中心議題:

• LED太陽能草坪燈的設計

解決方案:

• 太陽能草坪燈的控製器用於蓄電池充放電控製
• 太陽能草坪燈大多數采用超高亮白光LED

1、引言

太陽能作為一種新興的綠色能源，以其無可比擬的優勢得到迅速的推廣應用。作為第四代新光源，在城市亮化美化
、道路照明、庭院照明、室內照明以及其他各領域的照明和應用中得到了有效的利用。尤其是在偏遠無電地區，太陽能照明燈具更具有廣泛的應用前景。 一般人認為
，節能燈可節能4/5是偉大的創舉，但LED比節能燈還要節能1/4，這是固體光源偉大的革新。

除此之外，LED還具有光線質量高，基本上無輻射，可靠耐用，維護費用極為低廉等優勢
，屬於典型的綠色照明光源。超高亮LED的研製成功，大大地降低了太陽能燈具使用成本，使之達到或接近工頻交流電照明係統初裝的成本報價
，並且具有保護環境、安裝簡便、操作安全
、經濟節能等優點。由於LED具有的光效率高
，發熱量低等優勢
，已經越來越多地應用在照明領域
，並呈現出取代傳統照明光源的趨勢。

在我國西部

，非主幹道太陽能路燈、太陽能庭院燈漸成規模。隨著太陽能燈具的大力發展，“綠色照明”必將會成為一種趨勢。而LED太陽能草坪燈作為其中的一個代表，也將得到大力的推廣和應用，本文主要介紹它的一些知識，希望能給大家一些啟發。

2、LED太陽能草坪燈的定義及結構組成

太(tai)陽(yang)能(neng)草(cao)坪(ping)燈(deng)主(zhu)要(yao)利(li)用(yong)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)能(neng)源(yuan)來(lai)進(jin)行(xing)工(gong)作(zuo)
，當(dang)白(bai)天(tian)太(tai)陽(yang)光(guang)照(zhao)射(she)在(zai)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)上(shang)

，把(ba)光(guang)能(neng)轉(zhuan)變(bian)成(cheng)電(dian)能(neng)存(cun)貯(zhu)在(zai)蓄(xu)電(dian)池(chi)中(zhong)，再(zai)由(you)蓄(xu)電(dian)池(chi)在(zai)晚(wan)間(jian)為(wei)草(cao)坪(ping)燈(deng)的(de)LED（發光二極體）提供電源。其優點主要為安全、節能、方便、環保等。適用於住宅社區綠草地美化照明點綴，公園草坪美化點綴。LED太陽能草坪燈的結構組成：由太陽能電池組件（光電板）


、超高亮LED燈（光源）、免維護可充電蓄電池、自動控製電路
、燈具等組成。

3
、太陽能草坪燈的係統組成、控製原理和電路原理

3.1 太陽能草坪燈的係統組成

LEDtaiyangnengcaopingdengshiyigedulidefadianxitong。tanenggoudulidewanchengbataiyangnengzhuanhuanweidianneng，bingnengbadiannengzhuanhuanchengrenenggongzhaominghezhuangshishiyong
，erbuxuyaodianxiandechuanshu。yigedulideguangfuxitongyibanyouyixiasanbufenzucheng：太陽電池組件；充、放電控製器
、逆變器、測試儀表和計算機監控等電力電子設備和蓄電池或其它蓄能和輔助發電設備。光伏係統具有以下的特點：沒有轉動部件，不產生噪音； 沒有空氣汙染、不排放廢水；沒有燃燒過程，不需要燃料
； 維修保養簡單
，維護費用低
；運行可靠性、穩定性好；作為關鍵部件的太陽電池使用壽命長，晶體矽太陽電池壽命可達到25年以上

；根據需要很容易擴大發電規模。[page]
圖2是一個典型的供應直流負載的光伏係統示意圖。其中包含了光伏係統中的幾個主要部件：光伏組件方陣：由太陽電池組件（也稱光伏電池組件）按照係統需求串、並聯而成，在太陽光照射下將太陽能轉換成電能輸出，它是太陽能光伏係統的核心部件。 [page]
LED太陽能草坪燈是一個小型的太陽能供電係統（圖3是一個簡單的太陽能供電係統）。它的結構非常簡單主要由太陽能電池板
、充放電控製器、蓄電池
、照明電路和燈杆等部分組成（如圖4）。
3.2 太陽能草坪燈的控製原理

太陽能草坪燈的控製器主要是用於蓄電池充放電的而控製。圖4-4就是一個最基本的充放電控製器。在該圖中，由光伏電池板、蓄電池、太陽能控製器和負載組成了一個基本的光伏應用係統。這裏的開關K1和K3為充電開關，K3為(wei)放(fang)電(dian)開(kai)關(guan)，它(ta)們(men)均(jun)屬(shu)於(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)控(kong)製(zhi)中(zhong)心(xin)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。圖(tu)中(zhong)開(kai)關(guan)的(de)開(kai)合(he)由(you)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)根(gen)據(ju)係(xi)統(tong)的(de)充(chong)放(fang)電(dian)狀(zhuang)態(tai)來(lai)決(jue)定(ding)。當(dang)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)滿(man)電(dian)時(shi)斷(duan)開(kai)充(chong)電(dian)開(kai)關(guan)，需(xu)要(yao)充(chong)電(dian)時(shi)閉(bi)合(he)充(chong)電(dian)開(kai)關(guan)

；當蓄電池放電時閉合K2
，否則斷開。而這些控製電路可以采用三極管
、電阻、電容
、電dian感gan構gou成cheng的de電dian壓ya比bi較jiao升sheng壓ya充chong放fang電dian電dian路lu，也ye可ke以yi采cai用yong光guang控kong電dian路lu，或huo者zhe采cai用yong集ji成cheng運yun放fang構gou成cheng的de電dian壓ya滯zhi回hui比bi較jiao器qi，還hai可ke以yi采cai用yong單dan片pian機ji。鑒jian於yu廉lian價jia的de考kao慮lv一yi般ban采cai用yong前qian者zhe。

一般來說，一個合格的太陽能充放電控製器具有以下幾種充放電保護模式：
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a 直充保護點電壓：zhichongyejiaojichong，shuyukuaisuchongdian，yibandoushizaixudianchidianyajiaodideshihouyongdadianliuhexiangduigaodianyaduixudianchichongdian，danshi，yougekongzhidian

，yejiaobaohudian，jiushishangbiaozhongdeshuzhi
，dangchongdianshixudianchiduandianyagaoyuzhexiebaohuzhishi
，yingtingzhizhichong。zhichongbaohudiandianyayibanyeshi“過充保護點”電壓，充電時蓄電池端電壓不能高於這個保護點
，否則會造成過充電
，對蓄電池是有損害的。

b 均充控製點電壓：直充結束後
，蓄電池一般會被充放電控製器靜置一段時間
，讓其電壓自然下落，當下落到“恢複電壓”值時，會進入均充狀態。為什麼要設計均充

？就是當直充完畢之後
，可能會有個別電池“落後”（端電壓相對偏低），為(wei)了(le)將(jiang)這(zhe)些(xie)個(ge)別(bie)分(fen)子(zi)拉(la)回(hui)來(lai)，使(shi)所(suo)有(you)的(de)電(dian)池(chi)端(duan)電(dian)壓(ya)具(ju)有(you)均(jun)勻(yun)一(yi)致(zhi)性(xing)，所(suo)以(yi)就(jiu)要(yao)以(yi)高(gao)電(dian)壓(ya)配(pei)以(yi)適(shi)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)再(zai)充(chong)那(na)麼(me)一(yi)小(xiao)會(hui)
，可(ke)見(jian)所(suo)謂(wei)均(jun)充(chong)，也(ye)就(jiu)是(shi)“均衡充電”。均充時間不宜過長
，一般為幾分鍾~十shi幾ji分fen鍾zhong
，時shi間jian設she定ding太tai長chang反fan而er有you害hai。對dui配pei備bei一yi塊kuai兩liang塊kuai蓄xu電dian池chi的de小xiao型xing係xi統tong而er言yan，均jun充chong意yi義yi不bu大da。所suo以yi，路lu燈deng控kong製zhi器qi一yi般ban不bu設she均jun充chong
，隻zhi有you兩liang個ge階jie段duan。

c 浮充控製點電壓：一般是均充完畢後

，蓄電池也被靜置一段時間，使其端電壓自然下落
，當下落至“維護電壓”點時，就進入浮充狀態，目前均采用PWM（既脈寬調製）方式
，類似於“涓流充電”（即小電流充電）
，電dian池chi電dian壓ya一yi低di就jiu充chong上shang一yi點dian，一yi低di就jiu充chong上shang一yi點dian，一yi股gu一yi股gu地di來lai，以yi免mian電dian池chi溫wen度du持chi續xu升sheng高gao，這zhe對dui蓄xu電dian池chi來lai說shuo是shi很hen有you好hao處chu的de，因yin為wei電dian池chi內nei部bu溫wen度du對dui充chong放fang電dian的de影ying響xiang很hen大da。其qi實shiPWMfangshizhuyaoshiweilewendingxudianchiduandianyaershejide，tongguotiaojiemaichongkuandulaijianxiaoxudianchichongdiandianliu。zheshifeichangkexuedechongdianguanlizhidu。jutilaishuojiushizaichongdianhouqi、蓄電池的剩餘電容量（SOC）>80%時

，就必須減小充電電流，以防止因過充電而過多釋氣（氧氣
、氫氣和酸氣）。

d 過放保護終止電壓：這比較好理解。蓄電池放電不能低於這個值，這是國標的規定。蓄電池廠家雖然也有自己的保護參數（企標或行標），但最終還是要向國標靠攏的。需要注意的是，為了安全起見，一般將12V電池過放保護點電壓人為加上0.3V作為溫度補償或控製電路的零點漂移校正
，這樣12V電池的過放保護點電壓即為11.10V
，那麼24V係統的過放保護點電壓就為22.20V 。目前很多生產充放電控製器的廠家都采用22.2V（24V係統）標準。

3.3 太陽能草坪燈充放電控製器的設計

充電控製器作為光伏電池和鉛酸蓄電池的接口電路，一般都希望讓其工作在最大功率點，實現更高的效率，但是在實現最大功率點跟蹤（MPPT）的同時，還需要考慮進行蓄電池充電控製。目前常用的主電路拓撲主要有降壓型電路（Buck）變換器、升壓型電路（Boost）變換器
、丘克電路（Cuk）變換器等。一般光伏電池輸出電壓波動較大，而Buck變換器或Boost變換器隻能進行降壓或升壓變換
，受此影響
，光伏電池不能在大範圍內完全工作於最大功率點
，從而造成係統效率下降。同時

，Buckbianhuanqishurudianliuwenbojiaoda
，ruguoshuruduanbujiayigechunengdianrongjiuhuishixitonggongzuozaiduanxuzhuangtaixia
，congerdaozhiguangfudianchishuchudianliushiduanshixu
，bunengchuyuzuijiagongzuozhuangtai；而Boost變換器輸出電流紋波較大，用此電流對蓄電池進行充電
，不利於蓄電池的使用壽命
；Cuk變換器同時具有升壓和降壓功能
，將Cuk變換器應用於光伏係統充電控製器中，可以在較大範圍內實現最大功率點跟蹤，有利於係統效率的提高。因此
，常選用Cuk變換器作為充電控製器的主電路，其係統拓撲如圖7所示。

Cuk變換器在負載電流連續的情況下，其電路的穩態過程有：

1
、開關管Vr導通期間

此期間開關管Vr導通，電容C2上的電壓使二極管D2反偏而截止，這時輸入電流iL2使Ll儲能；C2的放電電流iL2使L2儲能
，並供電給負載，如圖8（a）所示。

2、開關管Vr截止期間此期間開關管Vr截止，二極管D2正偏而導通
，電源和Ll的釋能電流iLl向C2充電，同時L2的釋能電流iL2以維持負載

，如圖8（b）所示。因此，Vr截止期間C2充電，Vr導通期間C2向負載放電
，C2起能量傳遞的作用。

3.4 太陽能草坪燈的電路原理

太陽能草坪燈的電路原理比較簡單。下麵我們具體介紹一種簡單的太陽能草坪燈的電路原理。它的控製器就是采用升壓電路來實現的。 [page]
元器件選擇：BT1選用3.8V/80mA太陽能電池板，單晶矽為好，多晶矽次之；BT2選用兩節1.2V/600mA Ni-Cd電池
，如需要增大發光度或延長時間，可相應提高太陽能板及電池功率。VQ2、VQ3、VQ5的β在200左右，VQ4需β值大的晶體管。VD1盡量選管壓低的
，如鍺管或肖特基二極管。LED可選用白、藍、綠色超高亮度散光或聚光。當選用紅黃橙等低壓降LED時，電路需重新設定。R3、R5建議選用1%精度電阻
；R4用亮阻10kΩ～20kΩ，暗阻1MΩ以上的光敏電阻。其他電阻可選用普通碳膜（1/4）W、（1/8）W電阻。L1用（1/4）W色電感
，直流阻抗要小。

該電路的工作原理：白天有太陽光時，由BT1把光能轉換為電能，由VD1對BT2充電，由於有光照，光敏電阻呈低阻，VQ4 b極為低電平而截止。當晚上無光照時光敏電阻呈高阻，VQ4導通，VQ2 b極為低電平也導通，由VQ3
、VQ5
、C2、R6、L1組成的DC升壓電路工作，LED得電發光。

DC升壓電路其核心就是一個互補管振蕩電路
，其工作過程為：VQ2導通時電源通過L1

、R6
、VQ4向C2充電
，由於C2兩端電壓不能突變，VQ3 b極為高電平，VQ3不導通，隨著C2的充電其壓降越來越高，VQ3 b極電位越來越低，當低至VQ3導通電壓時VQ3導通

，VQ5相繼導通
，C2通過VQ5 ce結

、電源、VQ3 eb結（由於VQ2導通，我們假設其ec結短路，VQ3 e極直接電源正極）放電。

當放完電後VQ3截止
，VQ5截止，電源再次向C2充電，之後VQ3導通

，VQ5導通，C2放電
，如此反複，電路形成振蕩，在振蕩過程中，VQ5導通時電源經L1和VQ5 ce結到地，電流經L1儲能

，VQ5截止時L1產生感應電動勢，和電源疊加後驅動LED，LED發光。本可以提高電池電壓直接驅動LED，yitigaoxiaolv，dandianchidianyatigao，xiangyingdetaiyangnengdianchijiageyedafutigao
，zhiyaodianluyuanjianshezhiheshi，qixiaolvhaishikeyijieshoude。dangbaitianchongdianbugoushi（如遇上陰雨天等）

，BT2可能發生過放電
，這樣會損壞電池，為此特加R5構成過放保護：當電池電壓降至2V時，由於R5的分壓使VQ4基極電位不足以使VQ4導通，從而保護電池。增加R5會影響VQ4的導通深度。

4、光源優勢及選擇

目前多數草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長
，可以達到100000小時以上，工作電壓低，非常適合應用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術已經經曆了其關鍵的突破，並且其特性在過去5年中有很大提高

，其性能價格比也有較大的提高。另外
，LED由低壓直流供電
，其光源控製成本低，使調節明暗，頻繁開關都成為可能，並且不會對LED的性能產生不良影響。還可以方便地控製顏色
，改變光的分布，產生動態幻景，所以它特別適用在太陽能草坪燈上。

但是LED有它許多固有的特性
，使用時如果不注意就會造成不良後果。LED目前市場上銷售的發光效率僅能達到15lmW，隻能達到三色基色高效節能燈1/3，三色基色高效節能燈的發光效率可以達到50－60lmW，從價格上看，目前生產每1m的成本：三色基色高效節能燈（含電子鎮流器）0.022元，2002年φ5mm白光LED價格為1.9－3.0元
，目前生產每1m的成本價格相差懸殊。從使用壽命上看，三色基色高效節能燈（含電子鎮流器）的壽命可以達到6000h，LED可以達到100000h以上，從表麵上看LED壽命是三色基色高節能燈（含電子鎮流器）的幾十倍，但是事實並非如此。

目前太陽能草坪燈大多數采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通維持率達到初始強度50%的時間（壽命）不到10000h，複旦大學電光源所曾經證明上述論點。這就是說，目前在許多情況下LED並非最好的太陽能草坪燈光源
，除非它是低檔的使用年限僅1－2年的太陽能草坪燈

，或者是1W以下的太陽能草坪燈。對於1W以上的太陽能草坪燈
，最好使用三色基色高效節能燈。目前有一些太陽能草坪燈用30－40隻超高亮白光LED，輸入功率2W以上
，在這種情況下如果用三色基色高效節能燈
，價格隻有LED的1/10，光通量是原來的4倍，可喜的是現在已經研製成功2－10W的低壓直流三色基色高效節能燈，壽命可以達到6000h。

根據上麵分析，我們認為1W以下的小功率太陽能草坪燈，有調節明暗
，頻繁開關的功能
，一般應該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時(shi)特(te)別(bie)要(yao)注(zhu)意(yi)光(guang)通(tong)維(wei)持(chi)率(lv)問(wen)題(ti)，否(fou)則(ze)容(rong)易(yi)引(yin)起(qi)質(zhi)量(liang)事(shi)故(gu)。對(dui)於(yu)功(gong)率(lv)較(jiao)大(da)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)草(cao)坪(ping)燈(deng)，目(mu)前(qian)使(shi)用(yong)三(san)色(se)基(ji)色(se)高(gao)效(xiao)節(jie)能(neng)燈(deng)比(bi)較(jiao)合(he)理(li)。這(zhe)裏(li)要(yao)強(qiang)調(tiao)的(de)是(shi)，以(yi)上(shang)結(jie)論(lun)僅(jin)僅(jin)是(shi)目(mu)前(qian)的(de)分(fen)析(xi)，當(dang)LED技術水平提高以後

，價格下降，以上結論需要調整。

5

、遇到的問題

5.1 光敏傳感器

太tai陽yang能neng草cao坪ping燈deng需xu要yao光guang控kong開kai關guan，設she計ji者zhe往wang往wang會hui用yong光guang敏min電dian阻zu來lai自zi動dong開kai關guan燈deng，實shi際ji上shang太tai陽yang能neng電dian池chi本ben身shen就jiu是shi一yi個ge極ji好hao的de光guang敏min傳chuan感gan器qi，用yong它ta做zuo光guang敏min開kai關guan，特te性xing比bi光guang敏min電dian阻zu好hao。對dui於yu僅jin僅jin使shi用yong一yi隻zhi1.2VNi－Cd電池的太陽能草坪燈來說
，太陽能電池組件由四片太陽能電池串聯組成，電壓低，弱光下電壓更低，以至天沒有黑電壓已經低於0.7V
，造成光控開關失靈。在這種情況下
，隻要加一隻晶體管直接耦合放大
，即可解決問題。

5.2 按蓄電池電壓高低控製負載大小

太陽能草坪燈往往對連續陰雨可維持時間要求很高，這就增加係統成本。我們在連續陰雨蓄電池電壓降低時減少LED接入個數，或者減少太陽能草坪燈每天的發光時間，這樣就能減少係統成本。

5.3 太陽能電池封裝形式

目前太陽能電池的封裝形式主要有兩種，層壓和滴膠。層壓工藝可以保證太陽能電池工作壽命25年以上
，滴膠雖然當時美觀，但是太陽能電池工作壽命僅僅1－2年。因此

，1W以yi下xia的de小xiao功gong率lv太tai陽yang能neng草cao坪ping燈deng，在zai沒mei有you過guo高gao壽shou命ming要yao求qiu的de情qing況kuang下xia，可ke以yi使shi用yong滴di膠jiao封feng裝zhuang形xing式shi，對dui於yu使shi用yong年nian限xian有you規gui定ding的de太tai陽yang能neng草cao坪ping燈deng，建jian議yi使shi用yong層ceng壓ya的de封feng裝zhuang形xing式shi。

5.4 閃爍變光

漸(jian)亮(liang)漸(jian)暗(an)是(shi)節(jie)能(neng)的(de)好(hao)辦(ban)法(fa)，它(ta)一(yi)方(fang)麵(mian)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)太(tai)陽(yang)能(neng)草(cao)坪(ping)照(zhao)射(she)效(xiao)果(guo)
，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)閃(shan)爍(shuo)占(zhan)空(kong)比(bi)控(kong)製(zhi)蓄(xu)電(dian)池(chi)平(ping)均(jun)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)，延(yan)長(chang)係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)，或(huo)者(zhe)在(zai)同(tong)等(deng)條(tiao)件(jian)下(xia)，可(ke)減(jian)小(xiao)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)功(gong)率(lv)

，成(cheng)本(ben)將(jiang)大(da)幅(fu)度(du)下(xia)降(jiang)。

5.5 三色基色高效節能燈的開關速度

這個問題非常重要
，它甚至決定著太陽能草坪燈的使用壽命，三色基色高效節能燈啟動時有高達10－20倍的啟動電流
，係統在承受這樣大的電流情況下可能電壓有大幅度下降
，太陽能草坪燈無法啟動或者反複啟動
，直至損壞。

5.6 升壓電路效率的提高及對LED燈的影響

xiaogonglvtaiyangnengcaopingdengyibandouyoushengyadianlu，ruguocaiyongzhendangdianlu，dianganshengya。diangancaiyongbiaozhunsemadianganqi，biaozhunsemadianganqizhongshiyongkaifangcilu，citongsunshida，suoyidianluxiaolvdi。ruguocaiyongbiheciluzhizaodianganshengya，rucihuan，shengyadianluxiaolvjiangyouhendatigao。LED的特性接近穩壓二極管，工作電壓變化0.1V，工作電流可能變化20mA左右。為了安全
，普通情況下使用串聯限流電阻，極大的能量損失顯然不適合太陽能草坪燈，並且LED亮度隨工作電壓變化，而且一定要自動限流，否則將損壞LED。一般LED的峰值電流50－100mA，反高能電池反接或者蓄電池空載
，升壓電路峰值電壓過高時很可能超過這個極限，損壞LED。

6 總結
本文通過對太陽能LED草坪燈照明設計思路的討論
，來整體概述LED草cao坪ping燈deng照zhao明ming技ji術shu所suo要yao考kao慮lv的de問wen題ti
，我wo所suo采cai用yong的de解jie決jue方fang案an。太tai陽yang能neng作zuo為wei一yi種zhong新xin興xing的de綠lv色se能neng源yuan
，以yi其qi無wu可ke比bi擬ni的de優you勢shi得de到dao迅xun速su的de推tui廣guang應ying用yong。相xiang信xin太tai陽yang能neng太tai陽yang能nengLED草坪燈在不久的將來能得到普及
，並且會成為技術發展的新趨勢。