基于太阳能电池的LED路灯及其控制方法与流程

本发明涉及一种led路灯，特别涉及基于太阳能电池的led路灯及其控制方法。

背景技术：

太阳能是取之不尽，用之不竭，清洁无污染并可再生的绿色环保能源。利用太阳能发电，无可比拟的清洁性、高度的安全性、能源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其他常规能源所不具备的优点，光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。

为了最大程度地利用太阳能，高效能的太阳能电池和先进的太阳能追日跟踪系统必不可少。太阳能追日跟踪系统通过判断不同方向的阳光强度，不断调整至最佳方位，以便太阳能电池面向最强的阳光。太阳发电自动光源跟踪系统凭借多轴运动控制系统，不断调整太阳能电池板，达到最佳的角度和位置，获得最强烈的阳光。此外温度因素也影响着太阳能电池的性能，当温度升高时其开路电压下降呈线性关系，不同的材料的太阳能电池，都有着自己的工作温度范围。

然而当前太阳能追日跟踪系统基本都是直接采用电机和机械传动的方式进行，存在很多问题例如机械磨损、耗电高且存在噪音等。同样地，太阳能电池的降温处理一直也未得到足够重视，导致发电效率不高以及使用寿命缩短。为了克服当前存在的问题，因此急需一种发电效率高、机械磨损少、使用寿命长且维护成本低的节能型太阳能路灯。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于太阳能电池的led路灯，该led路灯包括：光伏模块、照明模块、冷却水系统。

光伏模块包括锥面外壳、位于所述锥面外壳下方且与所述锥面外壳的开口密封连接的球面容器、位于所述锥面外壳与所述球面容器中心处且底部侧面开设有多个通孔的圆形立管、位于所述圆形立管上端部的轴承、套接在所述轴承上的连接件、悬浮支撑体以及上端部与所述连接件活动连接且下端部与所述悬浮支撑体相连接的太阳能电池组件；所述太阳能电池组件与所述悬浮支撑体的数量相同。

照明模块包括在所述球面容器外侧布置的led灯、位于所述球面容器下方且与所述球面容器边缘密封连接的灯罩、位于所述灯罩正下方且内部中空的灯杆、一端连接在所述灯杆上且另一端与所述灯罩边缘活动连接的呈放射状的多根支撑杆件以及设置在所述灯杆上储能单元。

冷却水系统包括蓄水池、供水阀、一端与所述供水阀出水口相连且另一端沿所述灯杆内壁向上穿过所述灯罩后进入所述球面容器内部的进水管、位于所述灯罩中心处且上端部与所述圆形立管下端部相连接的流量控制阀、与所述流量控制阀下端部相连接的出水管以及设置在所述圆形立管上端部内侧中心处的水位传感器。

优选地，所述太阳能电池组件的表面上还设置有光敏传感器。

优选地，所述太阳能电池组件为梯形结构且上边长小于下边长。

优选地，所述太阳能电池组件包括太阳能电池板和位于所述太阳能电池板背面的散热层。

优选地，所述散热层为栅格状且由导热金属材料制成。

优选地，所述灯罩由透明玻璃制成。

优选地，所述蓄水池位于所述灯杆所处位置的地下。

此外本发明还公开了一种基于太阳能电池的led路灯控制方法，该方法包括以下步骤：

a)设定所述光敏传感器每间隔时间t1则获取一次光照强度值li(i为大于零的整数)、所述水位传感器每间隔时间t2获取一次水位高度值hj(j为大于零的整数)；任意获取相邻两次光照强度值且表示为li和li+1；然后进入步骤b)进行条件判断；

b)首先设定太阳能电池发电所需的最小光照强度阈值为lmin；条件系数k为1.1-1.2；然后进行如下判断：

若li＜li+1≤lmin，即当前光照强度还不满足光伏发电要求，故不进行任何控制动作；

若li＜lmin＜li+1或者lmin＜li＜k·li＜li+1；即处于光照强度上升过程中，则需要提高水位高度；此时应启动供水阀并向球面容器内注水，悬浮支撑体同步开始上浮并调小太阳能电池组件的倾角；在水位高度提升过程中，当光照强度值出现峰值l时则记录下水位传感器此时所获取的最佳水位高度值h，同时利用流量控制阀进行水位高度调整，控制水位高度维持在所述最佳水位高度值h附近；

若lmin＜li+1＜k·li+1＜li，即处于光照强度下降过程中，则需要降低水位高度；在水位高度下降过程中，当光照强度值出现峰值l时则记录下此时水位传感器所获取的水位高度值h，同时用流量控制阀进行水位高度调整，控制水位高度维持在所述最佳水位高度值h附近；

若li＞li+1且li+1＜lmin，即光照强度已不满足光伏发电要求，则应立即关闭供水阀停止注水，同时利用流量控制阀放空球面容器中的水，然后关闭流量控制阀；

最后再返回步骤a)进入下一次控制判断。

优选地，所述流量控制阀采用闭环反馈控制实现水位高度自动调节。

优选地，所述t1值位于10至60分钟之间，所述t2值位于1至3秒之间。

本发明基于太阳能电池的led路灯及其控制方法创造性地利用水位高低来调整太阳能电池组件角度、利用水面驱动太阳能电池组件旋转以及利用水循环对太阳能电池板冷却降温等诸多技术手段，故本发明具有发电效率极高、智能化程度高、节能降耗、机械磨损少、噪音低、使用寿命长以及结构简单易于推广等突出优点。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明led路灯的整体结构示意图；

图2示意性示出本发明led路灯的太阳能电池组件结构示意图；

图3(a)示意性示出本发明led路灯的太阳能电池板的结构示意图；

图3(b)示意性示出本发明led路灯的悬浮支撑体结构示意图；

图4示意性示出本发明led路灯的冷却水系统局部结构示意图；

图5示意性示出本发明led路灯的蓄水池的结构示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1示意性示出了本发明基于太阳能电池的led路灯的整体结构示意图，该led路灯包括：光伏模块1、照明模块2和冷却水系统3，具有光伏高效发电和道路照明等功能。

光伏模块1，用于利用太阳能光照进行清洁发电，其包括：锥面外壳11、位于锥面外壳11下方且与锥面外壳11的开口密封连接的球面容器12、位于锥面外壳11与球面容器12中心处且底部侧面开设有多个通孔131的圆形立管13、位于圆形立管13上端部的轴承14、套接在轴承14上的连接件15、悬浮支撑体16以及上端部与连接件15活动连接且下端部与悬浮支撑体16相连接的太阳能电池组件17。

进一步，锥面外壳11开口与球面容器12开口相互对接且密封处理，锥面外壳11与球面容器12之间形成的相对密封空间用于盛放冷却水系统3中流入的清水，其中心处还设立有用于连接支撑太阳能电池组件17的圆形立管13，清水则通过通孔131流入到圆形立管13内部。

如图4所示，太阳能电池组件17上端通过连接件15与轴承14活动连接，其下端部则与悬浮支撑体16相连接。太阳能电池组件17可以在悬浮支撑体16上下浮动过程中绕连接件15上下摆动，进一步也可以在悬浮支撑体16游动过程中实现和连接件15一起作为整体绕轴承14水平转动，从而实现太阳能电池组件17多角度多方位变换。

如图2所示，太阳能电池组件17包括太阳能电池板171和位于太阳能电池板171背面的散热层173，其中散热层173用于太阳能电池的散热降温，优选采用栅格状的散热且导热的金属材料，例如铝或铜及其合金材料制成。进一步在锥面外壳11的顶部中心处还开设有多个散热孔，从而将光伏模块1内部的高温气体及时排出至外部环境。

优选地，任选一个或多个太阳能电池组件17并在其表面上设置有光敏传感器172，用于感应光照强度，进一步检测光照角度并及时调整太阳能电池组件17至最佳光照角度，从而实现最大发电效率。

如图3(a)所示，太阳能电池组件17优选采用梯形结构且上边长小于下边长，从而保证多个太阳能电池组件17整体利用面积最大以及空间利用率最大(即最大角度调整范围)；从而减小了太阳能电池板171的使用面积，进一步有效降低了太阳能电池板171的成本以及减少所占用的空间和面积。此外相对于传统平板光伏，本发明太阳能电池板171优选采用高转化率的聚光型光伏电池板，相对于传统平板电池能够提高30％左右的发电效率。

如图3(a)和图3(b)所示，悬浮支撑体16位于太阳能电池组件17的下端部，主要起到支撑太阳能电池组件17悬浮在水面上和驱动太阳能电池组件17在水面上游动并旋转。具体地，悬浮支撑体16包括悬浮体161、位于悬浮体161底部且与太阳能电池组件17下端部平行开设的管道162以及位于所述管道162中部的推进器163。

优选地，悬浮体161采用密度远小于水的轻质材料制成，例如泡沫或塑料或充气包等材料；更加优选地，悬浮体161的边缘均采用四周翘起的设计，进一步增加浮力和减小游动阻力，从而实现高效快速转动。

优选地，推进器163选择小微型电动潜水泵，通过水体在管道162中迅速通过产生的水平推力驱动太阳能电池组件17水平转动，从而实现利用较小电能推动太阳能电池组件17在阻力较小的水面上以圆形立管13为中轴线快速转动。更加优选地，管道162的进水端和出水端均设置有过滤网164，防止异物进入并阻塞管道162。

照明模块2，用于道路照明，其包括：在球面容器14外侧布置的led灯21、位于球面容器12下方且与球面容器12边缘密封连接的灯罩22、位于灯罩22正下方且内部中空的灯杆24、一端连接在灯杆24上且另一端与灯罩22边缘活动连接的呈放射状的多根支撑杆件23以及设置在灯杆24上的储能单元25。

照明模块2的灯罩22由完全透明材料制成，例如透明玻璃制成，且采用节能led灯21进行照明，且具有较长使用寿命。照明模块2利用储能单元25向led灯21提供电能，此外储能单元25中储存的电能则主要来源于光伏模块1的太阳能电池发电装置，只有当光照条件长时间不利时才会补充市政电能。

冷却水系统3，用于太阳能电池组件17的冷却降温和角度调整，其包括：蓄水池31、供水阀供水阀32、一端与供水阀供水阀32出水口相连且另一端沿灯杆24内壁向上穿过灯罩22后进入球面容器12内部的进水管33、位于灯罩22中心处且上端部与圆形立管13下端部相连接的流量控制阀35、与流量控制阀35下端部相连接的出水管34以及设置在圆形立管13上端部内侧中心处的水位传感器36。水位传感器36用于检测圆形立管13内部的水位高度，进一步圆形立管13与球面容器12利用通孔131实现互通，从而间接检测出球面容器12内的水位高度。

如图4所示，圆形立管13上端部还设置有溢流槽37，且进水管33进入圆形立管13内部并向上延伸至溢流槽37，进一步在散热层173的上方还设置有引流槽38，清水池315中的冷却水经供水阀32和进水管33被提升至溢流槽37中，然后从溢流槽37的四周溢出至引流槽38中，并经引流槽38引流至散热层173中，从而对散热层173进行水冷降温，最终从散热层173底部流出至球面容器12。

如图5所示，蓄水池31位于灯杆2所处位置的地下，供水阀32为电控阀门且连接市政自来水管向进水管33供水，多余的水则经流量控制阀35和出水管34流入到蓄水池31中。蓄水池31中的水可用于市政绿化浇水和道路降尘等，当蓄水池31盛满时则溢流至市政雨水收集管路中以便后续经净化处理后循环利用。

太阳能电池板171通过散热层173和冷却水的双重降温后，将大大提高光伏发电效率和使用寿命。如果太阳能电池板171吸收的热量不能及时排除，电池温度就会逐渐升高，导致发电效率将降低0.2％至0.5％/k，此外太阳能电池长期在高温下工作也容易迅速老化，大大缩短太阳能电池的使用寿命。

此外本发明还公开了基于太阳能电池的led路灯的控制方法，该控制方法主要通过控制悬浮支撑体16、光敏传感器172、供水阀32、流量控制阀35和水位传感器36来实现对太阳能电池组件17倾斜角度θ的调整和维持，具体步骤如下：

a)设定光敏传感器172每间隔时间t1则获取一次光照强度值li(i为大于零的整数，t1值位于10-60分钟之间)，水位传感器36每间隔时间t2获取一次水位高度值hj(j为大于零的整数，t2值位于1-3秒之间)；任意相邻两次光照强度值可表示为li和li+1；然后进入步骤b)进行判断；

b)首先设定本发明led路灯光伏发电的最小光照强度阈值为lmin；调整系数k为1.1-1.2；然后进行如下判断：

若li＜li+1≤lmin，即当前光照强度还不满足光伏发电要求，故不进行任何控制动作；

若li＜lmin＜li+1或者lmin＜li＜k·li＜li+1；即处于光照强度上升过程中，则需要提升水位高度；此时应启动供水阀32并向球面容器12内注水，同时悬浮支撑体16开始上浮、太阳能电池组件17倾角θ逐渐减小；在水位高度提升过程中，当光照强度值出现峰值l时则记录下水位传感器36此时所获取的最佳水位高度值h，同时通过流量控制阀35进行水位高度调整，确保水位高度值始终维持在所记录的最佳水位高度值h附近；

若lmin＜li+1＜k·li+1＜li，即处于光照强度下降过程中，则需要降低水位高度；在水位高度下降过程中，太阳能电池组件17倾角θ逐渐增大，当光照强度值出现峰值l时则记录下此时水位传感器36所获取的水位高度值h，同时通过流量控制阀35进行水位高度调整，最终保证水位高度值维持在所记录的最佳水位高度值h附近；

若li＞li+1且li+1＜lmin，即光照强度已不满足光伏发电要求，则应立即关闭供水阀32停止注水，同时还通过流量控制阀35放空球面容器12中的水，然后关闭流量控制阀35，进入到休眠状态；

最后再返回步骤a)进行下一次判断。

根据上述led路灯的控制方法，通过控制水位高度来调整太阳能电池组件17角度并获得始终维持在最佳光伏角度状态，水位高度调整采用在水位高度和放水流量之间进行闭环反馈微调控制，水位高低与太阳能电池组件17倾斜角度或光照角度θ大小成反比(即水位低则θ值大、水位高则θ值小)；光照角度θ值具体调整范围可达15至75度，具体设置可根据不同纬度海拔地区的最佳光照角度进行选择。

具体地，流量控制阀35的放水流量由最大逐渐减小、水位高度则先下降后上升；当水位高度超过记录的最佳水位高度值h则流量控制阀35微降放水流量；当水位高度低于记录峰值hi则流量控制阀35微增放水流量；从而保证水位高度值一直维持在记录的最佳水位高度值h附近。优选地，为了防止流量控制阀35频繁动作，可以限制控制动作的条件，例如在超出最佳水位高度值h上下10％-20％时才允许流量控制阀35动作，否则无须进行动作。

更加优选地，当球面容器12内有水时则启动悬浮支撑体16内的推进器163，进一步驱动重新太阳能电池组件17在水面旋转。在旋转过程中，太阳能电池板171可实现全角度吸收太阳能进行发电，同时相对于静止光伏板还具有平摊降低电池板温度的效果，特别是针对聚光光伏发电，能够有效提高发电效率，此外在水面转动还具有节能和静音等特有效果。

综上所述，本发明基于太阳能电池的led路灯创造性地利用水位高低来调整太阳能电池组件17角度、利用水面驱动太阳能电池组件17旋转以及利用水循环对太阳能电池板171冷却降温等诸多技术手段，故本发明具有发电效率极高、智能化程度高、节能降耗、机械磨损少、噪音低、使用寿命长以及结构简单易于推广等突出优点。

所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。