一文詳解太陽能路燈的設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)

太陽能路燈的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，尤其是靠小規(guī)?；鹆Πl(fā)電或季節(jié)性水力發(fā)電的地區(qū)，更應(yīng)大力發(fā)展太陽能電力。太陽能路燈以其先進(jìn)、穩(wěn)定、智能、成熟的控制技術(shù)及顯著的節(jié)能特性、簡便的維護(hù)方式等特點(diǎn)得到推廣。隨著太陽能照明燈具產(chǎn)品的普及，很多應(yīng)用項(xiàng)目存在質(zhì)量和售后服務(wù)問題。因此，需及時分析原因、規(guī)范市場，使太陽能路燈市場健康有序地發(fā)展。太陽能是地球上最為直接、普遍、清潔的能源，其作為一種可再生能源，每天達(dá)到地球表面的輻射能約2.5億萬桶石油。

本文主要詳解太陽能路燈的設(shè)計(jì)，首先介紹了太陽能路燈的根本結(jié)構(gòu)、作業(yè)原理及太陽能路燈設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)，其次闡述了太陽能路燈的設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)，最后介紹了一款基于單片機(jī)的智能太陽能路燈設(shè)計(jì)方案詳解。

一、太陽能路燈的根本結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理

1、太陽能路燈根本結(jié)構(gòu)

太陽能路燈首要由太陽電池組件、組件、支架、光源、操控器、蓄電池、燈桿等幾部分組成。

2、太陽能路燈的作業(yè)原理

太陽能路燈運(yùn)用太陽電池的光生伏特效應(yīng)原理，白日太陽電池吸收太陽能光子能量發(fā)生電能，經(jīng)過操控器儲存在蓄電池里，當(dāng)夜幕來臨或燈具周圍光照度較低時，蓄電池經(jīng)過操控器向光源供電一直到設(shè)定的時刻后堵截。

二、太陽能路燈設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)

1、經(jīng)過已知太陽能路燈運(yùn)用地來查找運(yùn)用地的經(jīng)度與緯度。經(jīng)過（我國不同歪斜面上太陽輻射數(shù)據(jù)庫）來斷定太陽電池組件的歪斜角與方位角及核算該區(qū)域的太陽能規(guī)范峰值日照時刻。

2、路燈所選用光源的功率（W）。光源功率的巨細(xì)直接影響著整個體系的參數(shù)安穩(wěn)性。

3、太陽能路燈每天晚上作業(yè)的時刻（H）。這是決議太陽能路燈體系中組件巨細(xì)的中心參數(shù)，經(jīng)過斷定作業(yè)時刻，能夠開始核算負(fù)載每天的功耗和與之相應(yīng)的太陽電池組件的充電電流。

4、太陽能路燈需求堅(jiān)持的接連陰雨天數(shù)（d）。這個參數(shù)決議了蓄電池容量的巨細(xì)及陰雨天往后康復(fù)電池容量所需求的太陽電池組件功率。

5、斷定兩個接連陰雨天之間的距離天數(shù)D。這是決議體系在一個接連陰雨天往后充溢蓄電池所需求的電池組件功率。

三、太陽能路燈的設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理相同，因而太陽能路燈的設(shè)計(jì)思路也可依據(jù)一般的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，先確定光源的功率，每天的工作時間，保證幾個陰雨天然后計(jì)算蓄電池的容量和太陽電池組件的功率。但太陽能路燈又有其特殊性，需要確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與可靠，所以在設(shè)計(jì)時需要特別注意。

1、太陽電池組件

太陽電池組件的電壓會隨著溫度的升高而降低，由于高溫的影響，電池組件的電壓損失約 2V，而充電過程控制器上的二極管壓降 0.7V，所以選擇工作電壓為 18V 的組件。由于太陽能路燈的特殊性，太陽能電池板一般安裝在燈桿上，對于路燈桿而言，一般都是 5 米以上，重心較高，而且大部分太陽電池板都是懸掛式，為增強(qiáng)整套設(shè)備的抗風(fēng)力，一般選擇多塊太陽電池板組成所需要的組件功率。

2、蓄電池（組）

在選擇蓄電池時，須要考慮放電率對蓄電池容量的影響，溫度對蓄電池容量的影響，放電深度對蓄電池容量的影響等幾個方面。所以一定要選用深循環(huán)的太陽能專用蓄電池。蓄電池在進(jìn)行并聯(lián)連接時，需要考慮各單體電池間的不平衡影響，通常情況下并聯(lián)組數(shù)不宜超過 4 組。

3、控制器

控制器是整個路燈系統(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)及SOC放電控制等。在選擇路燈控制器時，特別需要注意控制器恢復(fù)連接點(diǎn)參數(shù)，由于蓄電池有電壓自恢復(fù)特性，當(dāng)蓄電池處于過放電狀態(tài)時，控制器切斷負(fù)載，隨后蓄電池電壓恢復(fù)，如果些時控制器各參數(shù)點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，則可能出現(xiàn)燈具閃爍不定，縮短蓄電池和光源的壽命。

4、光源的選擇

光源的選型對于太陽能路燈來說是最關(guān)鍵的一步，目前針對太陽能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。目前常見的光源有直流節(jié)能燈、高頻無極燈、低壓鈉燈和LED光源。LED 作為半導(dǎo)體光源，其發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，是太陽能路燈最為理想的光源，LED路燈光源是一款多功能、環(huán)保節(jié)能型路燈光源，適合在各種場合的照明使用。LED路燈驅(qū)動器是專門針對LED路燈系統(tǒng)所研發(fā)的產(chǎn)品，用于提供LED燈具穩(wěn)定的電源。運(yùn)用先進(jìn)的電子電力技術(shù)，設(shè)計(jì)了高效率增強(qiáng)以及超節(jié)能脈波寬度調(diào)變（PWM）兩種輸出模式，配合時間控制，可以在需要的時候（上半夜天黑人多車多的時候）以高效率增強(qiáng)模式點(diǎn)亮LED燈具，提供良好的照明，而其它時間段（后半夜人車稀少的時候）則以超節(jié)能模式輸出，節(jié)約蓄電池的電力的消耗。另外，國內(nèi)大部分太陽能路燈項(xiàng)目照明亮度需滿足城市道路照明標(biāo)準(zhǔn)。

下面舉例說明太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)：

例如：需要在某市安裝一批太陽能路燈，光源功率為30W，要求路燈每天工作8小時，保證連續(xù)7個陰雨天能正常工作。當(dāng)?shù)貣|經(jīng)114度，北緯23度，年平均水平日太陽輻射為3.82KW.h/m2，年平均月氣溫為20.5度，兩個連續(xù)的陰雨天間間隔時長25天。

根據(jù)以上資料，計(jì)算出光伏組件傾斜角26度，標(biāo)準(zhǔn)峰值時數(shù)約3.9小時。

（1）負(fù)載日耗電量

Q=W* H/U=30*8/12=20Ah

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=7.04A

式中1.05為太陽能充電綜合損失系數(shù)，蓄電池充電效率、控制器效率

（3）蓄電池容量的確定

滿足連續(xù)10個陰雨天正常工作的電池容量C

C=Q*（d+1）/0.75*1.1=20*8/0.75*1.1=235Ah取240Ah

式中0.75為蓄電池放電深度，1.1為蓄電池安全系數(shù)

選取2節(jié)12V120Ah的電池組成電池組

（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I2

I2=C*0.75/h/D=240*0.75/3.9/25=1.85A

式中0.75為蓄電池放電深度

（5）太陽電池組件的功率為（I1+I2）*18=（1.85+7.04）*18=160Wp

式中18為太陽電池組件工作電壓

四、太陽能路燈的的設(shè)計(jì)實(shí)例

一下是一種基于單片機(jī)智能控制的太陽能路燈設(shè)計(jì)方案。本方案不僅可以實(shí)現(xiàn)智能控制，且可使路燈系統(tǒng)運(yùn)行在節(jié)能狀態(tài)，提高能源的利用率。

1、硬件電路設(shè)計(jì)

選擇DS1302計(jì)時器、AT24C02存儲器、4位數(shù)碼顯示器、過充過放電路、STC12C2051單片機(jī)等組成智能控制系統(tǒng)。根據(jù)各部分電路的功能不同，整體電路可分為以下幾個部分：太陽能電池板組件、過充過放電路、STC12C2051單片機(jī)、蓄電池、時控光控電路、照明負(fù)載和時間顯示電路。

1）電源電路設(shè)計(jì)

電源電路如圖1所示。系統(tǒng)由太陽能電池板供電，24 V蓄電池電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生5 V電壓，作為控制器的主電源。電容C2作為高頻旁路電容，將高頻信號旁路到地。同樣電容C1為濾波電容。

圖一 電源電路

2）方案選擇

DS1302是美國Dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時時鐘電路，其可對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計(jì)時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5V采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。

在設(shè)計(jì)中一般使用的計(jì)時功能電路有軟件計(jì)時，定時器定時，但其缺點(diǎn)是計(jì)時有誤差，需隔一段時間校正一次;另一種是硬件計(jì)時，現(xiàn)在流行的串行時鐘電路有DS1302、DS1 307、PCF8485等，這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用。在設(shè)計(jì)中采用硬件定時，時鐘芯片DS1302。DS1302是Dallas公司的一種具有涓細(xì)電流充電能力的電路，主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。

RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器。其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時，所有數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。

采用時鐘控器型的路燈控制器，要預(yù)先設(shè)定開關(guān)時間，使路燈按時亮燈、準(zhǔn)時熄燈，從而達(dá)到自動控制的目的。優(yōu)點(diǎn)是定時開關(guān)預(yù)先設(shè)定的開關(guān)時間不受外界干擾，除本身故障外不會產(chǎn)生誤動作。缺點(diǎn)是不能根據(jù)季節(jié)變化和特殊的天氣情況自動變換開關(guān)時間，需人工調(diào)整開關(guān)時間，費(fèi)時費(fèi)力，不利于節(jié)能。定時開關(guān)又分為機(jī)械鐘表型和電子鐘表型，機(jī)械鐘表型以石英鐘為主，走時精準(zhǔn)，但是由于機(jī)芯內(nèi)使用塑料齒輪在高溫下會變形，從而導(dǎo)致停機(jī)現(xiàn)象。

電子鐘表型定時開關(guān)使用的也較多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成塊為中心的電子鐘電路。圖2為與單片機(jī)的連接圖，其中VCC1為主電源，VCC2為后備電源。在一般情況下，SCL、I/O、RST與單片機(jī)連接實(shí)現(xiàn)1302的讀寫控制。

圖二 1302與單片機(jī)的接口

存儲器AT2402的1，2，3腳為空腳，4腳為接地端，5腳為數(shù)據(jù)端，6腳為時鐘端，7腳為寫保護(hù)端口，8腳為電源。

AT24C02在設(shè)計(jì)中的作用是掉電存儲器，是為防止電源突然斷開時，用戶信息不會丟失，存儲當(dāng)前設(shè)定的信息。AT24C02是Atmel公司的2 kB的電可擦除存儲芯片，由于AT24C 02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL（移位脈沖）和SDA（數(shù)據(jù)/地址）與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。電壓最低可達(dá)2.5 V，額定電流為1 mA，靜態(tài)電流10 μA（5.5 V），芯片內(nèi)的資料可在斷電的情況下保存相當(dāng)長的時間，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。其與單片機(jī)的連接如圖3所示。

圖三 24C02與單片機(jī)的接口

太陽能路燈與普通路燈控制電路功能基本相同，均是為了完成晚上亮燈，早晨熄燈以及對蓄電池的充電管理。國內(nèi)外常用的控制器有單獨(dú)的光控制型、時鐘控器型、經(jīng)緯型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括程序初始化、時間設(shè)定子程序、1302的讀寫程序、24C02的讀寫程序、時間比較子程序、按鍵子程序、顯示刷新子程序等共同組成。程序開始要進(jìn)行初始化，調(diào)用24C02內(nèi)部存儲的開關(guān)路燈時間點(diǎn)，程序每隔一段時間調(diào)一次1302中的時間。通過程序?qū)⒃O(shè)定的時間同系統(tǒng)當(dāng)前時間進(jìn)行比較，設(shè)定的比較間隔為1 s/次，當(dāng)時間相同時，則通過程序輸出控制信號，如圖4所示。

能源電路部分中的器件參數(shù)可以通過計(jì)算得出，驅(qū)動電路是一種成熟的電路，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，單片機(jī)的算法程序已在開發(fā)板上運(yùn)行成功。其中器件參數(shù)也可確定單片機(jī)的算法程序在開發(fā)板上運(yùn)行，到達(dá)預(yù)期的目的，因此該方案是可行的。圖5為該系統(tǒng)顯示部分仿真電路圖，圖6是過沖過放電路圖。該系統(tǒng)理論值是12 V，實(shí)際測量值為9.4 V，存在一定的誤差。