-10 V，IRF4905管導通，太陽能電池板向蓄電池充電；反之，NPN型0805三極管截止VGS=0 V，IRF4905管斷開，太陽電池板不能向蓄電池充電。

ATmega128內置10位的逐次逼近型A/D轉換器。A/D轉換器與8通道的模擬多路復用器連接，采樣端口F的8路單端輸入電壓。蓄電池正極與單片機PF1引腳相接，當電壓低到10 V，單片機自動檢測到并作出相應處理，如圖2所示。

3 LED的選擇

按目前市場產品的輸入功率對LED分類，其中輸入功率為幾十mW的，稱為傳統的小功率芯片；其輸入功率小于1 W的，為功率LED；輸入功率等于1 W或大于1 W的，則為W級功率（大功率）LED。 目前大功率比較常見的有 1，3，5，8，10 W。已批量應用的有1 W和3 W LED，并正朝大電流（300 mA～1.4 A）、高效率（60～1 204 lm/W）、亮度可調的方向發展[3]。 大功率LED路燈采用單顆功率大于1 W以上的LED。選用美國CREE公司的3 W LED將多個芯片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，組合成一個大功率LED單體模塊，裝入路燈燈具中，借此提高芯片面積，并增加發光量。

將多個LED集中在一起設計道路照明，除足夠的光通量和合理的光學設計保證合理的光分布外，更為重要的是散熱問題。由于路燈具有戶外夜間使用，散熱面位于側上面以及體型受限制較小等特點，有利于空氣自然對流散熱，所以LED路燈選擇自然對流散熱方式，同時整燈采用高導熱系數鋁作為散熱主體，解決了LED的散熱問題。

4 LED組合及驅動方式

常用的LED組合方式有3種：并聯、串聯和混聯。

1）并聯方式 要求LED驅動器輸出較大電流，負載電壓較低。分配在所有LED兩端電壓相同，當LED的一致性差別較大時，通過每顆LED電流不一致，其亮度也不同。

2）串聯方式 要求LED驅動器輸出較高的電壓。當LED的一致性差別較大時，分配在不同的LED兩端電壓不同，通過每顆LED的電流相同，LED的基本亮度一致。

3）混聯方式 在需要使用比較多LED時，如果將所有LED串聯，將需要LED驅動器輸出較高的電壓；如果將所有LED并聯，則需要LED驅動器輸出較大的電流。將所有LED串聯或并聯，不但限制著LED的使用量，而且并聯LED負載電流較大，驅動器的成本也會大增?；炻摲绞降腖ED數量平均分配，分配在一串LED上的電壓相同，通過同一串每顆LED上的電流也基本相同，LED亮度一致。同時通過每串LED的電流也相近[4]。

通過以上分析，大功率LED應用于照明領域，由于LED的電流、電壓參數具有典型的PN結伏安特性，其正向壓降的微小變化會引起較大的正向電流變化。不穩定的工作電流會影響LED的壽命和光衰。所以大功率LED的亮度完全是由電流控制的，驅動電路必須提供恒定的電流[5]。

在驅動電路中選用大功率LED驅動器XLT604驅動LED。XLT604是采用BICMOS工藝設計的PWM高效LED驅動控制器，它在輸入電壓7～450 VDC范圍內能有效驅動高亮LED。該驅動器能以高達300 kHz的固定頻率驅動外部MOSFET，其頻率可由外部電阻編程決定。外部高亮LED串可采用恒流方式控制，以保持恒定亮度并增強LED的可靠性，其恒流值由外部取樣電阻值決定，變化范圍為幾mA～1 A。XLT604驅動的LED可通過外部控制電壓線性調節亮度，亦可通過外部低頻PWM方式調節LED串的亮度，所以根據太陽能LED路燈設計實際需要，選擇LED混聯方式，并選用XLT604驅動器設計驅動電路來驅動LED，如圖3所示。

XLT604各引腳主要功能有：LD為線性輸入調光端；ROSC為振蕩電阻接入段；CS為LED電流采樣輸入端；GND為芯片地；GATE為驅動外部MOSFET柵極；VDD為芯片電源；PWM為PWM輸入調光端，兼作使能端。

5 太陽能30 W LED路燈系統設計

太原地區年日照總時數為2 360～2 796 h。年太陽輻射總量為 5 442.8～5652.18 MJ/m2， 峰值日照時數為 4.832 053 2，屬全國高照率范疇，因此，太原地區具有良好的太陽能利用條件。下面以太原地區30 W LED路燈系統為例進行說明：

1）確定當地氣象地理條件 經過資料查詢太原地區：緯度:北緯 37°27′～38°25′，經度:東經 111°30′～113°09′海拔:800 m，最長陰雨天:7 d

2）負載日耗量的確定 照明路燈功率30 W，每天連續工作時間10 h，因此，每日耗電QL=30 w×10 h=300 Wh （3）

3）傾角的確定 太原地區傾角選38°，太陽能電池板最佳傾角：38°＋5°=43°，因此，太陽能電池板面向正南。

4）太陽能電池總能量的計算 通過資料查詢，得知太原地區Kop=1.1，從當地的緯度、經度、海拔，和當地氣象部門公布的數據：太原地區日平均太陽輻射量為15 MJ/（m2·d），因此水平面年平均日輻射量 HL=15 000 KJ/（m2·d）。

太陽能電池選用組件參數：工作電壓為17.2 V，工作電流為3.49 A，開路電壓為21.6 V，短路電流為 3.9 A，峰值功率為60 Wp。選用峰值功率為60 Wp的太陽能電池板，所用太陽能電池組件共2塊，太陽能電池設計12 V蓄電池充電。

5）蓄電池的容量Bc的計算

可用式（5）計算蓄電池的容量Bc：

因此選用兩組12 V 100 Ah閥控密封式鉛酸蓄電池即可。

目前大功率LED路燈基本是采用5 000 K左右所在色溫的白光。作為道路照明光源，視覺感過分陰冷，同時遠視時觀察能力會下降，選用3 000 K左右的暖白光是比較適合道路照明的[6]。同時還要考慮到電池組件支架的抗風設計和燈桿的抗風設計，LED路燈的工作電壓一般為12 V或24 V，屬于安全電壓，不做電氣保護接地。但LED路燈金屬燈桿應做防雷接地，接地電阻不大于10 Ω。

6 結 論

太陽能LED路燈照明系統是自然能源太陽能與環保光源LED的完美結合，其發展前景極其廣闊。但是，太陽能LED路燈在實際的應用中還存在很多問題。包括：1）集中管理的問題；2）太陽能電池壽命、蓄電池壽命以及其他的控制元器件壽命往往低于LED壽命的問題；3）一般安裝高度比較高的太陽能電池的重量帶來對燈桿設計的防風能力提高的問題。這些問題都是太陽能LED路燈照明需要進一步解決的。

[1]徐鐵軍.太陽能LED照明系統優化的應用研究[D].北京：華北電力大學，2007.

[2]吳樹誼，張景利，談雪梅.太陽能LED路燈的設計技術[J].中國照明電器，2008(11)：23-25.

WU Shu-yi，ZHANG Jing-li，TAN Xue-mei.Solar LED street lamp design techniques[J].Chinese Lighting， 2008（11）:23-25.

[3]陳元燈.LED制造技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2007：62-64.

[4]楊珂，肖晗，解光軍.白光LED驅動電路的研究進展[J].電子科技，2008（4）：56-58.

YANG Ke，XIAO Han，XIE Guang-jun.White LED driver circuits research[J].Electronic Technology， 2008（4）:56-58.

[5]郭一翔，牛萍娟，毛博年.LED路燈設計和實現[J].天津工業大學學報，2006，25(6):12-13.

GUO Yi-xiang，NIU Ping-juan，MAO Bo-nian.LED street lamp design and implementation[J].Tianjin Polytechnic University，2006，25(6):12-13.

[6]方佩敏.白色LED驅動器的發展概[J].今日電子，2002（11）：42-46.

FANGPei-min.WhiteLEDdriversession[J].ElectronicProducts China[J]，2002(11):42-46.