专利名称：一种太阳能led户外照明系统的制作方法
技术领域：
本发明专利归属用于户外照明的灯具和照明系统。专利特别涉及以太阳能光伏发电供电，密封铅酸蓄电池储能，LED光源发光照明，具有智能控制功能的户外照明灯具和照明系统。
背景技术：
能源和环保是国家战略，新能源产业和半导体LED照明产业都是新兴的战略性产业。太阳能清洁能源加LED节能光源，珠联璧合，更利于解决能源和环保问题，促进新兴产业的发展。此外，太阳能LED户外灯也具民生意义，在许多农村新社区，太阳能LED灯是一种好用的户外照明方案。本专利所指太阳能LED户外灯，仅包括太阳能LED路灯、广场灯、庭院灯，非指技术简单价格很低的太阳能LED草坪灯、围栏灯、埋地灯等。国内采用白炽灯、紧凑荧光灯、金卤灯和钠灯等传统光源的太阳能户外灯历史超过六年，而太阳能LED户外灯近两年才开始规模应用，已呈现占据主流的趋势。太阳能LED户外灯实质是一类照明系统，一般由六个主要构件组成太阳能电池板、储能电池、系统控制器、DC/DC变换器、LED灯头和机械结构(灯杆、配电控制箱等)组成。白天，阳光照射太阳能电池片产生光生电动势，电池片以串并联方式使太阳能电池板输出所需的电流电压，向储能电池充电。晚上，储能电池放电，DC/DC变换器将储能电池电压变换为LED灯头所需的直流电压并提供恒流驱动，灯头发光后向场所提供照明。控制器控制储能电池的充电和放电过程，并定时开关LED灯头。据报道，国内太阳能LED路灯、广场灯、庭院灯的年安装量已达十万量级，运行中出现过一些问题，推广应用也存在障碍。归结起来有两大问题，一个是性能和可靠性，另一个是价格。分析表明，不仅性能不足，可靠性不高源于技术，实际上价格偏高本质上也有技术原因。我们全面分析影响因素后，提出的技术改进点多达20余个，可分为三类，即系统的照明能量效率、系统可靠性和寿命，以及系统照明效果，发现构件的性能和质量需改进， 系统设计技术需细化和提升。系统照明能量效率系指照明能量(单位流明小时，lm*h)与太阳辐射能量(单位瓦小时，w*h)的比值，单位为lm/w。照明能量效率高，则系统性价比高。系统的照明能量效率等于能量管理效率和照明管理效率的乘积。影响能量管理效率的因素包括太阳能电池板、 控制器和储能电池；影响照明管理效率的因素包括DC/DC驱动变换器、LED光源、灯头光学和散热结构、照明区。目前关于照明能量效率存在两个问题。一个问题与能量管理效率有关，太阳能电池板电压与储能电池电压不匹配造成充电效率低。IOWp以上的商品太阳能电池板的最大功率点电压Vmp均在17. 2 18V，12V储能铅酸蓄电池电压变化范围为10. 5 14. 5V，故太阳能电池板不能以最大功率对储能电池充电，充电效率低。行业一般有两个处理办法，一个是通过控制器将太阳能电池板的电压降低到约15V对储能电池充电，充电效
3率仅65 70%;另一个是在控制器上增加DC/DC变换，充电效率增加到80 85%，但成本升高、可靠性降低和存在变换损耗。第二个问题与照明管理效率有关，照明光斑形状引起照明区对灯头发出光能的能量利用率低。LED光束在照明区形成圆光斑，不适用于道路照明， 尤其不能用于农村社区和某些居民小区的窄路，例如道路宽度6m，照明圆光斑面积180m2的照明区能量利用率仅约50% ；采用LED照明城市主干道和次干道时，有的采用LED配光透镜形成矩形照明光斑，其长宽比一般为3 3. 5 1，当用于前述窄道路时，造成要吗当光斑宽度减到6m时长度仅20m左右，要吗当光斑长度加大到30m宽度只能利用6m，故照明区能量利用率也才60% 70%。系统可靠性和寿命问题与目前广泛采用的储能铅酸蓄电池密切相关，系统最薄弱的环节就在此。太阳能辐射量较低时，充电不足引起蓄电池放电能力减弱，而负载，即LED 灯的驱动功率不变，导致LED灯过早熄灭，降低了可靠性，也导致蓄电池反复深放电，寿命甚至提早到几个月就结束。系统照明效果与照明强度(即照度，它与流明数成正比)有关，也与照明时间有关，很多用户要求照度较高，更要求通夜照明。目前行业的处理办法有三种。一是10小时照明，系统按较高照度配置，因造价高市场难以接受；二是照明时间设定为4 6小时，保证主要时段有较高的照度，但夜间一半时间内不照明，用户不能接受；三是采用降低照度的办法延长照明时间到10小时，用户又觉得夜间主要照明时段的照度过低。本发明已经充分注意到上述技术背景，为解决上述问题，创造性地提出一些新颖的技术方案。包括电压匹配提高太阳能电池板对储能电池的充电效率，窄长矩形照明区光斑提高照明区能量利用率，检测蓄电池端电压智能调控负载提高可靠性和寿命，负载智能阶梯供电延长照明时间。采用这些技术方案后，太阳能LED户外灯具有系统照明能量效率高、照明效果好、性价比高、可靠性高和寿命长的优点。
发明内容
与行业内一般的太阳能LED户外灯显著不同，本发明专利的技术方案设计具有创造性和新颖性特点，已在近半年我们的第二代系统中实际应用，并取得良好效果。太阳能LED户外照明技术发展时间不长，系统设计技术有较大的改进空间，系统的主要构件(如太阳能电池板和储能铅酸蓄电池)的性能和配套专用性的改进空间也不小。此外，通常系统设计设定的环境和应用范围过宽，比如太阳能辐射量变动范围、蓄电池充放电时的温度范围、连续阴天天数等等。面临目前充电效率不高，成本不低的问题，本方案针对实际环境和应用范围并留有设计余量，着意改进太阳能电池板和铅酸蓄电池的配套专用性。先对所用蓄电池的特性进行针对性测试，摸清其充电时端电压的变化范围，确定充电端电压高限值Vcm，然后根据太阳能电池板发电时的环境温度与太阳能电池板标称Vmp的测试温度之差引起的Vmp最大差异AVm1，太阳能电池板发电时的太阳辐射能量与太阳能电池板标称Vmp的测试辐射能量之差引起的Vmp最大差异AVm2，连接太阳能电池板和蓄电池线缆的压降AVm3，确定匹配压差AVm= Δ Vm1+Δ Vm2+Δ Vm3，以此确定太阳能电池板的Vmp = Vcm+Δ Vm。不同地区工程现场的环境和应用条件不同，Δ Vm不同，太阳能电池板的Vmp也可能有差异。比如，原来选用了一款功率为80Wp的太阳能电池板现成商品，Vmp = 17. 64V，现在根据上述方法确定匹配压差AVm为1. 7V，确定12V铅酸蓄电池充电端电压高限值Vcm = 14V，故Vmp = 15. 7V, 以此重新订购配套专用的太阳能电池板，结果充电效率从70%提高到80%，因太阳能电池板功率从80Wp降低到72Wp，成本降低10%。本技术方案的LED配光透镜经过专门设计。根据照明区形状数据和所用的LED出射光束的分布特征，设计配光透镜的曲面面形和尺寸，其端面形状为长方形。LED出射光束经配光透镜后，由于界面处反射、全反射和折射，出射角改变，强度分布改变，光束截面形状也改变，光束投射的照明区呈现为窄长的矩形，长宽比达到5 1。该透镜还使每只LED的照明光斑都能几乎覆盖灯头的整个照明区，照度均勻性达0. 4。配光透镜可以是单个的，即单个透镜与单只LED对准；配光透镜也可以连在一起形成透镜模组，模组中的每个透镜同时对准相应的每只LED。在常见的农村社区和某些城市居民小区的道路很窄的应用中，例如路宽6m的应用中，与圆形照明光斑的照明区能量利用率50%，以及3 3.5 1长宽比的矩形照明光斑的照明区能量利用率60 70%相比，本方案的窄长矩形照明光斑使照明区利用率能量高达85%。连续晴天时，太阳能LED户外照明系统对LED灯头的供电较可靠。当遇到连续阴天，太阳能辐射量很低，充电不足引起蓄电池放电能力减弱，而负载，即LED灯的驱动功率不变，导致LED灯过早熄灭或蓄电池因多次深放电而提早损坏，从而降低系统的可靠性和寿命。防止上述问题的关键是掌握蓄电池剩余容量，智能调控负载供电。一般的设计系统要吗不关注蓄电池剩余容量，要吗知道它的重要性却未能有效控制。本方案采用放电端电压检测法，测试选定的蓄电池，得到放电端电压Vd和剩余容量SOC关系曲线，在系统控制器中增设放电端电压检测、电压比较和智能调整DC/DC变换器恒流输出的电流，软硬件联动， 实现下表例举的12V蓄电池的控制状态。
权利要求
1.一种通过电压匹配，提高太阳能电池板对储能电池的充电效率的方法，方法确定的太阳能电池板最大功率点电压Vmp = Vcm+AVm，式中，Vcm为蓄电池充电端电压的高限值， AVm为匹配压差。AVm= Δ Vm1+Δ Vm2+Δ Vm3,式中的Δ Vm1为太阳能电池板发电时的环境温度与太阳能电池板标称Vmp的测试温度之差引起的Vmp差异，Δ Vm2太阳能电池板发电时的太阳辐射能量与太阳能电池板标称Vmp的测试辐射能量之差引起的Vmp差异，AVm3为连接太阳能电池板和蓄电池线缆的压降。不同地区工程现场的环境和应用条件不同，AVm不同，方法确定的太阳能电池板的Vmp也可能有差异。
2.一种根据照明区的形状数据和LED出射光束的分布特征，设计并制作的配光透镜， LED发出的光束经过配光透镜后，出射角改变，强度分布改变，截面形状也改变，投射到照明区的光束呈现为窄长的矩形，它的长宽比大于3. 5 1。透镜使每只LED的照明光斑都能几乎覆盖灯头的整个照明区，保证照度均勻性。
3.权利要求2所述的LED配光透镜可以是单个的，即单个透镜与单只LED对准；配光透镜也可以连在一起形成透镜模组，模组中的每个透镜同时对准相应的每只LED。
4.一种利用蓄电池的放电端电压Vd和剩余容量SOC关系曲线确定控制电压数值，通过控制器检测VD，对应S0C，然后通过系统控制器智能调整DC/DC变换器恒流输出的电流和灯头负载功率的方法，用以提升蓄电池可靠性和寿命。在切断DC/DC输出电流前，VD、SOC和负载功率分段进行智能检测调整。
5.一种LED灯头的阶梯分段式供电方法，分段时间的长短和各段恒流电流的大小满足系统配置确定的照明能量相同的原则，分段数可为大于2的任何整数，例如分段数为2、3或者4。
6.一种通过系统控制器的PWM(脉宽调制)输出端子，控制DC/DC变换器的PWM输入端子，定时智能调整后者输出的恒流电流的方法，实现LED灯头的阶梯分段式智能供电。
7.一种采用自带定时器的DC/DC变换器，也以PWM方式定时智能改变其输出的恒流电流的方法，实现LED灯头的阶梯分段式智能供电。
8.一种太阳能LED户外灯照明系统，它由太阳能电池板、储能蓄电池、系统控制器、DC/ DC变换器、LED灯头和机械结构(灯杆、配电控制箱等)等主要构件组成，其中的太阳能电池板、储能蓄电池、系统控制器、DC/DC变换器、LED灯头，以及照明区具有权利要求1 7所述的技术特征。
全文摘要
一种太阳能LED户外照明系统，本发明归属于户外照明的灯具和照明系统，特别涉及以太阳能光伏发电供电，密封铅酸蓄电池储能，LED光源照明，具有智能控制功能的户外照明灯具和照明系统。太阳能LED户外灯照明系统由六个主要构件组成太阳能电池板、储能电池、系统控制器、DC/DC变换器、LED灯头和机械结构(灯杆、配电控制箱等)组成。本发明的技术方案包括电压匹配提高太阳能电池板对储能电池的充电效率，窄长矩形照明区光斑提高照明区能量利用率，检测蓄电池放电端电压智能调控负载提高可靠性和寿命，负载智能阶梯供电延长照明时间。采用这些技术方案后，太阳能LED户外灯具有系统照明能量效率高、照明效果好、性价比高、可靠性高和寿命长的优点。
文档编号H05B37/02GK102196620SQ20101012591
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者楚鹏, 范朝勋, 谭浩 申请人:成都鼎明光电科技有限公司