LED太陽能路燈整體設(shè)計(jì)方案太陽能電池方陣設(shè)計(jì)太陽能電池方陣設(shè)計(jì)中主要是太陽能電池的外特性。首先，對于單片太陽能電池來說，它是一個(gè)PN結(jié)，除了當(dāng)太陽光照射在上面時(shí)能夠產(chǎn)生電能外，它還具有PN結(jié)的一切特性。在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，它的額定輸出電壓為0..48V。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的太陽能電池組件都是由多片太陽能電池組合連接構(gòu)成的。它具有負(fù)的溫度系數(shù)，對于多片太陽能電池組成的太陽能電池組件，溫度每上升一度，電壓下降2Mo1.太陽能電池方陣方位角與傾斜角從我國現(xiàn)階段光伏發(fā)電成本來看，其花費(fèi)在太陽能電池組件的費(fèi)用大約為60%^70%o因此，為了充分有效的利用太陽能，如何選取太陽能電池方陣方位角與傾斜角是一個(gè)十分重要的問題。為了讓太陽能電池組件在一年中接受到的太陽輻射能盡可能得多，要太陽能組件選擇一個(gè)方位角與傾斜角。太陽能電池方陣的放置形式和放置角度對系統(tǒng)接收到的太陽輻射有很大的影響，從而影響到系統(tǒng)的發(fā)電能力。光伏組件方陣的放置形式有固定安裝式和自動(dòng)跟蹤式兩種形式，其中自動(dòng)跟蹤裝置包括單軸跟蹤裝置和雙軸跟蹤裝置。1）方位角太陽能電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角（向東偏設(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)定為正角度），一般在北半球，方向朝向正南（方陣的垂直面與正南方向的夾角為0°）時(shí)太陽能電池發(fā)電量最大在偏離正南（本半球）30。時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約10%?15%;在偏離正南（本半球）60°時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約20%?30虬但是，在晴朗的夏天，太陽輻射的最大時(shí)刻是在中午稍后，因此方陣的方位稍微向西偏一些時(shí)，在午后時(shí)刻可獲得最大發(fā)電功率。道路照明設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)道路和場所的特點(diǎn)及照明要求，選擇常規(guī)照明方式或高桿照明方式，常規(guī)照明燈具的布置可分為單側(cè)布置、雙側(cè)交互布置、雙側(cè)對稱布置、中心對稱布置和橫向懸索布置五種基本方式，如圖1.采樣常規(guī)，，照明方式時(shí)，應(yīng)根據(jù)道路橫斷面形式,、寬帶及照明要求進(jìn)行選擇，并應(yīng)符合下列要求：(1)燈具的懸挑長度不宜超過安裝高度的l?4o(2)燈具的仰角不宜超過15°。燈具的布置方式、安裝高度及間距可按表1經(jīng)計(jì)算后確定。表1燈具的配光類型、布置方式與燈具的安裝高度、間距的關(guān)系配光類型截光型半截光型非截光型布置方式安裝高度H(m)間距S(m)安裝高度H(m)間距S(m)安裝高度H(m)間距S(m)單側(cè)布置H》WS《3HH》1.2WS《3.5HH》1.4WS《4Heffeffeff雙側(cè)交互布置H》0.7WS《3HH》0.8WS《3.5HH》0.9WS《4Heffeffeff雙側(cè)對稱布置H》0.5WS《3HH》0.6WS《3.5HH》0.7WS《4Heffeffeff注:W為路面有效寬度(m)oeff采用高桿照明方式時(shí)，燈具及其配置方式，燈桿安裝位置，高度，間距以及燈具最大光強(qiáng)的投射方向，應(yīng)符合下列要求。(1)可按不同條件選擇平面對稱，徑向?qū)ΨQ和非對稱三種燈具配置方式。配置在寬闊道路及大面積場地周邊的高桿燈宜采用平面對稱配置方式;布置在場地內(nèi)部或車道布局緊湊的立體交叉的高桿燈宜采用非對稱配置方式。(2)燈桿不得設(shè)在危險(xiǎn)地點(diǎn)或維護(hù)時(shí)嚴(yán)重妨礙交通的地方。(3)燈具的最大光強(qiáng)投射方向和垂線交角不宜超過65。。(4)市區(qū)設(shè)置的高桿燈應(yīng)在滿足照明功能前提下與環(huán)境協(xié)調(diào)。(2)太陽能路燈設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)以上要求，3安裝高度H》0.5W,燈桿高度為6.5m;路燈光遠(yuǎn)距離為6m,照明燈eff具布置以雙側(cè)交錯(cuò)布置，地面高度要求151。照明時(shí)間每日10h,連續(xù)陰雨天2?3d,后x半夜半功率工作。燈桿間距20m,2000m道路需要20套。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得路燈光源功率=EXA/(UXKXn)=(15X20)?(0.95X0.90X80)=30(W)rF式中，E為平均照度(1);U為光通量利用系數(shù)，一般燈具U取值0.8?0.75(LED燈具利用xrFF系數(shù)取值0.95);K為燈具維護(hù)系數(shù)，一般燈具取值0.6?0.7(LED燈具取值0.90);A為照明面積(？)；n為光效，LED燈具取值801。m太陽能光伏電池總?cè)萘繀n=負(fù)載功率又負(fù)載工作小時(shí)數(shù)?4*1.05=30X10?4XI.05=78.75(W)p實(shí)際選擇晶體硅太陽能電池組件為80W,每組方陣額定工作直流電壓為32V;每組方陣開路直流電壓為32V;每組方陣為40W電池板2塊串聯(lián);每組方陣電池板功率為80W;總共需要2組2X40W并聯(lián);單塊光電池組件規(guī)定為S-40W;XX表成功率為40Wo系統(tǒng)直流側(cè)額定電壓設(shè)計(jì)為24V,由24V/節(jié)的VRLA蓄電池組成。負(fù)載用電每天按10h設(shè)計(jì)，連續(xù)陰雨2?3d,控制系統(tǒng)采用24V直流供電，系統(tǒng)電源效率95%,放電深度60%,則30W?24VX10hX(3)?0.6?0.95=70A?h(24V)在設(shè)計(jì)中實(shí)際采用24V/70A?h/節(jié)蓄電池，適合路燈照明少維護(hù)的特點(diǎn)。電氣系數(shù)參數(shù)見表1,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)見表2。表1電氣系數(shù)參數(shù)30W高亮LED路設(shè)計(jì)光源30W高亮LED路燈設(shè)計(jì)光源燈光通量801m/W光源壽命大于7萬h單塊晶體硅太陽能電總光通量24001m80W池單節(jié)免維護(hù)蓄電池規(guī)光色暖白色24V/70A-h格對路面平均251x控制其規(guī)格60V/10A照度表2結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)燈管高度6.5m組件支架優(yōu)質(zhì)鋼材光源度6m表面處理冷鍍鋅設(shè)計(jì)燈管間距20m燈管預(yù)埋件優(yōu)質(zhì)圓鋼設(shè)計(jì)安裝數(shù)量（套）200燈桿基礎(chǔ)C25混凝土澆筑燈桿材料優(yōu)質(zhì)冷軋薄板在不同的季節(jié)，各個(gè)方位的日輻照量峰值產(chǎn)生時(shí)刻是不一樣的。太陽能電池方陣的方位稍微向東或向西一些都有獲得最大發(fā)電量的時(shí)候。方陣設(shè)置場所受到很多條見的制約，如果要將方位角調(diào)整到在一天中負(fù)載的峰值時(shí)刻與發(fā)電峰值時(shí)刻一致時(shí)，可參考下式：方位角力一天中負(fù)載的峰值時(shí)刻（24小時(shí)制）-12]乂15+（經(jīng)度-116）2）傾斜角太陽能電池方陣通常是面向赤道放置，相對于地平面有一定的傾角。對于全年負(fù)載均勻的固定式太陽能電池方陣，如果設(shè)計(jì)斜面的輻射量小，意味著需要更多的太陽能電池來保證相太陽能電池供電;如果各個(gè)月份太陽能電池方陣面接收到的太陽輻射量差別很大，意味著需要大量的蓄電池來保證太陽輻射量低的月份的用電供應(yīng)，這些都會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的成本。因此，確定太陽能電池方陣的最有傾角是發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前有觀點(diǎn)認(rèn)為，太陽能電池方陣傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葹樽罴?，但這樣做的結(jié)果，夏天太陽能電池組件發(fā)電量過盈而造成浪費(fèi)，冬天時(shí)發(fā)電量又往往不足而使蓄電池處于欠充電狀態(tài)，所以這不是最佳的選擇。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，太陽能電池方陣傾角應(yīng)使全年輻射量最弱的月份能得到最大的太陽輻射量為好，推薦太陽能電池方陣傾角在當(dāng)?shù)鼐暥鹊幕A(chǔ)上再增加15°?20。。最佳傾角的概念，在不同的應(yīng)用中式不一樣的，在獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中，由于受到蓄電池荷電狀態(tài)等因素的限制要綜合考慮太陽能電池方陣平面上太陽輻射量的連續(xù)性，均勻性和極大性，而對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中通?？偸且笤谌曛械牡阶畲蟮奶栞椛淞?。設(shè)計(jì)中希望得到太陽能電池方陣在一年中平均發(fā)電量最大時(shí)的最佳傾斜角度，而一年中的最佳傾斜角度與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，當(dāng)緯度較高時(shí)，相應(yīng)的傾斜角也大。但是，和方位角一樣，在設(shè)計(jì)中也要考慮到屋頂?shù)膬A斜角度和積雪滑落的傾斜角度（斜率大于50%?60%）等方面的限制條件。對于積雪滑落的傾斜角，即使積雪期發(fā)電量少而年總發(fā)電量也存在增加的情況，對于正南，傾斜角從水平開始逐漸向最佳傾斜角過渡時(shí)，其日輻射量不斷增加到最大值，然后再增加傾斜角，其日輻射量不斷減少。特別是在傾斜角大于50°?60°以后，日輻射量急劇下降，直至到最后的垂直放置時(shí)，發(fā)電量下降到最小。對于方位角不為0°的情況，斜面日輻射量的值普遍偏低，最大日輻射量值在于水平面接近的傾斜角附近。太陽能電池方陣傾角的選擇應(yīng)結(jié)合以下要求進(jìn)行綜合考慮：(1)連續(xù)性。一年中太陽輻射總量大體上是連續(xù)變化的，多數(shù)是單調(diào)升降，個(gè)別也有少量起伏，但一般不會(huì)大起大落。(2)均勻性。選擇傾角，最好使方陣便面上全年接收到的日平均輻射量比較均勻，以免夏天接收到的輻射量過大，造成浪費(fèi);而冬天接收到的輻射量太小，造成蓄電池過放造成損壞，影響系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。(3)極大性。選傾斜角時(shí)，不但要使太陽能電池方陣輻射量最弱的月份獲得最大的輻射量，同時(shí)要兼顧全年日平均輻射量不能太小?？捎靡环N較近似的方法來確定太陽能電池方陣傾角。一般在我國南方地區(qū)，太陽能電池方陣傾斜角可比當(dāng)?shù)鼐S度增加10°?15。；在北方地區(qū)，傾斜角可比當(dāng)?shù)鼐S度增加10°?15。，緯度較大時(shí)，增加的角度可小一些。在青藏高原，傾角不宜過大，可大致等于當(dāng)?shù)鼐暥?。同時(shí)，為了太陽能電池方陣支架的設(shè)計(jì)和安裝方便，方陣傾角常取成整數(shù)。以上所述為方位角，傾斜角與發(fā)電量之間的關(guān)系，對于具體設(shè)計(jì)，某一太陽能電池方陣的方位角和傾斜角還應(yīng)綜合地進(jìn)一步同實(shí)際情況結(jié)合起來考慮。4太陽能控制器工作原理及功能4.1控制器的基本工作原理太陽能電池的輸出特性曲線如圖所示。太陽能電池的伏安特性具有很強(qiáng)的非線性，即當(dāng)日照強(qiáng)度改變時(shí)，其開路電壓不會(huì)有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流有相當(dāng)大的變化，所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì)隨時(shí)改變。然而當(dāng)光強(qiáng)度一定時(shí)，太陽能電池輸出的電流一定，可認(rèn)為是恒流源。因此，必須研究和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的光伏控制器，才能更有效的利用太陽能。1.0100mV/cm,25?0.81.2Pmax0.60.80.40.50.200.20.40.60.8輸出電壓（歸一化單位）圖4.1.1太陽能電池的輸出特性曲線太陽能電池將吸收的光能轉(zhuǎn)換成電能而通過充放電控制器對蓄電池充電，同時(shí)供給負(fù)載用電。充放電控制器的功能主要有兩個(gè)，一是對蓄電池的充放電保護(hù)，以避免蓄電池有過充或過放的情形發(fā)生，而蓄電池的任務(wù)則是儲(chǔ)能，以便在夜間或陰雨天供給負(fù)載用電；二是提供穩(wěn)定的直流電壓源給逆變器或直流負(fù)載使用。4.2太陽能LED路燈控制器太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統(tǒng)中最重要的部分，也是與各種路燈系統(tǒng)最大的區(qū)別所在?？刂破髟O(shè)計(jì)的性能如何，決定了一個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)運(yùn)行情況的優(yōu)劣。所以設(shè)計(jì)功能完備、結(jié)構(gòu)簡單的智能太陽能光伏路燈控制器是非常重要的。控制器需要實(shí)現(xiàn)的功能有:天黑時(shí)自動(dòng)開燈;天亮?xí)r自動(dòng)關(guān)燈;在蓄電池電量不足時(shí)，自動(dòng)斷開負(fù)載，防止蓄電池過放電;并要具有短路保護(hù)、反接保護(hù)等。控制器不僅擔(dān)負(fù)對整個(gè)太陽能路燈的狀態(tài)控制，還得確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。4.2.1LED路燈控制器的硬件結(jié)構(gòu)LED路燈控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要構(gòu)成包括以下部分。(1)電流、電壓采樣模塊。根據(jù)系統(tǒng)的功率，可以采用電阻組件或互感器，如國產(chǎn)CT系列互感器、GMR電流互感器等，其一次測電流可按C/5(C為蓄電池容量)設(shè)計(jì)。(2)電源模塊。由蓄電池提供電源，通過78XX等電源芯片為MCU提供穩(wěn)定的工作電源(2.5~6V)。(3)鍵盤輸入。可采用標(biāo)準(zhǔn)的行列鍵盤(或在光伏系統(tǒng)中預(yù)留接口，在需要設(shè)定時(shí)接入)，也可定制專用的薄膜按鍵。(4)LCD顯示。由于液晶顯示器具有功耗極低，體積小，重量輕等特點(diǎn)，所以適用于蓄電池供電的系統(tǒng)。(5)遠(yuǎn)程通信接口。系統(tǒng)采用異步串行通信，在MCU內(nèi)部設(shè)有異步串行通信口。可用軟件來控制異步串行通信(RS,232標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通信)。(6)MOSFET控制模塊。CMU的系統(tǒng)邏輯控制信號(hào)，通過MOSFET控制模塊形成MOSFET的門極控制電壓，來完成對系統(tǒng)的狀態(tài)保護(hù)及邏輯控制。此外，考慮系統(tǒng)可適用于不同的功率，對于所使用的MOSFET和大功率開關(guān)管都留有充足的余量，來滿足不同系統(tǒng)的要求。同時(shí)系統(tǒng)中還設(shè)置了LED指示器，以便于直接觀察系統(tǒng)的狀態(tài)和出現(xiàn)的問題。光伏電流采樣模塊輸入電蓄壓電鍵盤輸入采池樣模MCU塊電LED源模MOSFET控制模塊塊遠(yuǎn)程通信接口圖2LED路燈控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖2（LED路燈控制軟件對于具體的LED路燈控制軟件基本的主程序在初始化時(shí)完成MCU的I/O設(shè)置和中斷設(shè)置，再循環(huán)等待過程中，采集判斷系統(tǒng)所處狀態(tài)，并進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)的處理子程序，同時(shí)等待鍵盤輸入和串行通信起始位，流程圖如圖1所示初始化（鍵盤、LED的I/O口配置，中斷設(shè)置及相應(yīng)寄存器的初始化）請看門狗采集判斷系統(tǒng)所出的狀態(tài)并進(jìn)入相應(yīng)的處理子程序，同時(shí)等待鍵盤輸入，串行輸入的起始位圖1流程圖異步串行通信是通過設(shè)置I/O口，以軟件形式來異步串行通信。同時(shí)系統(tǒng)通過鍵盤的輸入，來控制LED的顯示內(nèi)容，由LED在線顯示系統(tǒng)所處的狀態(tài)，表明系統(tǒng)充電或放電狀態(tài)。也可選擇顯示蓄電池電壓、容量及充放電電流的大小，所有這些數(shù)據(jù)可在需要時(shí)通過串行通信傳送給上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，可遠(yuǎn)程監(jiān)控LED路燈控制系統(tǒng)的狀態(tài)。這部分程序流程可參考通用的異步串行通信程序和液晶顯示程序。在軟件編程時(shí)需注意的事項(xiàng)：(1)用較少的按鍵來實(shí)現(xiàn)諸多功能，如負(fù)載工作模式的設(shè)置，伏在工作時(shí)間的設(shè)定，還有自檢功能等。(2)鍵盤在定時(shí)中斷服務(wù)程序中讀取，用中斷間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍵盤的去抖動(dòng)，不必編寫另外的演示程序，提高CPU的利用率。(3)環(huán)境光線(閃電、禮花燃放等)對太陽能電池組件的采用電壓有明顯影響，在對白天、黃昏的識(shí)別時(shí)，要進(jìn)行軟件延時(shí)，一般控制在2~3min。(4)外部中斷為高級(jí)優(yōu)先中斷，編制子程序?qū)崿F(xiàn)負(fù)載過流、短路保護(hù)時(shí)，要充分考慮到伏在啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的沖擊電流，沖擊電流維持時(shí)間在3?5nls左右，應(yīng)在軟件上采取措施，避免與負(fù)載開啟的誤判。(5)為保護(hù)負(fù)載(燈具)，蓄電池過放保護(hù)恢復(fù)時(shí)，應(yīng)用軟件設(shè)置一個(gè)回差電壓，這樣負(fù)載開關(guān)不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，有利于延長燈具的使用壽命。3(太陽能路燈控制器的主要功能太陽能路燈控制器的主要功能包括兩個(gè)功能:蓄電池充電及蓄電池給LED供電。(1)蓄電池充電當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境太陽光線充足時(shí)，控制器就會(huì)進(jìn)入充電模式。蓄電池充電主要有兩個(gè)比較重要的電壓值:深度放電電壓和浮充電電壓。前者代表蓄電池充電的最高電壓，這些參數(shù)可從蓄電池產(chǎn)品手冊上查到。在電路設(shè)計(jì)中針對12V蓄電池，分別設(shè)置深度放電電壓為UV和浮充電電壓為13.8Vo具體充電模式見表1所示。表1蓄電池充電模式蓄電池電壓VBAT控制器工作描述涓流充電模式，采用MPPT算法優(yōu)化太陽能電池欠壓保護(hù)值〈VBATG1V輸出功率，充電電流最大限制在0.5A恒流充電模式，采用MPPT算法優(yōu)化太陽能電池11V<VBAT<13.8V輸出功率，充電電流最大限制值取決于太陽能電池最大輸出功率VBAT>13.8V恒流充電模式，確保蓄電池電壓穩(wěn)定在13.8V從表1可以看出恒流充電模式會(huì)用到MPPT算法，MPPT算法有很多種方式可以實(shí)現(xiàn)，總的來說各有優(yōu)劣，設(shè)計(jì)中采用相對簡單的擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)。這種方法是通過增大或者減少充電電路開關(guān)信號(hào)PWM占空比，然后觀察輸出功率是變大還是變小，由此來決定下一步是增大還是減小占空比。由于太陽能電池的輸出變化相對比較緩慢，而且是單級(jí)點(diǎn)，所以采用這種方式可收到比較好的效果。(2)蓄電池給LED供電當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境太陽光線不足時(shí)，就會(huì)進(jìn)入蓄電池給LED