[发明专利]一种太阳能LED户外照明系统

说明书

技术领域

本发明专利归属用于户外照明的灯具和照明系统。专利特别涉及以太阳能光伏发电供电，密封铅酸蓄电池储能，LED光源发光照明，具有智能控制功能的户外照明灯具和照明系统。

背景技术

能源和环保是国家战略，新能源产业和半导体LED照明产业都是新兴的战略性产业。太阳能清洁能源加LED节能光源，珠联璧合，更利于解决能源和环保问题，促进新兴产业的发展。此外，太阳能LED户外灯也具民生意义，在许多农村新社区，太阳能LED灯是一种好用的户外照明方案。

本专利所指太阳能LED户外灯，仅包括太阳能LED路灯、广场灯、庭院灯，非指技术简单价格很低的太阳能LED草坪灯、围栏灯、埋地灯等。国内采用白炽灯、紧凑荧光灯、金卤灯和钠灯等传统光源的太阳能户外灯历史超过六年，而太阳能LED户外灯近两年才开始规模应用，已呈现占据主流的趋势。

太阳能LED户外灯实质是一类照明系统，一般由六个主要构件组成：太阳能电池板、储能电池、系统控制器、DC/DC变换器、LED灯头和机械结构(灯杆、配电控制箱等)组成。白天，阳光照射太阳能电池片产生光生电动势，电池片以串并联方式使太阳能电池板输出所需的电流电压，向储能电池充电。晚上，储能电池放电，DC/DC变换器将储能电池电压变换为LED灯头所需的直流电压并提供恒流驱动，灯头发光后向场所提供照明。控制器控制储能电池的充电和放电过程，并定时开关LED灯头。

据报道，国内太阳能LED路灯、广场灯、庭院灯的年安装量已达十万量级，运行中出现过一些问题，推广应用也存在障碍。归结起来有两大问题，一个是性能和可靠性，另一个是价格。分析表明，不仅性能不足，可靠性不高源于技术，实际上价格偏高本质上也有技术原因。

我们全面分析影响因素后，提出的技术改进点多达20余个，可分为三类，即系统的照明能量效率、系统可靠性和寿命，以及系统照明效果，发现构件的性能和质量需改进，系统设计技术需细化和提升。

系统照明能量效率系指照明能量(单位流明小时，lm*h)与太阳辐射能量(单位瓦小时，w*h)的比值，单位为lm/w。照明能量效率高，则系统性价比高。系统的照明能量效率等于能量管理效率和照明管理效率的乘积。影响能量管理效率的因素包括太阳能电池板、控制器和储能电池；影响照明管理效率的因素包括DC/DC驱动变换器、LED光源、灯头光学和散热结构、照明区。目前关于照明能量效率存在两个问题。一个问题与能量管理效率有关，太阳能电池板电压与储能电池电压不匹配造成充电效率低。10Wp以上的商品太阳能电池板的最大功率点电压Vmp均在17.2～18V，12V储能铅酸蓄电池电压变化范围为10.5～14.5V，故太阳能电池板不能以最大功率对储能电池充电，充电效率低。行业一般有两个处理办法，一个是通过控制器将太阳能电池板的电压降低到约15V对储能电池充电，充电效率仅65～70％；另一个是在控制器上增加DC/DC变换，充电效率增加到80～85％，但成本升高、可靠性降低和存在变换损耗。第二个问题与照明管理效率有关，照明光斑形状引起照明区对灯头发出光能的能量利用率低。LED光束在照明区形成圆光斑，不适用于道路照明，尤其不能用于农村社区和某些居民小区的窄路，例如道路宽度6m，照明圆光斑面积180m²的照明区能量利用率仅约50％；采用LED照明城市主干道和次干道时，有的采用LED配光透镜形成矩形照明光斑，其长宽比一般为3～3.5∶1，当用于前述窄道路时，造成要吗当光斑宽度减到6m时长度仅20m左右，要吗当光斑长度加大到30m宽度只能利用6m，故照明区能量利用率也才60％～70％。

系统可靠性和寿命问题与目前广泛采用的储能铅酸蓄电池密切相关，系统最薄弱的环节就在此。太阳能辐射量较低时，充电不足引起蓄电池放电能力减弱，而负载，即LED灯的驱动功率不变，导致LED灯过早熄灭，降低了可靠性，也导致蓄电池反复深放电，寿命甚至提早到几个月就结束。

系统照明效果与照明强度(即照度，它与流明数成正比)有关，也与照明时间有关，很多用户要求照度较高，更要求通夜照明。目前行业的处理办法有三种。一是10小时照明，系统按较高照度配置，因造价高市场难以接受；二是照明时间设定为4～6小时，保证主要时段有较高的照度，但夜间一半时间内不照明，用户不能接受；三是采用降低照度的办法延长照明时间到10小时，用户又觉得夜间主要照明时段的照度过低。