太阳能在LED户外灯具中的应用与分析

LED户外灯具和野外灯具的主要部件

1.    太阳能电池

太阳能电池组件是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置。LED户外灯具中使用的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池并联构成的。因为受目前技术和材料的限制，单一电池的发电量十分有限。常用的单一电池是一只硅晶体二极管，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，形成内建静电场。从理论上讲，此时，若在内建电场的两侧面引出电极并接上适当负载，就会形成电流。

近年来，非晶硅太阳能电池的研制取得了很大的进展，不仅具有生产成本低、工艺简单、节省原料等优势，而且非晶硅太阳能电池在室内光很弱的情况下转换能力也比较好，这是因为非晶硅太阳能电池对太阳能光照条件要求比较低，所以必将在未来光伏技术应用中占有重要地位。在众多的太阳能电池类型中，无论是多晶硅、单晶硅还是非晶硅，目前对太阳能电池的输出功率都是随机的，在不同时间、不同地点，同一块太阳能电池的输出功率是不同的。太阳能电池的峰值功率Pm由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷决定。

2. 蓄电池

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。LED户外灯具和野外灯具也不例外，必须配置蓄电池储存，达到一定的工作电压，才能使LED户外灯具和野外灯具保持正常照明。一般蓄电池可分为铅酸蓄电池、NI-CD蓄电池、NI-MH蓄电池、NI-LI蓄电池。蓄电池的特性和容量选择等问题直接影响系统的工作效率、可靠性和价格。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，同时还要能够存储预定的连续阴雨天夜晚照明需要的电能。目前蓄电池是LED户外灯具和野外灯具中最薄弱的环节，因为蓄电池使用寿命只有几年，但太阳能电池的使用寿命一般都在20年以上，所以要使太阳能电池与蓄电池完美结合，目前是比较困难的问题。虽然可以用电路来延长蓄电池的寿命，但要使蓄电池达到20年以上的寿命，完全靠电路来实现恐怕不易。

3.控制充放电电路

无论LED户外灯具和野外灯具是大是小，一个性能良好的充放电控制电路是必不可少的。控制充放电电路的作用是使太阳能电池和蓄电池安全可靠地工作,以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。一个质量可靠的LED户外灯具和野外灯具必须用充放电条件加以限制和提示，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，还应具有回差补偿和温度补偿等功能。当然回差补偿和温度补偿电路必须要设计可靠才行，否则效果会适得其反。下面是我们设计的一款户外灯具和野外灯具的充放电电路并带回差补偿。此电路可靠可行，实际应用证明可延长蓄电池的使用寿命2~3年

当太阳能电池通过光能转换成电能，对蓄电池充电时，图中标注R字母的LED灯亮，说明太阳能电池已经进入工作状态，4007是为了防止电池充满时的反向电流。图中标注Y和G字母的LED，分别是欠压指示和满电指示，TL431通过蓄电池的电压，取定一个基准电压，由4.7K和10K和比较器组成了欠压指示电路。电池电压低于3.6V时，由4.7K和10K电阻的分压值与基准电位比较，低于基准电位，则比较器输出，欠压指示灯亮，提供用户充电，在欠压充电状态下，LED灯还可以亮一段时间。同样道理， 12K和10K的分压值高于基准电位，则比较器输出，欠压指示灯灭，满电指示灯亮。此时充电电流由于20欧姆的电阻和三极管8050的开关作用，降成小电流充电，来补偿由于虚电产生的电压空间。当然此电路可以在欠压时断开放电电路，在满电时断开充电电路。因为由于镍氢电池、镍隔电池和铅酸蓄电池本身的缺陷，以及温度、季节等因素会影响充电效果，所以在欠压时和充电时不断开，杜绝没满电时判断成满电，没欠压时判断成欠压等情况的出现。

4.LED光源（负载）
   LED光源低功耗、长寿命、高亮度、启动时间短、结构牢固、范围选择广，还具有稳定性与可靠性等优点，是户外灯具中最好的光源替代品。尤其在公共环境中使用LED户外灯会更加安全。LED在生产中还可实现无汞化，对于节能环保更具有重要意义。虽然LED有众多的优点,但在LED灯具的使用中也应该注意以下几点：

（1）LED的特性接近稳压二极管，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的峰值电流为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摄氏度，光通量下降3%，夏季使用时要注意。

（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。非要并联使用，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，因此使用超高亮白光LED的太阳能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。

结语

    太阳能取之不尽，用之不竭，太阳能光伏照明产品，清洁、环保、安全实用、性能可靠、经济价廉、实用方便。开发和利用太阳能是远有前景、近有实效的事业。推广太阳能光伏技术在LED户外灯具和LED野外灯具的应用是一个新的课题。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化，太阳能光伏技术的效率、性价比将得到迅速提高，它将在各个领域得到广泛的应用，也将极大地推动我国绿色照明工程的快速发展。