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为什么我司及时推出第三代太阳能草坪灯?

标签:为什么我司及时推出第三代太阳能草坪灯?

2009-10-13 0:00:00

       太阳能草坪灯主要利用太阳能电池的能源来进行工作,当白天太阳光照射在太阳能电池上,把光能转变成电能存贮在蓄电池中,再由蓄电池在晚间为草坪灯的LED(发光二极管)提供电源。其优点主要为安全、节能、方便、环保等。

       太阳能草坪灯控制器它包含一块我公司专项开发的集成电路(ND1003)以及部分外围元件。主要功能包含充电电路,驱动电路,光敏控制电路和脉宽调制电路等。

       该控制器具有高转换效率:80~85%(典型值),可以减少太阳能电池版的功率要求;低启动电压:6V(最大值);可调输出电流等特点,安装极为方便。

       太阳能草坪灯光源及电源系统设计方法由于太阳能草坪灯独特的优点,近年来得到迅速发展。草坪灯功率小,主要以装饰为目的,对可移动性要求高。另外,电路铺设困难,防水要求高,这些使得由太阳电池供电的草坪灯显示出许多前所未有的优势。尤其国外市场对太阳能草坪灯需求十分巨大,2002年,仅广东和深圳用于制造出口太阳能草坪灯消耗的太阳能电池就达到2MW,相当于当年国内太阳能电池产量的1/3,今年仍然保持强劲的发展势头,这是人们没有预料到的。同时,由于发展太快,有些产品技术上不够成熟,在光源的选择以及电路设计中存在许多缺陷,降低了产品的经济性和可靠性,浪费了许多资源。本文针对上述存在的问题,提出我们的看法,供生产太阳能草坪灯的工厂参考。

太阳能草坪灯光源的选择
       目前多数草坪灯选用LED作为光源,LED寿命长,可以达到100000h以上,工作电压低,非常适合应用在太阳能草坪灯上。特别是LED技术已经经历了其关键的突破,并且其特性在过去5年中有很大提高,其性能价格比也有较大的提高。另外,LED由低压直流供电,其光源控制成本低,使调节明暗,频繁开关都成为可能,并且不会对LED的性能产生不良影响。还可以方便地控制颜色,改变光的分布,产生动态幻景,所以它特别适用在太阳能草坪灯上。但是LED有它许多固有的特性,使用时如果不注意就会造成不良后果。LED目前市场上销售的发光效率仅能达到15 lmW,只能达到三色基色高效节能灯13,三色基色高效节能灯的发光效率可以达到50-60 lmW,从价格上看,目前生产每1m的成本:三色基色高效节能灯(含电子镇流器)0.022元,2002年φ5mm白光LED价格为1.9-3.0元,目前生产每1m的成本价格相差悬殊。从使用寿命上看,三色基色高效节能灯(含电子镇流器)的寿命可以达到6000h,LED可以达到100000h以上,从表面上看LED寿命是三色基色高节能灯(含电子镇流器)的几十倍,但是事实并非如此。目前太阳能草坪灯大多数采用超高亮白光LED,它在20mA下超高亮白光LED光通维持率达到初始强度50%的时间(寿命)不到10000h,复旦大学电光源所曾经证明上述论点。这就是说,目前在许多情况下LED并非最好的太阳能草坪灯光源,除非它是低档的使用年限仅1-2年的太阳能草坪灯,或者是1W以下的太阳能草坪灯。对于1W以上的太阳能草坪灯,最好使用三色基色高效节能灯。目前有一些太阳能草坪灯用30-40只超高亮白光LED,输入功率2W以上,在这种情况下如果用三色基色高效节能灯,价格只有LED的110,光通量是原来的4倍,可喜的是现在已经研制成功2-10W的低压直流三色基色高效节能灯,寿命可以达到6000h。

       根据上面分析,我们认为1W以下的小功率太阳能草坪灯,有调节明暗,频繁开关的功能,一般应该使用LED作为光源。但是在使用超高亮白光LED时特别要注意光通维持率问题,否则容易引起质量事故。对于功率较大的太阳能草坪灯,目前使用三色基色高效节能灯比较合理。这里要强调的是,以上结论仅仅是目前的分析,当LED技术水平提高以后,价格下降,以上结论需要调整。

升压电路效率的提高
       小功率太阳能草坪灯一般都有升压电路,目前各厂家采用震荡电路,电感升压。电感采用标准色码电感器,标准色码电感器中使用开放磁路,磁通损失大,所以电路效率低。如果采用闭合磁路制造电感升压,如磁环,升压电路效率将有很大提高。我们曾经用φ10磁环制造电感,在同等条件下进行对照实验,对比样品分别是浙江宁波某工厂及江苏镇江某工厂生产的小功率太阳能草坪灯,采用闭合磁路制造电感要比采用标准色码电感器效率提高20%~40%。

(1)LED的特性接近稳压二极管,工作电压变化0.1V,工作电流可能变化20mA左右。为了安全,普通情况下使用串联限流电阻,极大的能量损失显然不适合太阳能草坪灯,并且LED亮度随工作电压变化。升压电路是一个好办法,也可以用简单的恒流电路,总之一定要自动限流,否则将损坏LED。
(2)一般LED的峰值电流50-100mA,反高能电池反接或者蓄电池空载,升压电路峰值电压过高时很可能超过这个极限,损坏LED。
(3)LED温度特性不好,温度上升5℃,光通量下降3%,夏季使用要注意。
(4)工作电压离散性大,同一型号,同一批次的LED工作电压都有一定差别,不宜并联使用。一定要并联使用,应该考虑均流。
(5)超高亮白光LED色温为6400L-3000K,目前低色温的超高亮白光LED尚没有进入市场,所以用超高亮白光LED制造的太阳能草坪灯光穿透能力比较差,所在光学设计上要注意。
(6)静电对超高亮白光LED影响很大,在安装时要有防静电设施,工人要佩带防静电手腕带,受静电伤害的超高亮白光LED当时可以凭眼睛看不出来,但是使用寿命将变短。
蓄电池充放电控制及温度补偿

       由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,太阳能光伏发电系统中对蓄电池充放电控制要比普通蓄电池充放电控制复杂一些。太阳能草坪灯充放电控制电路设计的成功将决定产品的成功,一个正确的控制电路应该具有以下功能:防止反充电功能,防止过充电功能,防止蓄电池过放电功能,铅酸蓄电池的温度补偿功能。对于太阳能草坪灯来说,如果使用Ni-Cd电池,不需要防止蓄电池过放电功能,如果太阳能电池功率相对蓄电池不大的话,也可以不考虑防止过充电功能。这就是目前许多太阳能草坪灯都使用Ni-Cd电池的原因。但是如果使用其他电池就要考虑上面的功能。

(1)防止反充电功能。一般来说就是在太阳能电池回路中串联一个二极管,二极管防止反充电,这个二极管应该是肖特基二极管,肖特基二极管的压降比普通二极管低。
(2)防止过充电功能。可以在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管,电压鉴别电路控制晶体管的开关,较多余的太阳能电池能量通过晶体管泄放,保证没有过高的电压给蓄电池充电。关键是防止过充电压的选择,单节铅酸蓄电池为2.2V。
(3)除了Ni-Cd电池外,其他蓄电池一般都需要防止蓄电池过放电功能,因为蓄电池过放会造成永久性损坏。需要注意的是太阳能电池系统一般相对蓄电池是小倍率放电,所以放电截止电压不宜过低。
(4)温度补偿,上面叙述蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的,所以太阳能草坪灯系统应该有一个受温度控制的基准电压。对于单节铅酸蓄电池是-3~-7mV℃,我们通常选用-4mV℃

系统组合中的几个问题

(1)光敏传感器。太阳能草坪灯需要光控开关,设计者往往会用光敏电阻来自动开关灯,实际上太阳能电池本身就是一个极好的光敏传感器,用它做光敏开关,特性比光敏电阻好。对于仅仅使用一只1.2VNi-Cd电池的太阳能草坪灯来说,太阳能电池组件由四片太阳能电池串联组成,电压低,弱光下电压更低,以至天没有黑电压已经低于0.7V,造成光控开关失灵。在这种情况下,只要加一只晶体管直接耦合放大,即可解决问题。
(2)按蓄电池电压高低控制负载大小。太阳能草坪灯往往对连续阴雨可维持时间要求很高,这就增加系统成本。我们在连续阴雨蓄电池电压降低时减少LED接入个数,或者减少太阳能草坪灯每天的发光时间,这样就能减少系统成本。
(3)太阳能电池封装形式。目前太阳能电池的封装形式主要有两种,层压和滴胶。层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上,滴胶虽然当时美观,但是太阳能电池工作寿命仅仅1-2年。因此,1W以下的小功率太阳能草坪灯,在没有过高寿命要求的情况下,可以使用滴胶封装形式,对于使用年限有规定的太阳能草坪灯,建议使用层压的封装形式。
(4)闪烁变光。渐亮渐暗是节能的好办法,它一方面可以增加太阳能草坪照射效果,另一方面可以通过改变闪烁占空比控制蓄电池平均输出电流,延长系统工作时间,或者在同等条件下,可减小太阳能电池的功率,成本将大幅度下降。
(5)三色基色高效节能灯的开关速度。这个问题非常重要,它甚至决定着太阳能草坪灯的使用寿命,三色基色高效节能灯启动时有高达10-20倍的启动电流,系统在承受这样大的电流情况下可能电压有大幅度下降,太阳能草坪灯无法启动或者反复启动,直至损坏。

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