30w太陽能路燈設(shè)計(jì)方案（一）

太陽能路燈主要由太陽電池組件、組件支架、電控箱（內(nèi)裝控制器、蓄電池）、燈桿（含燈具）等幾部分組成。系統(tǒng)示意圖如下圖：

設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程主要包括：燈桿的選型，燈具的選型，太陽能組件的配置，蓄電池、控制器的配置，系統(tǒng)保護(hù)措施設(shè)定。

燈桿的選型

燈桿是整個(gè)路燈的支撐部分，對其硬度，高度，抗風(fēng)能力，防腐等有較高的要求；現(xiàn)在常用的材料為Q235，通過一系列工藝加工而成，表面噴鍍80μm的防腐層。

本系統(tǒng)安裝路況為主干道，路寬30米，采用雙側(cè)對稱排布。根據(jù)路燈施工設(shè)計(jì)規(guī)范（見表1），本系統(tǒng)采用截光型燈具，安裝高度為10米（按照標(biāo)準(zhǔn)本應(yīng)安裝高度為15M，但是考慮高度越高，需要燈具的功率越大，燈桿設(shè)計(jì)越復(fù)雜，綜合考慮后選擇燈桿為12米，燈具安裝高度為10米），間距為30米。燈桿上下口直徑為Ф70/Ф250，材料厚度為3.75mm，圓錐度為11‰，地基尺寸500*500，法蘭盤尺寸及孔間距400*400*18-300，基礎(chǔ)架尺寸為300*300-Ф18。

表1 ?燈具的配光類型、布置方式與燈具的安裝高度、間距的關(guān)系

路燈功率的選擇

根據(jù)路燈施工設(shè)計(jì)規(guī)范中對機(jī)動(dòng)車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)（見表2）的要求，本系統(tǒng)屬于級別I，路面平均照度取20勒克斯（lx）。則由此可得出燈具的總光通量為：光通總量=（平均光照度*維護(hù)系數(shù)*照射面積）/（燈具數(shù)量*燈具利用系數(shù)）=（20*0.9*15*30）/0.95=8526lm。

表2 ?機(jī)動(dòng)車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)值

目前作為道路照明的燈具有多種，包括高壓/低壓鈉燈，節(jié)能燈，LED燈等。其中LED等具有明顯的優(yōu)勢，是未來道路照明燈具的趨勢，其優(yōu)勢表現(xiàn)為：

1、LED光照效率高，使用壽命長，能使用5萬小時(shí)以上；安裝簡便：無需加埋電纜無需整流器等；具有獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，將LED路燈的光照射到所需照明的區(qū)域，進(jìn)一步提高了光照效率，以達(dá)到節(jié)能目的；

2、LED的光源效率高目前已達(dá)90-110lm/W，且光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍達(dá)到道路使用照度要求。

3.維護(hù)成本低：相對于傳統(tǒng)路燈，LED路燈維護(hù)成本極低，經(jīng)過比較，不到6年即可收回全部投入成本。

綜合上述原理，大功率LED路燈的節(jié)能效果顯著，代替高壓鈉燈可節(jié)電60%，依照市面上LED燈具的功率及其光通量數(shù)據(jù)，選擇120W（直流24V）較合適。

LED燈具有交流和直流兩種，為減少成本以及功率損耗，本系統(tǒng)選擇直流LED燈，型號為D24/120。

注：燈具利用系數(shù)是指投射到一條無限長一定寬度的平直道路上的光通量與LED燈具輸出光通量的比值。

蓄電池、電池板選型

選型過程：

（1）負(fù)載日耗電量Q=W*H/U=120*8/24=40Ah。式中U為系統(tǒng)蓄電池標(biāo)稱電壓

（2）滿足負(fù)載日用電的太陽能電池組件的充電電流I1=Q*1.05/h/0.85/0.9=40*1.05/4.46/0.85/0.9A=12.3A式中1.05為太陽能充電綜合損失系數(shù)，0.85為蓄電池充電效率、0.9為控制器效率，h為標(biāo)準(zhǔn)峰值時(shí)數(shù)，為4.46小時(shí)。

（3）蓄電池容量的確定滿足連續(xù)5個(gè)陰雨天正常工作的電池容量CC=Q*（d+1）/0.8*1.1=40*6/0.8*1.1=330Ah式中0.8為蓄電池放電深度，1.1為蓄電池安全系數(shù)，選取2節(jié)12V180Ah的電池串成電池組。

（4）連續(xù)陰雨天過后需要恢復(fù)蓄電池容量的太陽能電池組件充電電流I2I2=C*0.8/h/D=330*0.8/4.46/20=2.96A式中0.8為蓄電池放電深度，D為兩次連續(xù)陰雨天間隔天數(shù)。

（5）太陽電池組件的功率為（I1+I2）*30=（12.3+2.96）*30=457Wp式中30為太陽電池組件工作電壓，選取2塊峰值功率為230W的太陽能電池組件。

控制器選型

控制器是整個(gè)路燈系統(tǒng)中充當(dāng)管理者的關(guān)鍵部件，它的最大功能是對蓄電池進(jìn)行全面的管理，好的控制器應(yīng)當(dāng)根據(jù)蓄電池的特性，設(shè)定各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)，比如蓄電池的過充點(diǎn)、過放點(diǎn)，恢復(fù)連接點(diǎn)等。

光伏控制器的配置選型要根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)并參考廠家提供的產(chǎn)品樣本手冊來確定。一般要考慮下列幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：

1、系統(tǒng)工作電壓

指太陽能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池組的工作電壓，這個(gè)電壓要根據(jù)直流負(fù)載的工作電壓或交流逆變器的配置造型確定，一般有12V、24V、48V、110V和220V等。

2、光伏控制器的額定輸入電流和輸入路數(shù)

光伏控制器的額定輸入電流取決于太陽能電池組件或方陣的輸入電流，選型時(shí)光伏控制器的額定輸入電流應(yīng)等于或大于太陽能電池的輸入電流。光伏控制器的輸入路數(shù)要多于或等于太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)輸入路數(shù)。小功率控制器一般只有一路太陽能電池方陣輸入，大功率光伏控制器通常采用多路輸入，每路輸入的最大電流=額定輸入電流/輸入路數(shù)，因此，各路電池方陣的輸出電流應(yīng)小于或等于光伏控制器每路允許輸入的最大電流值。

3、光伏控制器的額定負(fù)載電流

也就是光伏控制器輸出到直流負(fù)載或逆變器的直流輸出電流，該數(shù)據(jù)要滿足負(fù)載或逆變器的輸入要求。

除上述主要技術(shù)數(shù)據(jù)要滿足設(shè)計(jì)要求以外，使用環(huán)境溫度、海拔高度、防護(hù)等級和外形尺寸等參數(shù)以及生產(chǎn)廠家和品牌也是控制器配置造型時(shí)要考慮的因素。

本系統(tǒng)選用額定電壓24V，額定電流20A的控制器。

30w太陽能路燈設(shè)計(jì)方案（二）

分時(shí)、分壓控制太陽能燈，就是根據(jù)夜晚不同時(shí)間段人們對光照度的不同要求，以及太陽電池白天吸收能量的大小，控制太陽能燈的輸入功率，達(dá)到用最小成本設(shè)計(jì)出能夠滿足最惡劣氣象條件下人們對太陽能燈的最基本要求的目的。

該控制電路適合以12只LED為光源的草坪燈。U中包含驅(qū)動(dòng)、光控檢測、脈寬調(diào)制、電池電壓檢測等電路。其1腳為使能端，2腳為電源電壓端，4腳為負(fù)載電流調(diào)整口，5腳為開關(guān)口，8腳為接地端，3、6、7均懸空。改變R4的阻值可以改變LED的工作電流，其最大允許電流為500mA，M接地時(shí)電流最小。

J1為太陽電池，J2為電源開關(guān)，J3為2節(jié)鎳氫電池。為了降低管壓降，VD1、VD2可采用肖特基二極管。改變R5、R6可調(diào)節(jié)蓄電池的分壓保護(hù)值，改變R1、R2可調(diào)節(jié)分時(shí)值。該電路能在盡可能降低太陽電池成本的基礎(chǔ)上，保證照明時(shí)間，具有很高的性價(jià)比。

30w太陽能路燈設(shè)計(jì)方案（三）

用PIC12F675單片機(jī)制作的太陽能路燈控制器

PIC 12F675控制蓄電池的過充電、過放電，開、關(guān)路燈功能，定時(shí)點(diǎn)亮、天黑自動(dòng)點(diǎn)亮、延時(shí)點(diǎn)亮、自動(dòng)跟蹤點(diǎn)亮等功能，路燈點(diǎn)亮測試控制功能，LED指示功能等。

由蓄電池 BTl 、蓄電池過充電控制執(zhí)行場效應(yīng)管 01 、三端穩(wěn)壓器 U1 組成電源供電系統(tǒng)； Q2 、 Q4．組成放電控制；K1 手動(dòng)， R_GM1 光控自動(dòng)開燈系統(tǒng)，蓄電池分壓電阻，發(fā)光指示二極管等部分組成。太陽能電池板電壓由接口J3輸入．經(jīng)防反充二極管 D1 后分成兩路，一路經(jīng) U1 LM 78L 05 穩(wěn)壓后，為 PIC 12F675單片機(jī)提供工作電源，另一路經(jīng) FB 保險(xiǎn)絲給蓄電池充電。單片機(jī)上電后，首先由 Rf 、 Cf組成的硬件電路進(jìn)行復(fù)位．然后由軟件控制U2 ③腳 GP4 輸出高電平，讓 Q4 導(dǎo)通、 Q2 截止，控制系統(tǒng)停止放電，再檢測 U2⑦腳 GP0 上的分壓值，通過內(nèi)部 A/ D 轉(zhuǎn)換及軟件運(yùn)算間接檢測、判斷蓄電池是否欠壓、過壓．若蓄電池發(fā)生過充電，則通過軟件控制U2 ②腳 GP5 輸出高電平，使 Q1導(dǎo)通．短路太陽能電池板、停止向蓄電池充電，同時(shí)點(diǎn)亮“過充電”指示燈 LED2；若未發(fā)生過充電，則 U2 ②腳 GP5輸出低電平，允許蓄電池充電。通過檢測 U2 ⑥腳 GP1 所接的光敏電阻R_GM1上的分壓值，判斷是否已經(jīng)“天黑，到了開路燈時(shí)間”，若到了預(yù)設(shè)的開燈點(diǎn)，則由軟件控制 u2 ③腳 GP4 輸出低電平，使 Q4截止、02 導(dǎo)通，點(diǎn)亮路燈。若不到開燈點(diǎn)，則程序返回，循環(huán)檢測上述諸參數(shù)。

K1 是手動(dòng)開燈按鈕。按下 K1 ，路燈點(diǎn)亮。單片機(jī)通過檢測光敏電阻R_GM1上的分壓值，判斷是否“天黑”，若是天黑．則按設(shè)計(jì)要求點(diǎn)亮路燈，若否，單片機(jī)進(jìn)入路燈控制器“測試”功能：2分鐘后路燈自動(dòng)熄滅。

30w太陽能路燈設(shè)計(jì)方案（四）

電路原理見圖所示。該電路由以U5為核心組成的蓄電池過充電控制電路、以 U 4A ～U4D為核心組成的蓄電池電壓指示電路及顯示電壓按鈕開關(guān) KS1 電路、以 U1B 組成的蓄電池過放電控制電路、以 U1A組成的開燈檢測控制電路、以 U2 組成的開燈及延時(shí)熄燈及二次開燈定時(shí)控制電路，以及以控制三極管Q2驅(qū)動(dòng)繼電器組成的輸出控制電路等組成?，F(xiàn)分別介紹如下。

（1） 過充電、過放電檢測保護(hù)部分

太陽能電池組件板或陣列由插口 CZ1 的①腳輸入，加至防反充電二極管 D2 的正極．D2的負(fù)極接 12V 蓄電池的正極，即 CZ1 的③腳?？刂破髟诔跏忌想姇r(shí)，由于 C4 的作用使 U5②腳為低電平，③腳輸出高電平，Q7 導(dǎo)通； Q8 截止，允許太陽能電池給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池所充的電壓小于 14 ． 4V 時(shí)，由R13 、 （R38 十R39） 組成的串聯(lián)分壓電路送至 U5 ②、⑥電壓低于 2 / 3 U5 的供電電壓時(shí)，即小于6V，電路維持充電狀態(tài)；隨著充電時(shí)間的延長，蓄電池電壓逐漸升高，當(dāng) U5 ②、⑥的電壓高于 2 / 3 U5 供電電壓時(shí)，U5③腳輸出低電平， Q7 截止、 Q8 導(dǎo)通，給太陽能電池板泄放電流，停止對蓄電池充電。在U5③腳輸出低電平的狀態(tài)下，其⑦腳導(dǎo)通，相當(dāng)于將 1140 并入電路中。此時(shí)電路的分壓比為： R38+ R39/R40/IRl3+（R38+R39）/R40 ，不難算出，當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定值13V時(shí)．電路狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)，U5③腳輸出高電平，允許蓄電池充電。

（2） 開燈檢測方法與控制

太陽能電池板是一個(gè)很好的光敏元件，其輸出電流、電壓能隨著接受光的強(qiáng)度和照度變化而變化，本控制器就是利用這一原理實(shí)現(xiàn)開、關(guān)燈控制的。太陽能電池板PVin 輸入電壓經(jīng) R5 、 R6 串聯(lián)分壓后；加至運(yùn)放 U 1A ②腳，其③腳接于 R9 、R8+VR1的分壓點(diǎn)上。在白天，太陽能電池板在陽光的照射下輸出電壓很高，其經(jīng) R5 、 R6 分壓后使運(yùn)放 U 1A②腳電壓高于③腳， U 1A①腳輸出低電平， Q1 截止， U2 無供電電壓不工作，Q2截止，繼電器不吸合，系統(tǒng)無輸出電壓，路燈不工作。隨著天色漸黑，太陽能電池板輸出電壓降低。 UlA ②腳的電壓也同步降低，當(dāng) U1A②腳電壓低于③腳時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)， U 1A ①腳輸出高電平， Q1 導(dǎo)通，定時(shí)電路 U2 得電工作， Q2 導(dǎo)通、JDQ1吸合點(diǎn)亮路燈。圖中 VR1 為路燈開燈時(shí)刻設(shè)置調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié) VRl 可設(shè)置不同時(shí)刻點(diǎn)亮路燈。DW1是鉗位二極管，作用是避免白天太陽能電池板接受的電壓過高導(dǎo)致 U 1A ②腳輸入電壓過高而損壞。 C1 為儲(chǔ)能電容，作用是防止 U1A②腳電壓瞬時(shí)突變誤點(diǎn)亮路燈。 R14 為反饋電阻．其作用是使 U 1A 成為一個(gè)遲滯比較器．防止和避免 U1A在開燈點(diǎn)附近振蕩而反復(fù)開、關(guān)路燈。

（3） 路燈延時(shí)電路點(diǎn)亮、熄滅控制電路

延時(shí)控制電路選用 CD4541BE 可編程定時(shí)控制芯片，它功耗低、內(nèi)置可編程分頻器電路，最大分頻級數(shù)為 65536 級。

本控制器設(shè)計(jì)定時(shí)開燈和定時(shí)關(guān)燈時(shí)間調(diào)節(jié)范圍是： 2 ． 093 小時(shí) -11 ． 93 小時(shí)．分別由 V ： R2 和VR3控制調(diào)節(jié)。

（4） 蓄電池停止放電優(yōu)先控制電路

若在路燈欲點(diǎn)亮或已點(diǎn)亮?xí)r，蓄電池電壓已經(jīng)低于其允許終止放電值時(shí)， Q4 導(dǎo)通．此時(shí)無論 U 1A 輸出高電平與否，均會(huì)使Q1截止，從而保護(hù)蓄電池避免過放電損壞。

（5） 電池電壓指示電路

為了讓現(xiàn)場看管、維護(hù)人員及時(shí)了解、掌握蓄電池的狀態(tài)，本控制器設(shè)有 LED 電池電壓指示裝置，通過LLED點(diǎn)亮的數(shù)量指示蓄電池電壓的高低。

30w太陽能路燈設(shè)計(jì)方案（五）

描述TPS61165的工作輸入電源電壓介于3V～18V之間，可提供高達(dá)38V的輸出電壓。該器件具有額定40V集成型開關(guān)FET，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)10個(gè)串聯(lián)LED。其可在1.2MHz固定開關(guān)頻率下工作，不僅能夠顯著降低輸出紋波、提升轉(zhuǎn)換效率，而且還允許使用小型外部組件。在默認(rèn)情況下，白光LED（WLED）的電流由外部感測電阻RSET設(shè)定，反饋電壓穩(wěn)定在200mV。

無論采用數(shù)字還是PWM調(diào)光方法，TPS61165在輸出電容上的輸出紋波均非常小，而且不會(huì)產(chǎn)生普通開啟/關(guān)閉控制調(diào)光所產(chǎn)生的音頻噪聲。為了在開路LED條件下提供保護(hù)，TPS61165可禁用開關(guān)，以防止輸出超過最大絕對額定值。PMP3598將TPS61165用于非同步升壓設(shè)計(jì)。在運(yùn)算放大器周圍構(gòu)建的額外電路不僅能實(shí)現(xiàn)電池欠壓/充電指示功能，而且還能在太陽能板和電池輸入之間提供ORing功能。此外，該電路還集成了必備的過熱與過流保護(hù)功能，并具備負(fù)載斷連特性。

該設(shè)計(jì)的重要優(yōu)勢在于擁有極高的效率和良好的LED穩(wěn)流性能。TPS61165可在能夠穩(wěn)定LED電流的恒流模式下工作。CTRL引腳可同時(shí)用于數(shù)字與PWM調(diào)光的控制輸入。每次啟用器件時(shí)即可選擇TPS61165的調(diào)光模式。通過改變反饋參考電壓也可實(shí)施模擬調(diào)光?？墒褂?0k歐的可變電阻來改變LED電流，以達(dá)到調(diào)光的目的。轉(zhuǎn)換器可在350mA條件下將電壓從6V提升至10.5V，轉(zhuǎn)換效率不低于85%。該電路可用于驅(qū)動(dòng)三個(gè)1W的LED或輸入總功率不超過3W的多個(gè)50mA的LED。

30w太陽能路燈設(shè)計(jì)方案（六）

圖1所示太陽能燈電路是一種低損耗電路，使用一只7W四引腳CFL（小型熒光燈）和一塊12V、7-Ahr密封免維護(hù)電池。逆變器的效率大于85%，靜態(tài)電流小于2mA。它有一個(gè)帶電池過放電保護(hù)功能和過充電保護(hù)功能的并聯(lián)充電控制器。低靜態(tài)電流、過放電保護(hù)功能和過充電保護(hù)功能三者確保電池使用壽命很長。逆變器的預(yù)熱功能可以避免CFL兩端變黑，從而延長其使用壽命。這一電路可在農(nóng)村地區(qū)用作一種可靠小巧的便攜式光源，在城市用作應(yīng)急燈系統(tǒng)。并聯(lián)充電控制器電路包括IC1（低電流2.5V電壓基準(zhǔn)源LM385）和IC2（LM324比較器）。配有電阻R1 ~ R8和三極管Q1的IC2A可防止電池過放電。

圖1

這種太陽能供電的電燈驅(qū)動(dòng)器可用作應(yīng)急燈系統(tǒng)。

當(dāng)電池電壓低于10.8V時(shí)，該電路切斷負(fù)載（逆變器和燈管），從而防止電池過放電。在無負(fù)載狀況下，電池放電后的電壓約為12.2V，因此，為防止出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，電路提供的過放電復(fù)位電壓為12.3V。紅發(fā)光二極管LED1指示低電壓狀態(tài)。配有電阻R9 ~ R14和三極管Q2的IC2B可防止電池過充電。當(dāng)電池電壓超過14.8V時(shí)，Q2導(dǎo)通，并使太陽能電池陣列旁流，從而防止電池過充電。當(dāng)電池電壓低于12.5V時(shí)，Q2截止，太陽能板電池陣列對電池進(jìn)行充電。D2為一支反向阻隔二極管。它能防電池在太陽能電池不產(chǎn)生電能時(shí)對太陽能電池放電。黃發(fā)光二極管LED2指示電池充滿電。綠發(fā)光二極管LED3與IC2c和電阻R15 ~ R20一起，提供充電指示。