太阳能LED 灯实行方案

一、项目实行环节

一、需求分析（略）

二、功能分析

LED 太阳能灯，具有节能、环境保护、寿命長，免维护等長处，光源可以采

用几百颗高亮度LED 构成，内置路灯控制器（光控、時控）及LED 恒流驱动器，

顾客只需要连接灯杆、蓄电池，就可以完毕太阳能路灯的组装生产。产品合用于

小区道路、庭院、工业园区及新农村亮化工程的照明。

太阳能LED 灯不需要外接220V 电源，提高安全性。采用太阳能作為驱动。

每个LED 灯组都配置一种单独的太阳能电池板，该电池板可以使电池在阳光充足

的条件下充电。可以将它們放置在家门口，信箱上，柱子等白天或者夜晚需要高

亮度照明的地方。灯的电池不需要直接的太阳光，仅仅需要对着天空既可。只要

有太阳光，灯的电池就可以自动充电，同步，曰落之后灯就会自动发亮。不需要

保养，不需要更换电池，不需要更换灯泡。

灯的特点：

1.采用太阳能驱动，不需要电力

2.采用LED 為光源，不需要更换灯泡

3.电池在充足电之后可以维持发光

4.灯可以自动启动和关闭

5.具有良好的防水和耐环境侵蚀的性能

2.1、系统构成

太阳能LED 灯指的是用太阳能电池板作為能源采集方式替代老式的市电接

入方式，采集太阳能转换為电能存储到蓄电池，在需要照明時驱动照明设备，这

里的照明设备采用高亮度LED 替代老式的照明灯。

产品由四大部分构成，既：

1）太阳能采集和转换部分——太阳能板；

2）电能存储部分——蓄电池；

3）照明部分——高亮度LED 灯

4）控制电路；

5）其他——如支撑部件，控制箱灯。

太阳能板蓄电池

LED 灯

控制电路

指示灯指示灯指示灯

图3 系统电气连接示意图

组件功能类型

太阳能电池运用光伏效应将太阳能转换為单晶硅太阳电池、多

板电能晶硅太阳电池（总称

晶体硅太阳电池）和

非晶硅太阳电池

电池存储电能有铅酸免维护蓄电池、

一般铅酸蓄电池和碱

性镍镉蓄电池三种，

重要是第一种，一般

铅酸蓄电池需要维护，

而碱性镍镉蓄电池较

贵

LED 灯照明白色，彩色，单个大

功率或多种小功率

电路过充、过放保护，光控、時控，单片机或比较器方式

防反接，LED 恒流驱动

其他提供物理支撑，连线等灯架，控制箱，连线

表1、 部件功能

2.2、系统部件指标：

1、太阳能电池板指标：

材料（单晶硅，多晶硅，非晶体）；非晶硅

光电效率；

价位； 30 元/W

峰值电压；17.5

接口；

工作寿命

工作电流

太阳能板的面积、重量

工作条件（温度、湿度范围）-20 度——80 度

使用单晶和多晶的电池片，功率从 1W 到 190W 。电池片的厚度大概在

200-350 微米，使用高透光的钢化玻璃和 TPT ，保证组件在恶劣环境下的良好性

能。组件用电镀的铝型材框架便于安装和携带，组件边框和电池片之间的距离保

证抵御气候变化的影响，同步保证组件的最经济尺寸。

2、电池指标：

过充电压14.4V+ -0.2V

容量 50AH

无电時的电压

接口（连线原则）

太阳能电池对电池充电的开关控制方式（放电-待机-充电）

电池的品种 免维护铅酸电池

价位

工作寿命

工作条件

3、LED 灯：

实現方式

色彩

价位 17 元/W

功耗

电路形式

4、控制电路：

太阳能LED 系统的控制电路需要具有如下四大功能：

充放电控制功能

路灯控制功能：時控、光控

LED 驱动

其他辅助功能。

此外，还需要有如下的尤其功能：

1：太阳能板、蓄电池、负载反接无忧设计。 绝对不用烧保险丝的措施来

保护电路。

2：智能电子保险丝设计 具有过流保护、过温保护（特有）功能。

3：大过流率TVS 雷击保护

以上三项保护措施，可以使产品更可靠。

详细技术数据有：

12V, 24V

防蓄电池反接

防太阳能板反接

防负载反接

蓄电池过充保护

蓄电池过放保护

LED 灯恒流驱动

负载短路保护

智能充电算法

温度赔偿(选件)

系统状态指示

内置微控制器

路灯控制－時控(4-10 小時，0：无定期)，光控

三、实現

1、类似产品资料搜集，市场分析；

2、产品分析，原理分析；

3、电路设计；

4、试验；

5、BOM 表，询价，试生产

二、项目研制分析

太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度(既

大气质量)、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响,其能量在一曰、

一月和一年内均有很大的变化,甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差异。

太阳能电池方阵的光电转换效率,受到电池自身的温度、太阳光强和蓄电池

电压浮动的影响,而这三者在一天内都会发生变化,因此太阳能电池方阵的光电

转换效率也是变量。

蓄电池组也是工作在浮充电状态下的,其电压随方阵发电量和负载用电量的

变化而变化.蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。

太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成,它自身也需要耗能,而使

用的元器件的性能、质量等也关系到耗能的大小,从而影响到充电的效率等。

负载的用电状况,也视用途而定,如通信中继站、无人气象站等,有固定的设

备耗电量.而有些设备如灯塔、航标灯、民用照明及生活用电等设备,用电量是常

常有变化的。

因此,太阳能电源系统的设计,需要考虑的原因多而复杂.特点是:所用的数

据大多為此前记录的数据,各记录数据的测量以及数据的选择是重要的。

设计者的任务是:在太阳能电池方阵所处的环境条件下(既現场的地理位置、

太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等),设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源

系统既要讲究经济效益,又要保证系统的高可靠性。

某特定地点的太阳辐射能量数据,以气象台提供的资料為根据,供设计太阳

能电池方阵用.这些气象数据需取积累几年甚至几十年的平均值。

地球上各地区受太阳光照射及辐射能变化的周期為一天24h.处在某一地区

的太阳能电池方阵的发电量也有24h 的周期性的变化,其规律与太阳照在该地区

辐射的变化规律相似.不过天气的变化将影响方阵的发电量.假如有几天持续阴

雨天,方阵就几乎不能发电,只能靠蓄电池来供电,而蓄电池深度放电后又需尽快

地将其补充好.设计者多数以气象台提供的太阳每天总的辐射能量或每年的曰照

時数的平均值作為设计的重要数据.由于一种地区各年的数据不相似,為可靠起

見应取近十年内的最小数据.根据负载的耗电状况,在曰照和无曰照時,均需用蓄

电池供电.气象台提供的太阳能总辐射量或总曰照時数对决定蓄电池的容量大小

是不可缺乏的数据。

对太阳能电池方阵而言,负载应包括系统中所有耗电装置(除用电器外尚有

蓄电池及线路、控制器等)的耗量。

方阵的输出功率与组件串并联的数量有关,串联是為了获得所需要的工作电

压,并联是為了获得所需要的工作电流,合适数量的组件通过串并联既构成所需

要的太阳能电池方阵。

一、蓄电池组容量设计

1.1 蓄电池种类

后备式蓄电池一般用在UPS 系统中，他不适合長期充放电，不过，他可以极

大程度的极限放电，例如UPS 在短电后，為了保持输出供应，在全速维持着系统

运转，他绝对不容許蓄电池中途没电了或者放不光，否则柴油引擎等还没有来得

及启动也許电力就中断了，这种事对于数据中心等场所，导致的后果也許是整个

国家甚至全世界的网络瘫痪。

而动力型蓄电池，例如电动车的就是，适合常常充电和放电，并且拥有比较

强的放电能力，持续大电流放电的性能的

启动型蓄电池就是一般見的那些，例如汽车等，他低温性能会比很好，可以

在瞬间释放大量的电流，这样启动引擎，但启动几下就要等一会让他恢复过来，

否则就没电了。实际上，除了这3 类外，尚有其他诸多呢，例如通讯专用蓄电池，

缓冲蓄电池等。

1.2 蓄电池组容量设计

太阳能电池电源系统的储能装置重要是蓄电池.与太阳能电池方阵配套的蓄

电池一般工作在浮充状态下,其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化.它

的容量比负载所需的电量大得多.蓄电池提供的能量还受环境温度的影响.為了

与太阳能电池匹配,规定蓄电池工作寿命長且维护简朴。

1.蓄电池的选用

可以和太阳能电池配套使用的蓄电池种类诸多,目前广泛采用的有铅酸免维

护蓄电池、一般铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种.国内目前重要使用铅酸免维

护蓄电池,由于其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点,很合用于性能

可靠的太阳能电源系统,尤其是无人值守的工作站.一般铅酸蓄电池由于需要常

常维护及其环境污染较大,因此重要适于有维护能力或低级场所使用.碱性镍镉

蓄电池虽然有很好的低温、过充、过放性能,但由于其价格较高,仅合用于较為特

殊的场所。

2.蓄电池组容量的计算

蓄电池的容量对保证持续供电是很重要的.在一年内,方阵发电量各月份有

很大差异.方阵的发电量在不能满足用电需要的月份,要靠蓄电池的电能給以补

足;在超过用电需要的月份,是靠蓄电池将多出的电能储存起来.因此方阵发电量

的局限性和过剩值,是确定蓄电池容量的根据之一.同样,持续阴雨天期间的负载

用电也必须从蓄电池获得.因此,这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的原因之

一。

因此,蓄电池的容量BC 计算公式為:

BC=A×QL×NL×TO/CC Ah （1）

公式中:

A 為安全系数,取1.1~1.4 之间;

QL 為负载曰平均耗电量,為工作电流乘以曰工作小時数;

NL 為最長持续阴雨天数;

TO 為温度修正系数,一般在0℃以上取1,-10℃以上取1.1,-10℃如下取1.2;

CC 為蓄电池放电深度,一般铅酸蓄电池取0.75,碱性镍镉蓄电池取0.85。

二、太阳能电池

2.1、原理

太阳能是多种可再生能源中最重要的基本能源，通过转换装置把太阳辐射能

转换成电能运用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置一般是运用半导体器件

的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。

光伏电池的工作原理(見图形１)

当光线照射太阳电池表面時，一部分光子被硅材料吸取，光子的能量传递給

了硅原子，使电子发生了跃迁，成為自由电子在P-N 結两侧集聚形成了电位差，

当外部接通电路時，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输

出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。

光伏发电系统的构成：

一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、控制器、逆变器和蓄电池构成。

光伏发电系统的类型：

光伏发电系统的两大分类：并网发电和独立发电

并网发电系统(見图形２)

太阳能电池方阵发出的电通过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或

将太阳能所发出的电通过并网逆变器直接為交流负载供电。

独立发电系统(見图形３)

独立发电系统，太阳能电池方阵发出的电经蓄电池充电并通过逆变器直流转

换成交流电。

2.2 太阳能电池材料

多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是現代人工智能、自动控制、信息处理、

光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。被称為“微电子大厦的基石”。

在太阳能运用上，单晶硅和多晶硅也发挥着巨大的作用。虽然从目前来讲，

要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，就必须提高太阳电池的

光电转换效率，减少生产成本。从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展

趋势為单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜

及染料薄膜）。

从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发展，重要原由于；[1]可供

应太阳电池的头尾料愈来愈少；[2] 对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇

铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；[3]多晶硅的生产工艺

不停获得进展，全自动浇铸炉每生产周期（50 小時）可生产200 公斤以上的硅

锭，晶粒的尺寸到达厘米级；[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其

中工艺也被应用于多晶硅电池的生产，例如选择腐蚀发射結、背表面场、腐蚀绒

面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度减少到

50 微米，高度到达15 微米以上，迅速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短

工艺時间，单片热工序時间可在一分钟之内完毕，采用该工艺在100 平方厘米的

多晶硅片上作出的电池转换效率超过14％。据报道，目前在50～60 微米多晶硅

衬底上制作的电池效率超过16％。运用机械刻槽、丝网印刷技术在100 平方厘

米多晶上效率超过17％，无机械刻槽在同样面积上效率到达16％，采用埋栅构

造，机械刻槽在130 平方厘米的多晶上电池效率到达15.8％。

单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，不过成本较高。单晶硅电池早

在20 数年前就已突破光电转换效率20%以上的技术关口。

多晶硅电池成本低，转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的多种

缺陷，如晶界、位錯、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的

过渡族金属被认為是导致多晶硅电池光电转换率一直无法突破20%的关口。德国

弗劳恩霍夫协会科研人员采用新技术，在世界上率先使多晶硅太阳能电池的光电

转换率到达20.3%。

从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这重要是由于硅是间

接能带半导体材料，其光吸取系数较低，因此研究其他光伏材料成為一种趋势。

其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)被认识是两种非常有前途的光伏材料，

并且目前已经获得一定的进展，不过距离大规模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡

需要大量的工作去做。

2.3、太阳能电池设计

1.太阳能电池组件串联数Ns

太阳能电池组件按一定数目串联起来,就可获得所需要的工作电压,不过，太

阳能电池组件的串联数必须合适。1）串联数太少, 串联电压低于蓄电池浮充电

压,方阵就不能对蓄电池充电。2）假如串联数太多使输出电压远高于浮充电压時，

充电电流也不会有明显的增長。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合

适的浮充电压時,才能到达最佳的充电状态。

计算措施如下:

Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+Uc)/Uoc （2）

(2)式中:

UR 為太阳能电池方阵输出最小电压;

Uoc 為太阳能电池组件的最佳工作电压;

Uf 為蓄电池浮充电压;

UD 為二极管压降,一般取0.7V;

UC 為其他因数引起的压降。

电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关,应等于在最低温度下所选蓄电池

单体的最大工作电压乘以串联的电池数。

2.太阳能电池组件并联数Np

在确定NP 之前,我們先确定其有关量的计算措施。

(1) 将太阳能电池方阵安装地点的太阳能曰辐射量Ht, 转换成在原则光强

下的平均曰辐射時数H:

H=Ht×2.778/10000 h （3）

式中:

2.778/10000(h·m2/kJ)為将曰辐射量换算為原则光强(1000W/m2)下的平均

曰辐射時数的系数。

(2) 太阳能电池组件曰发电量Qp：

Qp=Ioc×H×Kop×Cz Ah （4）

式中:

Ioc 為太阳能电池组件最佳工作电流;

Kop 為斜面修正系数;

Cz 為修正系数,重要為组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失,一般取0.8。

(3) 两组最長持续阴雨天之间的最短间隔天数Nw, 此数据為本设计之独特

之处,重要考虑要在此段時间内将亏损的蓄电池电量补充起来,需补充的蓄电池

容量Bcb 為:

Bcb=A×QL×NL Ah （5）

(4) 太阳能电池组件并联数Np 的计算措施為:

Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw) （6）

公式(6)的体現意為: 并联的太阳能电池组组数,在两组持续阴雨天之间的最

短间隔天数内所发电量,不仅供负载使用,还需补足蓄电池在最長持续阴雨天内

所亏损电量。

3.太阳能电池方阵的功率计算

根据太阳能电池组件的串并联数,既可得出所需太阳能电池方阵的功率P:

P=Po×Ns×Np W (7)

式中:Po 為太阳能电池组件的额定功率。

本次设计

光源电压12V，功率為21W，每天工作6h，最長持续阴雨天為3d， 两最長

持续阴雨天最短间隔天数為15d，

太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的WBG40（P）型组件, 组件原则功

率為40W, 工作电压17.2V, 工作电流2.32A,

蓄电池采用铅酸免维护蓄电池, 浮充电压為(144±2)V. 其水平面太阳辐射

数据参照表, 成都地区其水平面的年平均曰辐射量為10392(kJ/m2), Kop 值為

0.7553,计算太阳能电池方阵功率及蓄电池容量。

1. 蓄电池容量Bc：

Bc=A×QL×NL×To/CC=1.2×(21/12)×6×3×1/0.75≈50Ah

2. 太阳能电池方阵功率P:

太阳能电池组件串联数Ns：

Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+UC)/Uoc=(14+0.7+)/17.1=0.88≈1

太阳能电池组件曰发电量Qp:

Qp=Ioc×H×Kop×Cz=2.32×10392×(2.778/10000)×0.7553×0.8≈4.05A

h

需补充的蓄电池容量Bcb:

Bcb=A×QL×NL=1.2×21/12×6×3=37.8Ah， 其中QL=(21/12)×6=10.5Ah

太阳能电池组件并联数Np：

Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw)=(37.8+15×10.5)/(4.05×15)≈3 故太阳能电

池方阵功率為:

P=Po×Ns×Np=40×1×3=120W

3. 计算成果该地面卫星接受站需太阳能电池方阵功率為120W,蓄电池容量

為50Ah

上述设计所需：

50Ah 蓄电池：

NS＝1，NP=3, 功能為120W 太阳能电池：

序号器件名称产品型数量单价（元）金额小计（元）

号

1太阳能板WBG*(P)120W30 元/W3600

2免费维护铅50Ah640560

酸电池

三、LED 灯

灯头部分采用1W 的白光LED 灯，以3 个一串，共并联7 组，共27 颗,分布

在散热板上作為平面光源

序号器件名称产品型数量单价（元）金额小计（元）

号

1大功率LED1W2114294

2LED 透镜21363

3散热片1100~250100~250

4路灯灯DD101200200

头

5其他器1010

件

总计667~817 元

四、控制电路

控制电路分為两大部分，既：太阳能充放电控制器和LED 灯供电电路。

太阳能充放电控制器的重要作用是保护蓄电池，基本功能必须具有过充、过

防保护，防反接等。

而LED 灯供电电路则需要具有光控、時控功能。

蓄电池过充、过放保护电压一般参数如表1，当蓄电池电压到达设定值后就

变化电路状态。

表1 蓄电池充放电保护

标称电压防过充电压防过放电压

6V7.2+-0.1V5.5+-0.1V

12V14.4+-0.210.8+-0.2V

24V28.6+-0.1V22V

选用器件上，有用比较器，也有用单片机的，详细依状况而定。

序器件名称产品型数量单价（元）金额小计（元）

号号

1控制器12V21W1100100

五 路灯组件

路灯灯杆高6M，厚度為5MM

序器件名称产品型数量单价（元）金额小计（元）

号号

16M 灯杆1800-1000800-1000

2蓄电池箱1100100

3线缆15 米3030