太陽能路燈的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，尤其是靠小規(guī)模火力發(fā)電或季節(jié)性水力發(fā)電的地區(qū)，更應(yīng)大力發(fā)展太陽能電力。太陽能路燈以其先進(jìn)、穩(wěn)定、智能、成熟的控制技術(shù)及顯著的節(jié)能特性、簡(jiǎn)便的維護(hù)方式等特點(diǎn)得到推廣。隨著太陽能照明燈具產(chǎn)品的普及，很多應(yīng)用項(xiàng)目存在質(zhì)量和售后服務(wù)問題。因此，需及時(shí)分析原因、規(guī)范市場(chǎng)，使太陽能路燈市場(chǎng)健康有序地發(fā)展。太陽能是地球上最為直接、普遍、清潔的能源，其作為一種可再生能源，每天達(dá)到地球表面的輻射能約2.5億萬桶石油。

本文主要詳解太陽能路燈的設(shè)計(jì)，首先介紹了太陽能路燈的根本結(jié)構(gòu)、作業(yè)原理及太陽能路燈設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)，其次闡述了太陽能路燈的設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)，最后介紹了一款基于單片機(jī)的智能太陽能路燈設(shè)計(jì)方案詳解。

一、太陽能路燈的根本結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理

1、太陽能路燈根本結(jié)構(gòu)

太陽能路燈首要由太陽電池組件、組件、支架、光源、操控器、蓄電池、燈桿等幾部分組成。

2、太陽能路燈的作業(yè)原理

太陽能路燈運(yùn)用太陽電池的光生伏特效應(yīng)原理，白日太陽電池吸收太陽能光子能量發(fā)生電能，經(jīng)過操控器儲(chǔ)存在蓄電池里，當(dāng)夜幕來臨或燈具周圍光照度較低時(shí)，蓄電池經(jīng)過操控器向光源供電一直到設(shè)定的時(shí)刻后堵截。

二、太陽能路燈設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)

1、經(jīng)過已知太陽能路燈運(yùn)用地來查找運(yùn)用地的經(jīng)度與緯度。經(jīng)過（我國不同歪斜面上太陽輻射數(shù)據(jù)庫）來斷定太陽電池組件的歪斜角與方位角及核算該區(qū)域的太陽能規(guī)范峰值日照時(shí)刻。

2、路燈所選用光源的功率（W）。光源功率的巨細(xì)直接影響著整個(gè)體系的參數(shù)安穩(wěn)性。

3、太陽能路燈每天晚上作業(yè)的時(shí)刻（H）。這是決議太陽能路燈體系中組件巨細(xì)的中心參數(shù)，經(jīng)過斷定作業(yè)時(shí)刻，能夠開始核算負(fù)載每天的功耗和與之相應(yīng)的太陽電池組件的充電電流。

4、太陽能路燈需求堅(jiān)持的接連陰雨天數(shù)（d）。這個(gè)參數(shù)決議了蓄電池容量的巨細(xì)及陰雨天往后康復(fù)電池容量所需求的太陽電池組件功率。

5、斷定兩個(gè)接連陰雨天之間的距離天數(shù)D。這是決議體系在一個(gè)接連陰雨天往后充溢蓄電池所需求的電池組件功率。

三、太陽能路燈的設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理相同，因而太陽能路燈的設(shè)計(jì)思路也可依據(jù)一般的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，先確定光源的功率，每天的工作時(shí)間，保證幾個(gè)陰雨天然后計(jì)算蓄電池的容量和太陽電池組件的功率。但太陽能路燈又有其特殊性，需要確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與可靠，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意。

1、太陽電池組件

太陽電池組件的電壓會(huì)隨著溫度的升高而降低，由于高溫的影響，電池組件的電壓損失約 2V，而充電過程控制器上的二極管壓降 0.7V，所以選擇工作電壓為 18V 的組件。由于太陽能路燈的特殊性，太陽能電池板一般安裝在燈桿上，對(duì)于路燈桿而言，一般都是 5 米以上，重心較高，而且大部分太陽電池板都是懸掛式，為增強(qiáng)整套設(shè)備的抗風(fēng)力，一般選擇多塊太陽電池板組成所需要的組件功率。

2、蓄電池（組）

在選擇蓄電池時(shí)，須要考慮放電率對(duì)蓄電池容量的影響，溫度對(duì)蓄電池容量的影響，放電深度對(duì)蓄電池容量的影響等幾個(gè)方面。所以一定要選用深循環(huán)的太陽能專用蓄電池。蓄電池在進(jìn)行并聯(lián)連接時(shí)，需要考慮各單體電池間的不平衡影響，通常情況下并聯(lián)組數(shù)不宜超過 4 組。

3、控制器

控制器是整個(gè)路燈系統(tǒng)中充當(dāng)管理者的關(guān)鍵部件，它的最大功能是對(duì)蓄電池進(jìn)行全面的管理，好的控制器應(yīng)當(dāng)根據(jù)蓄電池的特性，設(shè)定各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)，比如蓄電池的過充點(diǎn)、過放點(diǎn)，恢復(fù)連接點(diǎn)及SOC放電控制等。在選擇路燈控制器時(shí)，特別需要注意控制器恢復(fù)連接點(diǎn)參數(shù)，由于蓄電池有電壓自恢復(fù)特性，當(dāng)蓄電池處于過放電狀態(tài)時(shí)，控制器切斷負(fù)載，隨后蓄電池電壓恢復(fù)，如果些時(shí)控制器各參數(shù)點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，則可能出現(xiàn)燈具閃爍不定，縮短蓄電池和光源的壽命。

4、光源的選擇

光源的選型對(duì)于太陽能路燈來說是最關(guān)鍵的一步，目前針對(duì)太陽能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。目前常見的光源有直流節(jié)能燈、高頻無極燈、低壓鈉燈和LED光源。LED 作為半導(dǎo)體光源，其發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，是太陽能路燈最為理想的光源，LED路燈光源是一款多功能、環(huán)保節(jié)能型路燈光源，適合在各種場(chǎng)合的照明使用。LED路燈驅(qū)動(dòng)器是專門針對(duì)LED路燈系統(tǒng)所研發(fā)的產(chǎn)品，用于提供LED燈具穩(wěn)定的電源。運(yùn)用先進(jìn)的電子電力技術(shù)，設(shè)計(jì)了高效率增強(qiáng)以及超節(jié)能脈波寬度調(diào)變（PWM）兩種輸出模式，配合時(shí)間控制，可以在需要的時(shí)候（上半夜天黑人多車多的時(shí)候）以高效率增強(qiáng)模式點(diǎn)亮LED燈具，提供良好的照明，而其它時(shí)間段（后半夜人車稀少的時(shí)候）則以超節(jié)能模式輸出，節(jié)約蓄電池的電力的消耗。另外，國內(nèi)大部分太陽能路燈項(xiàng)目照明亮度需滿足城市道路照明標(biāo)準(zhǔn)。

下面舉例說明太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)：

例如：需要在某市安裝一批太陽能路燈，光源功率為30W，要求路燈每天工作8小時(shí)，保證連續(xù)7個(gè)陰雨天能正常工作。當(dāng)?shù)貣|經(jīng)114度，北緯23度，年平均水平日太陽輻射為3.82KW.h/m2，年平均月氣溫為20.5度，兩個(gè)連續(xù)的陰雨天間間隔時(shí)長(zhǎng)25天。

根據(jù)以上資料，計(jì)算出光伏組件傾斜角26度，標(biāo)準(zhǔn)峰值時(shí)數(shù)約3.9小時(shí)。

（1）負(fù)載日耗電量

Q=W* H/U=30*8/12=20Ah

式中U為系統(tǒng)蓄電池標(biāo)稱電壓

（2）滿足負(fù)載日用電的太陽能電池組件的充電電流

I1=Q*1.05/h/0.85/0.9=7.04A

式中1.05為太陽能充電綜合損失系數(shù)，蓄電池充電效率、控制器效率

（3）蓄電池容量的確定

滿足連續(xù)10個(gè)陰雨天正常工作的電池容量C

C=Q*（d+1）/0.75*1.1=20*8/0.75*1.1=235Ah取240Ah

式中0.75為蓄電池放電深度，1.1為蓄電池安全系數(shù)

選取2節(jié)12V120Ah的電池組成電池組

（4）連續(xù)陰雨天過后需要恢復(fù)蓄電池容量的太陽能電池組件充電電流I2

I2=C*0.75/h/D=240*0.75/3.9/25=1.85A

式中0.75為蓄電池放電深度

（5）太陽電池組件的功率為（I1+I2）*18=（1.85+7.04）*18=160Wp

式中18為太陽電池組件工作電壓

四、太陽能路燈的的設(shè)計(jì)實(shí)例

一下是一種基于單片機(jī)智能控制的太陽能路燈設(shè)計(jì)方案。本方案不僅可以實(shí)現(xiàn)智能控制，且可使路燈系統(tǒng)運(yùn)行在節(jié)能狀態(tài)，提高能源的利用率。

1、硬件電路設(shè)計(jì)

選擇DS1302計(jì)時(shí)器、AT24C02存儲(chǔ)器、4位數(shù)碼顯示器、過充過放電路、STC12C2051單片機(jī)等組成智能控制系統(tǒng)。根據(jù)各部分電路的功能不同，整體電路可分為以下幾個(gè)部分：太陽能電池板組件、過充過放電路、STC12C2051單片機(jī)、蓄電池、時(shí)控光控電路、照明負(fù)載和時(shí)間顯示電路。

1）電源電路設(shè)計(jì)

電源電路如圖1所示。系統(tǒng)由太陽能電池板供電，24 V蓄電池電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生5 V電壓，作為控制器的主電源。電容C2作為高頻旁路電容，將高頻信號(hào)旁路到地。同樣電容C1為濾波電容。

圖一 電源電路

2）方案選擇

DS1302是美國Dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其可對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5V采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。

在設(shè)計(jì)中一般使用的計(jì)時(shí)功能電路有軟件計(jì)時(shí)，定時(shí)器定時(shí)，但其缺點(diǎn)是計(jì)時(shí)有誤差，需隔一段時(shí)間校正一次;另一種是硬件計(jì)時(shí)，現(xiàn)在流行的串行時(shí)鐘電路有DS1302、DS1 307、PCF8485等，這些電路的接口簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便，被廣泛地采用。在設(shè)計(jì)中采用硬件定時(shí)，時(shí)鐘芯片DS1302。DS1302是Dallas公司的一種具有涓細(xì)電流充電能力的電路，主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。

RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器。其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。

采用時(shí)鐘控器型的路燈控制器，要預(yù)先設(shè)定開關(guān)時(shí)間，使路燈按時(shí)亮燈、準(zhǔn)時(shí)熄燈，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。優(yōu)點(diǎn)是定時(shí)開關(guān)預(yù)先設(shè)定的開關(guān)時(shí)間不受外界干擾，除本身故障外不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。缺點(diǎn)是不能根據(jù)季節(jié)變化和特殊的天氣情況自動(dòng)變換開關(guān)時(shí)間，需人工調(diào)整開關(guān)時(shí)間，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于節(jié)能。定時(shí)開關(guān)又分為機(jī)械鐘表型和電子鐘表型，機(jī)械鐘表型以石英鐘為主，走時(shí)精準(zhǔn)，但是由于機(jī)芯內(nèi)使用塑料齒輪在高溫下會(huì)變形，從而導(dǎo)致停機(jī)現(xiàn)象。

電子鐘表型定時(shí)開關(guān)使用的也較多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成塊為中心的電子鐘電路。圖2為與單片機(jī)的連接圖，其中VCC1為主電源，VCC2為后備電源。在一般情況下，SCL、I/O、RST與單片機(jī)連接實(shí)現(xiàn)1302的讀寫控制。

圖二 1302與單片機(jī)的接口

存儲(chǔ)器AT2402的1，2，3腳為空腳，4腳為接地端，5腳為數(shù)據(jù)端，6腳為時(shí)鐘端，7腳為寫保護(hù)端口，8腳為電源。

AT24C02在設(shè)計(jì)中的作用是掉電存儲(chǔ)器，是為防止電源突然斷開時(shí)，用戶信息不會(huì)丟失，存儲(chǔ)當(dāng)前設(shè)定的信息。AT24C02是Atmel公司的2 kB的電可擦除存儲(chǔ)芯片，由于AT24C 02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL（移位脈沖）和SDA（數(shù)據(jù)/地址）與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。電壓最低可達(dá)2.5 V，額定電流為1 mA，靜態(tài)電流10 μA（5.5 V），芯片內(nèi)的資料可在斷電的情況下保存相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。其與單片機(jī)的連接如圖3所示。

圖三 24C02與單片機(jī)的接口

太陽能路燈與普通路燈控制電路功能基本相同，均是為了完成晚上亮燈，早晨熄燈以及對(duì)蓄電池的充電管理。國內(nèi)外常用的控制器有單獨(dú)的光控制型、時(shí)鐘控器型、經(jīng)緯型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括程序初始化、時(shí)間設(shè)定子程序、1302的讀寫程序、24C02的讀寫程序、時(shí)間比較子程序、按鍵子程序、顯示刷新子程序等共同組成。程序開始要進(jìn)行初始化，調(diào)用24C02內(nèi)部存儲(chǔ)的開關(guān)路燈時(shí)間點(diǎn)，程序每隔一段時(shí)間調(diào)一次1302中的時(shí)間。通過程序?qū)⒃O(shè)定的時(shí)間同系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行比較，設(shè)定的比較間隔為1 s/次，當(dāng)時(shí)間相同時(shí)，則通過程序輸出控制信號(hào)，如圖4所示。

能源電路部分中的器件參數(shù)可以通過計(jì)算得出，驅(qū)動(dòng)電路是一種成熟的電路，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，單片機(jī)的算法程序已在開發(fā)板上運(yùn)行成功。其中器件參數(shù)也可確定單片機(jī)的算法程序在開發(fā)板上運(yùn)行，到達(dá)預(yù)期的目的，因此該方案是可行的。圖5為該系統(tǒng)顯示部分仿真電路圖，圖6是過沖過放電路圖。該系統(tǒng)理論值是12 V，實(shí)際測(cè)量值為9.4 V，存在一定的誤差。