LED太阳能路灯整体设计方案Word格式文档下载.docx

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因此，确定太阳能电池方阵的最有倾角是发电系统中不可缺少的一个重要环节。

目前有观点认为，太阳能电池方阵倾角等于当地纬度为最佳，但这样做的结果，夏天太阳能电池组件发电量过盈而造成浪费，冬天时发电量又往往不足而使蓄电池处于欠充电状态，所以这不是最佳的选择。

也有观点认为，太阳能电池方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好，推荐太阳能电池方阵倾角在当地纬度的基础上再增加15º

~20º

。

最佳倾角的概念，在不同的应用中式不一样的，在独立发电系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制要综合考虑太阳能电池方阵平面上太阳辐射量的连续性，均匀性和极大性，而对于并网光伏发电系统中通常总是要求在全年中的到最大的太阳辐射量。

设计中希望得到太阳能电池方阵在一年中平均发电量最大时的最佳倾斜角度，而一年中的最佳倾斜角度与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。

但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角度和积雪滑落的倾斜角度（斜率大于50%~60%）等方面的限制条件。

对于积雪滑落的倾斜角，即使积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，对于正南，倾斜角从水平开始逐渐向最佳倾斜角过渡时，其日辐射量不断增加到最大值，然后再增加倾斜角，其日辐射量不断减少。

特别是在倾斜角大于50º

~60º

以后，日辐

射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。

对于方位角不为0º

的情况，斜面日辐射量的值普遍偏低，最大日辐射量值在于水平面接近的倾斜角附近。

太阳能电池方阵倾角的选择应结合以下要求进行综合考虑:

（1）连续性。

一年中太阳辐射总量大体上是连续变化的，多数是单调升降，个别也有

少量起伏，但一般不会大起大落。

（2）均匀性。

选择倾角，最好使方阵便面上全年接收到的日平均辐射量比较均匀，以

免夏天接收到的辐射量过大，造成浪费;

而冬天接收到的辐射量太小，造成蓄电

池过放造成损坏，影响系统供电稳定性。

（3）极大性。

选倾斜角时，不但要使太阳能电池方阵辐射量最弱的月份获得最大的辐

射量，同时要兼顾全年日平均辐射量不能太小。

可用一种较近似的方法来确定太阳能电池方阵倾角。

一般在我国南方地区，太阳能电池方阵倾斜角可比当地维度增加10º

~15º

;

在北方地区，倾斜角可比当地维度增加10º

~15º

，纬度较大时，增加的角度可小一些。

在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度。

同时，为了太阳能电池方阵支架的设计和安装方便，方阵倾角常取成整数。

以上所述为方位角，倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计，某一太阳能电池方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。

4太阳能控制器工作原理及功能

4.1控制器的基本工作原理

太阳能电池的输出特性曲线如图4.1.1所示。

太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性，即当日照强度改变时，其开路电压不会有太大的改变，但所产生的最大电流有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随时改变。

然而当光强度一定时，太阳能电池输出的电流一定，可认为是恒流源。

因此，必须研究和设计性能优良的光伏控制器，才能更有效的利用太阳能。

1.0

100mV/cm,25?

0.81.2

Pmax0.60.8

0.4

0.50.2

00.20.40.60.8

输出电压（归一化单位）

图4.1.1太阳能电池的输出特性曲线

太阳能电池将吸收的光能转换成电能而通过充放电控制器对蓄电池充电，同时供给负载用电。

充放电控制器的功能主要有两个，一是对蓄电池的充放电保护，以避免蓄电池有过充或过放的情形发生，而蓄电池的任务则是储能，以便在夜间或阴雨天供给负载用电;

二是提供稳定的直流电压源给逆变器或直流负载使用。

4.2太阳能LED路灯控制器

太阳能路灯控制器是太阳能路灯系统中最重要的部分，也是与各种路灯系统最大的区

别所在。

控制器设计的性能如何，决定了一个太阳能路灯系统运行情况的优劣。

所以设计功

能完备、结构简单的智能太阳能光伏路灯控制器是非常重要的。

控制器需要实现的功能有:

天黑时自动开灯;

天亮时自动关灯;

在蓄电池电量不足时，

自动断开负载，防止蓄电池过放电;

并要具有短路保护、反接保护等。

控制器不仅担负对整

个太阳能路灯的状态控制，还得确保系统的安全运行。

4.2.1LED路灯控制器的硬件结构

LED路灯控制器的硬件结构框图如图2所示，主要构成包括以下部分。

（1）电流、电压采样模块。

根据系统的功率，可以采用电阻组件或互感器，如国

产CT系列互感器、GMR电流互感器等，其一次测电流可按C/5（C为蓄电

池容量）设计。

（2）电源模块。

由蓄电池提供电源，通过78×

×

等电源芯片为MCU提供稳定的

工作电源（2.5~6V）。

（3）键盘输入。

可采用标准的行列键盘（或在光伏系统中预留接口，在需要设定

时接入），也可定制专用的薄膜按键。

（4）LCD显示。

由于液晶显示器具有功耗极低，体积小，重量轻等特点，所以适

用于蓄电池供电的系统。

（5）远程通信接口。

系统采用异步串行通信，在MCU内部设有异步串行通信口。

可用软件来控制异步串行通信（RS,232标准的异步串行通信）。

（6）MOSFET控制模块。

CMU的系统逻辑控制信号，通过MOSFET控制模块形

成MOSFET的门极控制电压，来完成对系统的状态保护及逻辑控制。

此外，考虑系统可适用于不同的功率，对于所使用的MOSFET和大功率开关管都留有充足的余量，来满足不同系统的要求。

同时系统中还设置了LED指示器，以便于直接观察系统的状态和出现的问题。

光

伏电流采样模块输

入

电

蓄压

电键盘输入采

池样

模

MCU块电LED源

模MOSFET控制模块块

远程通信接口

图2LED路灯控制器的硬件结构框图

2（LED路灯控制软件

对于具体的LED路灯控制软件基本的主程序在初始化时完成MCU的I/O设置和中断设置，再循环等待过程中，采集判断系统所处状态，并进入相应状态的处理子程序，同时等待键盘输入和串行通信起始位，流程图如图1所示

初始化（键盘、LED的I/O

口配置，中断设置及相应寄

存器的初始化）

请看门狗

采集判断系统所出的状态并进

入相应的处理子程序，同时等

待键盘输入，串行输入的起始

位

图1流程图

异步串行通信是通过设置I/O口，以软件形式来异步串行通信。

同时系统通过键盘的输入，来控制LED的显示内容，由LED在线显示系统所处的状态，表明系统充电或放电状态。

也可选择显示蓄电池电压、容量及充放电电流的大小，所有这些数据可在需要时通过串行通信传送给上位机进行进一步的处理，可远程监控LED路灯控制系统的状态。

这部分程序流程可参考通用的异步串行通信程序和液晶显示程序。

在软件编程时需注意的事项:

（1）用较少的按键来实现诸多功能，如负载工作模式的设置，伏在工作时间的

设定，还有自检功能等。

（2）键盘在定时中断服务程序中读取，用中断间隔时间实现键盘的去抖动，不

必编写另外的演示程序，提高CPU的利用率。

（3）环境光线（闪电、礼花燃放等）对太阳能电池组件的采用电压有明显影响，

在对白天、黄昏的识别时，要进行软件延时，一般控制在2~3min。

（4）外部中断为高级优先中断，编制子程序实现负载过流、短路保护时，要充

分考虑到伏在启动瞬间会产生数倍于额定电流的冲击电流，冲击电流维持

时间在3~5ms左右，应在软件上采取措施，避免与负载开启的误判。

（5）为保护负载（灯具），蓄电池过放保护恢复时，应用软件设置一个回差电压，

这样负载开关不会出现抖动现象，有利于延长灯具的使用寿命。

3（太阳能路灯控制器的主要功能

太阳能路灯控制器的主要功能包括两个功能:

蓄电池充电及蓄电池给LED供电。

（1）蓄电池充电

当系统检测到环境太阳光线充足时，控制器就会进入充电模式。

蓄电池充电主要有两个比较重要的电压值:

深度放电电压和浮充电电压。

前者代表蓄电池充电的最高电压，这些参数可从蓄电池产品手册上查到。

在电路设计中针对12V蓄电池，分别设置深度放电电压为11V和浮充电电压为13.8V。

具体充电模式见表1所示。

表1蓄电池充电模式

蓄电池电压VBAT控制器工作描述

涓流充电模式，采用MPPT算法优化太阳能电池欠压保护值<

VBAT<

11V输出功率，充电电流最大限制在0.5A

恒流充电模式，采用MPPT算法优化太阳能电池

11V<

13.8V输出功率，充电电流最大限制值取决于太阳能电池

最大输出功率

VBAT>

13.8V恒流充电模式，确保蓄电池电压稳定在13.8V从表1可以看出恒流充电模式会用到MPPT算法，MPPT算法有很多种方式可以实现，总的来说各有优劣，设计中采用相对简单的扰动观察法来实现。

这种方法是通过增大或者减少充电电路开关信号PWM占空比，然后观察输出功率是变大还是变小，由此来决定下一步是增大还是减小占空比。

由于太阳能电池的输出变化相对比较缓慢，而且是单级点，所以采用这种方式可收到比较好的效果。

（2）蓄电池给LED供电

当系统检测到环境太阳光线不足时，就会进入蓄电池给LED供电模式。

LED电流通过高位电流检测芯片（TSC101AILT）采样送回MCU，有MCU通过调整开关信号PWM的占空比来获得恒定输出电流。

为了达到节能的目的，LED的恒定电流值会根据系统检测的环境光强度来调整。

当环境光由暗变亮时，系统的输出电流也会相应从小变大;

当环境光完全暗下来时，系统的输出电流也达到预设的最大值。

除了由环境光控制LED的光输出，用户还可以通过设定开光DIP1~DIP4的状态来设置LED灯的开启时间，系统会根据DIP1~DIP4的设定组合来控制LED路灯工作在5min~12h的时间范围内。

此外，为了提高系统的可靠性，在电路设计中设置了针对太阳能电池组件，蓄电池和LED等一系列软硬件的保护功能。

在太阳能LED路灯控制器硬件设计中应注意以下事项:

（1）感应雷保护电路应设计在太阳能电池引线入口处，保护电路周围4mm不

要布置其他器件。

（2）放置太阳能电池组件反接入用的二极管必须采用快恢复二极管，这种二极

管导通电阻小，充电时发热量小，不用散热器也可以连续充电，充电效果

好。

（3）充电、负载放电电路的PCB线路的宽度至少为4~5mm，线路上用搪锡处

理以增加导通电流能力。

（4）过流、短路保护电路选用的电流采样电阻要综合考虑电流、功率及热稳定

性三个因素。

电阻增大则电路效率下降，若选用电阻为0.01Ω选用过电流

能力在10A以上的康铜丝作为电流取样电阻，来产生取样电压，取样电压

不超过0.2V，故采用运放LM358对它进行放大

LED路灯工程设计

1.LED路灯道路照明设计

设计参数:

道路长2000m，车道7.8m双2车道，日工作时间2h，连续阴雨2~3d。

1）灯具布置

道路照明设计应根据道路和场所的特点及照明要求，选择常规照明方式或高

杆照明方式，常规照明灯具的布置可分为单侧布置、双侧交互布置、双侧对

称布置、中心对称布置和横向悬索布置五种基本方式，如图1.采样常规,,照

明方式时，应根据道路横断面形式,、宽带及照明要求进行选择，并应符合下

列要求:

（1）灯具的悬挑长度不宜超过安装高度的1?

4。

（2）灯具的仰角不宜超过15º

灯具的布置方式、安装高度及间距可按表1经计算后确定。

表1灯具的配光类型、布置方式与灯具的安装高度、间距的关系

配光类型截光型半截光型非截光型

布置方式安装高度H（m）间距S（m）安装高度H（m）间距S（m）安装高度H（m）间距S（m）

单侧布置H》WS《3HH》1.2WS《3.5HH》1.4WS《4Heffeffeff双侧交互布置H》0.7WS《3HH》0.8WS《3.5HH》0.9WS《4Heffeffeff双侧对称布置H》0.5WS《3HH》0.6WS《3.5HH》0.7WS《4Heffeffeff

注:

W为路面有效宽度（m）。

eff

采用高杆照明方式时，灯具及其配置方式，灯杆安装位置，高度，间距以及灯具最大光强的投射方向，应符合下列要求。

（1）可按不同条件选择平面对称，径向对称和非对称三种灯具配置方式。

配置

在宽阔道路及大面积场地周边的高杆灯宜采用平面对称配置方式;

布置

在场地内部或车道布局紧凑的立体交叉的高杆灯宜采用非对称配置方

式。

（2）灯杆不得设在危险地点或维护时严重妨碍交通的地方。

（3）灯具的最大光强投射方向和垂线交角不宜超过65º

（4）市区设置的高杆灯应在满足照明功能前提下与环境协调。

（2）太阳能路灯设计计算

根据以上要求，3安装高度H》0.5W，灯杆高度为6.5m;

路灯光远距离为6m，照明灯eff

具布置以双侧交错布置，地面高度要求15l。

照明时间每日10h，连续阴雨天2~3d，后x

半夜半功率工作。

灯杆间距20m，2000m道路需要20套。

根据以上数据可得

路灯光源功率=E×

A/（U×

K×

η）=（15×

20）?

（0.95×

0.90×

80）=30（W）rF

式中，E为平均照度（l）;

U为光通量利用系数，一般灯具U取值0.8~0.75（LED灯具利用xrFF

系数取值0.95）;

K为灯具维护系数，一般灯具取值0.6~0.7（LED灯具取值0.90）;

A为照明面积（?

）;

η为光效，LED灯具取值80l。

m

太阳能光伏电池总容量

W=负载功率×

负载工作小时数?

4×

1.05=30×

10?

1.05=78.75（W）p

实际选择晶体硅太阳能电池组件为80W，每组方阵额定工作直流电压为32V;

每组方阵开路直流电压为32V;

每组方阵为40W电池板2块串联;

每组方阵电池板功率为80W;

总共需要2组2×

40W并联;

单块光电池组件规定为S-40W;

表成功率为40W。

系统直流侧额定电压设计为24V，由24V/节的VRLA蓄电池组成。

负载用电每天按10h设

计，连续阴雨2~3d，控制系统采用24V直流供电，系统电源效率95%，放电深度60%，则30W?

24V×

10h×

（3）?

0.6?

0.95=70A?

h（24V）

在设计中实际采用24V/70A?

h/节蓄电池，适合路灯照明少维护的特点。

电气系数参数见表1，结构系统参数见表2。

表1电气系数参数

30W高亮LED路设计光源30W高亮LED路灯设计光源灯

光通量80lm/W光源寿命大于7万h

单块晶体硅太阳能电总光通量2400lm80W池

单节免维护蓄电池规光色暖白色24V/70A•h格

对路面平均25lx控制其规格60V/10A照度

表2结构系统参数

灯管高度6.5m组件支架优质钢材

光源度6m表面处理冷镀锌

设计灯管间距20m灯管预埋件优质圆钢设计安装数量（套）200灯杆基础C25混凝土浇筑

灯杆材料优质冷轧薄板