專利名稱：一種太陽能led戶外照明系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利歸屬用于戶外照明的燈具和照明系統(tǒng)。專利特別涉及以太陽能光伏發(fā)電供電，密封鉛酸蓄電池儲能，LED光源發(fā)光照明，具有智能控制功能的戶外照明燈具和照明系統(tǒng)。
背景技術：
能源和環(huán)保是國家戰(zhàn)略，新能源產(chǎn)業(yè)和半導體LED照明產(chǎn)業(yè)都是新興的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。太陽能清潔能源加LED節(jié)能光源，珠聯(lián)璧合，更利于解決能源和環(huán)保問題，促進新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此外，太陽能LED戶外燈也具民生意義，在許多農(nóng)村新社區(qū)，太陽能LED燈是一種好用的戶外照明方案。本專利所指太陽能LED戶外燈，僅包括太陽能LED路燈、廣場燈、庭院燈，非指技術簡單價格很低的太陽能LED草坪燈、圍欄燈、埋地燈等。國內(nèi)采用白熾燈、緊湊熒光燈、金鹵燈和鈉燈等傳統(tǒng)光源的太陽能戶外燈歷史超過六年，而太陽能LED戶外燈近兩年才開始規(guī)模應用，已呈現(xiàn)占據(jù)主流的趨勢。太陽能LED戶外燈實質(zhì)是一類照明系統(tǒng)，一般由六個主要構(gòu)件組成太陽能電池板、儲能電池、系統(tǒng)控制器、DC/DC變換器、LED燈頭和機械結(jié)構(gòu)(燈桿、配電控制箱等)組成。白天，陽光照射太陽能電池片產(chǎn)生光生電動勢，電池片以串并聯(lián)方式使太陽能電池板輸出所需的電流電壓，向儲能電池充電。晚上，儲能電池放電，DC/DC變換器將儲能電池電壓變換為LED燈頭所需的直流電壓并提供恒流驅(qū)動，燈頭發(fā)光后向場所提供照明?？刂破骺刂苾δ茈姵氐某潆姾头烹娺^程，并定時開關LED燈頭。據(jù)報道，國內(nèi)太陽能LED路燈、廣場燈、庭院燈的年安裝量已達十萬量級，運行中出現(xiàn)過一些問題，推廣應用也存在障礙。歸結(jié)起來有兩大問題，一個是性能和可靠性，另一個是價格。分析表明，不僅性能不足，可靠性不高源于技術，實際上價格偏高本質(zhì)上也有技術原因。我們?nèi)娣治鲇绊懸蛩睾螅岢龅募夹g改進點多達20余個，可分為三類，即系統(tǒng)的照明能量效率、系統(tǒng)可靠性和壽命，以及系統(tǒng)照明效果，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的性能和質(zhì)量需改進， 系統(tǒng)設計技術需細化和提升。系統(tǒng)照明能量效率系指照明能量(單位流明小時，lm*h)與太陽輻射能量(單位瓦小時，w*h)的比值，單位為lm/w。照明能量效率高，則系統(tǒng)性價比高。系統(tǒng)的照明能量效率等于能量管理效率和照明管理效率的乘積。影響能量管理效率的因素包括太陽能電池板、 控制器和儲能電池；影響照明管理效率的因素包括DC/DC驅(qū)動變換器、LED光源、燈頭光學和散熱結(jié)構(gòu)、照明區(qū)。目前關于照明能量效率存在兩個問題。一個問題與能量管理效率有關，太陽能電池板電壓與儲能電池電壓不匹配造成充電效率低。IOWp以上的商品太陽能電池板的最大功率點電壓Vmp均在17. 2 18V，12V儲能鉛酸蓄電池電壓變化范圍為10. 5 14. 5V，故太陽能電池板不能以最大功率對儲能電池充電，充電效率低。行業(yè)一般有兩個處理辦法，一個是通過控制器將太陽能電池板的電壓降低到約15V對儲能電池充電，充電效
3率僅65 70%;另一個是在控制器上增加DC/DC變換，充電效率增加到80 85%，但成本升高、可靠性降低和存在變換損耗。第二個問題與照明管理效率有關，照明光斑形狀引起照明區(qū)對燈頭發(fā)出光能的能量利用率低。LED光束在照明區(qū)形成圓光斑，不適用于道路照明， 尤其不能用于農(nóng)村社區(qū)和某些居民小區(qū)的窄路，例如道路寬度6m，照明圓光斑面積180m2的照明區(qū)能量利用率僅約50% ；采用LED照明城市主干道和次干道時，有的采用LED配光透鏡形成矩形照明光斑，其長寬比一般為3 3. 5 1，當用于前述窄道路時，造成要嗎當光斑寬度減到6m時長度僅20m左右，要嗎當光斑長度加大到30m寬度只能利用6m，故照明區(qū)能量利用率也才60% 70%。系統(tǒng)可靠性和壽命問題與目前廣泛采用的儲能鉛酸蓄電池密切相關，系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)就在此。太陽能輻射量較低時，充電不足引起蓄電池放電能力減弱，而負載，即LED 燈的驅(qū)動功率不變，導致LED燈過早熄滅，降低了可靠性，也導致蓄電池反復深放電，壽命甚至提早到幾個月就結(jié)束。系統(tǒng)照明效果與照明強度(即照度，它與流明數(shù)成正比)有關，也與照明時間有關，很多用戶要求照度較高，更要求通夜照明。目前行業(yè)的處理辦法有三種。一是10小時照明，系統(tǒng)按較高照度配置，因造價高市場難以接受；二是照明時間設定為4 6小時，保證主要時段有較高的照度，但夜間一半時間內(nèi)不照明，用戶不能接受；三是采用降低照度的辦法延長照明時間到10小時，用戶又覺得夜間主要照明時段的照度過低。本發(fā)明已經(jīng)充分注意到上述技術背景，為解決上述問題，創(chuàng)造性地提出一些新穎的技術方案。包括電壓匹配提高太陽能電池板對儲能電池的充電效率，窄長矩形照明區(qū)光斑提高照明區(qū)能量利用率，檢測蓄電池端電壓智能調(diào)控負載提高可靠性和壽命，負載智能階梯供電延長照明時間。采用這些技術方案后，太陽能LED戶外燈具有系統(tǒng)照明能量效率高、照明效果好、性價比高、可靠性高和壽命長的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
與行業(yè)內(nèi)一般的太陽能LED戶外燈顯著不同，本發(fā)明專利的技術方案設計具有創(chuàng)造性和新穎性特點，已在近半年我們的第二代系統(tǒng)中實際應用，并取得良好效果。太陽能LED戶外照明技術發(fā)展時間不長，系統(tǒng)設計技術有較大的改進空間，系統(tǒng)的主要構(gòu)件(如太陽能電池板和儲能鉛酸蓄電池)的性能和配套專用性的改進空間也不小。此外，通常系統(tǒng)設計設定的環(huán)境和應用范圍過寬，比如太陽能輻射量變動范圍、蓄電池充放電時的溫度范圍、連續(xù)陰天天數(shù)等等。面臨目前充電效率不高，成本不低的問題，本方案針對實際環(huán)境和應用范圍并留有設計余量，著意改進太陽能電池板和鉛酸蓄電池的配套專用性。先對所用蓄電池的特性進行針對性測試，摸清其充電時端電壓的變化范圍，確定充電端電壓高限值Vcm，然后根據(jù)太陽能電池板發(fā)電時的環(huán)境溫度與太陽能電池板標稱Vmp的測試溫度之差引起的Vmp最大差異AVm1，太陽能電池板發(fā)電時的太陽輻射能量與太陽能電池板標稱Vmp的測試輻射能量之差引起的Vmp最大差異AVm2，連接太陽能電池板和蓄電池線纜的壓降AVm3，確定匹配壓差AVm= Δ Vm1+Δ Vm2+Δ Vm3，以此確定太陽能電池板的Vmp = Vcm+Δ Vm。不同地區(qū)工程現(xiàn)場的環(huán)境和應用條件不同，Δ Vm不同，太陽能電池板的Vmp也可能有差異。比如，原來選用了一款功率為80Wp的太陽能電池板現(xiàn)成商品，Vmp = 17. 64V，現(xiàn)在根據(jù)上述方法確定匹配壓差AVm為1. 7V，確定12V鉛酸蓄電池充電端電壓高限值Vcm = 14V，故Vmp = 15. 7V, 以此重新訂購配套專用的太陽能電池板，結(jié)果充電效率從70%提高到80%，因太陽能電池板功率從80Wp降低到72Wp，成本降低10%。本技術方案的LED配光透鏡經(jīng)過專門設計。根據(jù)照明區(qū)形狀數(shù)據(jù)和所用的LED出射光束的分布特征，設計配光透鏡的曲面面形和尺寸，其端面形狀為長方形。LED出射光束經(jīng)配光透鏡后，由于界面處反射、全反射和折射，出射角改變，強度分布改變，光束截面形狀也改變，光束投射的照明區(qū)呈現(xiàn)為窄長的矩形，長寬比達到5 1。該透鏡還使每只LED的照明光斑都能幾乎覆蓋燈頭的整個照明區(qū)，照度均勻性達0. 4。配光透鏡可以是單個的，即單個透鏡與單只LED對準；配光透鏡也可以連在一起形成透鏡模組，模組中的每個透鏡同時對準相應的每只LED。在常見的農(nóng)村社區(qū)和某些城市居民小區(qū)的道路很窄的應用中，例如路寬6m的應用中，與圓形照明光斑的照明區(qū)能量利用率50%，以及3 3.5 1長寬比的矩形照明光斑的照明區(qū)能量利用率60 70%相比，本方案的窄長矩形照明光斑使照明區(qū)利用率能量高達85%。連續(xù)晴天時，太陽能LED戶外照明系統(tǒng)對LED燈頭的供電較可靠。當遇到連續(xù)陰天，太陽能輻射量很低，充電不足引起蓄電池放電能力減弱，而負載，即LED燈的驅(qū)動功率不變，導致LED燈過早熄滅或蓄電池因多次深放電而提早損壞，從而降低系統(tǒng)的可靠性和壽命。防止上述問題的關鍵是掌握蓄電池剩余容量，智能調(diào)控負載供電。一般的設計系統(tǒng)要嗎不關注蓄電池剩余容量，要嗎知道它的重要性卻未能有效控制。本方案采用放電端電壓檢測法，測試選定的蓄電池，得到放電端電壓Vd和剩余容量SOC關系曲線，在系統(tǒng)控制器中增設放電端電壓檢測、電壓比較和智能調(diào)整DC/DC變換器恒流輸出的電流，軟硬件聯(lián)動， 實現(xiàn)下表例舉的12V蓄電池的控制狀態(tài)。
權利要求
1.一種通過電壓匹配，提高太陽能電池板對儲能電池的充電效率的方法，方法確定的太陽能電池板最大功率點電壓Vmp = Vcm+AVm，式中，Vcm為蓄電池充電端電壓的高限值， AVm為匹配壓差。AVm= Δ Vm1+Δ Vm2+Δ Vm3,式中的Δ Vm1為太陽能電池板發(fā)電時的環(huán)境溫度與太陽能電池板標稱Vmp的測試溫度之差引起的Vmp差異，Δ Vm2太陽能電池板發(fā)電時的太陽輻射能量與太陽能電池板標稱Vmp的測試輻射能量之差引起的Vmp差異，AVm3為連接太陽能電池板和蓄電池線纜的壓降。不同地區(qū)工程現(xiàn)場的環(huán)境和應用條件不同，AVm不同，方法確定的太陽能電池板的Vmp也可能有差異。
2.一種根據(jù)照明區(qū)的形狀數(shù)據(jù)和LED出射光束的分布特征，設計并制作的配光透鏡， LED發(fā)出的光束經(jīng)過配光透鏡后，出射角改變，強度分布改變，截面形狀也改變，投射到照明區(qū)的光束呈現(xiàn)為窄長的矩形，它的長寬比大于3. 5 1。透鏡使每只LED的照明光斑都能幾乎覆蓋燈頭的整個照明區(qū)，保證照度均勻性。
3.權利要求2所述的LED配光透鏡可以是單個的，即單個透鏡與單只LED對準；配光透鏡也可以連在一起形成透鏡模組，模組中的每個透鏡同時對準相應的每只LED。
4.一種利用蓄電池的放電端電壓Vd和剩余容量SOC關系曲線確定控制電壓數(shù)值，通過控制器檢測VD，對應S0C，然后通過系統(tǒng)控制器智能調(diào)整DC/DC變換器恒流輸出的電流和燈頭負載功率的方法，用以提升蓄電池可靠性和壽命。在切斷DC/DC輸出電流前，VD、SOC和負載功率分段進行智能檢測調(diào)整。
5.一種LED燈頭的階梯分段式供電方法，分段時間的長短和各段恒流電流的大小滿足系統(tǒng)配置確定的照明能量相同的原則，分段數(shù)可為大于2的任何整數(shù)，例如分段數(shù)為2、3或者4。
6.一種通過系統(tǒng)控制器的PWM(脈寬調(diào)制)輸出端子，控制DC/DC變換器的PWM輸入端子，定時智能調(diào)整后者輸出的恒流電流的方法，實現(xiàn)LED燈頭的階梯分段式智能供電。
7.一種采用自帶定時器的DC/DC變換器，也以PWM方式定時智能改變其輸出的恒流電流的方法，實現(xiàn)LED燈頭的階梯分段式智能供電。
8.一種太陽能LED戶外燈照明系統(tǒng)，它由太陽能電池板、儲能蓄電池、系統(tǒng)控制器、DC/ DC變換器、LED燈頭和機械結(jié)構(gòu)(燈桿、配電控制箱等)等主要構(gòu)件組成，其中的太陽能電池板、儲能蓄電池、系統(tǒng)控制器、DC/DC變換器、LED燈頭，以及照明區(qū)具有權利要求1 7所述的技術特征。
全文摘要
一種太陽能LED戶外照明系統(tǒng)，本發(fā)明歸屬于戶外照明的燈具和照明系統(tǒng)，特別涉及以太陽能光伏發(fā)電供電，密封鉛酸蓄電池儲能，LED光源照明，具有智能控制功能的戶外照明燈具和照明系統(tǒng)。太陽能LED戶外燈照明系統(tǒng)由六個主要構(gòu)件組成太陽能電池板、儲能電池、系統(tǒng)控制器、DC/DC變換器、LED燈頭和機械結(jié)構(gòu)(燈桿、配電控制箱等)組成。本發(fā)明的技術方案包括電壓匹配提高太陽能電池板對儲能電池的充電效率，窄長矩形照明區(qū)光斑提高照明區(qū)能量利用率，檢測蓄電池放電端電壓智能調(diào)控負載提高可靠性和壽命，負載智能階梯供電延長照明時間。采用這些技術方案后，太陽能LED戶外燈具有系統(tǒng)照明能量效率高、照明效果好、性價比高、可靠性高和壽命長的優(yōu)點。
文檔編號H05B37/02GK102196620SQ20101012591
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權日2010年3月17日
發(fā)明者楚鵬, 范朝勛, 譚浩 申請人:成都鼎明光電科技有限公司