(完整word版)太阳能台灯设计概要.doc

1、设计： *二 * 年* 月* 日一、设计背景跨入 21 世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。主要表现为以下几个方面：(1) 能源短缺。常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足， 不能满足其经济发展的需求。 从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020 年，天然气也只能延续到 2040 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。(2) 环境污

2、染。燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空， 是大气环境遭到严重污染， 直接影响居民的身体健康和生活质量； 甚至在局部地区形成酸雨， 严重污染水土资源。(3) 温室效应。化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化。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，一条道路是寻找新能源和再生能源的利用；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，太阳能作为一种大量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5 亿桶石油， 可以说是取之不尽，用之不竭。LED的光

3、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。二、太阳能灯简介太阳能台灯是通过太阳能电池板利用光照 , 吸收太阳能将其转换为电能 , 并贮存在蓄电池内 . 当需要照明时 , 打开开关 , 即可用于照明 . 采用超亮 LED作光源 , 具有节能省电的特点 , 利用太阳能充电, 无需频繁更换电池 , 适应了清洁、 环保的发展趋势。 该产品携带方便 , 操作简单 , 是现代生活中理想的照明工具三、太阳能台灯优点（ 1）点灯不花钱太阳能供电清洁环保超节能， 采用高亮度低功耗的高科技散光LED灯作

4、为光源。太阳能发电板或市电作为电源供应。不但移动方便，而且几乎不耗市电。经气象部门不完全统计（这个根据地方不同，也有很大的差异），一般一年晴天占总天数的65，用户在白天出门时将电池盒取出并放置在阳台上，当傍晚回来再将电池盒插入台灯，供晚上使用。在充裕的太阳下光照一天，台灯可以连续使用 3.5 个小时以上， 完全满足用户使用一个晚上。这样就可以靠太阳能来维持学习台灯的供电电源，且不使用国家电网的电来供电，这样就不存在用户额外支付电费。当没有阳光时，可以使用交流电供电，60 颗高效散光LED灯才 3.6W，却等同于传统白炽灯 45W的亮，但其功耗之低。3.6W 的耗电量，一般是带不动电表。即使带动

5、了电表，一个整年使用交流电供电，一年产生的电费也就在6 元里面，所以本台灯对用电量来说几乎是免费使用的。（ 2）护眼保健灯直流照明无频闪无辐射提到台灯的护眼和保健功能，就必须先了解“频闪”和“电磁辐射”的含义以及对人体产生的危害。简单的说，直接使用交流电的光源必然存在频闪，发热量大的光源也必然存在热辐射。 这个不难理解， 现在市场上众多的所谓“护眼”灯其实根本无法做到零频闪和零辐射。而本产品是使用低压直流供电，发热量极低（ LED是低功耗产品），即使本台灯用交流电供电，也是使用了适配器，已经将交流电变成了直流低压电，这样才能真正做到零频闪和零辐射。（ 3）停电长明灯完全具应急灯功能产品带有充电

6、功能，当用户用交流适配器供电时，一方面给 LED 点亮提供能源，另一方如果电路板控制系统发现电池电压低时能够及时对内部镍氢电池充电，充满后自动停止（带负载充电一般11 小时就能从无到充满，如果电池有较多的余电，那么充电时间更短。）。停电时内部电路会直接切到内部镍氢电池供电，电池充满情况下，高亮度点亮时间长达 7.5 小时。当连续停电无法实现交流充电，可以直接将取出电池盒放置在太阳下暴晒一天，就可以让用户使用1 天。现在电力紧缺时常停电，给人们的生活带来诸多不便，特别是夏天，一则容易停电，另一则阳光非常的充裕，这样到了晚上，用户根本不要担心因为停电而误了学习做作业或其他的事情。本台灯即可提供长时

7、间的高效照明。（ 4）超长寿命灯低电压小电流供电，光衰系数远小于荧光灯采用低功耗高亮度散光的LED灯是环保高科技产品，只需低电压小电流供电即可，它的使用寿命要比日光灯长10 倍、比白炽灯长100 倍。（ 5）低压安全灯低压供电无安全隐患9V 电压供电，使用时不存在误触灯头等造成伤害的问题。特别对好动的孩子，即使直接用手去触摸台灯内部的导线接头或金属片，也不会存在任何的触电事故。非常的安全。（ 6）环保内部使用的是锂离子电池，符合国际环保公约要求，可以反复使用。使用取之不尽，用之不绝的清洁能源太阳能，节能环保，无二次污染。四、设计的总体框架：1、纯太阳能供电型2、混合供电型五、原件的选取1、太阳

8、能电池板选取目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率约为15，最高达到 24。是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，技术也最为成熟。使用寿命一般可达15A，最高可达 25A。多晶硅太阳能电池比单晶硅太阳能电池的光电转换效率要降低不少，其光电转换效率约12，同时多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。非晶硅薄膜太阳能电池光电转换效率偏低。晶硅太阳能电池目前国际先进水平约为 l0 ，且不够稳定， 随着时间的延长，其转换效率衰减， 直接影响了其实际应用。 所以目前多采用单晶硅太阳能电池。 根据太阳能辐射原理。 太阳能电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度、海拔、大气

9、的污染程度或透明程度、一年当中四季的变化、一天时间的变化、到达地面的太阳辐射值、散分量的比例、地表面的反射系数、太阳能电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳能电池方阵表面的清洁程度等。太阳能照明系统充放电效率取0.75 。多元化合物薄膜太阳能电池太阳能电池组件组失修正系数取 O.95，灰尘遮挡及其他损失修正系数取 0.9O。经过查询资料和单位换算及简化处理后，可得到太阳能电池总用量 P 的计算公式P=-5 618xAxQd(KopxHL)式中， Q为负载日功耗 (WH)；巩为水平面年平均13 辐射量 (KJ(m2-d)；Kop为斜面辐射最佳辐射系数；A 为安全系数，一般取1.1 1.3

10、。2、蓄电池的选取蓄电池的容量要根据太阳能电池板的功率和LED 路灯的功率以及照明时间来决定蓄电池应与太阳能电池、LED路灯相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须高出负载功率 4 倍以上。系统才能正常工作。 太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压 20 30，才能保证给蓄电池正常蓄电。因此，蓄电池容量必须比负载日耗量高 6 倍以上为宜。蓄电池的容量 Be 的计算公式：Be= (PLxlOxD) (KbV)1.1式中 PL 为日平均耗电量，1.4 ( 包括了温度修正系数D为阴雨天数， 6 为安全系数，：0上为 l ，一 l0 上为 1.1 ，一 1O下为 1.2 ，放电深

11、度 cc=O.75) ，V 为工作电压。根据上式可以估算出蓄电池的容量，同时蓄电池的充电效率的高低取决于充电的方式。根据系统要求和对各种指标的核定，这里选用12V/100Ah 阀控密封式铅酸蓄电池。3、LED的选择按目前市场产品的输入功率对LED分类，其中输入功率为几十 MW的，称为传统的小功率芯片；其输人功率小于1 W的，为功率 LED：输入功率等于1 W或大于 1 W 的，则为 W级功率( 大功率 )LED。目前大功率比较常见的有 1， 3，5， 8，10 W。已批量应用的有1 W 和 3 WLED，并正朝大电流 (300 mA 14 A)、高效率 (60 1 204 in1 ，) 、亮度

12、可调的方向发展。大功率 LED 节能灯采用单颗功率大于 1 W 以上的 LED。选用美国 CREE公司的 3 WLED将多个芯片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， 组合成一个大功率 LED单体模块， 装入节能露台灯灯具中，借此提高芯片面积，并增加发光量。将多个 LED集中在一起设计露台照明，除足够的光通量和合理的光学设计保证合理的光分布外，更为重要的是散热问题。由于露台灯几本都是在户外夜间使用，散热面位于侧上面以及体型受限制较小等特点。 有利于空气自然对流散热。所以 LED灯选择自然对流散热方式 同时整灯采用高导热系数铝作为散热主体，解决了 LED的散热问题。六、太阳能控制

13、器硬件设计太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器 是控制太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制设备 能自动防止蓄电池过充电和过放电。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。充电控制器用 ATmega128 单片机作为主控器件， 检测太阳能电池板的输出电压， 选择适合的 DC DC支路，检测蓄电池的电压值， 根据蓄电池的电荷状态，选择合适的充电方式，为蓄电池提供过充电、过放电保护。图1为采用斩波式 PWM充电原理图， 检测蓄电池的充电端电压， 将检测得到的蓄电池端电压与给定点电压比较。 若蓄电

14、池的电压小于给定电压斩波器全通，迅速给蓄电池充电；若大于给定电压，则根据比例调整功率管的占空比。 充电进入慢充阶段， 改善充电特性，最后进入涓流充电，防止过充。图 1 PWM原理图AVR128单片机 (PB4) 给出充电的控制信号， 即 PB4=I，NPN型 0805 的 i 极管导通，此时集电极接地， 使得 IRF4905 栅源电压钳位在一 1OV， IRF4905 管导通，太阳能电池板向蓄电池充电；反之，NPN型 0805 三极管截止 I ，a=0 V ，IRF4905 管断开，太阳电池板不能向蓄电池充电。 ATmega128内置 1O位的逐次逼近型 AD转换器。 AD 转换器与8 通道的

15、模拟多路复用器连接，采样端口 F 的 8 路单端输入电压。蓄电池正7 极与单片机PF1 引脚相接，当电压低到lOV，单片机自动检测到并作出相应处理，如图2 所示图 2 系统硬件电路七、 LED组合及驱动方式常用的 LED组合方式有3 种：并联、串联和混联。1）并联方式要求 LED驱动器输出较大电流，负载电压较低。分配在所有 LED两端电压相同，当 LE D 的一致性差别较大时，通过每颗 LED 电流不一致，其亮度也 8 不同。2）串联方式要求 LED驱动器输出较高的电压。当 LED的一致性差别较大时， 分配在不同的 LED两端电压不同， 通过每颗 LED的电流相同， LED的基本亮度一致。3）混联方式在需要使用比较多 LE D 时，如果将所有 LED串联，将需要 LED驱动器输出较高的电压： 如果将所有 LED并联，则需要 LED驱动器输出较大的电流。 将所有 LED串联或并联， 不但限制着 LED的使用量， 而且并联 LED负载电流较大， 驱动器的成本也会大增。 混联方式的 LED数量平均分配， 分配在一串 LED上的电压相同，