新型发光二极管在太阳能路灯中的应用.docx
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新型发光二极管在太阳能路灯中的应用
新型发光二极管在太阳能路灯中的应用
中文摘要
太阳能是一种清洁的优秀的可再生能源。
随着地球资源的不断减少,各国的科学家都在立志研究新能源,其中太阳能是最有价值的新能源之一。
目前利用到太阳能的产品已经有很多,如太阳能热水器,技术已非常成熟。
而太阳能LED路灯也在不断的发展,并已逐渐取代了传统的用电路灯。
本文研究了结合太阳能光伏电技术与LED技术的新型的路灯。
太阳能路灯具有很多优点:
安全可靠,维护方便;不需要常规能源,不污染环境;安装方便,转移也灵活方便。
从而不仅节约了电能,而且避免了由于四季昼夜长短不一,需要调整电路系统的麻烦,使路灯更为人性化。
关键词:
太阳能,LED,蓄电池,发光二极管,变换器。
Newlight-emittingdiodesintheapplicationofsolarenergystreetlamp
Abstract
ThesolarenergyisacleanandoutstandingrenewableenergywiththeEarth’sresourcescontinuoustoreducing;allofscientistsaredeterminedtostudynewenergy.Thesolarenergyisoneofthemostvaluablenewenergy.Atpresentproducts,whichusedthesolarenergy,suchasthesolarwaterheaters,itstechnologyisverymature.ThesolarLEDlightshavealsobeenindevelopment,andgraduallyreplacedthetraditionalLEDlights.Thepaperresearchesatypeofstreetlamps,whichcombinationofsolarphotovoltaicpowertechnologyandLEDtechnology.
Solarlightshavemanyadvantages:
safe,reliableandeasytomaintenance.Andtheydonotneedtheconventionalenergysourcesandenvironmentalpollution,easetoinstallation,transferandflexible.Usingthissystem,wecansavethesourceandavoidadjustingcircuitsystemcausedbythedifferentlengthofthedayandnightindifferentseason.
KeyWords:
Solarenergy,LED,Accumulatorcell,converter.
目录
1绪论3
1.1概述4
1.2太阳能LED路灯的特点4
1.2.1太阳能LED路灯的优点4
1.2.2太阳能LED的难点5
1.3我国太阳能路灯系统的现状5
2太阳能LED路灯的基本原理5
2.1系统基本组成5
2.2系统工作原理6
2.3太阳能电池板7
2.4太阳能控制器8
2.5蓄电池8
3电路设计9
3.1电源电路设计9
3.2LED驱动电路10
3.3单片机的算法实现11
3.4控制器的选择14
3.5LED路灯类型的选择15
3.5.1高亮度白色LED优点15
3.5.2LED路灯技术指标16
3.5.3LED路灯的散热17
3.6蓄电池的充放电管理18
3.7LED恒流工作控制19
3.8照明设计19
3.8.1照明标准19
3.8.2照明方式20
3.8.3道路及与其联接的特殊场所照明设计原则21
结论23
参考文献23
致谢24
1绪论
1.1概述
太阳能作为可再生能源,很早就被人们开发和利用了。
随着科学和技术的迅速发展,随着世界能源危机的口益严重,利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要,开发和利用新能源,尤其是太阳能越来越引起各国政府的重视。
同时,以煤、石油等作为燃料油面临严重的环境污染;再者人民生活水平的提高对能源的需求量越来越大,这就迫使政府和社会在大力发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。
为贯彻落实科学发展观,把节约资源作为基本国策,发展循环经济,保护生态环境,加快建设资源节约型、环境友好型社会,促进经济与人口、资源、环境相协调发展的要求,因而,可再生、无污染的太阳能利用在世界各国崛起。
世界光伏产业迅猛发展。
根据可持续发展战略和环境保护的需求,在可以预计的将来,光伏发电必将部分取代常规能源。
目前太阳能企业面临新机遇,由于光伏技术的逐渐成熟,成本不断下降,太阳能的无处不在,取之不尽。
各种各样的利用太阳能开发的太阳能电子产品发展非常迅速。
1.2太阳能LED路灯的特点
1.2.1太阳能LED路灯的优点
(1)环保节能:
以太阳能光电转换提供电能,取之不尽、用之不竭;无污染、无噪音、无辐射;绝无触电、火灾等意外事故;安装简洁,不需要架线或“开膛破肚”挖地施工、也没有停电限电顾虑。
(2)成本低廉:
就产品本身价格和首次投入费用而言,太阳能路灯比普通路灯造价要高。
若按使用寿命15年把运行费用和路灯维护费用考虑进去的话,太阳能路灯在寿命周期内所发生的总费用要比普通路灯的总费用要低。
且规模越大,普通路灯安装的相关费用越高,如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及路灯开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于本表预计费用。
(3)寿长实用:
寿命长:
产品科技含量高,控制系统、配件均是国际品牌、智能化设计,质量可靠;投资少:
一次投资、长期受用,而且凡是有日照的地方太阳能路灯可以随处安装,不论是在偏僻的山村,还是城市,不用连接公共电网,因此在安装时不必挖掘路面或草地,无须开沟埋设电缆,需要时可以移动位置,重新安装到另外的地点,灵活方便。
(4)安全稳定,运行维护费用低:
普通路灯明显高于太阳能路灯,而且会随着使用时间的增长而越来越高(电费、人工等)。
太阳能路灯免维护,绝对安全,不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。
1.2.2太阳能LED的难点
(1)受外界温度的影响。
因为太阳能路灯完全工作在自然环境下,环境温度的变化会影响蓄电池的性能。
因此在设计电路时必须对蓄电池的允放电电压做温度补偿。
(2)蓄电池的蓄电量。
当没有充足的阳光时,蓄电池的容量以及负载功率的大小,要保证系统稳定可靠地工作,又能达到最好的经济效益。
铅酸电池很少受记忆效应的影响,铅酸电池最大的优点是可以以较为简单的手段为电池再生,使其寿命期限内的充放电次数达到上万次,这个优势,远远超过其它任何一种电池。
1.3我国太阳能路灯系统的现状
近两年我国LED路灯发展很快,并建了不少示范工程,有些取得很好的效果。
但也出现了不少,这些问题主要集中在路面亮度偏低、均匀度不够、达不到国标要求;LED配光曲线不合理,导致辐射到路面亮度(照度)太集中,道路环境SR值不符合要求;缺少严谨科学测试对比数据,技术不稳定及灯具价格太贵等等。
2太阳能LED路灯的基本原理
2.1系统基本组成
系统基本组成简介见图,系统由太阳能电池组件部分(包括支架)、LED灯具、开关灯自动控制电路(其控制箱内有充电器、控制器、蓄电池)和灯杆几部分构成。
图表1系统基本组成
2.2系统工作原理
系统工作原理简单,利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池,白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出,经过充放电控制器储存在蓄电池中,夜晚当照度逐渐降低至10lx左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右,充放电控制器侦测到这一电压值后动作,蓄电池对灯头放电。
蓄电池放电8.5h后,充放电控制动作,蓄电池放电结束。
直流控制器能够在任何条件下(阳光充足或长期阴雨天)都能确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏,同时具备光控、时控、声控、温度补偿及防雷、反极性保护等功能。
充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。
2.3太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分,也是太阳能路灯中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能转换为电能,或送至蓄电池中存储起来。
图2太阳能电池板
太阳能电池板的输出功率是随机的,在不同的时间、不同的地点,同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。
在决定太阳能电池板功率时,不但要依据当地的太阳平均辐射强度,还要考虑灯具功率和灯具每天的工作时间,以及所要求的连续阴雨天数等。
太阳能电池板功率的选择可用下式估算。
=
式中:
———LED灯的功率(W);
———蓄电池充电效率,
=0.7;
———LED驱动电路的效率,
=0.9;
———灯具每天点燃时间(h);
———平均每日的峰值日照时数(h);
———阴雨期富余系数,
为1.0~1.3;
———太阳电池方阵表面灰尘的遮挡损失系数
=1.05。
2.4太阳能控制器
太阳能灯具中,一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。
为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充电放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度充电。
在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能。
同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能,具有光控、时控功能,并应具有夜间自动切控负载功能,便于阴雨天延长路灯工作时间。
2.5蓄电池
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。
一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。
蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则:
首先在能满足夜晚照明的前提下,把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来,同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。
蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要,蓄电池过大,一方面蓄电池始终处在亏电状态,影响蓄电池寿命,同时造成浪费。
蓄电池应与太阳能电池、用电负荷(路灯)相匹配。
可用一种简单方法确定它们之间的关系。
太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上,系统才能正常工作。
太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%,才能保证给蓄电池正常负电。
蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
蓄电池容量的选择可用下式计算。
注:
式中:
C———蓄电池标称容量;
Q———灯具的日耗电量(A·H);
D———所希望的连续阴雨天数;
k1———蓄电池放电深度,k1=0.75;
k2———蓄电池自放电所损耗的电量,k2=10%。
3电路设计
整个太阳能路灯系统的原理示意图如图3所示,其中的太阳能电源电路采用光伏电池和超级电容器作为能量转化与储能系统;微控制器采用AT公司生产的AT89C51;单盏路灯中暂设为包含三个LED,可以通过控制LED亮灭的个数调节路灯的亮度;驱动电路为恒流LED驱动电路,可以保证电流稳定和LED亮度恒定。
图表3整体电路框图
3.1电源电路设计
如图4所示,BT1为光伏电池,C1为超级电容器,为单片机以及LED提供电源,R1,R5为分压电阻,R2,R3,R4为限流电阻,C2为滤波及稳压电容器。
Q1用来控制Q2的导通与关断,Q2的发射极接单片机电源,控制单片机的开关。
白天有太阳照射时,光伏电池产生电能,通过二极管D0将电能储存进超级电容器C1,D0可以保证超级电容器中的电流不倒灌入光伏电池。
此时A点电位上升,三极管Q1基极为高电平,Q1导通,B点电位为低,致使三极管Q2关断,超级电容器储存的电能无法送到单片机,单片机没有电源,处于未启动状态,路灯处于熄灭状态。
当夜晚降临,阳光减少,光伏电池上储存的电量开始降低,致使A点电位降低,Q1关断,超级电容器储存的电能开始令B点电位上升,Q2开通,单片机上电,路灯被点亮,整个路灯系统开始运行。
图表4电源电路
3.2LED驱动电路
白光LED对驱动的要求
白光LED的基本特性是通过白光LED的电流量与发光量程线性正比关系,因此,严格控制白光LED正向电流对于获得所需的发光量而言极为重要。
白光LED玉普通整流二极管相比,白光LED在电气性能上与其唯一的区别是其正向电压变化范围在3-4V。
因此,驱动白光LED的最佳方法是使其工作在电流模式下。
对白光LED驱动器的主要要求有:
(1)为满足蓄电池组电压供电,驱动器应有升压功能,以满足6V、12V、24V蓄电池组供电的要求,并要求能工作到电池终止放电电压为止。
(2)驱动器应有高的功率转换效率,以提高电池的使用寿命或两次充电之间的时间间隔。
(3)在多只白光LED并联使用时,要求各白光LED的电流相匹配,使亮度均匀。
(4)低功耗,静态电流小,并且有关闭控制功能,在关闭状态时一般耗电应小于1mA。
(5)白光LED的最大电流应可设定,使用过程中科调节白光LED亮度。
(6)有完善的保护电路,如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护。
(7)小尺寸封装,并要求外围组件少而小,以使占PCB面积小。
(8)对其他电路干扰影响小。
(9)使用方便,价位低。
直接从单片机管脚输出的电平难以驱动高辉度的LED路灯,因此本文采用如图5所示的驱动电路。
此驱动电路为恒流LED驱动电路,Q7基极接单片机PX(X=1,2,3)口。
D1为齐纳二极管,作为恒压源加在Q3的基极上,由于基极偏压稳定,集电极电流
也随着稳定,根据
=(
-
)/
,即使电压源
变化
也不会变化,可以保证电流和亮度稳定。
图表5LED驱动电路
3.3单片机的算法实现
本文从合理利用能源的角度出发,分析了太阳能路灯在一天内的运行状态,认为其工作过程可分为三个阶段:
(1)下午18点至晚上20点。
此阶段是全天开始进入黑暗的时段,路面光线逐渐变暗,太阳能路灯开始投入运行,此时路灯的亮度不必达到最大,我们将其亮度等级划为C级;
(2)晚上20点至凌晨12点。
此时段路面光线最暗,路灯亮度应调为最大。
亮度等级为A级;
(3)零点至次日凌晨3点。
此阶段间路上行人较少,因此路灯亮度可稍稍降低,亮度等级为B级;
(4)凌晨3点至5点。
此阶段所需亮度也较低,亮度等级也为C级。
基于以上分析得出结论:
太阳能路灯必须拥有智能化控制技术才能实现路灯亮度的自动调节。
单片机控制LED亮度变化的算法如图4所示。
图表6单片机算法流程图
由图4算法可知,当单片机上电时,程序自动运行,当P1输出高电平时,驱动LED1发光,此时路灯亮度级别为C级,经延时2个小时后P2与P3口同时输出高电平,LED2与LED3也开始发光,路灯亮度级别为A级,依次类推直到P1,P2,P3口全部输出低电平,此时路灯彻底熄灭。
代码如下:
#include
sbitP1_1=P1^1;
sbitP1_2=P1^2;
sbitP1_3=P1^3;
voiddelay(unsignedintn)//延时n*50ms的延时函数
{
loop:
TMOD=0X01;//定时器T0定时1模式
TL0=0X00;//定时初始值
TH0=0X4C;
TR0=1;//开启定时
while(!
TF0);//判断定时溢出TF0,溢出为TF0=1
TF0=0;
n--;
if(n)
gotoloop;
TR0=0;//关闭定时器T0
}
voidmain()
{
while
(1)
{
P1_1=1;//LED1亮,C级亮度
delay(n);//延时2个小时(n为可调的值)
P1_2=1;//LED2与LED3亮,A级亮度
P1_3=1;
delay(n);//延时4个小时(n为可调的值)
P1_3=0;//熄灭LED3,B级亮度
delay(n);//延时3个小时(n为可调的值)
P1_2=0;//熄灭LED2,C级亮度
delay(n);//延时2个小时(n为可调的值)
P1_1=0;//熄灭LED1,LED全部熄灭
}
}
3.4控制器的选择
智能化控制芯片中,单片机凭其体积小、封装形式简单、易于焊接、功能齐全、功耗较小等优点不失为最佳选择[1]。
利用单片机完全可以实现路灯亮度的自动调节并能达到节省能源的目的,并且一旦开机就可以智能地持续工作,减少了工作人员的维护量。
AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统。
功能强大的AT89C51单片机可为用户提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
其主要特性为:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
因此本文选择AT89C51作为整个路灯系统的控制器,不仅可以达到物美价廉,经济实用的目的,而且它的反复可擦除特性保证了用户可以根据实际情况多次修改程序,实现不同环境下的智能控制。
3.5LED路灯类型的选择
随着白光LED(LightEmittingDiode)二极管的光效和亮度快速提高,LED从传统的航海、公路标志等显示领域迅速扩展到照明领域,并且在该领域受到越来越广泛的重视,被视为第三代节能环保型的照明产品。
3.5.1高亮度白色LED优点
1、LED路灯本身的特性——光的单向性,没有光的漫射,保证光照效率;
2、LED路灯有独特的二次光学设计,将LED路灯的光照射到所需照明的区域,进一步提高了光照效率,以达到节能目的;
3、LED的光源效率目前已达100lm/W,而且还有很大的发展空间,理论值达250lm/W。
而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加,因此,总体光效LED路灯比高压钠灯强;(这个总体光效是理论上的,实际上250W以上高压钠灯的光效高于LED);
4、LED路灯的光显色性比高压钠灯高许多,高压钠灯显色指数只有23左右,而LED路灯显色指数达到75以上,从视觉心理角度考虑,达到同等亮度,LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上,(参照英国道理照明标准);
5、LED路灯的光衰小,一年的光衰不到3%,使用10年仍达到道路使用照度要求,而高压钠灯光衰大,一年左右已经下降30%以上,因此,LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低;
6、LED路灯有自动控制节能装置,能实现在满足不同时段照明要求情况下最大可能的降低功率,节省电能;
7、LED是低压器件,驱动单颗LED的电压为安全电压,系列产品单颗LED功率都为1瓦,所以它是一个比使用高压电源更安全的电源,特别适用于公共场所(例如:
路灯照明、厂矿照明、汽车照明、民用照明等);
8、每个单元LED小片只有很小体积,所以可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境;
9、寿命长。
LED的寿命长达l0万h,而白炽灯的寿命一般不超过2000h,荧光灯的寿命也不5000h左右;
10、效率高。
相对于传统的第一代照明光源白炽灯,LED的功耗只有前者的10%~20%;
11、绿色环保。
与广泛使用的第二代照明荧光灯相比,LED不含汞、无频闪,是一种环保光源;
12、耐低温。
环境使用温度在-40~70°C,环境适应性非常强;
13、光效高:
采用≥100LM以上的芯片,相对于传统高压钠灯能节能75%以上;
14、安装简便:
无需加埋电缆无需整流器等,直接将路灯灯头安装于灯杆接上或者将光源嵌套原有灯壳;
15、散热控制出色:
夏天温度控制在45度左右,并采用被动散热方式。
夏天的散热保障不足;
16、质量可靠:
电路电源全部采用高质量元器件,每颗LED都有单独过流保护,无需担心损坏;
17、光色均匀:
不加透镜,不以提高亮度而牺牲均匀光色,从而保证无光圈光色均匀。
3.5.2LED路灯技术指标
目前,LED照明技术日趋成熟,大功率LED光源功效已经达到80lm/W以上,这使得城市路灯照明节能改造成为可能。
LED路灯,特别是大功率LED路灯,正以迅猛的速度冲击传统的路灯市场。
大功率LED路灯顾名思义是功率大于30瓦以上,采用新型LED半导体光源的路灯。
目前LED路灯的标准一般是路面照度均匀度(uniformityofroadsurfaceilluminance)的平均照度0.48。
光斑比值1:
2,符合道路照度。
(实际1/2中心光斑达到25LUX,1/4中心光强达到15LUX,16米远的最低光强4LUX,重叠光强约6LUX。
目前市场路灯透镜材料为改良光学材料,透过率≥93%,耐温-38-+90度,抗UV紫外线`黄化率30000小时无变化等特点。
它在新型城市照明中有非常好的应用前景。
对深度的调光,且颜色和其他特性不会因调光而变化。
太阳能LED路灯就是指采用太阳能硅板为供应电源的LED路灯。
标准:
(1)光的转化率17%,(每平方太阳能量为1000W,实际利用效率为170W)
(2)目前市场路灯透镜材料为改良光学材料,透过率≥93%,耐温-38-+90度。
(3)LED路灯透镜,主要用于LED路灯的透镜,光斑为矩形,材料是PMMA光学材料,透过率≥93%,耐温-38-+90度,抗UV紫外线`黄化率30000小时无变化等,
(4)路面照度均匀度(uniformityofroadsurfaceilluminance)的平均照度0.48。
光斑比值1:
2
(5)符合道路照度。
(实际1/2中心光斑达到25LUX,1/4中心光强达到15LUX,16米远的最低光强4LUX,重叠光强约6LUX。
(6)它在新型城市照明中有非常好的应用前景。
对深度的调光,且颜色和其他特性不会因调光而变化。
(7)适应湿度:
≤95%
(8)品质保证:
2年
尽管LED路灯的发展速度迅猛,但led路灯的标准却相对滞后。
在全球范围内,LED的路灯标准也不是都没有,像LED路灯的欧洲标准现在就有。
事实上,各地区对LED路灯的标准,在指标上不尽相同,LED路灯要在标准上符合销售区的要求,因此投标LED路灯工程要深入研究当地的LED路灯标准,只有这样才会在激裂的市场竞争中占有一席之地。
3.5.3LED路灯的散热
传统LED路灯设计主要设计重点在LED的流明数上,而对LED灯具的散热则的关注较少。
实际上,LED的流明数正在迅速的增加。
2006年量产LED的单瓦流明数已经达到50流明,而且这一数值还在快速地增长。
与之对应的传热学理论体系已经成熟,我们可以使用的传热手段也基本明确:
传导、对流、辐射和相变传热。
因此,在传热或者说散热问题上,我们可以采取的措施是可见的、有限的。
散热主要有以下四个方面:
(1)强制气流冷却方式。
典型作法是使用风扇,其特点一是强制对流,散热面积大,能有效将热量从灯具中散出;二是体积小,适用于1000W的高功率LED路灯,
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