广东中天市政工程设计有限公司 528000
摘要：太阳能必将得到人们越来越多的关注和利用，也是一种新兴的绿色能源，正得到迅速的推广应用。LED具有体积小而坚固耐用，耗电量低、使用奉命长、环保、光色性能好等特点。太阳能控制器是太阳能光伏系统中的核心部分，主要完成对蓄电池的充、放电、调光和路灯的开、关控制，以及在过充、过放电、过载等情况发生时对系统进行及时和有效的保护，保证照明时间，确保可靠性，有效延长电池寿命。本文根据太阳能路灯的控制需要，对太阳能路灯控制器从硬件结构及软件开发方面的设计，以及工程实际上的应用进行了探讨。
关键词：LED路灯；太阳能；控制器；蓄电池；照明；设计
1 LED太阳能路灯系统组成及基本原理
光伏系统中，太阳能电池板用于把太阳光能转为电能。白天时太阳能电池给蓄电池充电，并且太阳能电池可以根据其两端电压的大小来判断光亮程度，也就是从太阳电池电压的大小来判断天黑和天亮。蓄电池是整个太阳能系统的储备能源设备，白天时太阳电池给蓄电池充电，晚上或阴雨天，系统和负载用电由蓄电池来提供。
系统的工作原理，是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，傍晚当照度逐渐降低、太阳能电池板开路电压达到一定值，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。蓄电池放电需要的小时数后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。可见，充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。
现实中的LED太阳能路灯系统由太阳能电池组件（包括支架）、LED灯具、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效随着技术的发展越来越高，需要能量一定时，太阳能板的大小可以相对减少，从而降低风阻；灯具部分以小功率LED或者大功率LED组成集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。控制箱箱体通常以不锈钢为材质，较为美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。一般可选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；系统最重要的充放电控制器在设计上如果能兼顾功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制两方面，就能实现较高的性价比。
2 太阳能LED路灯控制器的设计
2.1 太阳能路灯控制器的技术和质量的主要要求：
1）供电系统，根据太阳能路灯蓄电池板特性，要设计成恒流输出；
2）过充，过放保护；
3）具有系统功率调节功能；
4）建立网络控制系统；
5）根据市场要求，产品模块化。
太阳能路灯控制器的发展到日前为止已经经历了3个阶段：第一代功能比较简陋，开关灯控制需要外接光敏感应器，定时时间不可设置，没有电池保护电路，系统寿命非常短暂，很快就被市场淘汰；第二代在第一代的基础上，设置了电池保护电路，通过太阳能路灯蓄电池组件搜集光敏数据，通过开关或程序设置定时，技术上有了阶跃式的发展，逐渐被市场接受；第三代路灯控制器在于多数商家采用了PWM充电控制功能，对蓄电池进行涓流充电，有效延长了电池寿命，降低了使用成本，从而进一步扩大市场占有率。
一个好的控制器可以弥补甚至解决纯太阳能路灯的诸多问题，提高其可靠性。自适应太阳能供电路灯需要开发第四代控制器，它的特点是具有自适应灯的功率调节功能，电量检测和剩余电量计算是必备的，同时具有组网功能，这样可以保持整条街的路灯亮度一致，并可以进行通讯。
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2.2 蓄电池的充电控制电路
由控制器实现的功能可知，白天太阳能电池给蓄电池充电，晚上或阴天用于LED路灯照明，实现绿色环保节能的目的，所以蓄电池充电控制电路在太阳能路灯控制系统中具有重要的作用。
本文讲述的充电控制电路是采用斩波式PWM充电原理。首先，单片机检测蓄电池的两端电压，并与软件中设定电压相比较，进而选择不同的充电方式。具体的控制电路如图1所示，其中J1、J3分别为蓄电池和太阳能电池的正极，单片机的口通过R20、R21及R18、R19分别对太阳能电池电压和蓄电池电压进行采样，经过AD转换判断，在满足充电或停止充电条件下，单片机P 0.3口给出充电控制信号，使三极管S 导通或截止，即可实现蓄电池充电。其中图中D6为防反充肖特基二极管，避免当蓄电池电压高于太阳能电池电压时，蓄电池向太阳能电池反充电。D7是一个保护二极管，当蓄电池反接时电路断开，保护蓄电池，提高系统的可靠性。
2.3 负载输出控制电路
为了在夜间不同时刻采用不同的亮度，以达到节约电能的目的，系统可设计两路负载输出，晚上12点以前两盏LED皆亮，12点后一盏点亮，每路输出均有独立的控制和检测。设计采用了PWM功率控制功能对LED灯具实现无级调光。单片机给出控制信号，控制三极管、继电器、MOS管的导通与闭合，以及蓄电池向路灯的供电。在电量不足或白天时，控制端输出低电平信号，切断供电回路。夜晚蓄电池电量不足情况下由市电供电系统给LED路灯供电，保证系统的完整和可靠。
2.4 系统软件设计
控制器能自动检测当前的状态，首先根据太阳能电池两端电压检测当前状态是白天还是黑夜，进而选择是充电模式或者放电模式。在充电模式中根据蓄电池两两端的电压选择不同的充电模式，如当充电电压高于保护电压时，自动关断对蓄电池的充电，此后当电压掉至维护电压时，蓄电池进入浮充状态，当低于维护电压后浮充关闭，进入均充状态。
在放电过程中，首先保证在晚上12点前开通两路负载，12点后开通一路负载，并且当蓄电池电压低于保护电压时，控制器自动切换到市电供电系统或关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。因此，充电管理和放电管理是系统软件设计中的主要内容，充放电程序流程。
2.5 光源
太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。
（1）低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命2000小时，电压低灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。
（2）低压钠灯：低压钠灯光效高（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造高，采用较少。
（3）无极灯：功率小，光效较高。该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，在太阳能灯具上使用寿命大大减少和普通节能灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、项位、电压都是不能和普通市电相比的）。
（4）LED：LED灯光源，寿命长，可达8万小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，可达到110 Lm/w。随着技术进步，LED的性能将进一步提高。LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。
3 太阳能LED路灯在道路照明中的运用
3.1道路照度与适用范围
根据《城市道路照明设计标准》的规定：快速路和主干路平均照度20-30lx，均匀度0.4，次干路平均照度10-15lx，均匀度0.35，支路平均照度8-10lx，均匀度0.3。由于主要道路照度要求较高，太阳能路灯宜在次干路、支路上使用，主要道路慎用。
3.2照明时间
LED路灯每天的工作时间应与一般路灯保持一致，设计应考虑冬天日照时间短时，其工作时间应能在12小时之上。由于LED灯受天气影响较大，如遇连续阴雨天就使LED灯缺乏电能而无法使用。国家现无规范对LED路灯在低辐照度（连续阴雨天）情况，允许最少工作时间没有做出规定，现一般根据灯具厂家和当地的气象情况，应在低照度（连续阴雨天）工作状况下工作在15~20天。在设计时应充分考虑太阳能电池板及蓄电池的容量。
3.3防雷接地
LED路灯的工作电压一般为12V或24V，属安全电压，不做电气保护接地。但LED路灯金属灯杆应做防雷接地，单根金属杆接地电阻不大于10欧姆。
4 结语
太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源，必将得到人们越来越多的关注和利用，高效环保的太阳能LED路灯也将成为更多市政改扩建工程的选择。本文根据太阳能路灯的控制需要，对太阳能路灯控制器从硬件结构及软件开发方面进行了设计，该控制器具有抗干扰能力强、便于控制的特点，采用了合理的蓄电池充放电策略，既提高了太阳能电池板的使用效率，又延长了蓄电池的使用寿命。对于个别过分欠充、过充的问题，可适当加大、减小电池板面积，更换电池或灯珠，根据每盏路灯的实际情况灵活调整其配置，可使每盏灯都工作在最佳状态，不但保证了正常照明，而且避免了资源浪费，也降低了产品造价，具有一定的参考和推广应用价值。
论文作者:梁锦超
论文发表刊物:《防护工程》2018年第7期
论文发表时间:2018/9/3
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