專利名稱：一種太陽能led戶外照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
能源和環(huán)保是國家戰(zhàn)略，新能源產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)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(jìn)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(shù)簡單價格很低的太陽能LED草坪燈、圍欄燈、埋地?zé)舻?。國?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(yīng)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。控制器控制儲能電池的充電和放電過程，并定時開關(guān)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(dá)十萬量級，運行中出現(xiàn)過一些問題，推廣應(yīng)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(shù)，實際上價格偏高本質(zhì)上也有技術(shù)原因。我們?nèi)娣治鲇绊懸蛩睾螅岢龅募夹g(shù)改進(jìn)點多達(dá)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(jìn)， 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)需細(xì)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(xué)和散熱結(jié)構(gòu)、照明區(qū)。目前關(guān)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(guān)，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(guān)，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(dāng)用于前述窄道路時，造成要嗎當(dāng)光斑寬度減到6m時長度僅20m左右，要嗎當(dāng)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(guān)，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(fù)載，即LED 燈的驅(qū)動功率不變，導(dǎo)致LED燈過早熄滅，降低了可靠性，也導(dǎo)致蓄電池反復(fù)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(guān)，也與照明時間有關(guān)，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(shè)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(shù)背景，為解決上述問題，創(chuàng)造性地提出一些新穎的技術(shù)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(fù)載提高可靠性和壽命，負(fù)載智能階梯供電延長照明時間。采用這些技術(shù)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(shù)方案設(shè)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(yīng)用，并取得良好效果。太陽能LED戶外照明技術(shù)發(fā)展時間不長，系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)有較大的改進(jìn)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(jìn)空間也不小。此外，通常系統(tǒng)設(shè)計設(shè)定的環(huán)境和應(yīng)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(yīng)用范圍并留有設(shè)計余量，著意改進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(biāo)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A(chǔ)Vm3，確定匹配壓差A(yù)Vm= 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(yīng)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A(yù)Vm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(shù)方案的LED配光透鏡經(jīng)過專門設(shè)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(shè)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(dá)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(dá)0. 4。配光透鏡可以是單個的，即單個透鏡與單只LED對準(zhǔn)；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(zhǔn)相應(yīng)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(yīng)用中，例如路寬6m的應(yīng)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(dá)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(dāng)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(fù)載，即LED燈的驅(qū)動功率不變，導(dǎo)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(guān)鍵是掌握蓄電池剩余容量，智能調(diào)控負(fù)載供電。一般的設(shè)計系統(tǒng)要嗎不關(guān)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(guān)系曲線，在系統(tǒng)控制器中增設(shè)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(quán)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(biāo)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(biāo)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(yīng)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(shè)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(quán)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(zhǔn)；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(zhǔn)相應(yīng)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(guān)系曲線確定控制電壓數(shù)值，通過控制器檢測VD，對應(yīng)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(fù)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(fù)載功率分段進(jìn)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(quán)利要求1 7所述的技術(shù)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(shù)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(fù)載提高可靠性和壽命，負(fù)載智能階梯供電延長照明時間。采用這些技術(shù)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(quán)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