煤炭进场太阳能路灯照明系统设计，路灯常见问题

太阳能作为一种新兴可再生能源逐渐进入各个行业，特别是太阳能发电系统正处于蓬勃发展的阶段，很多煤炭科研院所、工厂企业目前大力研究如何将太阳能电池系统应用于传统的煤炭企业，然而由于技术、成本等诸多问题，太阳能路灯在国内的应用仍处于滞缓态势。

从长远来看，太阳能照明系统的前景广阔。太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。在能源紧张、拉闸限电的城市、工矿企业及用电困难的边远地区，有着很强的可推广性。

文章将介绍太阳能电池驱动新型LED路灯系统应用于传统的煤炭进场路灯照明系统，达到新型能源与传统能源的完美结合。

该路灯照明系统以SPCE061A单片机为控制核心，对太阳能路灯系统进行蓄电池充放电控制，驱动LED路灯达到夜晚照明要求。

2 系统设计

太阳能路灯照明系统是以μA SPCE061A单片机为控制核心的小型太阳能发电系统，主要由太阳能电池板、蓄电池、单片机、LED驱动这4部分构成，能够实现蓄电池充放电的实时监测，精确的A/D采样保证了对蓄电池状况的及时响应，充分保证蓄电池的使用寿命，从而使系统长期、稳定的运行下去。系统中，单片机随时检测太阳能电池板电压，达到预定值时给蓄电池充电，电压不足时与蓄电池断开；单片机同时检测蓄电池电压，保证不过充、过放。同时蓄电池供应单片机系统和LED系统的电能。LED由PT4115芯片驱动，能够同时驱动30W LED灯正常工作，能够达到预定的照度。正常的光照条件下，可以维持高达12h的夜晚照明。系统框图如图1所示。

2.1 控制芯片选择

SPCE061A是性价比很高的一款十六位单片机，该芯片拥有8路10位精度的ADC，两路10位精度的DAC。SPCE061A片内还集成了一个ICE(在线仿真电路)接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件资源，在集成开发环境(unSP IDE)下用户可以利用它对芯片进行仿真；而程序的下载(烧写)也是通过该接口进行下载。

2.2 太阳能电池板功率确定

该系统中负载功率为30W，系统要求夜间工作12h，所需能量为360Wh。

以光照比较丰富区为例，根据光照参数，每天光照时间折合4.5h，可计算得需要的电池板功率为5.3W。

2.3 储能系统

小型的独立光伏系统有用铅酸蓄电池的，也有用镍镉蓄电池的，但大中型的系统一般用铅酸蓄电池。因为在独立光伏系统中，由于太阳能电池的输出功率随太阳光照强度在变化，当夜间或阴雨天时太阳能电池的输入功率为0或很小不能满足负载的要求因此独立光伏系统需要一个储能装置，在光照强的时候，把多余的电能储存下来，供光照弱的时候使用。

对铅酸蓄电池的选择，主要考虑的是蓄电池的容量和工作电压。其中蓄电池的容量指的是在一定放电条件下蓄电池能连续提供的能量的总和，这个参数的选择主要与太阳能光伏系统的工作条件下的太阳辐射平均强度和需要连续供应负载电量的时间和功率有关;工作电压是蓄电池接通负载放电时在负载上所呈现出来的电压，其大小主要决定于后面负载的额定工作电压值。

在此次太阳能光伏路灯系统的设计中，拟采用12V/30W的LED节能灯，因此所选择的蓄电池工作电压为12V。蓄电池容量的计算以保证一次满幅值充电后可以维持连续三天阴雨天气的夜晚照明为标准，计算公式为：

其中，负载日耗电量的计算为：

负载日耗电量=负载电流×小时数

2.4 灯具选型

目前，多数太阳能灯选用LED作为光源，LED寿命长，可以达到100000h以上，而且工作电压低，非常适合应用在太阳能路灯系统上。特别是LED技术己经实现了关键性的突破，其特性在过去的几年中有了很大地提高，性能价格比也有较大地突破。具有节能、长寿、显色性好、安全等优点。

因为LED路灯的工作电压一般为12V或24V，属安全电压，可以不做电气保护接地。但LED路灯金属灯杆应做防雷接地，接地电阻不大于10Ω。至于灯杆及灯具外壳，灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距，道路的照度标准确定。灯具外壳在美观和节能之间，大多数都选择节能，灯具外观要求不高，相对实用就行。

目前LED路灯的标准一般是路面照度均匀度(uniformity of road surface illuminance)的平均照度0.48。光斑比值1：2，符合道路照度。(实际1/2中心光斑达到25LUX，1/4中心光强达到 15LUX，16m远的最低光强4LUX，重叠光强约6LUX)。目前市场路灯透镜材料为改良光学材料，透过率≥93%，耐温-38～+90℃，抗UV紫外线黄化率30000h无变化等特点。它在新型城市照明中有非常好的应用前景。对深度的调光，且颜色和其他特性不会因调光而变化。系统对路灯的功率要求是150W高压钠灯照度要求，基于对上述LED灯优点的介绍，并与常规灯源对比，LED灯具有更光明的应用前景，同时，30W的LED照明效果相当于150W常规灯源的照明效果，出于对路灯实际应用及成本的考虑，系统设计的电路拟采用12V/30W的LED灯，最后拟采用型号为GP-FH的LED作为该系统的路灯光源。

3 控制电路

3.1 控制电路方案

该系统采用PWM(Pulse Width Modulation)调制方法控制对蓄电池的充电的控制电路，开关器件采用MOS管，控制电路具有温度补偿，过充、过放、负载短路、过载保护等功能，极大的延长蓄电池的使用寿命，保证整个路灯系统的正常工作。

3.2 软件设计

软件设计部分主要是蓄电池状态的检测，根据电压状态决定对电路的控制方案。LCD 显示程序主要负责电流电压等一系列参数的显示工作。采用键盘控制LCD的开关，以节约电能。键盘控制程序采用中断控制，保证外部操作对系统的准确控制。

由于SPCE061A不能同时进行多路AD转换，所以程序中采用分时的方法进行检测，利用有限的资源完成系统任务。根据电流参数采用Timer A产生PWM波对电流进行精确控制。在低电压时，通过IOB1输出电平控制继电器通断，达到对输出电路的控制。

4 效益分析

目前大多数的路灯仍然采用交流电供电，一方面是交流电路灯的技术已经是十分成熟，而太阳能路灯还有很多不确定因素，另一方面主要的考虑仍然是太阳能的初始投资过大，从而忽略了太阳能供电的很多优越性。

众所周知太阳能最重要的优点是一种取之不尽用之不竭、最清洁的可再生能源，它可以有效减缓地球变暖的问题，而且它将逐步取代部分传统能源。有关决策者现已认识到，LED路灯取代高压钠灯是发展的趋势，同时，太阳能驱动LED路灯也有要取代交流电驱动的趋势。

1)全国所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量。LED路灯比高压钠灯要节能，早已为人们所认识。不过可能还缺乏一些定量的概念。现在公认100W的LED路灯可以取代250W的高压钠灯，所以可以简单地认为，每一盏LED路灯可以节约150W电能。然而，如果改成用太阳能供电的话，那么连这100W的电也能节省下来，也就是说，每盏路灯可以节省250W电。据统计，中国现有路灯总数大约在一亿盏以上，假如这一亿盏路灯可以折合成为6000万盏250W的高压钠灯路灯，再假定这6000万盏路灯全部改成太阳能LED路灯，那么总共可以节约1500万kW的功率。假定每盏路灯每天工作12h，在1年内将节约电657亿kWh。而三峡水电站在2007年的发电总量为616.03亿kWh。因此把全国的路灯全部改为太阳能路灯后所节省的电量将超过一个三峡水电站一年的发电量。这是一个极其惊人的数字。

2)太阳能供电时的效率将会比交流电供电时的效率高15% 。因为采用交流电供电时必须采用开关电源将其变为直流。一般开关电源的效率大约在80%左右。所以对于100W的LED路灯，其交流输入功率就大约需要120W(下面的比较表中就采用120W)。而采用太阳能供电时只要采用DC/DC恒流源，其效率高达95%。因此合计后采用太阳能的总效率约高15%。

3)太阳能供电的LED路灯的总体成本比交流供电的LED路灯低很多。两种系统的LED灯头和灯杆成本是大体相同的，主要差别是太阳能电池板。通常太阳能电池板的功率大约是LED灯具功率的3倍。如果LED为100W，那么就要求使用300W的太阳能电池板。目前太阳能电池板的价钱已经降低到23元/W以下，300W就是6900元。此外，太阳能系统还需要蓄电池，但是其成本相当于交流供电中的开关电源成本。所以二者可以抵消。所以灯具本身成本的差别主要是太阳能电池板。

交流供电LED路灯在初次安装时的最大支出是电缆的铺设。一般以为主要就是电缆本身的成本，但是除了电缆本身外，它的铺设、辅助设施(检查井、配电设备)等，要比电缆本身贵很多。现在假定以某矿进场公路为例：长度10km，路宽18m。现每隔30m一盏，对面放置，一共需要666盏LED路灯，如果采用太阳能路灯的话，五年内就可以回收成本还可以节省61万元，五年以后每年的电费就可以节省122万元，随着太阳能电池板价格的不断下降，节省的费用还要多。交流供电LED路灯和太阳能驱动LED路灯费用对照见表1。

5 结论

论文就太阳能充电控制电路对蓄电池的充电方式、控制电路的功能要求和实际应用方面做了分析，完成了硬件电路设计，实现了对蓄电池的科学管理，并将其应用到煤炭进场太阳能路灯系统中。

在本论文的设计中尚有许多需要改善的地方其中最主要的是如何实现对太阳能效率以用的最大化，当前最重要的方法是通过对太阳方位和高度的控制和对太阳能电池最大功率点的跟踪来实现。太阳能电池是依靠太阳光辐射能而产生电能的器件同样的一块太阳能板由于放置的角度不同，所接受的光辐射能就不同，产生的电能就不同。因此为了提高太阳能电池电能的产量，可以让太阳能板自动的随着天空中太阳的方位和高度的变化而跟踪；为了让太阳能电池的输出功率达到最大除了采用太阳高度和方位跟踪的技术之外，还有一种太阳能电池最大功率点跟踪。由于光伏阵列输出特性的非线性特征，必须考虑使光伏系统在不同日照、温度以及不同负载特性条件下都工作在光伏阵列输出特性的最大功率点上或附近，从而充分利用太阳电池阵列吸收的太阳能。

常见问题

煤炭进场太阳能路灯照明系统设计

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