一文詳解太陽能路燈的設計思路與要點

太陽能路燈的應用具有重要的現(xiàn)實意義，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)，更應大力發(fā)展太陽能電力。太陽能路燈以其先進、穩(wěn)定、智能、成熟的控制技術及顯著的節(jié)能特性、簡便的維護方式等特點得到推廣。隨著太陽能照明燈具產品的普及，很多應用項目存在質量和售后服務問題。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計，首先介紹了太陽能路燈的根本結構、作業(yè)原理及太陽能路燈設計所需的數(shù)據(jù)，其次闡述了太陽能路燈的設計思路與要點，最后介紹了一款基于單片機的智能太陽能路燈設計方案詳解。

一、太陽能路燈的根本結構及作業(yè)原理

1、太陽能路燈根本結構

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

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

二、太陽能路燈設計所需的數(shù)據(jù)

1、經過已知太陽能路燈運用地來查找運用地的經度與緯度。經過（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的中心參數(shù)，經過斷定作業(yè)時刻，能夠開始核算負載每天的功耗和與之相應的太陽電池組件的充電電流。

4、太陽能路燈需求堅持的接連陰雨天數(shù)（d）。這個參數(shù)決議了蓄電池容量的巨細及陰雨天往后康復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、太陽能路燈的設計思路與要點

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計思路也可依據(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，所以在設計時需要特別注意。

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，為增強整套設備的抗風力，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)中充當管理者的關鍵部件，它的最大功能是對蓄電池進行全面的管理，好的控制器應當根據(jù)蓄電池的特性，設定各個關鍵參數(shù)點，比如蓄電池的過充點、過放點，恢復連接點及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連接點參數(shù)，由于蓄電池有電壓自恢復特性，當蓄電池處于過放電狀態(tài)時，控制器切斷負載，隨后蓄電池電壓恢復，如果些時控制器各參數(shù)點設置不當，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 作為半導體光源，其發(fā)展勢頭強勁，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路燈驅動器是專門針對LED路燈系統(tǒng)所研發(fā)的產品，用于提供LED燈具穩(wěn)定的電源。運用先進的電子電力技術，設計了高效率增強以及超節(jié)能脈波寬度調變（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）以高效率增強模式點亮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，國內大部分太陽能路燈項目照明亮度需滿足城市道路照明標準。

下面舉例說明太陽能路燈系統(tǒng)設計的要點：

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?shù)貣|經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，計算出光伏組件傾斜角26度，標準峰值時數(shù)約3.9小時。

（1）負載日耗電量

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

式中U為系統(tǒng)蓄電池標稱電壓

（2）滿足負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、太陽能路燈的的設計實例

一下是一種基于單片機智能控制的太陽能路燈設計方案。本方案不僅可以實現(xiàn)智能控制，且可使路燈系統(tǒng)運行在節(jié)能狀態(tài)，提高能源的利用率。

1、硬件電路設計

選擇DS1302計時器、AT24C02存儲器、4位數(shù)碼顯示器、過充過放電路、STC12C2051單片機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、蓄電池、時控光控電路、照明負載和時間顯示電路。

1）電源電路設計

電源電路如圖1所示。系統(tǒng)由太陽能電池板供電，24 V蓄電池電壓經過7805穩(wěn)壓后產生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的實時時鐘電路，其可對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5V采用三線接口與CPU進行同步通信，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行涓細電流充電的能力。

在設計中一般使用的計時功能電路有軟件計時，定時器定時，但其缺點是計時有誤差，需隔一段時間校正一次;另一種是硬件計時，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。在設計中采用硬件定時，時鐘芯片DS1302。DS1302是Dallas公司的一種具有涓細電流充電能力的電路，主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。

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RST為高電平時，所有數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。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，要預先設定開關時間，使路燈按時亮燈、準時熄燈，從而達到自動控制的目的。優(yōu)點是定時開關預先設定的開關時間不受外界干擾，除本身故障外不會產生誤動作。缺點是不能根據(jù)季節(jié)變化和特殊的天氣情況自動變換開關時間，需人工調整開關時間，費時費力，不利于節(jié)能。定時開關又分為機械鐘表型和電子鐘表型，機械鐘表型以石英鐘為主，走時精準，但是由于機芯內使用塑料齒輪在高溫下會變形，從而導致停機現(xiàn)象。

電子鐘表型定時開關使用的也較多，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與單片機連接實現(xiàn)1302的讀寫控制。

圖二 1302與單片機的接口

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腳為寫保護端口，8腳為電源。

AT24C02在設計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，存儲當前設定的信息。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）與單片機傳送數(shù)據(jù)。電壓最低可達2.5 V，額定電流為1 mA，靜態(tài)電流10 μA（5.5 V），芯片內的資料可在斷電的情況下保存相當長的時間，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。其與單片機的連接如圖3所示。

圖三 24C02與單片機的接口

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。國內外常用的控制器有單獨的光控制型、時鐘控器型、經緯型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有優(yōu)缺點。

2、軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要包括程序初始化、時間設定子程序、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。程序開始要進行初始化，調用24C02內部存儲的開關路燈時間點，程序每隔一段時間調一次1302中的時間。通過程序將設定的時間同系統(tǒng)當前時間進行比較，設定的比較間隔為1 s/次，當時間相同時，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)可以通過計算得出，驅動電路是一種成熟的電路，已經得到廣泛應用，單片機的算法程序已在開發(fā)板上運行成功。其中器件參數(shù)也可確定單片機的算法程序在開發(fā)板上運行，到達預期的目的，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，實際測量值為9.4 V，存在一定的誤差。