中心議題:

• LED太陽(yáng)能草坪燈的設計

解決方案:

• 太陽(yáng)能草坪燈的控制器用于蓄電池充放電控制
• 太陽(yáng)能草坪燈大多數采用超高亮白光LED

1、引言

太陽(yáng)能作為一種新興的綠色能源，以其無(wú)可比擬的優(yōu)勢得到迅速的推廣應用。作為第四代新光源，在城市亮化美化、道路照明、庭院照明、室內照明以及其他各領(lǐng)域的照明和應用中得到了有效的利用。尤其是在偏遠無(wú)電地區，太陽(yáng)能照明燈具更具有廣泛的應用前景。 一般人認為，節能燈可節能4/5是偉大的創(chuàng )舉，但LED比節能燈還要節能1/4，這是固體光源偉大的革新。

除此之外，LED還具有光線(xiàn)質(zhì)量高，基本上無(wú)輻射，可靠耐用，維護費用極為低廉等優(yōu)勢，屬于典型的綠色照明光源。超高亮LED的研制成功，大大地降低了太陽(yáng)能燈具使用成本，使之達到或接近工頻交流電照明系統初裝的成本報價(jià)，并且具有保護環(huán)境、安裝簡(jiǎn)便、操作安全、經(jīng)濟節能等優(yōu)點(diǎn)。由于LED具有的光效率高，發(fā)熱量低等優(yōu)勢，已經(jīng)越來(lái)越多地應用在照明領(lǐng)域，并呈現出取代傳統照明光源的趨勢。

在我國西部，非主干道太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能庭院燈漸成規模。隨著(zhù)太陽(yáng)能燈具的大力發(fā)展，“綠色照明”必將會(huì )成為一種趨勢。而LED太陽(yáng)能草坪燈作為其中的一個(gè)代表，也將得到大力的推廣和應用，本文主要介紹它的一些知識，希望能給大家一些啟發(fā)。

2、LED太陽(yáng)能草坪燈的定義及結構組成

太陽(yáng)能草坪燈主要利用太陽(yáng)能電池的能源來(lái)進(jìn)行工作，當白天太陽(yáng)光照射在太陽(yáng)能電池上，把光能轉變成電能存貯在蓄電池中，再由蓄電池在晚間為草坪燈的LED（發(fā)光二極體）提供電源。其優(yōu)點(diǎn)主要為安全、節能、方便、環(huán)保等。適用于住宅社區綠草地美化照明點(diǎn)綴，公園草坪美化點(diǎn)綴。LED太陽(yáng)能草坪燈的結構組成：由太陽(yáng)能電池組件（光電板）、超高亮LED燈（光源）、免維護可充電蓄電池、自動(dòng)控制電路、燈具等組成。

3、太陽(yáng)能草坪燈的系統組成、控制原理和電路原理

3.1 太陽(yáng)能草坪燈的系統組成

LED太陽(yáng)能草坪燈是一個(gè)獨立的發(fā)電系統。它能夠獨立的完成把太陽(yáng)能轉換為電能，并能把電能轉換成熱能供照明和裝飾使用，而不需要電線(xiàn)的傳輸。一個(gè)獨立的光伏系統一般由以下三部分組成：太陽(yáng)電池組件；充、放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機監控等電力電子設備和蓄電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設備。光伏系統具有以下的特點(diǎn)：沒(méi)有轉動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪音； 沒(méi)有空氣污染、不排放廢水；沒(méi)有燃燒過(guò)程，不需要燃料； 維修保養簡(jiǎn)單，維護費用低；運行可靠性、穩定性好；作為關(guān)鍵部件的太陽(yáng)電池使用壽命長(cháng)，晶體硅太陽(yáng)電池壽命可達到25年以上；根據需要很容易擴大發(fā)電規模。[page]
圖2是一個(gè)典型的供應直流負載的光伏系統示意圖。其中包含了光伏系統中的幾個(gè)主要部件：光伏組件方陣：由太陽(yáng)電池組件（也稱(chēng)光伏電池組件）按照系統需求串、并聯(lián)而成，在太陽(yáng)光照射下將太陽(yáng)能轉換成電能輸出，它是太陽(yáng)能光伏系統的核心部件。 [page]
LED太陽(yáng)能草坪燈是一個(gè)小型的太陽(yáng)能供電系統（圖3是一個(gè)簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能供電系統）。它的結構非常簡(jiǎn)單主要由太陽(yáng)能電池板、充放電控制器、蓄電池、照明電路和燈桿等部分組成（如圖4）。
3.2 太陽(yáng)能草坪燈的控制原理

太陽(yáng)能草坪燈的控制器主要是用于蓄電池充放電的而控制。圖4-4就是一個(gè)最基本的充放電控制器。在該圖中，由光伏電池板、蓄電池、太陽(yáng)能控制器和負載組成了一個(gè)基本的光伏應用系統。這里的開(kāi)關(guān)K1和K3為充電開(kāi)關(guān)，K3為放電開(kāi)關(guān)，它們均屬于太陽(yáng)能控制中心的一部分。圖中開(kāi)關(guān)的開(kāi)合由控制電路根據系統的充放電狀態(tài)來(lái)決定。當蓄電池充滿(mǎn)電時(shí)斷開(kāi)充電開(kāi)關(guān)，需要充電時(shí)閉合充電開(kāi)關(guān)；當蓄電池放電時(shí)閉合K2，否則斷開(kāi)。而這些控制電路可以采用三極管、電阻、電容、電感構成的電壓比較升壓充放電電路，也可以采用光控電路，或者采用集成運放構成的電壓滯回比較器，還可以采用單片機。鑒于廉價(jià)的考慮一般采用前者。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)合格的太陽(yáng)能充放電控制器具有以下幾種充放電保護模式：
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a 直充保護點(diǎn)電壓：直充也叫急充，屬于快速充電，一般都是在蓄電池電壓較低的時(shí)候用大電流和相對高電壓對蓄電池充電，但是，有個(gè)控制點(diǎn)，也叫保護點(diǎn)，就是上表中的數值，當充電時(shí)蓄電池端電壓高于這些保護值時(shí)，應停止直充。直充保護點(diǎn)電壓一般也是“過(guò)充保護點(diǎn)”電壓，充電時(shí)蓄電池端電壓不能高于這個(gè)保護點(diǎn)，否則會(huì )造成過(guò)充電，對蓄電池是有損害的。

b 均充控制點(diǎn)電壓：直充結束后，蓄電池一般會(huì )被充放電控制器靜置一段時(shí)間，讓其電壓自然下落，當下落到“恢復電壓”值時(shí)，會(huì )進(jìn)入均充狀態(tài)。為什么要設計均充？就是當直充完畢之后，可能會(huì )有個(gè)別電池“落后”（端電壓相對偏低），為了將這些個(gè)別分子拉回來(lái)，使所有的電池端電壓具有均勻一致性，所以就要以高電壓配以適中的電流再充那么一小會(huì )，可見(jiàn)所謂均充，也就是“均衡充電”。均充時(shí)間不宜過(guò)長(cháng)，一般為幾分鐘~十幾分鐘，時(shí)間設定太長(cháng)反而有害。對配備一塊兩塊蓄電池的小型系統而言，均充意義不大。所以，路燈控制器一般不設均充，只有兩個(gè)階段。

c 浮充控制點(diǎn)電壓：一般是均充完畢后，蓄電池也被靜置一段時(shí)間，使其端電壓自然下落，當下落至“維護電壓”點(diǎn)時(shí)，就進(jìn)入浮充狀態(tài)，目前均采用PWM（既脈寬調制）方式，類(lèi)似于“涓流充電”（即小電流充電），電池電壓一低就充上一點(diǎn)，一低就充上一點(diǎn)，一股一股地來(lái)，以免電池溫度持續升高，這對蓄電池來(lái)說(shuō)是很有好處的，因為電池內部溫度對充放電的影響很大。其實(shí)PWM方式主要是為了穩定蓄電池端電壓而設計的，通過(guò)調節脈沖寬度來(lái)減小蓄電池充電電流。這是非?？茖W(xué)的充電管理制度。具體來(lái)說(shuō)就是在充電后期、蓄電池的剩余電容量（SOC）>80%時(shí)，就必須減小充電電流，以防止因過(guò)充電而過(guò)多釋氣（氧氣、氫氣和酸氣）。

d 過(guò)放保護終止電壓：這比較好理解。蓄電池放電不能低于這個(gè)值，這是國標的規定。蓄電池廠(chǎng)家雖然也有自己的保護參數（企標或行標），但最終還是要向國標靠攏的。需要注意的是，為了安全起見(jiàn)，一般將12V電池過(guò)放保護點(diǎn)電壓人為加上0.3V作為溫度補償或控制電路的零點(diǎn)漂移校正，這樣12V電池的過(guò)放保護點(diǎn)電壓即為11.10V，那么24V系統的過(guò)放保護點(diǎn)電壓就為22.20V 。目前很多生產(chǎn)充放電控制器的廠(chǎng)家都采用22.2V（24V系統）標準。

3.3 太陽(yáng)能草坪燈充放電控制器的設計

充電控制器作為光伏電池和鉛酸蓄電池的接口電路，一般都希望讓其工作在最大功率點(diǎn)，實(shí)現更高的效率，但是在實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的同時(shí)，還需要考慮進(jìn)行蓄電池充電控制。目前常用的主電路拓撲主要有降壓型電路（Buck）變換器、升壓型電路（Boost）變換器、丘克電路（Cuk）變換器等。一般光伏電池輸出電壓波動(dòng)較大，而B(niǎo)uck變換器或Boost變換器只能進(jìn)行降壓或升壓變換，受此影響，光伏電池不能在大范圍內完全工作于最大功率點(diǎn)，從而造成系統效率下降。同時(shí)，Buck變換器輸入電流紋波較大，如果輸入端不加一個(gè)儲能電容就會(huì )使系統工作在斷續狀態(tài)下，從而導致光伏電池輸出電流時(shí)斷時(shí)續，不能處于最佳工作狀態(tài)；而B(niǎo)oost變換器輸出電流紋波較大，用此電流對蓄電池進(jìn)行充電，不利于蓄電池的使用壽命；Cuk變換器同時(shí)具有升壓和降壓功能，將Cuk變換器應用于光伏系統充電控制器中，可以在較大范圍內實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤，有利于系統效率的提高。因此，常選用Cuk變換器作為充電控制器的主電路，其系統拓撲如圖7所示。

Cuk變換器在負載電流連續的情況下，其電路的穩態(tài)過(guò)程有：

1、開(kāi)關(guān)管Vr導通期間

此期間開(kāi)關(guān)管Vr導通，電容C2上的電壓使二極管D2反偏而截止，這時(shí)輸入電流iL2使Ll儲能；C2的放電電流iL2使L2儲能，并供電給負載，如圖8（a）所示。

2、開(kāi)關(guān)管Vr截止期間此期間開(kāi)關(guān)管Vr截止，二極管D2正偏而導通，電源和Ll的釋能電流iLl向C2充電，同時(shí)L2的釋能電流iL2以維持負載，如圖8（b）所示。因此，Vr截止期間C2充電，Vr導通期間C2向負載放電，C2起能量傳遞的作用。

3.4 太陽(yáng)能草坪燈的電路原理

太陽(yáng)能草坪燈的電路原理比較簡(jiǎn)單。下面我們具體介紹一種簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能草坪燈的電路原理。它的控制器就是采用升壓電路來(lái)實(shí)現的。 [page]
元器件選擇：BT1選用3.8V/80mA太陽(yáng)能電池板，單晶硅為好，多晶硅次之；BT2選用兩節1.2V/600mA Ni-Cd電池，如需要增大發(fā)光度或延長(cháng)時(shí)間，可相應提高太陽(yáng)能板及電池功率。VQ2、VQ3、VQ5的β在200左右，VQ4需β值大的晶體管。VD1盡量選管壓低的，如鍺管或肖特基二極管。LED可選用白、藍、綠色超高亮度散光或聚光。當選用紅黃橙等低壓降LED時(shí)，電路需重新設定。R3、R5建議選用1%精度電阻；R4用亮阻10kΩ～20kΩ，暗阻1MΩ以上的光敏電阻。其他電阻可選用普通碳膜（1/4）W、（1/8）W電阻。L1用（1/4）W色電感，直流阻抗要小。

該電路的工作原理：白天有太陽(yáng)光時(shí)，由BT1把光能轉換為電能，由VD1對BT2充電，由于有光照，光敏電阻呈低阻，VQ4 b極為低電平而截止。當晚上無(wú)光照時(shí)光敏電阻呈高阻，VQ4導通，VQ2 b極為低電平也導通，由VQ3、VQ5、C2、R6、L1組成的DC升壓電路工作，LED得電發(fā)光。

DC升壓電路其核心就是一個(gè)互補管振蕩電路，其工作過(guò)程為：VQ2導通時(shí)電源通過(guò)L1、R6、VQ4向C2充電，由于C2兩端電壓不能突變，VQ3 b極為高電平，VQ3不導通，隨著(zhù)C2的充電其壓降越來(lái)越高，VQ3 b極電位越來(lái)越低，當低至VQ3導通電壓時(shí)VQ3導通，VQ5相繼導通，C2通過(guò)VQ5 ce結、電源、VQ3 eb結（由于VQ2導通，我們假設其ec結短路，VQ3 e極直接電源正極）放電。

當放完電后VQ3截止，VQ5截止，電源再次向C2充電，之后VQ3導通，VQ5導通，C2放電，如此反復，電路形成振蕩，在振蕩過(guò)程中，VQ5導通時(shí)電源經(jīng)L1和VQ5 ce結到地，電流經(jīng)L1儲能，VQ5截止時(shí)L1產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，和電源疊加后驅動(dòng)LED，LED發(fā)光。本可以提高電池電壓直接驅動(dòng)LED，以提高效率，但電池電壓提高，相應的太陽(yáng)能電池價(jià)格也大幅提高，只要電路元件設置合適，其效率還是可以接受的。當白天充電不夠時(shí)（如遇上陰雨天等），BT2可能發(fā)生過(guò)放電，這樣會(huì )損壞電池，為此特加R5構成過(guò)放保護：當電池電壓降至2V時(shí)，由于R5的分壓使VQ4基極電位不足以使VQ4導通，從而保護電池。增加R5會(huì )影響VQ4的導通深度。

4、光源優(yōu)勢及選擇

目前多數草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長(cháng)，可以達到100000小時(shí)以上，工作電壓低，非常適合應用在太陽(yáng)能草坪燈上。特別是LED技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了其關(guān)鍵的突破，并且其特性在過(guò)去5年中有很大提高，其性能價(jià)格比也有較大的提高。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，使調節明暗，頻繁開(kāi)關(guān)都成為可能，并且不會(huì )對LED的性能產(chǎn)生不良影響。還可以方便地控制顏色，改變光的分布，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)幻景，所以它特別適用在太陽(yáng)能草坪燈上。

但是LED有它許多固有的特性，使用時(shí)如果不注意就會(huì )造成不良后果。LED目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的發(fā)光效率僅能達到15lmW，只能達到三色基色高效節能燈1/3，三色基色高效節能燈的發(fā)光效率可以達到50－60lmW，從價(jià)格上看，目前生產(chǎn)每1m的成本：三色基色高效節能燈（含電子鎮流器）0.022元，2002年φ5mm白光LED價(jià)格為1.9－3.0元，目前生產(chǎn)每1m的成本價(jià)格相差懸殊。從使用壽命上看，三色基色高效節能燈（含電子鎮流器）的壽命可以達到6000h，LED可以達到100000h以上，從表面上看LED壽命是三色基色高節能燈（含電子鎮流器）的幾十倍，但是事實(shí)并非如此。

目前太陽(yáng)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(shí)間（壽命）不到10000h，復旦大學(xué)電光源所曾經(jīng)證明上述論點(diǎn)。這就是說(shuō)，目前在許多情況下LED并非最好的太陽(yáng)能草坪燈光源，除非它是低檔的使用年限僅1－2年的太陽(yáng)能草坪燈，或者是1W以下的太陽(yáng)能草坪燈。對于1W以上的太陽(yáng)能草坪燈，最好使用三色基色高效節能燈。目前有一些太陽(yáng)能草坪燈用30－40只超高亮白光LED，輸入功率2W以上，在這種情況下如果用三色基色高效節能燈，價(jià)格只有LED的1/10，光通量是原來(lái)的4倍，可喜的是現在已經(jīng)研制成功2－10W的低壓直流三色基色高效節能燈，壽命可以達到6000h。

根據上面分析，我們認為1W以下的小功率太陽(yáng)能草坪燈，有調節明暗，頻繁開(kāi)關(guān)的功能，一般應該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時(shí)特別要注意光通維持率問(wèn)題，否則容易引起質(zhì)量事故。對于功率較大的太陽(yáng)能草坪燈，目前使用三色基色高效節能燈比較合理。這里要強調的是，以上結論僅僅是目前的分析，當LED技術(shù)水平提高以后，價(jià)格下降，以上結論需要調整。

5、遇到的問(wèn)題

5.1 光敏傳感器

太陽(yáng)能草坪燈需要光控開(kāi)關(guān)，設計者往往會(huì )用光敏電阻來(lái)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈，實(shí)際上太陽(yáng)能電池本身就是一個(gè)極好的光敏傳感器，用它做光敏開(kāi)關(guān)，特性比光敏電阻好。對于僅僅使用一只1.2VNi－Cd電池的太陽(yáng)能草坪燈來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池組件由四片太陽(yáng)能電池串聯(lián)組成，電壓低，弱光下電壓更低，以至天沒(méi)有黑電壓已經(jīng)低于0.7V，造成光控開(kāi)關(guān)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(wèn)題。

5.2 按蓄電池電壓高低控制負載大小

太陽(yáng)能草坪燈往往對連續陰雨可維持時(shí)間要求很高，這就增加系統成本。我們在連續陰雨蓄電池電壓降低時(shí)減少LED接入個(gè)數，或者減少太陽(yáng)能草坪燈每天的發(fā)光時(shí)間，這樣就能減少系統成本。

5.3 太陽(yáng)能電池封裝形式

目前太陽(yáng)能電池的封裝形式主要有兩種，層壓和滴膠。層壓工藝可以保證太陽(yáng)能電池工作壽命25年以上，滴膠雖然當時(shí)美觀(guān)，但是太陽(yáng)能電池工作壽命僅僅1－2年。因此，1W以下的小功率太陽(yáng)能草坪燈，在沒(méi)有過(guò)高壽命要求的情況下，可以使用滴膠封裝形式，對于使用年限有規定的太陽(yáng)能草坪燈，建議使用層壓的封裝形式。

5.4 閃爍變光

漸亮漸暗是節能的好辦法，它一方面可以增加太陽(yáng)能草坪照射效果，另一方面可以通過(guò)改變閃爍占空比控制蓄電池平均輸出電流，延長(cháng)系統工作時(shí)間，或者在同等條件下，可減小太陽(yáng)能電池的功率，成本將大幅度下降。

5.5 三色基色高效節能燈的開(kāi)關(guān)速度

這個(gè)問(wèn)題非常重要，它甚至決定著(zhù)太陽(yáng)能草坪燈的使用壽命，三色基色高效節能燈啟動(dòng)時(shí)有高達10－20倍的啟動(dòng)電流，系統在承受這樣大的電流情況下可能電壓有大幅度下降，太陽(yáng)能草坪燈無(wú)法啟動(dòng)或者反復啟動(dòng)，直至損壞。

5.6 升壓電路效率的提高及對LED燈的影響

小功率太陽(yáng)能草坪燈一般都有升壓電路，如果采用振蕩電路，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(kāi)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升壓，如磁環(huán)，升壓電路效率將有很大提高。LED的特性接近穩壓二極管，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(yáng)能草坪燈，并且LED亮度隨工作電壓變化，而且一定要自動(dòng)限流，否則將損壞LED。一般LED的峰值電流50－100mA，反高能電池反接或者蓄電池空載，升壓電路峰值電壓過(guò)高時(shí)很可能超過(guò)這個(gè)極限，損壞LED。

6 總結
本文通過(guò)對太陽(yáng)能LED草坪燈照明設計思路的討論，來(lái)整體概述LED草坪燈照明技術(shù)所要考慮的問(wèn)題，我所采用的解決方案。太陽(yáng)能作為一種新興的綠色能源，以其無(wú)可比擬的優(yōu)勢得到迅速的推廣應用。相信太陽(yáng)能太陽(yáng)能LED草坪燈在不久的將來(lái)能得到普及，并且會(huì )成為技術(shù)發(fā)展的新趨勢。