太阳能路灯

只看该作者 · 2009-11-18 14:07

求助太阳能路灯原理图

2万 · 2009-11-18 14:15

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太阳能路灯控制器电路图作者：佚名来源：转载发布时间：2009-4-8 17:30:51 [收藏] [评论]

太阳能路灯控制器电路图

1 ．工作原理

　　电路原理见图 1 所示。该电路由以 U5 为核心组成的蓄电池过充电控制电路、以 U 4A ～U4D为核心组成的蓄电池电压指示电路及显示电压按钮开关 KS1 电路、以 U1B 组成的蓄电池过放电控制电路、以 U1A组成的开灯检测控制电路、以 U2 组成的开灯及延时熄灯及二次开灯定时控制电路，以及以控制三极管Q2驱动继电器组成的输出控制电路等组成。现分别介绍如下。

　　(1) 过充电、过放电检测保护部分太阳能电池组件板或阵列由插口 CZ1 的①脚输入，加至防反充电二极管 D2 的正极．D2的负极接 12V 蓄电池的正极，即 CZ1 的③脚。控制器在初始上电时，由于 C4 的作用使 U5②脚为低电平，③脚输出高电平，Q7 导通； Q8 截止，允许太阳能电池给蓄电池充电。当蓄电池所充的电压小于 14 ． 4V 时，由R13 、 (R38 十R39) 组成的串联分压电路送至 U5 ②、⑥电压低于 2 ／ 3 U5 的供电电压时，即小于6V，电路维持充电状态；随着充电时间的延长，蓄电池电压逐渐升高，当 U5 ②、⑥的电压高于 2 ／ 3 U5 供电电压时，U5③脚输出低电平， Q7 截止、 Q8 导通，给太阳能电池板泄放电流，停止对蓄电池充电。在U5③脚输出低电平的状态下，其⑦脚导通，相当于将 1140 并入电路中。此时电路的分压比为： R38+ R39 ／／ R40／IRl3+(R38+R39) ／／ R40 ，不难算出，当蓄电池电压低于设定值 13V 时．电路状态再次翻转，U5③脚输出高电平，允许蓄电池充电。

　　(2) 开灯检测方法与控制

　　太阳能电池板是一个很好的光敏元件，其输出电流、电压能随着接受光的强度和照度变化而变化，本控制器就是利用这一原理实现开、关灯控制的。太阳能电池板PVin 输入电压经 R5 、 R6 串联分压后；加至运放 U 1A ②脚，其③脚接于 R9 、R8+VR1的分压点上。在白天，太阳能电池板在阳光的照射下输出电压很高，其经 R5 、 R6 分压后使运放 U 1A②脚电压高于③脚， U 1A①脚输出低电平， Q1 截止， U2 无供电电压不工作，Q2截止，继电器不吸合，系统无输出电压，路灯不工作。随着天色渐黑，太阳能电池板输出电压降低。 UlA ②脚的电压也同步降低，当 U1A②脚电压低于③脚时，比较器翻转， U 1A ①脚输出高电平， Q1 导通，定时电路 U2 得电工作， Q2 导通、JDQ1吸合点亮路灯。图中 VR1 为路灯开灯时刻设置调节电位器，调节 VRl 可设置不同时刻点亮路灯。DW1是钳位二极管，作用是避免白天太阳能电池板接受的电压过高导致 U 1A ②脚输入电压过高而损坏。 C1 为储能电容，作用是防止 U1A②脚电压瞬时突变误点亮路灯。 R14 为反馈电阻．其作用是使 U 1A 成为一个迟滞比较器．防止和避免 U1A在开灯点附近振荡而反复开、关路灯。

　　(3) 路灯延时电路点亮、熄灭控制电路

　　延时控制电路选用 CD4541BE 可编程定时控制芯片，它功耗低、内置可编程分频器电路，最大分频级数为 65536 级。

　　本控制器设计定时开灯和定时关灯时间调节范围是： 2 ． 093 小时 -11 ． 93 小时．分别由 V ： R2 和VR3控制调节。

　　(4) 蓄电池停止放电优先控制电路

　　若在路灯欲点亮或已点亮时，蓄电池电压已经低于其允许终止放电值时， Q4 导通．此时无论 U 1A 输出高电平与否，均会使Q1截止，从而保护蓄电池避免过放电损坏。

　　(5) 电池电压指示电路

　　为了让现场看管、维护人员及时了解、掌握蓄电池的状态，本控制器设有 LED 电池电压指示装置，通过LLED点亮的数量指示蓄电池电压的高低。

　　2 ．电路调试

　　制作中发现。 NE555 时基电路的实际状态转换点，即 1 ／ 3V( ： C 与 2 ／3VCC状态的翻转跳变点并不是严格遵循理论值。通过调节电阻 R13 可实现 14 ． 4V 的过充电控制。将 R13 由设计的100kΩ换为 120k Ω即可达到实际要求。同理，通过调节 VR4 可校准蓄电池指示电压。

　　二、用 PIC 12F 675 单片机制作的太阳能路灯控制器

　　图 2 是用：PIC12F675单片机制作的太阳能路灯控制器电路。 PIC 12F 675 是 8 引脚单片机，具有 6个I ／ 0 口，自带内部 RC 振荡器 ( 振荡频率为 4MHz) 、 4 路 10 位 A ／D转换器、一路比较器，该控制器性能稳定、可靠，耗电低。

　　1 ．工作原理

　　PIC 12F675控制蓄电池的过充电、过放电，开、关路灯功能，定时点亮、天黑自动点亮、延时点亮、自动跟踪点亮等功能，路灯点亮测试控制功能，LED指示功能等。

　　由蓄电池 BTl 、蓄电池过充电控制执行场效应管 01 、三端稳压器 U1 组成电源供电系统； Q2 、 Q4．组成放电控制；K1 手动， R_GM1 光控自动开灯系统，蓄电池分压电阻，发光指示二极管等部分组成。太阳能电池板电压由接口J3输入．经防反充二极管 D1 后分成两路，一路经 U1 LM 78L 05 稳压后，为 PIC 12F675单片机提供工作电源，另一路经 FB 保险丝给蓄电池充电。单片机上电后，首先由 Rf 、 Cf组成的硬件电路进行复位．然后由软件控制U2 ③脚 GP4 输出高电平，让 Q4 导通、 Q2 截止，控制系统停止放电，再检测 U2⑦脚 GP0 上的分压值，通过内部 A／ D 转换及软件运算间接检测、判断蓄电池是否欠压、过压．若蓄电池发生过充电，则通过软件控制U2 ②脚 GP5 输出高电平，使 Q1导通．短路太阳能电池板、停止向蓄电池充电，同时点亮“过充电”指示灯 LED2；若未发生过充电，则 U2 ②脚 GP5输出低电平，允许蓄电池充电。通过检测 U2 ⑥脚 GP1 所接的光敏电阻R_GM1上的分压值，判断是否已经“天黑，到了开路灯时间”，若到了预设的开灯点，则由软件控制 u2 ③脚 GP4 输出低电平，使 Q4截止、02 导通，点亮路灯。若不到开灯点，则程序返回，循环检测上述诸参数。

　　K1 是手动开灯按钮。按下 K1 ，路灯点亮。单片机通过检测光敏电阻R_GM1上的分压值，判断是否“天黑”，若是天黑．则按设计要求点亮路灯，若否，单片机进入路灯控制器“测试”功能：2分钟后路灯自动熄灭。

　　2 ．说明

　　由于单片机程序设计十分灵活，故这里用“开灯点”作为开灯标记符，这个点可以是时间。也可以是天黑的“程度”。若定义的是时间，可以让路灯从此时开始计时，点亮若干小时后熄灭；若是天黑的程度，可以让路灯到了此天黑程度后开始点亮。此后既可计时熄灭，也可判别天亮后熄灭。一切由软件设计人员抉择。

2万 · 2009-11-18 14:19

浅析太阳能LED路灯工作原理与设计（组图）

前言：随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用；另一条是寻求新的节能技术，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。 太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，太阳能作为一种巨量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之不竭。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，一般人都认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还要节能1/4，这是固体光源更伟大的改革。
太阳能LED照明集成了太阳能与LED的优点。
本文对一款太阳能LED大功率路灯做了深入探讨与详细介绍，如图1。

1、系统介绍
1.1 系统基本组成简介
如图2，系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W白光LED和1W黄光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。
控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。
1.2、工作原理介绍
系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。
2、系统设计思想
太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。下面将以香港真明丽集团有限公司的这款太阳能LED大功率路灯为例，分几个方面做分析。
2.1、太阳能电池组件选型
设计要求：广州地区，负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。
⑴ 广州地区近二十年年均辐射量107.7Kcal/cm2，经简单计算广州地区峰值日照时数约为3.424h；
⑵ 负载日耗电量 = = 12.2AH
⑶ 所需太阳能组件的总充电电流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A
在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。
⑷  太阳能组件的最少总功率数 = 17.2×5.9 = 102W
选用峰值输出功率110Wp、单块55Wp的标准电池组件，应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。
2.2、蓄电池选型
蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。
根据上面的计算知道，负载日耗电量12.2AH。在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量：12.2×（7+1） = 97.6 （AH），选用2台12V100AH的蓄电池就可以满足要求了。
2.3  太阳能电池组件支架
2.3.1 倾角设计
为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。
关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为广州地区，依据本次设计参考相关文献中的资料[1]，选定太阳能电池组件支架倾角为16o。
2.3.2 抗风设计
在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。
⑴  太阳能电池组件支架的抗风设计
依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。
在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。
   ⑵  路灯灯杆的抗风设计
   路灯的参数如下：
   电池板倾角A = 16o                灯杆高度 = 5m
   设计选取灯杆底部焊缝宽度δ = 4mm  灯杆底部外径 = 168mm

   如图3，焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩W 的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M = F×1.545。
   根据27m/s的设计最大允许风速，2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑1.3的安全系数，F = 1.3×730 = 949N。
   所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。
   根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。
   上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。
   破坏面抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）
                  =π×（3×842×4＋3×84×42＋43）= 88768mm3
                  =88.768×10－6 m3
   风荷载在破坏面上作用矩引起的应力 = M/W
      = 1466/（88.768×10－6） =16.5×106pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa
   其中，215 Mpa是Q235钢的抗弯强度。
   所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。
   2.4  控制器
   太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。
   蓄电池防过充、过放保护电压一般参数如表1，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。

   在选用器件上，目前有采用单片机的，也有采用比较器的，方案较多，各有特点和优点，应该根据客户群的需求特点选定相应的方案，在此不一一详述。
   2.5  表面处理
   该系列产品采用静电涂装新技术，以FP专业建材涂料为主，可以满足客户对产品表面色彩及环境协调一致的要求，同时产品自洁性高、抗蚀性强，耐老化，适用于任何气候环境。加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装，使产品性能大大提高，达到了最严格的AAMA2605.2005的要求，其它指标均已达到或超过GB的相关要求。
  3、结束语
   整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；表面处理采用了目前最先进的技术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。
   目前，太阳能LED照明的初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED光效在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。