一文详解太阳能路灯的设计思路与要点

　　太阳能路灯的应用具有重要的现实意义，尤其是靠小规模火力发电或季节性水力发电的地区，更应大力发展太阳能电力。太阳能路灯以其先进、稳定、智能、成熟的控制技术及显著的节能特性、简便的维护方式等特点得到推广。随着太阳能照明灯具产品的普及，很多应用项目存在质量和售后服务问题。因此，需及时分析原因、规范市场，使太阳能路灯市场健康有序地发展。太阳能是地球上最为直接、普遍、清洁的能源，其作为一种可再生能源，每天达到地球表面的辐射能约2.5亿万桶石油。

　　本文主要详解太阳能路灯的设计，首先介绍了太阳能路灯的根本结构、作业原理及太阳能路灯设计所需的数据，其次阐述了太阳能路灯的设计思路与要点，最后介绍了一款基于单片机的智能太阳能路灯设计方案详解。

　　一、太阳能路灯的根本结构及作业原理

　　1、太阳能路灯根本结构

　　太阳能路灯首要由太阳电池组件、组件、支架、光源、操控器、蓄电池、灯杆等几部分组成。

　　

　　2、太阳能路灯的作业原理

　　太阳能路灯运用太阳电池的光生伏特效应原理，白日太阳电池吸收太阳能光子能量发生电能，经过操控器储存在蓄电池里，当夜幕来临或灯具周围光照度较低时，蓄电池经过操控器向光源供电一直到设定的时刻后堵截。

　　二、太阳能路灯设计所需的数据

　　1、经过已知太阳能路灯运用地来查找运用地的经度与纬度。经过（我国不同歪斜面上太阳辐射数据库）来断定太阳电池组件的歪斜角与方位角及核算该区域的太阳能规范峰值日照时刻。

　　2、路灯所选用光源的功率（W）。光源功率的巨细直接影响着整个体系的参数安稳性。

　　3、太阳能路灯每天晚上作业的时刻（H）。这是决议太阳能路灯体系中组件巨细的中心参数，经过断定作业时刻，能够开始核算负载每天的功耗和与之相应的太阳电池组件的充电电流。

　　4、太阳能路灯需求坚持的接连阴雨天数（d）。这个参数决议了蓄电池容量的巨细及阴雨天往后康复电池容量所需求的太阳电池组件功率。

　　5、断定两个接连阴雨天之间的距离天数D。这是决议体系在一个接连阴雨天往后充溢蓄电池所需求的电池组件功率。

　　

　　三、太阳能路灯的设计思路与要点

　　太阳能光伏发电系统的基本原理相同，因而太阳能路灯的设计思路也可依据一般的太阳能发电系统，先确定光源的功率，每天的工作时间，保证几个阴雨天然后计算蓄电池的容量和太阳电池组件的功率。但太阳能路灯又有其特殊性，需要确保系统工作的稳定与可靠，所以在设计时需要特别注意。

　　1、太阳电池组件

　　太阳电池组件的电压会随着温度的升高而降低，由于高温的影响，电池组件的电压损失约 2V，而充电过程控制器上的二极管压降 0.7V，所以选择工作电压为 18V 的组件。由于太阳能路灯的特殊性，太阳能电池板一般安装在灯杆上，对于路灯杆而言，一般都是 5 米以上，重心较高，而且大部分太阳电池板都是悬挂式，为增强整套设备的抗风力，一般选择多块太阳电池板组成所需要的组件功率。

　　2、蓄电池（组）

　　在选择蓄电池时，须要考虑放电率对蓄电池容量的影响，温度对蓄电池容量的影响，放电深度对蓄电池容量的影响等几个方面。所以一定要选用深循环的太阳能专用蓄电池。蓄电池在进行并联连接时，需要考虑各单体电池间的不平衡影响，通常情况下并联组数不宜超过 4 组。

　　3、控制器

　　控制器是整个路灯系统中充当管理者的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，好的控制器应当根据蓄电池的特性，设定各个关键参数点，比如蓄电池的过充点、过放点，恢复连接点及SOC放电控制等。在选择路灯控制器时，特别需要注意控制器恢复连接点参数，由于蓄电池有电压自恢复特性，当蓄电池处于过放电状态时，控制器切断负载，随后蓄电池电压恢复，如果些时控制器各参数点设置不当，则可能出现灯具闪烁不定，缩短蓄电池和光源的寿命。

　　4、光源的选择

　　光源的选型对于太阳能路灯来说是最关键的一步，目前针对太阳能路灯专用的光源较少，为减少有限能量的损失，光源尽量选直流光源。目前常见的光源有直流节能灯、高频无极灯、低压钠灯和LED光源。LED 作为半导体光源，其发展势头强劲，是太阳能路灯最为理想的光源，LED路灯光源是一款多功能、环保节能型路灯光源，适合在各种场合的照明使用。LED路灯驱动器是专门针对LED路灯系统所研发的产品，用于提供LED灯具稳定的电源。运用先进的电子电力技术，设计了高效率增强以及超节能脉波宽度调变（PWM）两种输出模式，配合时间控制，可以在需要的时候（上半夜天黑人多车多的时候）以高效率增强模式点亮LED灯具，提供良好的照明，而其它时间段（后半夜人车稀少的时候）则以超节能模式输出，节约蓄电池的电力的消耗。另外，国内大部分太阳能路灯项目照明亮度需满足城市道路照明标准。

　　

　　下面举例说明太阳能路灯系统设计的要点：

　　例如：需要在某市安装一批太阳能路灯，光源功率为30W，要求路灯每天工作8小时，保证连续7个阴雨天能正常工作。当地东经114度，北纬23度，年平均水平日太阳辐射为3.82KW.h/m2，年平均月气温为20.5度，两个连续的阴雨天间间隔时长25天。

　　根据以上资料，计算出光伏组件倾斜角26度，标准峰值时数约3.9小时。

　　（1）负载日耗电量

　　Q=W* H/U=30*8/12=20Ah

　　式中U为系统蓄电池标称电压

　　（2）满足负载日用电的太阳能电池组件的充电电流

　　I1=Q*1.05/h/0.85/0.9=7.04A

　　式中1.05为太阳能充电综合损失系数，蓄电池充电效率、控制器效率

　　（3）蓄电池容量的确定

　　满足连续10个阴雨天正常工作的电池容量C

　　C=Q*（d+1）/0.75*1.1=20*8/0.75*1.1=235Ah取240Ah

　　式中0.75为蓄电池放电深度，1.1为蓄电池安全系数

　　选取2节12V120Ah的电池组成电池组

　　（4）连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量的太阳能电池组件充电电流I2

　　I2=C*0.75/h/D=240*0.75/3.9/25=1.85A

　　式中0.75为蓄电池放电深度

　　（5）太阳电池组件的功率为（I1+I2）*18=（1.85+7.04）*18=160Wp

　　式中18为太阳电池组件工作电压

　　

　　四、太阳能路灯的的设计实例

　　一下是一种基于单片机智能控制的太阳能路灯设计方案。本方案不仅可以实现智能控制，且可使路灯系统运行在节能状态，提高能源的利用率。

　　1、硬件电路设计

　　选择DS1302计时器、AT24C02存储器、4位数码显示器、过充过放电路、STC12C2051单片机等组成智能控制系统。根据各部分电路的功能不同，整体电路可分为以下几个部分：太阳能电池板组件、过充过放电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。

　　1）电源电路设计

　　电源电路如图1所示。系统由太阳能电池板供电，24 V蓄电池电压经过7805稳压后产生5 V电压，作为控制器的主电源。电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C1为滤波电容。

　　

　　图一 电源电路

　　2）方案选择

　　DS1302是美国Dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，其可对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

　　在设计中一般使用的计时功能电路有软件计时，定时器定时，但其缺点是计时有误差，需隔一段时间校正一次;另一种是硬件计时，现在流行的串行时钟电路有DS1302、DS1 307、PCF8485等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。在设计中采用硬件定时，时钟芯片DS1302。DS1302是Dallas公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

　　RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器。其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

　　采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工调整开关时间，费时费力，不利于节能。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。

　　电子钟表型定时开关使用的也较多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。图2为与单片机的连接图，其中VCC1为主电源，VCC2为后备电源。在一般情况下，SCL、I/O、RST与单片机连接实现1302的读写控制。

　　

　　图二 1302与单片机的接口

　　存储器AT2402的1，2，3脚为空脚，4脚为接地端，5脚为数据端，6脚为时钟端，7脚为写保护端口，8脚为电源。

　　AT24C02在设计中的作用是掉电存储器，是为防止电源突然断开时，用户信息不会丢失，存储当前设定的信息。AT24C02是Atmel公司的2 kB的电可擦除存储芯片，由于AT24C 02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA（数据/地址）与单片机传送数据。电压最低可达2.5 V，额定电流为1 mA，静态电流10 μA（5.5 V），芯片内的资料可在断电的情况下保存相当长的时间，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。其与单片机的连接如图3所示。

　　

　　图三 24C02与单片机的接口

　　太阳能路灯与普通路灯控制电路功能基本相同，均是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯以及对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。

　　2、软件设计

　　系统的软件设计主要包括程序初始化、时间设定子程序、1302的读写程序、24C02的读写程序、时间比较子程序、按键子程序、显示刷新子程序等共同组成。程序开始要进行初始化，调用24C02内部存储的开关路灯时间点，程序每隔一段时间调一次1302中的时间。通过程序将设定的时间同系统当前时间进行比较，设定的比较间隔为1 s/次，当时间相同时，则通过程序输出控制信号，如图4所示。

　　

　　

　　

　　能源电路部分中的器件参数可以通过计算得出，驱动电路是一种成熟的电路，已经得到广泛应用，单片机的算法程序已在开发板上运行成功。其中器件参数也可确定单片机的算法程序在开发板上运行，到达预期的目的，因此该方案是可行的。图5为该系统显示部分仿真电路图，图6是过冲过放电路图。该系统理论值是12 V，实际测量值为9.4 V，存在一定的误差。