灯供电技术的制作方法

灯供电技术的制作方法
【专利摘要】设备被设计用于向灯引导电力，并且向下调整作为源中可用电能的函数的引导至灯的电力的量。在这样做时，在源中的可用能量的缩减导致在灯的发光度中的较小比例的缩减。这可以通过在电力到灯的路径上使电力通过电阻器和二极管的无源网络来完成。在一个示例中，电能源可以是由一个或多个太阳能板供电的电池。在那种情况下，设备也可以执行保护电池不被过度充电的功能。当可用电池能量在它的满容量附近时，它向下引导比从太阳能板充入的每日电力更多的每日灯能量消耗。
【专利说明】灯供电技术

【背景技术】
[0001] 太阳能路灯在商业中应用。太阳能路灯以光的形式从太阳接收太阳能。光子通过 太阳能板被转化成电力。电池系统存储电能，其中电能可以在黑暗条件（如夜间或阴天时 间）下使用以向路灯供电。
[0002] 常规的商用太阳能路灯旨在能够在三个连续的阴雨天期间提供照明。然而，现有 的商用太阳能路灯在某些非常正常的和常见的情况下不能够在三个连续的阴雨天持续照 明。因此，布置有这种太阳能路灯的街道经常是黑暗的。
[0003] 发明人进行了研究以揭示导致对这个问题的关键问题的根源，然后如在本发明公 开内容中披露，发明了系统设计以克服这个问题。


【发明内容】

[0004] 本文描述的至少一个实施方式涉及一种用于当灯正在消耗电力时将电力从电能 源引导到灯的发明，并且当这样做时向下调整作为电能源中可用能量的函数的引导到灯的 能量的量。在这样做时，电能源中的可用能量的缩减导致灯的发光度的较小比例的缩减。 这可以通过在电力从电能源到灯的路径上使电力通过电阻器和二极管的无源网络来完成， 这减少设备的能量消耗。在一个示例中，电能源可以是由一个或多个太阳能板供电的电池。 在那种情况下，设备也可以将电力从（一个或多个）太阳能板引导到电池。
[0005] 提供这个概要以便以简单的形式来介绍概念的选择，该概念的选择在下面的详细 说明中进一步描述。这个概要不意在识别要求的主题的关键特征或实质特征，也不意在用 作对确定所要求的主题的范围的帮助。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 为了描述可以获得的上述的方式和其它优点和特征，将参考附图提供各种实施方 式的更加具体的描述。应当理解，这些附图仅仅描述了示例性实施方式，因而不被认为是 对发明的范围的限制，将通过附图的使用来描述和解释实施方式的额外的特征和细节，其 中：
[0007] 图1抽象地示出了根据本文描述的原理的太阳能板灯系统；
[0008] 图2示出了通过控制器传递到灯的能量如何可以作为电池中的剩余可用电能的 函数而减少的阶跃函数示例；
[0009] 图3示出了通过控制器传递到灯的能量如何可以作为电池中的剩余可用电能的 函数而减少的连续函数示例；
[0010] 图4示出了示例发光二极管（灯）响应；以及
[0011] 图5示出了当电池中的剩余可用电能减少时可以用于将减少的电力的量传递到 灯的电阻器和二极管的示例无源网络。

【具体实施方式】
[0012] 本文描述的原理涉及一种用于为潜在地包括二极管和电阻器的无源网络的灯供 电的技术。该灯设计进一步包括系统控制单元（如控制箱），即使针对相同的给定太阳能板 和电池，在与商用灯相比，该系统控制单元也允许更长的一连串连续的阴雨天中增长的照 明持久性。
[0013] 可以跨越在电池中的可用存储能量的整个范围来操作灯。随着电池的存储能量减 少，系统的功率消耗也减少，并且系统的功效增加，同时仍然保持照明在需要的亮度之上。 换句话说，该新颖的系统可以随着电池存储的能量消耗掉而不断地（或逐渐地）提高功效。
[0014] 在晴天条件期间（在下文中被称为"晴天"）当大量的太阳源光子投射在太阳能板 上时，太阳能灯使用太阳能板来为电池充电。然而，较少的或者没有太阳源光子投射在太阳 能板上的黑暗条件也存在。例如，在夜间但也可能在黎明、尘土天或在多云天期间（在下文 中被称为"黑夜或黑天"或"雨天"），当云层、薄雾、烟雾、雨、尘雾或任何其它遮盖物阻止了 许多太阳能到达太阳能板时，黑暗条件当然存在。
[0015] 取决于天气模式、一年中的时间和地球的区域，黑天以一定量的频率出现。为了解 决这个问题，因而针对没有阳光（如在连续的黑天期间）的一定的承诺期，太阳能灯应该持 续几个晚上的照明。目前，许多商用太阳能灯提供商的承诺期是三个连续的黑天。然而，根 据发明人进行的（在下面的进一步细节中描述的）研究，现有的商用太阳能路灯在非常正 常的和一般遇到的情况下不能持续照明三个连续的黑天。
[0016] 太阳能灯系统包括四个子系统，包括1)太阳能板，其接收太阳源光子并将一部分 相应的光子能量转化成电力；2)电池，其接收并存储由太阳能板生成的电力；3)灯，当其要 发光时消耗来自电池的电力；以及4)控制器，其控制灯何时开和关，并且保护电池不会过 度充电或过度消耗。根据本文描述的原理，当将建造的灯结合发明的无源网络时，控制器不 仅仅执行上述功能，还控制当灯开启时向灯供应多少电力。
[0017] 当用根据本文描述的发明原理的实施方式代替灯和关联的控制器时，太阳能灯系 统可以以满电池存储容量开始，在三个连续的黑天存在的前三个晚上提供提高的（比商用 规定的更好）照明亮度。然后，灯系统仍然可以在（商用规定的）需要的亮度以上保持照 明三个额外的晚上，而在这六个连续的日子（亦即在六个连续的黑天存在时）不需要任何 太阳能输入。此外，在一些实施方式中，与商用系统相比这可以产生较少的成本。
[0018] 当优化时，利用限制在商用太阳能路灯的系统成本之下的系统成本，本文描述的 太阳能灯系统的某些实施方式可以在多于九个连续的黑天存在的黑暗条件期间持续照明， 同时继续在需要的水平之上提供照明。这样的实施方式可以在前三天提供比商用系统更好 的亮度。然后，该系统在额外的六个连续的黑天继续提供高于百分之九十的亮度（与之前 的日子相比），在黑暗条件期间没有熄灯。此外，利用在第十天的仅4小时的有效光照，该系 统跳回以在另三个连续黑天存在时提供多于三个额外的晚上的照明。
[0019] 根据本文描述的至少一些实施方式所产生的太阳能路灯是非常实惠的，并且也提 供了极好的性能。因此，在许多其它的应用中，本文描述的实施方式可以提供具有极好性能 的成本有效的太阳能路灯。
[0020] 研究
[0021] 发明人进行了研究，研究表明现有的商用太阳能路灯在某些非常真实的、普通的 和容易遇到的情况下不能在任何三个连续的黑天持续照明。这个研究考虑了商用太阳能灯 的性质和设计参数，然后在一些正常太阳能路灯操作的普通的容易遇到的情况下检验了这 些太阳能灯。该研究揭示了为什么当前的商用太阳能灯在真实的情况下不能持续三个连续 的黑天的关键原因。
[0022] 太阳能灯在晴天期间使用太阳能板为电池充电。然后，使驱动灯的电池放电以为 黑夜照明。因此，下面的有关阳光、需要照明的黑暗时间等的特性数据与常用的太阳能板、 电池和控制箱的特征一起被估计。
[0023] 取决于季节，适合于安装太阳能灯的大部分位置平均每日有效日照范围从3小时 到4. 5小时。（由于黑暗）在这些位置需要的照明时间范围从每天8小时到每天14小时。 此外，具有较长的需要照明的季节通常与较短的有效日照小时相关。因此，独立的系统的设 计典型地需要大约4小时太阳能板暴露在阳光下，以为电池充电具有适合于大约12小时照 明的灯消耗的能量（以及24小时控制箱操作，这是因为控制箱持续地操作）。
[0024] 在商用系统中从太阳能板转化的电能通常存储在"12伏"电池中。所谓的"12伏" 电池应当在它的最大终端电压（Vx)和最小电压（Vn)内的正常范围内可操作，该最大终端 电压可以在13. 6伏附近，而最小电压可以在10. 5伏附近。异常操作（将电池过度充电到高 于Vx或者将电池消耗到低于Vn)可能损坏电池而缩短它的寿命，这包括了不必要的损失。 因而，电池过度充电或者过度消耗的异常操作都是不希望的，也是不推荐的。因而，商用系 统设计了控制单元以持续地测量电池终端电压以当电压到达Vx时关断太阳能充电，且当 电压到达Vn时将灯关闭。
[0025] 电池的能量存储容量Bx以安培小时测量（假定Bx = 150安培小时）。能量存储 容量Bx被定义为当电池的终端电压从最大终端电压Vx消耗到最小终端电压Vn时通过电 池的输出电流（以安培计）的时间积分（以小时计）。注意，每个安培小时表示在电池中的 不同量的能量，这是因为能量取决于随着安培小时被消耗的终端电压是什么。此外，在针对 每个安培小时的相同的终端电压处，不同的电池可能存储略微不同量的能量，这是因为在 各自且每个电池中的化学电能转化的内部电阻可能是不同的。因此，在相同的电池的不同 的终端电压处，相同的（瓦特小时）能量消耗可能具有稍微不同的安培小时值。换句话说， 在不同的电池的相同的终端电压处，能量消耗可能不会是严格相同的安培小时值。
[0026] 现在将定义几个设计参数。系统日能量消耗（包括照明、操作控制和无效率）是 "D"。最小系统日能量消耗是"Dn"。最大日能量消耗是"Dx"。每日从太阳能板输出的转化 的并存储到电池中的电能是"S"。它在每日4小时有效的日照中的平均值是"Sa"，而它的 最大值是"Sx"，它的最小值是0。存储在电池中的电能是"B"。最小电池能量"Bn"是存储 在电池中的最小能量（亦即Bn = 0)，其当电池终端电压V在它的最小值Vn时发生。最大 电池能量"Bx"是当电池终端电压V在它的最大值Vx时存储在电池中的能量。Bx也被称作 电池的容量。商业上，Bx以安培小时表示。因此，除非另有规定，否则本文公开的所有的能 量单元（B、S或D)都被转化成电池使用的安培小时。
[0027] 现今，太阳能板是四个太阳能板子系统（其包括太阳能板、电池、灯和控制器）中 主要的成本动因和最昂贵的。因而商用太阳能灯系统被设计成使太阳能板的使用最小化， 以使系统的负担能力最大化。现有的商用太阳能灯系统都使用1. 15Dx>Sa>l. lDx。换句话 说，电池板尺寸足够大以使得一天的有效日照足够将电池充电到足以提供满足以下条件的 电能（"Sa"）：该电能大于一天最大能量消耗（"Dx"）的110%，但是绝对小于一天最大能 量消耗（"Dx"）的115%。
[0028] 现今，电池是四个太阳能灯子系统中第二成本动因。大多数商用太阳能灯供应商 将他们的满电池存储容量Bx设计为4Dx>Bx>3. 3Dx。换句话说，完全充电的电池将足够提供 超过从最大能量消耗的3. 3天到最大能量消耗的4天的照明。一些商用太阳能灯的设计者 将满电池存储容量Bx增加到7Dx。
[0029] 他们也将他们的控制和照明子系统（如灯）设计成保持照明功率消耗"P"（亦即 为了操作灯而来自电池消耗的功率的量）恒定，或者至少独立于终端电压。注意，终端电压 V是存储在电池中的能量B的函数。因而每日系统能量消耗（以瓦特小时计）D被表示为D =(PXT) +0,其中T是一天的照明小时数（平均?12小时），且0是除了照明以外的24小 时（由控制箱使用的）操作能量消耗。
[0030] 下面是现有的商用太阳能板设计的关键特征的概述：
[0031] ( I )用于每日系统操作的能量消耗（包括整夜照明和24小时控制箱操作）被设 计成：Dx>D = (ΡΧΤ)+0瓦特小时，其中P、T和0如上文定义，而P被设计成几乎是恒定瓦 特。
[0032] ( II )太阳能板的尺寸（在一个有效的晴天为电池充电提供以瓦特小时为单位的 "S"电能）被设计成：1. 15Dx>Sa>l. lDx(以瓦特小时计），Sa如上文定义。
[0033] (III)电池（用于存储来自太阳能板的电能以及为系统操作提供电能）被设计成： 7Dx>Bx>3. 3Dx，而Bx是在电池的满容量。
[0034] 由于每日能量消耗D小于最大每日能量消耗Dx，且假定电池被设计成： 7Dx>Bx>3. 3Dx，所以通常认为常规的设计可以充分地保证超过三个连续的雨天的操作。然 而，这不是如现在将解释的情况。
[0035] 事实是利用减去了需要的每日能量消耗的每日的太阳能输入，在任何给定的一 天仅非常小量的能量可以通过电池获得以增加存储的能量。在正常操作下，使用这个剩 余能量将电池从B = 0充电到B = Bx需要的最小的连续的晴天将会是：(Bx的最小值）/ ((S-D)的最大剩余值）。假定最小Bx等于3.3Dx，并且假定（S-D)的最大剩余值将会等于 1. 15Dx-Dn，那么对于最小晴天的表示可以表示为3. 3DxAl. 15Dx-Dn)。然而，这个值近似 等于3. 3DxAl. 15Dx-Dx)，其将会是22天。正常地，对于现有的商用产品，在电池耗尽之后 将花费22到50个连续的正常晴天来为电池容量充电以重新获得满能量存储。在这些充电 日子期间任何一个额外的黑天将为电池需要的修复时间增加至少额外六天以到达电池的 满能量存储状态。在任何操作的黎明，在允许的最乐观的设计条件下，当（使用俄罗斯轮盘 方法）施加统计代码以仿真剩余的电池存储容量时，仿真结果表明，对于B>(3D-Sx)将会是 罕见的情况。因此，在大多数操作日子的黎明，假定B〈(3D-Sx)将会是非常安全的。换句话 说，下面的情景分析适合于大多数系统操作时间（非常普通的且频繁遇到的情况）。
[0036] 即使假定了商用最大设计的电池满容量（Bx = 7Dx)时，也总是存在许多可能共同 地导致系统到达以下状态的实际的操作情况：在该状态中，在任意给定日子的黎明，剩余电 池存储能量B小于（3D-M*Sx)的剩余电池存储能量，其中Μ = 1或Μ = 2。该系统可能遇 到下一个白天是很好的普通的晴天接着是3个或者更多个连续的黑天的情景。这样的系统 不能提供额外的三个晚上的照明。
[0037] 对于 Μ = 1，这引起 B = (3D-Sx)〈(3D-L l?x)〈(3-L 15)*D。换句话说，在黎明剩 余的电池能量小于操作能量的1.85天。然后，太阳能板可以（在接下来的晴天）仅仅将电 池充电到B = (3D-Sx+Sa)。因为Sx>Sa，所以B的值在遇到三个连续的雨天之前绝对小于 3D。该系统在第三晚绝对不能够提供整夜的照明。
[0038] 对于Μ = 2,在黎明剩余的电池能量可以操作小于0. 7天。在这种情况下，在三个 连续的雨天期间的第三个晚上将根本没有照明。
[0039] 当电池在给定日子的黎明或黎明之前被耗尽时，然后灯可以在第一个晚上和第二 个晚上的部分期间提供照明，但是在第三个晚上期间将根本没有照明。
[0040] 最坏的情景将会是电池在给定日子的黎明或黎明之前被耗尽，并且紧跟着在给定 日子的黎明之后是大于三个连续的根本没有日照的雨天。在那种情况下，在晚上期间将根 本没有照明。
[0041] 上述的情景是非常普通的、正常的且经常遇到的操作情况。因此，上述的情景分析 清楚地表明，在恒定的照明功率消耗设计下，即使使用最大商用设计的电池容量，具有通常 设计的太阳能板再充电容量的商用太阳能灯也将不能兑现他们的"在任意3个连续的黑天 持续照明"的诺言。这是因为在电池耗尽时和电池耗尽后，这些系统仅仅可以跳回提供具有 平均每日日照的大约额外一天（不是额外三天）的照明。
[0042] 为了进一步说明上述研究以及揭示这个问题的根本原因，让我们以商用产品作为 最坏的示例：我们购买了商用路灯（具有130W的太阳能板、两个110安培小时的电池）。 这个灯利用大约28W恒定的照明功率和消耗大约6W平均功率的控制箱提供了大约1600流 明的照明输出。通过130W的太阳能板转化4小时的有效每日日照为电池充电的平均能量 (Sa)是大约43. 3安培小时。这个（具有12小时照明和24小时控制箱操作）路灯的每日 能量消耗是大约40安培小时。来自太阳能（减去每日消耗）的净能量增益仅大约是3.3 安培小时。这意味着将花费多于12个（12X3. 3安培小时=39. 6安培小时）连续的晴天 来弥补用于这个路灯的1个黑天的能量赤字（大约40安培小时）。从它的耗尽状态到满存 储的修复周期将花费：220/3. 3 = 66. 7个连续的晴天。这个路灯安装在具有大于4小时的 年平均有效日照以及净空间以适当地接收正常日照的中国中部附近的位置处。以满电池容 量开始，并且仅仅操作少于20天（两年多前）就遇到它的第一次"耗尽电池"的情况。在 那之后，这个路灯开始提供在每个晴天之后的大约1个晚上的照明，并且从那以后从未兑 现它的"在3个连续的黑天持续照明"的承诺。当然，这个灯自从安装超过两年后也遇到了 许多额外的"耗尽电池"的情况。
[0043] 一种兑现超过三个连续的黑天的持续照明的承诺的方式是增加太阳能板的尺寸 以提供3倍的再充电功率。在那种情况下，即使在晴天的黎明电池被耗尽，每个每日太阳能 输入也可以明确地将系统的能量消耗持续3天。然而，这也可能导致高昂的成本和负担能 力的损失。
[0044] 研究总结:
[0045] 从上述的研究中，发明人发现对于太阳能灯信守持续诺言以持续照明大于三个连 续的黑天有三个关键的因素：（1)系统具有足够大的电池容量（Bx>3Dx) ; (2)系统具有足 够大的太阳能板以使得Sa>3Dx ;以及（3)控制箱减小它的每日能量消耗到低微的水平以使 得可以显著地减小Dx。然而，由于子系统的成本（特别是太阳能板和电池），当将两个因素 强加于在商用产品中的"恒定的照明功率"的设计上时，即使利用来自第三个因素的免费帮 助，导致的系统也可能终结于满足需要的亮度一但是具有昂贵的成本，或满足负担能力一 但不提供足够的亮度。
[0046] 本发明：
[0047] 发明人进一步发明了具有无源网络LED(芯片）和电阻器以及相关联的控制箱的 新颖的LED灯设计，以（克服这个问题）即使当使用与商用系统相同的太阳能板和电池时， 也在长时间连续的黑天提供很好的照明持久力。本发明的步骤如下所述：
[0048] I .无源网络连接以调整LED灯的I-V特件：
[0049] 通过反复试验，发明人发现他们可以使用LED和电阻器的无源网络来调整LED灯 的I-V特性。他们还发现他们可以将网络与一些理论上选择的（"期望的"）I-V特性相匹 配。换句话说，他们的第一步是发明通过LED和电阻器网络调整LED灯的I-V特性。
[0050] II .经由理论分析识别期望的I-V特件：
[0051] Π . A识别I-V以在滿电池存储范闱内橾作：
[0052] 通过理论分析，发明人识别了用于LED灯的适当的I-V特性，其允许该灯在满电池 能量存储范围内操作，该满电池能量存储范围通过它的终端电压的范围来表征（对于"12 伏电池"假定为10. 5到13. 5伏）。这意味着这些LED灯将改变其作为电池终端电压函数 的功率消耗P(v)。
[0053] II . B识别I-V以提高在电池耗尽中的功效:
[0054] 他们进一步分析并从上述的识别中选择，以获得一组当它们的终端电压减小到越 过电池电压范围时可以单调改进它们的功效的I-V特性。
[0055] II . C识别I-V以防电池讨度充电或讨度耗尽:
[0056] 由于这些LED灯将改变其作为电池终端电压函数的功率消耗P(v)，所以发明人进 一步识别这些灯的I-V以当电池处于满能量存储状态（B = Bx)时消耗充入的所有的每日 能量（D(Vx)>Sx)。因此，防止了电池过度充电。
[0057] 发明人进一步识别这些灯的I-V以当电池能量存储接近耗尽状态时消耗少于每 日通过太阳能板充入的能量的1/5 ;越接近耗尽状态，消耗越少。当v接近v = Vn时D(v) 的值非常低，以使得D(v?Vn)〈0. ISa。并且在电池耗尽状态处（P(Vn)〈l瓦特）接近零能 量消耗，以防止电池过度耗尽。
[0058] III ·将所有h沭的发明集成到LED灯设计中：
[0059] 然后发明人使用LED和电阻器的无源网络来调整灯具的Ι-V特性以匹配所选择的 "合适的"Ι-V曲线。此外，构建原型来证实这个灯确实可以在满电池能量存储范围内操作。 当电池能量存储耗尽时系统也可以改进它们的功效以提供上述所需的亮度。换句话说，该 新颖的系统可以当电池能量存储耗尽时持续地（或者一步一步地）改进功效，并且还利用 了它的满能量存储容量。此外，这些原型也证实了能够防止电池过度充电或者过度耗尽。
[0060] IV.设计控制箱以消耗微小数量的能量:
[0061] 由于上述设计的LED灯也可以提供防止电池过度充电或者过度耗尽的功能，所以 控制箱可以减轻它的传统的"电池保护"的职责（其消耗了大量的能量）。因而，将允许我 们设计控制箱以仅仅执行（是否）从太阳能板为电池充电、（是否）将电池电力放电到LED 灯用于照明的切换功能。因此，我们设计了使用两个闩锁继电器以执行这两个功能的控制 箱。然后设计的控制箱消耗低微数量的能量（每日〈〇. 001安培小时），更进一步可以增强 照明的持久性。
[0062] V .优化系统设计:
[0063] 网络中的电阻器不是发光元件，它们消耗能量而不为照明提供贡献。因此，发明人 仔细检查了网络以去掉所有不必要的电阻。因而，进一步增强了设计的系统的照明持久性。 此外，发明人执行了静态代码仿真以映射出允许的设计参数的空间。结果有效地指导我们 优化子系统的匹配，并且为最小化系统的成本和最大化系统的性能而提供路径。
[0064] 实现本发明的结果
[0065] 另一方面，本文描述的原理重新设计了控制器和灯。结果，该系统可以在它的能量 存储的耗尽期间改进其功效。灯也可以在电池能量存储的全部范围内操作，以提供上述所 需的亮度。因而，这个系统即使使用同样的太阳能板和电池，也可以在长时间连续的黑天里 提供额外的照明持久性。换句话说，由于当减少功率消耗时经历的功效的提高，本文描述 的实施方式可以使功率消耗的缩减比它们的亮度的缩减更快速。因而，即使利用相同的太 阳能板和电池，现有的太阳能板的一天的再充电能量也可以提供多于三天的缩减的功率操 作。
[0066] 因此，根据本文描述的实施方式的照明子系统根据存储在支撑灯的电池中的电能 的量来改变它的功率消耗。由于存储在电池中的剩余能量可以通过它的终端电压值V来表 征，所以这个发明将照明功率设计为Ρ = Ρ(ν)，作为V(电池的终端电压）的函数。因而，灯 被设计成当电池的终端电压比较低时消耗较少的功率。当电池能量处在它的低存储状态时 所需的Dx足够低，以使得针对这个减少的Dx，在商用系统中使用的当前太阳能板的尺寸可 以提供足够的Sa以满足Sa>3Dx。
[0067] 为了保存提供所需的亮度的能力，照明子系统被设计成使得当电池存储能量耗尽 时可以改进其功效。换句话说，存储在电池中的剩余能量越少，通过灯消耗的能量越少，并 且通过在电池能量耗尽期间改进系统功效，灯仍然提供所需的照明亮度。这是因为在照明 能量消耗中的缩减比在亮度中结果的缩减成比例地更快速。
[0068] 此外，由于设计的照明子系统可以改变它的功率消耗，所以这个设计进一步 在其灯中设计，以当电池处在满能量存储状态（B = Bx)时消耗所有充入的每日能量 (D (Vx) >Sx)，因而防止了电池过度充电的情况（如实施方式所示）。本发明进一步在其灯中 设计，以当电池能量存储接近于耗尽状态时消耗少于每日通过太阳能板充入的能量的四分 之一。越接近于完全耗尽的状态，灯消耗的越少，在电池耗尽状态处（D(Vn)〈l瓦特）接近 零能量消耗，以防止过度耗尽的情况。
[0069] 因而，上述的照明子系统实施方式可以获得两个好处：（1)如在实施方式中所示， 一个晴天的太阳能充电可以在电池中存储足够的能量用于多于三天的夜晚照明，而没有其 它能量输入；以及（2)防止电池的过度充电或者过度耗尽，而没有主动的控制箱的介入。然 后实施方式允许控制器仅仅执行用于电池的充电和放电的开/关切换功能。这个切换功能 消耗低微数量的每日能量。
[0070] 如在实施方式中所示，当通过合并本发明来替代LED照明单元和相关联的控制单 元时，那么以满电池存储容量开始，商用系统可以在前三个夜晚提供较好的照明亮度。在那 之后，它仍然可以保持照明在所需的亮度之上三个额外的夜晚，而对于这6个连续的日子 没有任何能量输入。此外，这个系统成本少于原始的系统。
[0071] 当还在将系统成本限制在低于商用太阳能路灯的系统成本的情况下对系统性能 进行优化时，该新颖的设计的系统可以持续多于九个连续的雨天。此外，针对前三个夜晚它 提供比商用太阳能板更好的亮度。然后该系统针对额外的六个连续的黑天继续提供大于在 前的日子的0.9倍的亮度，而不会熄灯。此外，这个系统在第10天利用仅仅4个小时有效 的日照，返回以针对多于三个额外的夜晚提供照明。
[0072] 已经描述了本文描述的实施方式的一般原理，现在将关于图1至图5来描述实施 方式本身。
[0073] 图1示出了太阳能灯系统100,其包括四个子系统如电池110、太阳能板120、灯 130和控制器140。太阳源光投射在太阳能板120上。太阳能板120可以是单个太阳能板 或者太阳能板网。此外，太阳能板可以是当前存在的太阳能板，或者可以是在未来开发的太 阳能板。然而，如上所提到的，即使使用现有的太阳能板也可以获得改进的性能。太阳能板 120利用取决于太阳能板的类型可以改变的特定的功效来将投射光的至少一部分转化成电 力。
[0074] 能量收集路由电路121被配置成当太阳能板120和电池 110如图所示耦合时，将 电能从太阳能板110路由到电池120。以这种方式，能量收集路由电路121将电力从太阳 能板120引导至电池110以为电池充电，从而在晴天条件期间增加它的能量存储。而电池 120可以是任何类型的电池，即使使用与传统的太阳能灯具系统相同的电池，本文描述的原 理也允许改进的性能。事实上，本文描述的原理可以扩大到元件110是任何电能源（例如， 电力网支持的功率供应设备）的情形。在那种情形中，灯系统100将不需要包括太阳能板 120或能量收集路由电路121。因而，灯系统可以不具有任何物理的"电池"。事实上，可以 通过"电能源"来代替电池110。在下文中将描述电池110,且其仅仅是这样的电能源的示 例。
[0075] 能量消耗路由电路122被配置成当电池110和灯130如图所示耦合时，选择性地 将电能从电池11〇(或更广泛地"电能源"）路由至灯130。以这种方式，当灯在黑暗条件期 间消耗电力时，能量消耗路由电路122将电力从电池110(或更广泛地"电能源"）引导至灯 130。在一些实施方式中，灯130可以从一个或多个发光二极管（LED)发出光和/或可以是 在街道、道路、人行道或空地之上提升的路灯。
[0076] 控制器140被配置成在光照条件期间选择性地将电力从太阳能板120经由能量收 集路由电路121引导至电池110,以及选择性地配置成在黑暗条件期间将电力从电池110 引导至灯130。因为控制器140执行简单的开关切换功能，所以它可以是十分简单的。从 而，如上面所提到的，由控制器消耗的每日能量可以十分低。在一些情形中（如电力网的情 形），取决于电能源，这样的选择的引导将不是必要的。
[0077] 太阳能灯系统100被配置成当能量消耗路由电路122将电能从电池110 (或者更 广泛地"电能源"）路由至灯130时，系统100向下调整作为电池中可用电能的剩余量的函 数的沿着能量消耗路由电路122传递的电力的量。如上面所提到的，由于终端电压V是在电 池中剩余的电能的函数，所以这可以使用终端电压来实现。在电能源的更加一般的情形中， 这可以基于与在电能源中的可用能量有关的任何参数来完成。进一步，如上面所提到的，由 于在较低的功率消耗处的改进的功效，在功率消耗中的这个缩减可以在比例上大于在发光 中的缩减。
[0078] 在一些实施方式中，当终端电压（或者更一般地，在电能源中的可用能量或功率） 下降时，在功率消耗中的缩减可以使用无源网络来完成。例如，无源网络131可以被包括在 灯中，并且可以包括LED二极管，并且还潜在地包括电阻器。将关于图5来描述特定的设计。 然而，本发明的原理不限于这样的设计。例如，无源网络可以通过压降来规定电流路线，以 使得当在无源网络的输入处电压比较高时（反映了较高的电池终端电压）比当在无源网络 的输入处电压比较低时在无源网络中更多的LED二极管主动地发光。因而，随着终端电压 减小，在无源网络中发光的LED二极管的数量和强度也减小。
[0079] 本文描述的原理不限于灯130消耗的功率和电池 110的终端电压之间的特定的函 数关系。然而，当该关系被限定使得功率消耗中的缩减导致发光中的成比例地较小的缩减 时是最有利的。
[0080] 图2示出了在针对灯的功率消耗和发光度之间的关系的近似的图形表示200,该 灯利用发光二极管和电阻器的网络建造。在纵轴201上是发光度，而在水平轴202上是电 功率。关系与曲线210近似，以仅仅示出抽象的原理。曲线的精确形状可以根据组成灯的 LED的类型以及灯的设计而不同，尤其是确定在发光结处的温度的热耗散。结温度可以决定 性地影响光输出的量，因而热耗散能力决定性地确定了作为输入到LED的功率的函数的发 光度函数。
[0081] 然而，每个LED灯都具有非活跃区域211，在非活跃区域211中电力在LED二极管 的阈值附近或阈值之下，从而电力太低以至于不能促使从二极管发出显著的光；即使区域 211的一部分可以提供非常高的功效，但是没有大量的发光度。
[0082] 每个LED灯还具有在LED二极管的阈值之上的线性区域212,导致电力的改变和发 光度的改变之间的近似线性的关系。这个区域在显著量的发光度的情况下维持几乎恒定的 功效。
[0083] 每个LED灯还具有饱和区域213,其中电力的增加导致发光度的小比例增加。换句 话说，在饱和区域213中，电力的缩减导致发光度的小比例缩减。大多数LED灯在饱和区域 中操作。从而，如图所示，提供至灯的电力中的缩减（可能从量221到222)导致发光度的 成比例地较小的缩减（从量231到232)。在图2中示出另一个重要的参数。发光度最小需 求的量如线233所示，并且相应的功率如线223所示。这个线223可以落入如212所限定 的区域。因而，灯应当被设计为在212a之上的区域中操作，以提供比特定的发光度水平更 高的发光度。事实上，功率区域213的相应的电压（比方说12. 3伏到13. 5伏）应当与大 多数设计的操作的功率区域（在212b区域之上）相一致。针对我们的设计，设计的操作的 区域的相应的电池电压范围是从11. 5伏到13. 5伏。换句话说，设计的灯的I-V特性被调 整以匹配这个需求。
[0084] 对于传递到灯的功率和终端电压之间的函数关系没有限制。然而，图3示出了关 系301是阶跃函数的图形关系300。图4示出了关系401是连续函数的图形关系400。实 际的函数可能是阶跃函数和连续函数的组合。
[0085] 图5示出了可以用作图1的无源网络131的无源网络500。无源网络500包括多 个无源部件，所述无源部件包括LED二极管和电阻器的组合。如图5中所示，照明组件由 (标记为LD1到LD24) 24个LED组成，其互联成两组，每组在电池终端V+和V-之间并联耦 合。
[0086] LED组中的一个由串联连接的四个LED子组组成。每个LED子组由并联连接的不 同数量的LED组成。例如，一个LED组由一系列四个子组组成，其中第一 LED子组由四个并 联LED (LD3到LD6)组成，第二LED子组由三个并联LED (LD10到LD12)组成，第三LED子组 由三个并联LED(LD16到LD18)组成，以及第四LED子组由四个并联LED(LD21到LD24)组 成。另一个LED组也由串联连接的四个LED子组组成，LED子组由不同数量的LED并联组 成。例如，这个另一个LED组由一系列四个子组组成，其中第一 LED子组由两个并联LED(LD1 到LD2)组成，第二LED子组由三个并联LED(LD7到LD9)组成，第三LED子组由三个并联 LED(LD13到LD15)组成，以及第四LED子组由两个并联LED(LD19到LD20)组成。注意，第 一 LED组中的第一 LED子组（LD3到LD6)还并联耦合了 16个电阻器（R1到R16)，并且第四 LED子组（LD21到LD24)还并联耦合了 16个电阻器（R17到R32)。
[0087] 这个LED的网络可以被认为是电压确定的可变电阻的网络，并且因而当终端电压 不同时该网络将承载不同的电流。终端电压越小，在这个网络中的电流越小。因而，终端电 压越小，由网络消耗的功率的量越小。
[0088] 如下表1列出了这个组件（网络）的测量的功率消耗，其中终端电压从13. 5伏向 下到10. 5伏变动。
[0089] 电压（V) |电流（A) |功率消耗（w) |lm [?Τ? 13. 5 2.98 40 2 2331.6 58.0 13.0 ΤΓδ? 19.63 1315.4 67.0 12.8 1. 39 17. 79 1231. 3 69?2 12.5 1.23 15. 38 1116.2 τΓ& 12.3 1. 10 13. 53 1019. 5 75.4 12.0 0.88 10. 56 842.9 79.8 11. 5 0. 58 6Γθ7 580. 7 8?7? 11.0 0732 Γδ2 329.2 9^5 10.8 0722 2?38 231.6 97?3 10. 5 07? 1705 104.2 99?2
[0090] 表 1
[0091] 如表所示，功率消耗从13. 5伏处的40. 2瓦特单调地下降到11. 5伏处的6. 67瓦 特（大约6倍）。
[0092] 当然，这个组件（LED网络）的光输出也随着承载的电流而改变。承载的电流越小， 可以产生的光输出越小。换句话说，由这个LED网络消耗的功率越小，LED网络将提供的光 输出越小。如果我们施加商用规定的最小光输出需求，Lm>15001m，则我们意图使用3个并 联的组件以提供照明。针对每个组件的光输出需求需要在5001m之上。
[0093] 如在表1中所示，测量的光输出从2331. 6流明（在13. 5伏处，具有40. 2瓦功率 消耗）单调地下降到580. 7流明（在11. 5伏处，具有6. 67瓦功率消耗）。从此可以预期 这3个组件组合的灯的光输出在13. 5伏处应当发出多于6994. 81m的光，并且当电池终端 电压在11. 5伏之上时应当发出多于17401m的光（其满足大于15001m照明的需求）。
[0094] 执行测量以使用两个购买的110安培小时的电池来提供联合的220安培小时的能 量存储容量来确定能量存储。将从V = 10. 5伏到11. 5伏确定成为大约50安培小时，并且还 将从10. 5伏到13. 5伏确定成为大约225安培小时。因而，来自将220安培小时电池从13. 5 伏放电到11. 5伏的能量输出将多于170安培小时能量，大于电池能量容量的（220-50)/220 =77. 27%。
[0095] 还测量放电时间。执行的测量使用由3个上述设计的照明元件的单元组成的灯。 这个灯将220安培小时电池从V = 13. 5伏放电到V = 11. 5伏，并且然后放电到10. 5伏。 测量的结果表明将花费多于75小时的放电时间来完成从13. 5伏到11. 5伏的试验。因此， 我们预期灯可以为多于6个夜晚（每晚12小时照明）提供上述所需的照明输出。低于11. 5 伏到10. 5伏的剩余能量仍然可以为多于额外的38小时提供减少的照明输出。
[0096] 因而，不需要能量输入，合并的测量照明时间可以超过9个夜晚（12小时/夜晚）。 该系统可以在所需的水平之上提供多于6个夜晚的照明，并且最后以减少的照明水平提供 多于3个额外的夜晚照明。此外，一个正常的晴天（在第10天具有4小时有效的日照）可 以使系统返回能量存储，以提供至少3个夜晚的照明。
[0097] 当计算时，这个组件（LED网络）的功效从在13. 5伏处58流明每瓦单调地增加到 在11. 5伏处大于87流明每瓦。如在表中所列，该计算的功效值在10. 5伏处增加到99. 21m 每瓦。
[0098] 在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以被包含在其它的特定的 形式中。描述的实施方式被认为在各个方面仅作为说明性的，而非限制性的。因此，本发明 的范围由所附权利要求来指明，而非由前述的说明来指明。所有在权利要求的等价的含义 和范围内的改变都被包含在它们的范围内。
【权利要求】
1. 一种设备，包括： 能量消耗路由电路，被配置成当所述能量消耗路由电路耦接至电能源并且耦接至灯 时，选择性地将电力从所述电能源路由至所述灯； 其中，当所述能量消耗路由电路将电力从所述电能源路由至所述灯时，所述设备被配 置成向下调整作为所述电能源中的可用能量的函数的沿着所述能量消耗路由电路传递的 电力的量，以使得所述电能源中的可用能量的缩减导致所述灯的发光度中的较小比例的缩 减。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配置成通过使用所述灯中的多个无 源部件的无源网络来调整沿着所述能量消耗路由电路传递的电力的量。
3. 根据权利要求2所述的设备，其中，所述多个无源部件包括多个发光二极管。
4. 根据权利要求2所述的设备，其中，所述多个无源部件包括多个电阻器。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述函数包括阶跃函数。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述函数包括连续函数。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述电能源是电池。
8. 根据权利要求7所述的设备，其中，所述函数是所述电池的终端电压的函数。
9. 根据权利要求7所述的设备，进一步包括： 能量收集路由电路，被配置成当所述能量收集路由电路耦接至所述电能源并且耦接至 所述电池时，将电力从所述电能源路由至所述电池。
10. 根据权利要求9所述的设备，进一步包括： 耦接至所述能量收集路由电路的所述电能源是太阳能板。
11. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括： 所述灯，其耦接至所述能量消耗路由电路。
12. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述灯是发光二极管（LED)灯。
13. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述灯是高架路灯。
14. 一种用于操作灯的方法，包括： 当所述灯消耗电力时，将电力从电能源引导至所述灯的操作；以及 向下调整作为所述电能源中的可用能量的函数的引导至所述灯的电力的量的操作，以 使得所述电能源中的可用能量的缩减导致所述灯的发光度中的较小比例的缩减。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述函数是电池的终端电压的函数。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述灯是发光二级管（LED)灯。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述灯是高架路灯。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述电能源是电池。
19. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括： 当太阳能板生成电力时，将电力从所述太阳能板引导至所述电池的操作。
20. -种灯系统，包括： 电能源终端； 灯；以及 设备，被配置成当能量消耗路由电路耦接至所述电能源并且耦接至所述灯时，选择性 地将电力从所述电能源终端路由至所述灯，所述设备进一步被配置成向下调整作为所述电 能源中的可用能量的函数的传递至所述灯的电力的量，以使得所述电能源中的可用能量的 缩减导致所述灯的发光度中的较小比例的缩减。
【文档编号】F21S9/03GK104114938SQ201280068430
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年9月7日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】杰弗瑞·文-太·舒, 李昌宏, 赖新晨 申请人:Lt照明（台湾）有限公司