武漢太陽(yáng)能草坪燈

華電工研太陽(yáng)能草坪燈由太陽(yáng)能電池組件（光電板）、超高亮LED燈（光源）、免維護(hù)可充電蓄電池、自動(dòng)控制電路、燈具等組成。主要利用太陽(yáng)能電池的能源來(lái)進(jìn)行工作，當(dāng)白天太陽(yáng)光照射在太陽(yáng)能電池上，把光能轉(zhuǎn)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(jié)能、方便、環(huán)保等。適用于住宅社區(qū)綠草地美化照明點(diǎn)綴，公園草坪美化點(diǎn)綴。

太陽(yáng)能草坪燈是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)。它能夠獨(dú)立的完成把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，并能把電能轉(zhuǎn)換成熱能供照明和裝飾使用，而不需要電線的傳輸。主要的系統(tǒng)組成部分有，光伏系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。

光伏系統(tǒng)

　　一個(gè)獨(dú)立的光伏系統(tǒng)一般由三部分組成：太陽(yáng)電池組件；充、放電控制器、逆變器、測(cè)試儀表和計(jì)算機(jī)監(jiān)控等電力電子設(shè)備和蓄電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備。

　　光伏系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪音； 沒有空氣污染、不排放廢水；沒有燃燒過(guò)程，不需要燃料； 維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低；運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性好；作為關(guān)鍵部件的太陽(yáng)電池使用壽命長(zhǎng)，晶體硅太陽(yáng)電池壽命可達(dá)到25年以上；根據(jù)需要很容易擴(kuò)大發(fā)電規(guī)模。

　　如直流負(fù)載光伏系統(tǒng)示意圖所示。其中包含了光伏系統(tǒng)中的幾個(gè)主要部件：光伏組件方陣：由太陽(yáng)電池組件（也稱光伏電池組件）按照系統(tǒng)需求串、并聯(lián)而成，在太陽(yáng)光照射下將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能輸出，它是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的核心部件。

供電系統(tǒng)

　　太陽(yáng)能草坪燈是一個(gè)小型的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)（如小型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)示意圖所示）。它的結(jié)構(gòu)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（如太陽(yáng)能草坪燈結(jié)構(gòu)示意圖所示）。

控制原理

控制部分

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。如充放電控制器原理圖所示，由光伏電池板、蓄電池、太陽(yáng)能控制器和負(fù)載組成了一個(gè)基本的光伏應(yīng)用系統(tǒng)。這里的開關(guān)K1和K3為充電開關(guān)，K3為放電開關(guān)，它們均屬于太陽(yáng)能控制中心的一部分。圖中開關(guān)的開合由控制電路根據(jù)系統(tǒng)的充放電狀態(tài)來(lái)決定。當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)斷開充電開關(guān)，需要充電時(shí)閉合充電開關(guān)；當(dāng)蓄電池放電時(shí)閉合K2，否則斷開。而這些控制電路可以采用三極管、電阻、電容、電感構(gòu)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(yùn)放構(gòu)成的電壓滯回比較器，還可以采用單片機(jī)。鑒于廉價(jià)的考慮一般采用前者。

保護(hù)部

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(hù)模式：

　　a 直充保護(hù)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(duì)高電壓對(duì)蓄電池充電，但是，有個(gè)控制點(diǎn)，也叫保護(hù)點(diǎn)，就是上表中的數(shù)值，當(dāng)充電時(shí)蓄電池端電壓高于這些保護(hù)值時(shí)，應(yīng)停止直充。直充保護(hù)點(diǎn)電壓一般也是“過(guò)充保護(hù)點(diǎn)”電壓，充電時(shí)蓄電池端電壓不能高于這個(gè)保護(hù)點(diǎn)，否則會(huì)造成過(guò)充電，對(duì)蓄電池是有損害的。

　　b 均充控制點(diǎn)電壓：直充結(jié)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(dāng)下落到“恢復(fù)電壓”值時(shí)，會(huì)進(jìn)入均充狀態(tài)。為什么要設(shè)計(jì)均充？就是當(dāng)直充完畢之后，可能會(huì)有個(gè)別電池“落后”（端電壓相對(duì)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)，可見所謂均充，也就是“均衡充電”。均充時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，一般為幾分鐘~十幾分鐘，時(shí)間設(shè)定太長(zhǎng)反而有害。對(duì)配備一塊兩塊蓄電池的小型系統(tǒng)而言，均充意義不大。所以，路燈控制器一般不設(shè)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(dāng)下落至“維護(hù)電壓”點(diǎn)時(shí)，就進(jìn)入浮充狀態(tài)，采用PWM（既脈寬調(diào)制）方式，類似于“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(xù)升高，這對(duì)蓄電池來(lái)說(shuō)是很有好處的，因?yàn)殡姵貎?nèi)部溫度對(duì)充放電的影響很大。其實(shí)PWM方式主要是為了穩(wěn)定蓄電池端電壓而設(shè)計(jì)的，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)減小蓄電池充電電流。這是非常科學(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(hù)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(guó)標(biāo)的規(guī)定。蓄電池廠家雖然也有自己的保護(hù)參數(shù)（企標(biāo)或行標(biāo)），但最終還是要向國(guó)標(biāo)靠攏的。需要注意的是，為了安全起見，一般將12V電池過(guò)放保護(hù)點(diǎn)電壓人為加上0.3V作為溫度補(bǔ)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(hù)點(diǎn)電壓即為11.10V，那么24V系統(tǒng)的過(guò)放保護(hù)點(diǎn)電壓就為22.20V 。很多生產(chǎn)充放電控制器的廠家都采用22.2V（24V系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)。

電能控制

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(xiàn)更高的效率，但是在實(shí)現(xiàn)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。常用的主電路拓?fù)渲饕薪祲盒碗娐罚˙uck）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Buck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(nèi)完全工作于最大功率點(diǎn)，從而造成系統(tǒng)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(chǔ)能電容就會(huì)使系統(tǒng)工作在斷續(xù)狀態(tài)下，從而導(dǎo)致光伏電池輸出電流時(shí)斷時(shí)續(xù)，不能處于最佳工作狀態(tài)；而Boost變換器輸出電流紋波較大，用此電流對(duì)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(yīng)用于光伏系統(tǒng)充電控制器中，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，有利于系統(tǒng)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(tǒng)拓?fù)淙鏑uk充電控制器主電路圖所示。

　　uk變換器在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，其電路的穩(wěn)態(tài)過(guò)程有：

　　1、開關(guān)管Vr導(dǎo)通期間

　　此期間開關(guān)管Vr導(dǎo)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(chǔ)能；C2的放電電流iL2使L2儲(chǔ)能，并供電給負(fù)載，如Cuk變換器連續(xù)工作模式等效電路圖（a）所示。

　　2、開關(guān)管Vr截止期間此期間開關(guān)管Vr截止，二極管D2正偏而導(dǎo)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(fù)載，如Cuk變換器連續(xù)工作模式等效電路圖（b）所示。因此，Vr截止期間C2充電，Vr導(dǎo)通期間C2向負(fù)載放電，C2起能量傳遞的作用。

電路原理

太陽(yáng)能草坪燈的電路原理比較簡(jiǎn)單。它的控制器是采用升壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　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(jié)1.2V/600mA Ni-Cd電池，如需要增大發(fā)光度或延長(zhǎng)時(shí)間，可相應(yīng)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(lán)、綠色超高亮度散光或聚光。當(dāng)選用紅黃橙等低壓降LED時(shí)，電路需重新設(shè)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(zhuǎn)換為電能，由VD1對(duì)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(dāng)晚上無(wú)光照時(shí)光敏電阻呈高阻，VQ4導(dǎo)通，VQ2 b極為低電平也導(dǎo)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(bǔ)管振蕩電路，其工作過(guò)程為：VQ2導(dǎo)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(dǎo)通，隨著C2的充電其壓降越來(lái)越高，VQ3 b極電位越來(lái)越低，當(dāng)?shù)椭罺Q3導(dǎo)通電壓時(shí)VQ3導(dǎo)通，VQ5相繼導(dǎo)通，C2通過(guò)VQ5 ce結(jié)、電源、VQ3 eb結(jié)（由于VQ2導(dǎo)通，我們假設(shè)其ec結(jié)短路，VQ3 e極直接電源正極）放電。

　　當(dāng)放完電后VQ3截止，VQ5截止，電源再次向C2充電，之后VQ3導(dǎo)通，VQ5導(dǎo)通，C2放電，如此反復(fù)，電路形成振蕩，在振蕩過(guò)程中，VQ5導(dǎo)通時(shí)電源經(jīng)L1和VQ5 ce結(jié)到地，電流經(jīng)L1儲(chǔ)能，VQ5截止時(shí)L1產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，和電源疊加后驅(qū)動(dòng)LED，LED發(fā)光。本可以提高電池電壓直接驅(qū)動(dòng)LED，以提高效率，但電池電壓提高，相應(yīng)的太陽(yáng)能電池價(jià)格也大幅提高，只要電路元件設(shè)置合適，其效率還是可以接受的。當(dāng)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(gòu)成過(guò)放保護(hù)：當(dāng)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(dǎo)通，從而保護(hù)電池。增加R5會(huì)影響VQ4的導(dǎo)通深度。

光源選擇

　　草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到100000小時(shí)，工作電壓低，適合應(yīng)用在太陽(yáng)能草坪燈上。LED由低壓直流供電，光源控制成本低，使調(diào)節(jié)明暗，能頻繁開關(guān)，并且不會(huì)對(duì)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，所以它適合用在太陽(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市場(chǎng)上銷售的發(fā)光效率僅能達(dá)到15lmW，只能達(dá)到三色基色高效節(jié)能燈1/3，三色基色高效節(jié)能燈的發(fā)光效率可以達(dá)到50－60lmW，從價(jià)格上看，生產(chǎn)每1m的成本：三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）0.022元，2002年φ5mm白光LED價(jià)格為1.9－3.0元，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(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的壽命可以達(dá)到6000h，LED可以達(dá)到100000h以上，從表面上看LED壽命是三色基色高節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的幾十倍，但是事實(shí)并非如此。

　　太陽(yáng)能草坪燈大多數(shù)采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通維持率達(dá)到初始強(qiáng)度50%的時(shí)間（壽命）不到10000h，復(fù)旦大學(xué)電光源所曾經(jīng)證明上述論點(diǎn)。這就是說(shuō)，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(duì)于1W以上的太陽(yáng)能草坪燈，最好使用三色基色高效節(jié)能燈。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(jié)能燈，價(jià)格只有LED的1/10，光通量是原來(lái)的4倍，現(xiàn)在已經(jīng)研制成功2－10W的低壓直流三色基色高效節(jié)能燈，壽命可以達(dá)到6000h。

　　所以1W以下的小功率太陽(yáng)能草坪燈，有調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)的功能，一般應(yīng)該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時(shí)要注意光通維持率問(wèn)題，否則容易引起質(zhì)量事故。對(duì)于功率較大的太陽(yáng)能草坪燈，使用三色基色高效節(jié)能燈比較合理。如果您有需要，請(qǐng)致華電工研銷售部，工程技術(shù)部將為您提供詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。