太阳能在照明灯具上的应用

太阳能在照明灯具上的应用 太阳能电池作为一种新能源，在民用方面首先应用在照明灯具上。目前，在西部光明工程，非主干道 太阳能路灯，太阳能庭院灯和太阳能草坪灯，太阳能装饰灯等方面的应用已经逐渐形成规模。在太阳能照 明灯具的设计中，涉及光源、太阳能电池系统、蓄电池充放电控制许多因素，其中任何一个环节出现问题 都会造成产品缺陷。本文就太阳能电池的外特性、蓄电池充放电控制、太阳能照明灯具经常使 LED 与三 基色高效节能灯进行比较，分析各自优点与缺点以及使用场合。同时针对目前市场上太阳能灯电路设计中 存在的问题提出改进方法。由于太阳能灯其有独特的优点，近年来得到迅速的发展。草坪灯功率小，主要 以装饰为目的，对可移动性要求高，另外，电路铺设困难，防水要求高，上述要求使得由太阳能电池能供 电的草坪灯显示出许多前所未有的优势。 尤其是国外市场对太阳能草坪灯比其它产品需求十分巨大。2002 年，仅广东和深圳用于制造出口太阳 能草坪灯消耗的太阳能电池就达到 2MW，相当于当年国内太阳能电池产量的 1/3，今年仍然保持强劲的 发展势头，这是人们没有预料到的。太阳能庭院灯在公园，生活小区以及非主要交通道路上得到广泛应用。 同时，由于发展太快，有些产品技术上不够成熟，在光源的选择以及电路设计中存在许多缺陷，降低了产 品的经济性和可靠性，浪费了许多资源。本文针对上述存在的问题，提出自己的看法，供生产太阳能灯具 的工厂参考。 1 太阳能电池的外特性 从应用的角度论述，大家主要关心的是太阳能电池的外特性。首先，对于单片太阳能电池来说，它是 一个 PN 结，除了当太阳光照射在上面时，它能够产生电能外，它还具有 PN 结的一切特性。在标准光照 条件下，它的额定输出电压为 0.48V。在太阳能照明灯具使用中的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池 连接构成的。它具有负的温度系数，温度每上升一度，缪瓜陆?mV，对于多片太阳能电池组成的太阳能电 池组件，这是一个不可忽视的问题。它的输出特性曲线如图 1。 图 1 中，Isc 是短路电流，Im 是峰值电 流，Voc 是开路电压。Vm 是峰值电压， Pm 是峰值功率。 图片附件: 5692932005182345_2.gif (2006-4-1 23:03, 23.62 K) 在使用中，太阳能电池开路或者短路都不会造成损坏，实际上我们也正是利用它的这个特性对系统蓄 电池充放电进行控制的。 2 太阳能电池在使用中必须注意的问题 2.1 太阳能电池功率的选择 我们所说的太阳能电池输出功率 Wp 是标准太阳光照条件下，即：欧洲委员会定义的 101 标准，辐射 强度 1000W/m2，大气质量 AM1.5，电池温度 25℃条件下，太阳能电池的输出功率。这个条件大约和平 时晴天中午前后的太阳光照条件差不多，（在长江下游地区只能接近这个数值）这并不象有些人想象的那 样，只要有阳光就会有额定输出功率，甚至认为太阳能电池在夜晚日光灯下也可以正常使用。这就是说， 太阳能电池的输出功率是随机的，在不同的时间，不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。 表 1 是我国不同地区太阳光照条件。 图片附件: 5692932005182345_3.gif (2006-4-1 23:03, 34.78 K) 为了更加直观地了解各地每天太阳能辐射的平均分布，表 2 给出年总辐射量与日平均峰值日照时数 （太阳能电池每天可以接受到 1000W/m2 辐照度的等效时间）对应关系。 表 2 年总辐射量与日平均峰值日照时数对应表 通过上面资料可以看出，太阳能灯具的设计和灯具的使 用地区有关。太阳能电池组件额定输出功率和灯具输入功率之间关系在华东地区大约是 2~4:1，具体比例 要根据灯具每天工作时间以及对连续阴雨天照明要求决定。另外太阳能电池的输出功率大约 120W/m2。 图片附件: 5692932005182345_4.gif (2006-4-1 23:04, 21.35 K) 2.2 蓄电池容量的选择 由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定, 所以一般需要配置蓄电池系统才能工作，太阳能灯具也 不例外，必须配置蓄电池才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd 蓄电池、Ni-H 蓄电池，它们的容量选择直 接影响系统的可靠性以及系统价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足夜晚照明的 前提下,把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的 电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态， 影响蓄电池寿命，同时造成浪费。 2.3 太阳能电池封装形式的选择 目前太阳能电池的封装形式主要有 2 种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命 25 年以 上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅 1~2 年。因此，1W 以下的小功率太阳能草坪灯, 在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能灯，建议使用层压 的封装形式。另外，有一种硅凝胶用于滴胶封装太阳能电池，据说工作寿命可以达到 10 年。 2.4 太阳能电池安装倾斜角度的选择和装饰性外罩 为了美观，许多的太阳能灯具的工厂将太阳能电池水平放置，在这种情况下，太阳能电池的输出功率 将减少 15%~20%，如果再在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩，太阳能电池的输出功率又将减少 5% 左右，太阳能电池价格昂贵，我们收集了许多国外太阳能灯资料，在美观和节能两者之间，大多数都选择 节能。在长江下游太阳能电池的最理想倾斜角度是 40 度左右，方向为正南方。 2.5 热岛效应 单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。太阳能电池组件是由多片太阳能 电池组合而成，用以达到期望的电压值。太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被遮 挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，于是整个太阳能电池组 件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着， 同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。 3 太阳能灯具中蓄电池的充放电控制 无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充放电控制电路是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命， 必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电，.另外，由于太阳能光伏发电系统的输 入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。对于太阳能 灯具的设计来说，成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失败。.没有一个性能良好的充放电 控制电路，就不可能有一个性能良好的太阳能灯具。 3.1 防反充电控制 防止反充电功能，一般来说，就是在太阳能电池回路中串联一个二极管，二极管防止反充电，这个二 极管应该是肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。另外，还可以用场效应晶体管控制防止 反充电功能，它的管压降比肖特基二极管更低，只是控制电路要比前面复杂一些。 3.2 防过充电控制 防止过充电功能，可以在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管，电压鉴别电路控制晶体管的开关， 将多余的太阳能电池能量通过晶体管泄放，保证没有过高的电压给蓄电池充电。关键是防止过充电压的选 择，单节铅酸蓄电池为 2.2V。 3.3 防过放电控制 除了 Ni-Cd 电池外，其它蓄电池一般都要具有防止蓄电池过放电功能，因为会造成蓄电池过放电永久 性损坏。需要注意的是，太阳能电池系统一般相对蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜过低。 3.4 温度补偿 温度补偿，蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的，所以太阳能灯系统应该有一个受温度控制的 基准电压。对于单节铅酸蓄电池是-3~-7mV/℃，我们通常选用-4mV/℃。 4 太阳能灯具光源的选择 目前多数草坪灯选用 LED 作为光源，LED 寿命长，可以达到 100000 小时以上，工作电压低，非常适 合应用在太阳能草坪灯上。特别是 LED 技术已经实现了其关键性突破，并且其特性在过去 5 年中有很大 地提高。同时性能价格比也有较大地提高。另外，LED 由低压直流供电，其光源控制成本低，调节明暗， 频繁开关都是可能的，并且不会对 LED 的性能产生不良影响。控制颜色，改变光的分布，产生动态幻景 都是可能的，所以它特别适合在太阳能草坪灯上应用。有许多其固有的特性，使用时如果不注意就会造成 不良后果。但是 LED 目前在市场上销售 LED 的发光效率仅能达到 15Lm/W，只能达到三色基色高效节能 灯 1/3，三色基色高效节能灯的发光效率可以达到 50 Lm/W ~60Lm/W。从价格上看，目前生产每 Lm 的 成本：三色基色高效节能灯（含电子镇流器）0.022 元，2002 年 f5mm 白光 LED 价格为 1.9~3.0 元，目 前生产每 Lm 的成本高，价格相差悬殊。从使用寿命上看，三色基色高效节能灯（含电子镇流器）的寿命 可以达到 6000 小时，LED 可以达到 100000 小时以上，从表面上看，LED 寿命是三色基色高效节能灯 （含电子镇流器）的几十倍，但是事实并非如此。目前太阳能草坪灯大多数采用超高亮白光 LED，它在 20mA 下超高亮白光 LED 光通维持率达到初始强度 50%的时间（寿命）不到 10000 小时，复旦大学电光 源所曾经证明了上述论点。这就是说，目前在许多情况下 LED 并非是最好的太阳能草坪灯光源，除非它 是低档，使用年限仅 1~2 年的太阳能草坪灯，或者是 1w 以下的太阳能草坪灯。对于 1W 以上的太阳能草 坪灯，最好使用三色基色高效节能灯。目前有一些太阳能草坪灯用 30~40 只超高亮白光 LED，输入功率 2W 以上，在这种情况下，如果使如果用三色基色高效节能灯，价格只是 LED 的 1/10，光通量为原来的 4 倍，现在已经研制成功 2~10W 的低压直流三色基色高效节能灯，寿命可以达到 6000 小时。根据上述 分析，我们认为有调节明暗、频繁开关功能的 1W 以下的小功率太阳能草坪灯，一般应该使用 LED 作为 光源。但是在使用超高亮白光 LED 时特别要注意光通维持率问题，否则容易引发事故。对于功率较大的 太阳能草坪灯，目前使用三色基色高效节能灯比较合理。这里要强调的是，以上结论仅仅是目前地分析， 当 LED 技术水平提高以后，价格下降，以上结论需要改变。 对于太阳能庭院灯，从可靠性、性能价格比、色温，和发光效率几个方面综合考虑，我们认为理想的 光源目前应该是三色基色高效节能灯。 5 LED 使用注意事项 1)LED 的特性接近稳二极管，工作电压变化 0.1V，工作电流可能变化 20mA 左右。为了安全，普通情 况下使用串联限流电阻，极大的能量损失显然不适合太阳能草坪灯，并且 LED 亮度随工作电压变化。采 用升压电路是一个好办法，也可以用简单的恒流电路，总之一定要自动限流，否则将损坏 LED。 2)一般 LED 的峰值电流 50~100mA，反向电压 6V 左右，注意不要超过这个极限，尤其在太阳能电池 反接或者蓄电池空载，升压电路峰值电压过高时，很可能超过这个极限，损坏 LED。 3)LED 温度特性不好，温度上升 5℃，光通量下降 3%，夏季使用要注意。 4)工作电压离散性大，同一型号，同一批次的 LED 工作电压都有一定差别，不宜并联使用。一定要并 联使用，应该考虑均流。 5)超高亮白光 LED 色温为 6400k~30000k。目前，低色温的超高亮白光 LED 尚没有进入市场，因此用 超高亮白光 LED 制造的太阳能草坪灯光穿透能力比较差，所以在光学设计上要注意。 6)静电对超高亮白光 LED 影响很大，在安装时要有防静电设施，工人要佩带防静电手腕。受静电伤害 的超高亮白光 LED 当时可能凭眼睛看不出来，但是使用寿命将变短。 6 系统组合中的几个问题 1)光敏传感器，太阳能灯需要光控开关，有的设计者往往会用光敏电阻来自动开关灯，实际上太阳能 电池本身就是一个极好的光敏传感器，用它做光敏开关，特性比光敏电阻好。对于太阳能庭院灯问题不大， 但是对于仅仅使用一只 1.2VNi-Cd 电池的太阳能草坪灯来说，太阳能电池组件由 4 片太阳能电池串联组成， 电压低，弱光下电压更低，以至于天还没有黑电压已经低于 0.7V，造成光控开关失灵。在这种情况下， 只要加一只晶体管直接耦合放大，即可解决问题。 2)按蓄电池电压高低控制负载大小，对太阳能灯在连续阴雨天时可维持的时间要求很高，这就增加系 统成本。我们在连续阴雨天蓄电池电压降低时减少 LED 或者减少太阳灯接入个数，或者减少太阳能灯每 天的发光时间，这就降低了系统成本。 3)闪烁变光，渐亮渐暗是节能的好办法，它一方面可以增加太阳能草坪灯照射效果，另一方面可以通 过改变闪烁占空比控制蓄电池平均输出电流，延长系统工作时间，或者在同等条件下，可降低成本。 4)三色基色高效节能灯的开关速度。这个问题非常重要，它甚至决定了太阳能草坪灯的使用寿命，三 色基色高效节能灯启动时有高达 10~20 倍的启动电流，系统在承受这样大的电流情况下，可能电压有大 幅度下降，太阳能草坪灯无法启动或者反复启动，直至损坏。 5)目前太阳能电池还不能够使用在主干道照明上。公路主干道的照明有法定的照度要求，就目前太阳 能电池的转换效率和价格讲，还不能够满足这个要求。但在不久的将来随着各方面的技术水平的提高，太 阳能电池一定会应用在公路主干道的照明上。 6)关于储能电容，太阳能电池的使用寿命在 25 年以上，普通蓄电池的使用寿命在 2~3 年，所以蓄电池 是太阳能电力系统中最薄弱的环节。储能电容可以在一定程度上解决这个问题。储能电容的使用寿命可以 达到 10 年以上，而且控制电路简单，但是昂贵的价格限制了它的应用，目前仅仅应用在部分交通信号灯 和装饰灯上。随着技术水平的提高，产品价格的下降，它将是一种最有希望成为和太阳能电池配套的理想 储能元件。 7 有关太阳能电池在照明灯具上应用的技术及产品专利 7.1 用于草坪灯高效率升压电路 小功率太阳能草坪灯一般都有升压电路，目前各厂家采用振荡电路，电感升压。电感采用标准色码电 感器，标准色码电感器中使用开放磁路，磁通损失大，所以电路效率低。如果采用闭合磁路制造电感升压， 如磁环，升压电路效率将有很大提高。曾经用 f10 磁环制造电感，在同等条件下进行对比实验，采用闭合 磁路制造电感要比采用标准色码电感器效率提高 20%~40%。 7.2 厚膜太阳能灯控制电路 7.2.1 简介 PV 控制器厚膜电路是在 PV 控制器（太阳能充放电控制器）和厚膜混合集成电路的基础上研制开发出 来的高科技产品。它集 PV 控制器特点与厚膜电路优点于一身，是理想的充放电控制电路。其具体优点主 要表现在以下 4 个方面： 7.2.1.1 小型化 厚膜混合集成电路是以陶瓷作为线路的基板，将导体网络及电阻组件利用网版印制技术，印于基板表 面；利用特定的工艺技术，把其它主（被）动器件（如集成块，二极管，三极管，22 电容等）贴装于陶 瓷基板上；再连接输出引脚，及封装作业，而形成一个功能完整，保密性高的应用 IC。PV 控制器厚膜电 路就是利用厚膜混合集成电路技术，将电阻印于陶瓷基板上，并且采用贴片技术，体积大大减小，在同等 功率的条件下，体积是普通 PV 控制器的 1/3。对于小型系统直接可以放置在太阳电池的背面，使用十分 方便。 7.2.1.2 模块化设计 PV 控制器厚膜电路采用模快化设计，PV 控制器厚膜电路为中心模块，围绕中心模块有功率模块、定时 模块、过载、短路保护功能模块等。客户根据自己的需要，选用不同的模块，采用搭积木的形式组装适合 自己的充放电控制器。由于采用模块化设计，大大缩短太阳能应用产品的开发周期，对于小功率充放电的 要求，可以单独使用本模块，如果需要增大功率，可以通过扩展功率模块。同时还可以扩展其它的模块， 如定时模块、过载、短路保护功能模块。 7.2.1.3 功能齐全 PV 控制器厚膜电路具有以下功能： 1）蓄电池过放电保护； 2）自动恢复放电功能； 3）蓄电池过充电保护； 4）防反充（蓄电池向太阳电池充电）； 5）温度补偿功能； 6）自动开关灯功能（晚上负载接通，白天负载切断）； 7）涓流充电（蓄电池达到过充保护点时，采用定电压，小电流充电）。 当外接其它器件或功能模块时，可以实现以下功能： 1）定时开启和关闭负载； 2）蓄电池反接保护； 3）太阳能电池反接保护； 4）过载和短路保护； 7.2.1.4 可靠性高 厚膜混合集成电路现在已广泛应用于航空、航天、医疗、通讯等领域，电阻精度可高达 0.05%，电阻 温度系数 100ppm 以下，表面经过三防处理，可适用于不同地域的恶劣环境。PV 控制器厚膜电路采用厚 膜混合集成电路技术，工作温度范围宽（-55~125℃），控制精度高。PV 控制器厚膜电路采用自动化焊 接技术，焊接质量有保证。在焊接的美观方面和可靠性方面，比现有的控制器手工焊接有了显著提高。 表 3 是传统 PCB 和厚膜混合集成电路的比较（ 1 代表最差，5 代表最佳）。 表 3 可以看出，厚膜电路 的可靠性是普通 PCB 板电路的四倍，是贴片 PCB 板电路的两倍。 图片附件: 5692932005182345_5.gif (2006-4-1 23:11, 29.21 K) 7.2.2 外形尺寸及引脚功能 注: ①1RT 为负温度系数热敏电阻， RT=10KΩ(在温度为 25℃)； 图片附件: 5692932005182345_6.gif (2006-4-1 23:04, 29.89 K) ②Ⅰ 型为单片使用型（充放电电流小于 3A）； ③Ⅱ 型为功能扩展型（需外扩功率器件）。 本 PV 控制器厚膜电路共 16 只引脚，各引脚功能如下： 1 脚（SOL+/BAT+/LOAD+）：接太阳能电池组件、蓄电池、负载的正极（＋）和 1N5408/1N4007（防反接二极管）的阴极； 2 脚（LOAD-/d1 ）：单片使用（ 12V/10W、I≤1A），接负载的负极（－）； 作为部件使用（1A ＜I≤8A＝，接负载的负极（－）和 Q1 管的漏极（d 极）。 3 脚（BAT-／d2/s1 ）：(8 脚,13 脚同 3 脚功能一样)，单片使用（12V/10W、I≤1A），接蓄电池的负 极（－）和 1N5408（D5）的阳极； 作为部件使用（1A ＜I≤8A＝，接蓄电池的负极（－）和 Q1 的源极（s 极）Q2 管的漏极（d 极）。 4 脚（g1）：单片使用（ 12V/10W、I≤1A），不接； 作为部件使用（1A ＜I≤8A＝，接 Q1 管的栅极（g 极）。 12 脚（ g2）：单片使用（ 12V/10W、I≤1A），不接； 作为部件用﹙1A＜I≤8A＝，接 Q2 的栅极（g 极）。 14 脚（ s2/s3）: 单片使用（12V/10W、I≤1A），不接； 作为部件使用（1A ＜I≤8A＝，接 Q2、Q3 的源极（s 极）。 15 脚（ g3）：单片使用（ 12V/10W、I≤1A），不接； 作为部件使用﹙1A＜I≤8A＝，接 Q3 的栅极（g 极）。 16 脚（ d3/SOL-）：单片使用（12V/10W、I≤1A），接太阳能电池组件的负极（－）； 作为部件使用﹙1A＜I≤8A＝，接 Q3 的漏极（d 极）和太阳能的负极（－）。 6、7、 9、10、11 脚不接（作为电路功能扩展使用）； 4、5 脚：短接时，具有光控自动开灯、关灯功能，不接时，不具有光控自动开灯、关灯功能。 7.2.3 技术参数 图片附件: 5692932005182345_7.gif (2006-4-1 23:04, 51.4 K) 7.3 分时/ 分压太阳能灯控智能制器 图片附件: 5692932005182345_8.gif (2006-4-1 23:04, 38.05 K) 太阳能灯作为一种新型节能灯具，它与传统灯具相比有许多优点，但是它的价格昂贵又是推广应用的 瓶颈，因此，如何降低太阳能灯的成本是一个重要的课题。分时，分压控制太阳能灯技术就是解决这个问 题的好办法。 图片附件: 5692932005182345_9.gif (2006-4-1 23:09, 20.89 K) 分时、分压控制太阳能灯技术的核心就是根据夜晚不同时间段，人们对照度不同要求，控制太阳能灯 的输入功率，以及根据太阳能电池白天吸收能量的大小，控制太阳能灯的输入功率，达到用最小成本设计 出能够满足最恶劣气象条件下人们对太阳能灯的最基本要求。 图中太阳能电池电压在夜晚低于 2V 时，晶 体管截止，集电极输出高电平，作为开灯信号。天亮以后，太阳能电池电压高于 2V 时，集电极输出低电 平，作为关灯信号。运算放大器正端连接一个基准电压，该电压与蓄电池电压进行比较，当蓄电池电压低 于一定值时，运算放大器输出端输出高电平作为控制信号。上面的信号作为单片计算机输入信号在软件支 持下完成前面的功能。 展望——从 PN 结到 PN 结的绿色照明 太阳能电池正在以出乎人们预料的惊人速度发展。根据科学家的保守估计，在未来的 10 年里，太阳能 电池的平均转换效率要达到 20%以上，而价格要下降一半，这就是说，10 年以后的今天，我们用于照明 电力的一半可能来源于太阳能，达到从 PN 结到 PN 结真正的绿色照明。大家知道，太阳能电池是一个巨 大的 PN 结，它把太阳能转换为电能。LED 是另一个可以将电能转换为光线的 PN 结，它的转换效率一天 一天地在提高，据说不久的将来就可以达到节能灯的水平，而使用寿命可以达到 10 万小时以上，这是真 正意义上的绿色照明。