太陽能照明燈具設計參考

太陽能照明燈具設計參考

如何選購經濟實用的太陽能燈具產品隨著太陽能光伏技術的發(fā)展和進步，在民用方面首先應用在照明燈具上，近幾年來，太陽能燈具產品由于環(huán)保節(jié)能的雙重優(yōu)勢，太陽能庭院燈和太陽能草坪燈，太陽能裝飾燈等方面的應用已經逐漸形成規(guī)模。如何在眾多耀眼的商業(yè)廣告中，選擇一款比較適合當地氣候條件而又經濟實用的太陽能燈具產品呢？這一直是用戶的最終疑問？在太陽能照明燈具的設計中，涉及光源、太陽能電池系統(tǒng)、蓄電池充放電控制許多因素，其中任何一個環(huán)節(jié)出現問題都會造成產品缺陷。那就讓我們先了解一下太陽能燈具組成吧！1、太陽能電池板2、充放電控制器3、蓄電池4、負載5、燈具外殼太陽能電池太陽能電池主要功能在將光能轉換成電能，這個現象稱之為光伏效應。在眾多太陽光電池中較普遍且較實用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非晶硅太陽能電池等三種，在太陽光充足日照好的東西部地區(qū)，采用多晶硅太陽能電池為好，因多晶硅太陽能電池生產工藝相對簡單，價格比單晶低。轉換效率在近幾年不斷提高。在陰雨天比較多陽光相對不是很充足的南方地區(qū)，采用單晶硅太陽能電池為好，因單晶硅太陽能電池電性能參數比較穩(wěn)定。當然非晶硅太陽能電池在室內陽光很弱的情況下比較好，因為非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低。首先，任何一款太陽能燈具產品我們必須先了解太陽能電池，太陽能電池有五大電性能參數：1、Isc是短路電流2、是峰值電流3、Voc是開路電壓4、Vm是峰值電壓5、Pm是峰值功率Pm是峰值功率=Im是峰值電流×Vm是峰值電壓注：以上計算跟據太陽能電池的外特性對于單片太陽能電池來說，它是一個PN結，除了當太陽光照射在上面時，它能夠產生電能外，它還具有PN結的一切特性。在標準光照條件下，它的額定輸出電壓為0.48V。在太陽能照明燈具使用中的太陽能電池組件都是由多片太陽能電池連接構成的。用戶可以先看太陽能電池來知道價格，性能及太陽能燈具照明的穩(wěn)定性，下面我會根據和負載，蓄電池之間作介紹。充放電控制器無論太陽能燈具大小，一個性能良好的充放電控制電路是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度放電，.另外，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)中對蓄電池充電的控制要比普通蓄電池充電的控制要復雜些。對于太陽能燈具的設計來說，成功與失敗往往就取決于充放電控制電路的成功與失敗。沒有一個性能良好的充放電控制電路，就不可能有一個性能良好的太陽能燈具。充放電控制器必須要到以下幾個特點：1、防反充電控制2、防過充電控制3、防過放電控制4、溫度補償蓄電池由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定,所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作，太陽能燈具也不例外，必須配置蓄電池才能工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池、Ni-H蓄電池，它們的容量選擇直接影響系統(tǒng)的可靠性以及系統(tǒng)價格。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能夠滿足夜晚照明的前提下,把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。蓄電池的選擇也是要看太陽能電池，負載來確定的，下面我們在系統(tǒng)設計中作介紹。負載太陽能燈具產品以節(jié)能環(huán)保為優(yōu)勢，當然負載要節(jié)能，壽命長。我們一般采用LED燈與12V直流節(jié)能燈及低壓鈉燈等。目前多數草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長，可以達100000小時以上，工作電壓低，非常適合應用在太陽能草坪燈上。庭園燈一般采用12V直流節(jié)能燈，直流節(jié)能燈電壓為直流，無需逆變，方便安全。路燈一般采用12V直流節(jié)能燈與低壓鈉燈，低壓鈉燈光效高（可達200LM/W）。但由于低壓鈉燈價格比較昂貴，采用較少。燈具外殼我們收集了許多國外太陽能燈資料，在美觀和節(jié)能兩者之間，大多數都選擇節(jié)能。燈具外觀要求不要很高，相對實用就行。目前有很多廠家外觀很漂亮，選用不銹鋼外殼。但性能到底怎樣呢？這又讓我們深思！系統(tǒng)設計一款好的太陽能燈具產品，關鍵在于系統(tǒng)設計，怎樣才是合理的系統(tǒng)設計呢？那就讓我們先了解一下影響系統(tǒng)的幾個重要因素吧！緯度太陽能方陣面上的年總輻射量最長無日照天數日耗電量平均每日峰值日照時數讓我們試想一下：如果太陽能電池充電量不足每天放電量會怎樣呢？如果連續(xù)幾年陰雨天系統(tǒng)還能照明嗎？這些問題都要我們設計人員的精心設計。下面我又給大家介紹一種簡單判斷太陽能燈具系統(tǒng)性能的方法：我們必須知道系統(tǒng)負載功率，1：太陽能電池功率必須比負載功率高出4倍以上系統(tǒng)才能正常工作。2：蓄電池容量必須比負載日耗電量高出3倍以上（西部地區(qū)），南方地區(qū)要高出5倍以上為好。太陽能燈具之一1太陽能電池的外特性從應用的角度論述，大家主要關心的是太陽能電池的外特性。首先，對于單片太陽能電池來說，它是一個PN結，除了當太陽光照射在上面時，它能夠產生電能外，它還具有PN結的一切特性。在標準光照條件下，它的額定輸出電壓為0.48V。在太陽能照明燈具使用中的太陽能電池組件都是由多片太陽能電池連接構成的。它具有負的溫度系數，溫度每上升一度，電壓下降2mV，對于多片太陽能電池組成的太陽能電池組件。太陽能電池一般都如下參數：Isc是短路電流，Im是峰值電流，Voc是開路電壓。Vm是峰值電壓，Pm是峰值功率。在使用中，太陽能電池開路或者短路都不會造成損壞，實際上我們也正是利用它的這個特性對系統(tǒng)蓄電池充放電進行控制的。太陽能電池在使用中必須注意的問題2.1太陽能電池功率的選擇我們所說的太陽能電池輸出功率Wp是標準太陽光照條件下，即：歐洲委員會定義的101標準，輻射強度1000W/m2，大氣質量AM1.5，電池溫度25℃條件下，太陽能電池的輸出功率。這個條件大約和平時晴天中午前后的太陽光照條件差不多，（在長江下游地區(qū)只能接近這個數值）這并不象有些人想象的那樣，只要有陽光就會有額定輸出功率，甚至認為太陽能電池在夜晚日光燈下也可以正常使用。這就是說，太陽能電池的輸出功率是隨機的，在不同的時間，不同的地點，同樣一塊太陽能電池的輸出功率是不同的。太陽能燈具的設計和燈具的使用地區(qū)有關。太陽能電池組件額定輸出功率和燈具輸入功率之間關系在華東地區(qū)大約是2~4:1，具體比例要根據燈具每天工作時間以及對連續(xù)陰雨天照明要求決定。另外太陽能電池的輸出功率大約120W/m2。2.2蓄電池容量的選擇由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定,所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作，太陽能燈具也不例外，必須配置蓄電池才能工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池、Ni-H蓄電池，它們的容量選擇直接影響系統(tǒng)的可靠性以及系統(tǒng)價格。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能夠滿足夜晚照明的前提下,把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。2.3太陽能電池封裝形式的選擇目前太陽能電池的封裝形式主要有2種，層壓和滴膠，層壓工藝可以保證太陽能電池工作壽命25年以上，滴膠雖然當時美觀，但是太陽能電池工作壽命僅僅1~2年。因此，1W以下的小功率太陽能草坪燈,在沒有過高壽命要求的情況下，可以使用滴膠封裝形式，對于使用年限有規(guī)定的太陽能燈，建議使用層壓的封裝形式。另外，有一種硅凝膠用于滴膠封裝太陽能電池，據說工作壽命可以達到10年。2.4太陽能電池安裝傾斜角度的選擇和裝飾性外罩為了美觀，許多的太陽能燈具的工廠將太陽能電池水平放置，在這種情況下，太陽能電池的輸出功率將減少15%~20%，如果再在太陽能電池上面增加一個裝飾性外罩，太陽能電池的輸出功率又將減少5%左右，太陽能電池價格昂貴，我們收集了許多國外太陽能燈資料，在美觀和節(jié)能兩者之間，大多數都選擇節(jié)能。在長江下游太陽能電池的最理想傾斜角度是40度左右，方向為正南方。2.5熱島效應單片太陽能電池一般是不能使用的，實際應用的是太陽能電池組件。太陽電池組件是由多片太陽能電池組合而成，用以達到期望的電壓值。太陽能電池組件在使用過程中，如果有一片太陽能電池單獨被遮擋，例如樹葉鳥糞等，單獨被遮擋的太陽能電池在強烈陽光照射下就會發(fā)熱損壞，于是整個太陽能電池組件損壞。這就是所謂熱島效應。為了防止熱島效應，一般是將太陽能電池傾斜放置，使樹葉等不能附著，同時在太陽能電池組件上安裝防鳥針。3太陽能燈具中蓄電池的充放電控制無論太陽能燈具大小，一個性能良好的充放電控制電路是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度放電，另外，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)中對蓄電池充電的控制要比普通蓄電池充電的控制要復雜些。對于太陽能燈具的設計來說，成功與失敗往往就取決于充放電控制電路的成功與失敗，沒有一個性能良好的充放電控制電路，就不可能有一個性能良好的太陽能燈具。3.1防反充電控制防止反充電功能，一般來說，就是在太陽能電池回路中串聯(lián)一個二極管，二極管防止反充電，這個二極管應該是肖特基二極管，肖特基二極管的壓降比普通二極管低。另外，還可以用場效應晶體管控制防止反充電功能，它的管壓降比肖特基二極管更低，只是控制電路要比前面復雜一些。3.2防過充電控制防止過充電功能，可以在輸入回路中串聯(lián)或者并聯(lián)一個泄放晶體管，電壓鑒別電路控制晶體管的開關，將多余的太陽能電池能量通過晶體管泄放，保證沒有過高的電壓給蓄電池充電。關鍵是防止過充電壓的選擇，單節(jié)鉛酸蓄電池為2.2V。3.3防過放電控制除了Ni-Cd電池外，其它蓄電池一般都要具有防止蓄電池過放電功能，因為會造成蓄電池過放電永久性損壞。需要注意的是，太陽能電池系統(tǒng)一般相對蓄電池是小倍率放電，所以放電截止電壓不宜過低。3.4溫度補償溫度補償，蓄電池電壓控制點是隨著環(huán)境溫度而變化的，所以太陽能燈系統(tǒng)應該有一個受溫度控制的基準電壓。對于單節(jié)鉛酸蓄電池是-3~-7mV/℃，我們通常選用-4mV/℃。4太陽能燈具光源的選擇目前多數草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長，可以達到100000小時以上，工作電壓低，非常適合應用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術已經實現了其關鍵性突破，并且其特性在過去5年中有很大地提高。同時性能價格比也有較大地提高。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，調節(jié)明暗，頻繁開關都是可能的，并且不會對LED的性能產生不良影響?？刂祁伾?，改變光的分布，產生動態(tài)幻景都是可能的，所以它特別適合在太陽能草坪燈上應用。有許多其固有的特性，使用時如果不注意就會造成不良后果。但是LED目前在市場上銷售LED的發(fā)光效率僅能達到15Lm/W，只能達到三色基色高效節(jié)能燈1/3，三色基色高效節(jié)能燈的發(fā)光效率可以達到50Lm/W~60Lm/W。從價格上看，目前生產每Lm的成本：三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）0.022元，2002年f5mm白光LED價格為1.9~3.0元，目前生產每Lm的成本高，價格相差懸殊。從使用壽命上看，三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的壽命可以達到6000小時，LED可以達到100000小時以上，從表面上看，LED壽命是三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的幾十倍，但是事實并非如此。目前太陽能草坪燈大多數采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通維持率達到初始強度50%的時間（壽命）不到10000小時，復旦大學電光源所曾經證明了上述論點。這就是說，目前在許多情況下LED并非是最好的太陽能草坪燈光源，除非它是低檔，使用年限僅1~2年的太陽能草坪燈，或者是1w以下的太陽能草坪燈。對于1W以上的太陽能草坪燈，最好使用三色基色高效節(jié)能燈。目前有一些太陽能草坪燈用30~40只超高亮白光LED，輸入功率2W以上，在這種情況下，如果使如果用三色基色高效節(jié)能燈，價格只是LED的1/10，光通量為原來的4倍，現在已經研制成功2~10W的低壓直流三色基色高效節(jié)能燈，壽命可以達到6000小時。根據上述分析，我們認為有調節(jié)明暗、頻繁開關功能的1W以下的小功率太陽能草坪燈，一般應該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時特別要注意光通維持率問題，否則容易引發(fā)事故。對于功率較大的太陽能草坪燈，目前使用三色基色高效節(jié)能燈比較合理。這里要強調的是，以上結論僅僅是目前地分析，當LED技術水平提高以后，價格下降，以上結論需要改變。對于太陽能庭院燈，從可靠性、性能價格比、色溫，和發(fā)光效率幾個方面綜合考慮，我們認為理想的光源目前應該是三色基色高效節(jié)能燈。5LED使用注意事項1)由于LED的工作電壓變化0.1V，工作電流可能變化20mA左右。為了安全，普通情況下使用串聯(lián)限流電阻，極大的能量損失顯然不適合太陽能草坪燈，并且LED亮度隨工作電壓變化。采用升壓電路是一個好辦法，也可以用簡單的恒流電路，總之一定要自動限流，否則將損壞LED。2)一般LED的峰值電流50~100mA，反向電壓6V左右，注意不要超過這個極限，尤其在太陽能電池反接或者蓄電池空載，升壓電路峰值電壓過高時，很可能超過這個極限，損壞LED。3)LED溫度特性不好，溫度上升5℃，光通量下降3%，夏季使用要注意。4)工作電壓離散性大，同一型號，同一批次的LED工作電壓都有一定差別，不宜串聯(lián)使用。一定要并聯(lián)使用，應該考慮均流。5)超高亮白光LED色溫為6400k~30000k。目前，低色溫的超高亮白光LED尚沒有進入市場，因此用超高亮白光LED制造的太陽能草坪燈光穿透能力比較差，所以在光學設計上要注意。6)靜電對超高亮白光LED影響很大，在安裝時要有防靜電設施，工人要佩帶防靜電手腕。受靜電傷害的超高亮白光LED當時可能憑眼睛看不出來，但是使用壽命將變短。6系統(tǒng)組合中的幾個問題1)光敏傳感器，太陽能燈需要光控開關，有的設計者往往會用光敏電阻來自動開關燈，實際上太陽能電池本身就是一個極好的光敏傳感器，用它做光敏開關，特性比光敏電阻好。對于太陽能庭院燈問題不大，但是對于僅僅使用一只1.2VNi-Cd電池的太陽能草坪燈來說，太陽能電池組件由4片太陽能電池串聯(lián)組成，電壓低，弱光下電壓更低，以至于天還沒有黑電壓已經低于0.7V，造成光控開關失靈。在這種情況下，只要加一只晶體管直接耦合放大，即可解決問題。2)按蓄電池電壓高低控制負載大小，對太陽能燈在連續(xù)陰雨天時可維持的時間要求很高，這就增加系統(tǒng)成本。我們在連續(xù)陰雨天蓄電池電壓降低時減少LED或者減少太陽燈接入個數，或者減少太陽能燈每天的發(fā)光時間，這就降低了系統(tǒng)成本。3)閃爍變光，漸亮漸暗是節(jié)能的好辦法，它一方面可以增加太陽能草坪燈照射效果，另一方面可以通過改變閃爍占空比控制蓄電池平均輸出電流，延長系統(tǒng)工作時間，或者在同等條件下，可降低成本。4)三色基色高效節(jié)能燈的開關速度。這個問題非常重要，它甚至決定了太陽能草坪燈的使用壽命，三色基色高效節(jié)能燈啟動時有高達10~20倍的啟動電流，系統(tǒng)在承受這樣大的電流情況下，可能電壓有大幅度下降，太陽能草坪燈無法啟動或者反復啟動，直至損壞。5)目前太陽能電池還不能夠使用在主干道照明上。公路主干道的照明有法定的照度要求，就目前太陽能電池的轉換效率和價格講，還不能夠滿足這個要求。但在不久的將來隨著各方面的技術水平的提高，太陽能電池一定會應用在公路主干道的照明上。6)關于儲能電容，太陽能電池的使用壽命在25年以上，普通蓄電池的使用壽命在2~3年，所以蓄電池是太陽能電力系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。儲能電容可以在一定程度上解決這個問題。儲能電容的使用壽命可以達到10年以上，而且控制電路簡單，但是昂貴的價格限制了它的應用，目前僅僅應用在部分交通信號燈和裝飾燈上。隨著技術水平的提高，產品價格的下降，它將是一種最有希望成為和太陽能電池配套的理想儲能元件。當然目前也有采用膠體蓄電池的，一般質量好的可以保證壽命在5~7年，如此大大提高了太陽能庭院燈與路燈的首次維護期。7有關太陽能電池在照明燈具上應用的技術7.1用于草坪燈高效率升壓電路小功率太陽能草坪燈一般都有升壓電路，目前各廠家采用振蕩電路，電感升壓。電感采用標準色碼電感器，標準色碼電感器中使用開放磁路，磁通損失大，所以電路效率低。如果采用閉合磁路制造電感