30w太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)方案（一）

太陽(yáng)能路燈主要由太陽(yáng)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(guò)程主要包括：燈桿的選型，燈具的選型，太陽(yáng)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(duì)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(guò)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(duì)稱排布。根據(jù)路燈施工設(shè)計(jì)規(guī)范（見(jiàn)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(duì)機(jī)動(dòng)車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2）的要求，本系統(tǒng)屬于級(jí)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(shì)，是未來(lái)道路照明燈具的趨勢(shì)，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：

1、LED光照效率高，使用壽命長(zhǎng)，能使用5萬(wàn)小時(shí)以上；安裝簡(jiǎn)便：無(wú)需加埋電纜無(wú)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(duì)于傳統(tǒng)路燈，LED路燈維護(hù)成本極低，經(jīng)過(guò)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(hào)為D24/120。

注：燈具利用系數(shù)是指投射到一條無(wú)限長(zhǎng)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(guò)后需要恢復(fù)蓄電池容量的太陽(yáng)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(yáng)電池組件的功率為（I1+I2）*30=（12.3+2.96）*30=457Wp式中30為太陽(yáng)電池組件工作電壓，選取2塊峰值功率為230W的太陽(yáng)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(duì)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(guò)充點(diǎn)、過(guò)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(cè)來(lái)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(jí)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(yáng)能路燈設(shè)計(jì)方案（二）

分時(shí)、分壓控制太陽(yáng)能燈，就是根據(jù)夜晚不同時(shí)間段人們對(duì)光照度的不同要求，以及太陽(yáng)電池白天吸收能量的大小，控制太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)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(cè)、脈寬調(diào)制、電池電壓檢測(cè)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(kāi)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(yáng)電池，J2為電源開(kāi)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(yáng)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(yáng)能路燈設(shè)計(jì)方案（三）

用PIC12F675單片機(jī)制作的太陽(yáng)能路燈控制器

PIC 12F675控制蓄電池的過(guò)充電、過(guò)放電，開(kāi)、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(cè)試控制功能，LED指示功能等。

由蓄電池 BTl 、蓄電池過(guò)充電控制執(zhí)行場(chǎng)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(kāi)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(yáng)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(cè) U2⑦腳 GP0 上的分壓值，通過(guò)內(nèi)部 A/ D 轉(zhuǎn)換及軟件運(yùn)算間接檢測(cè)、判斷蓄電池是否欠壓、過(guò)壓．若蓄電池發(fā)生過(guò)充電，則通過(guò)軟件控制U2 ②腳 GP5 輸出高電平，使 Q1導(dǎo)通．短路太陽(yáng)能電池板、停止向蓄電池充電，同時(shí)點(diǎn)亮“過(guò)充電”指示燈 LED2；若未發(fā)生過(guò)充電，則 U2 ②腳 GP5輸出低電平，允許蓄電池充電。通過(guò)檢測(cè) 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(kāi)路燈時(shí)間”，若到了預(yù)設(shè)的開(kāi)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(kāi)燈點(diǎn)，則程序返回，循環(huán)檢測(cè)上述諸參數(shù)。

K1 是手動(dòng)開(kāi)燈按鈕。按下 K1 ，路燈點(diǎn)亮。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)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(cè)試”功能：2分鐘后路燈自動(dòng)熄滅。

30w太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)方案（四）

電路原理見(jiàn)圖所示。該電路由以U5為核心組成的蓄電池過(guò)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(kāi)關(guān) KS1 電路、以 U1B 組成的蓄電池過(guò)放電控制電路、以 U1A組成的開(kāi)燈檢測(cè)控制電路、以 U2 組成的開(kāi)燈及延時(shí)熄燈及二次開(kāi)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(guò)充電、過(guò)放電檢測(cè)保護(hù)部分

太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)，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(yáng)能電池板泄放電流，停止對(duì)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(kāi)燈檢測(cè)方法與控制

太陽(yáng)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(kāi)、關(guān)燈控制的。太陽(yáng)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(yáng)能電池板在陽(yáng)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(wú)供電電壓不工作，Q2截止，繼電器不吸合，系統(tǒng)無(wú)輸出電壓，路燈不工作。隨著天色漸黑，太陽(yáng)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(kāi)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(yáng)能電池板接受的電壓過(guò)高導(dǎo)致 U 1A ②腳輸入電壓過(guò)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(kāi)燈點(diǎn)附近振蕩而反復(fù)開(kāi)、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(jí)數(shù)為 65536 級(jí)。

本控制器設(shè)計(jì)定時(shí)開(kāi)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(wú)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(guò)放電損壞。

（5） 電池電壓指示電路

為了讓現(xiàn)場(chǎng)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(guò)LLED點(diǎn)亮的數(shù)量指示蓄電池電壓的高低。

30w太陽(yáng)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(kāi)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(kāi)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(cè)電阻RSET設(shè)定，反饋電壓穩(wěn)定在200mV。

無(wú)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(kāi)啟/關(guān)閉控制調(diào)光所產(chǎn)生的音頻噪聲。為了在開(kāi)路LED條件下提供保護(hù)，TPS61165可禁用開(kāi)關(guān)，以防止輸出超過(guò)最大絕對(duì)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(yáng)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(guò)熱與過(guò)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(shì)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(guò)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(lái)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(guò)3W的多個(gè)50mA的LED。

30w太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)方案（六）

圖1所示太陽(yáng)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(guò)放電保護(hù)功能和過(guò)充電保護(hù)功能的并聯(lián)充電控制器。低靜態(tài)電流、過(guò)放電保護(hù)功能和過(guò)充電保護(hù)功能三者確保電池使用壽命很長(zhǎng)。逆變器的預(yù)熱功能可以避免CFL兩端變黑，從而延長(zhǎng)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(guò)放電。

圖1

這種太陽(yáng)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(guò)放電。在無(wú)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(guò)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(guò)充電。當(dāng)電池電壓超過(guò)14.8V時(shí)，Q2導(dǎo)通，并使太陽(yáng)能電池陣列旁流，從而防止電池過(guò)充電。當(dāng)電池電壓低于12.5V時(shí)，Q2截止，太陽(yáng)能板電池陣列對(duì)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(yáng)能電池不產(chǎn)生電能時(shí)對(duì)太陽(yáng)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。