草坪灯设计

应急供电型太阳能草坪灯设计书

摘要

太阳能系列草坪灯主要用来亮化点缀照明，采用高亮度LED发光二极管设计，具有亮度高、安装简便、工作可靠、不敷设电缆、不消耗常规能源、使用寿命长等优点。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，电路铺设困难，防水要求高的场地适用。但是由于发展速度过快，导致了我们已经面世的一些草坪灯具有先天的不足。比如一些产品功能单一、实用性仅仅是照明美观之用，这些无异于是对太阳能产品的不重视。本文就设计一款倾向于紧急备用电源和具有照明引路功能的太阳能草坪灯显示出许多前所未有的优势。

本设计首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节能的目的，其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气对蓄电池进行充电，以给草坪灯供电。控制电路分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略，能根据光线和定时控制的要求决定草坪灯的点亮和关断。系统有很好的抗干扰性，由于具有备用电源功能，因此其连续工作时间比市场上的产品要久许多。

关键词：太阳能草坪灯、备用电源、应急、蓄电池；

目录

1 引言 (3)

1.1太阳能草坪灯简介 (3)

1.2 太阳能草坪灯的结构组成 (4)

2 可应急供电型太阳能草坪灯的设计 (4)

2.1 设计思路 (4)

2.2 产品的功耗、容量计算 (5)

2.2.1 新余周边城市近30年天气概况表1[1] (6)

2.2.2 蓄电池容量计算与选取 (7)

2.2.3 太阳能电池板功率计算与设计 (9)

2.2.4 产品光源的选取 (10)

2.3 产品的电路设计 (12)

3 产品设计总体分析 (13)

3.1 产品性价比分析 (13)

3.2 总结与心得体会 (14)

参考文献 (15)

1 引言

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利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。

70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。

自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

1.1太阳能草坪灯简介

LED太阳能草坪灯是一种集节能环保、照明与美化环境为一体的新型的绿色能源景观照明灯具。太阳能草坪灯节能、环保、安全、美观。该太阳能草坪灯采用高效率单晶硅太阳能电池组件，白天可将太阳光光能转换成电能储存于蓄电池，夜晚天黑后则自动点亮灯管照明，广泛适用于公园草坪、花园别墅、广场绿

地、旅游景点、度假村、高尔夫球场、企业工厂绿地亮化美化、住宅小区绿地照明、各种绿化带等的景观点缀、景观照明。

1.2 太阳能草坪灯的结构组成

LED太阳能草坪灯由太阳能电池组件（电池板）、超高亮度LED灯（光源）、免维护可充电蓄电池、自动控制电路、灯具等组成。如图1所示

图1 太阳能草坪灯结构组成图

2 可应急供电型太阳能草坪灯的设计

2.1 设计思路

根据我们前面的调研发现，目前市场上的草坪灯大都重于照明和美观作用。仅仅不同的地方就是不同地方它们所需要的设备类型、性能、数值和其外表有所差别。在整体的设计思路上也是大致一样，这无异于大大降低了太阳能草坪灯的使用局限性和功能单一性。

为此，我们小组在其功能上自主开发了一款可具有临时供电功能的太阳能草坪灯，以备我们不时之需。

2.1.1 应急供电型太阳能草坪灯外形与内部简图

2.2 产品的功耗、容量计算

根据新余市当地的天气情况，我们小组对该产品的太阳能电池板功率、尺寸、蓄电池容量、控制器类型、LED灯选择、外形设计上进行了相关的计算与研究。以做出最适合当地气候条件的可应急供电型的太阳能草坪灯。以达到我们所预期的要求。

2.2.1 新余周边城市近30年天气概况表1[1]

赣州氣象站位置：北緯 25.9 度，東經 115.0 度，海拔 124 米

氣候資料1

月

2 月

3

月

4 月

5 月

6 月

7 月

8 月

9 月 10月 11月12月

平均最

高气温℃1961-

1990

12.

5

13.4

17.

9

23.7 28.4 31.1 34.5 34.2 30.8 25.9 20 14.9

平均气温℃1961-

1990

8.1 9.4

13.

8

19.4 24 26.8 29.5 29 26.1 21.2 15.4 10

平均最

低气温℃1961-

1990

5 6.6

10.

7

16.1 20.7 23.5 25.7 25.2 22.6 17.6 11.9 6.5

降雨量mm 1961-

1990

61.

2

95.5

160

.7

200.

5

214.6 209.1 96.7 122.7 93.3 76.1 53.8 38.3

降雨日數1961-

1990

7.2 10.6

13.

6

14.4 14.3 12.3 8 8.7 7.1 5.7 5.3 5.1

平均日照 H 1961-

1990

3.3 2.7 2.6 3.5

4.8

5.7 8.8 8.2

6.4 5.5 4.8 4.6

南昌氣象站位置：北緯 28.6 度，東經 115.9 度，海拔 47 米

氣候資料

1

月

2 月

3 月

4 月

5 月

6 月

7 月

8 月

9 月 10月 11月12月

平均最

高气温℃1961-

1990

8.9 9.8 14.8 21 26.1 29.3 33.8 33.6 28.9 23.6 17.5 11.7

平均气1961-5.1 6.3 10.9 17 22.2 25.6 29.5 29.2 24.7 19.3 13.2 7.5

温℃1990 平均最

低气温℃1961-

1990

2.4

3.8 8.1 14 19.2 22.7 26 25.8 21.7 16.1 10.1

4.3

降雨量mm 1961-

1990

56.

1

101.5 150.9 224.3 253 282 122.4 103.3 75.2 57.5 54.5 40.5

降雨日數1961-

1990

7.9 9.4 13.9 14.1 13.9 11.7 7 6.6 5.5 5.9 6 5.4

平均日照 H 1961-

1990

3.3 3 3 3.9

4.8

5.3 8.5 8.5

6.5 5.2 4.8 4.4

在地理外置上，新余市与南昌和赣州的距离分别为160KM、290KM，因此我们用插值法算出新余市当地连续阴雨天。

南昌(离当地距离，月平均阴雨天)=(160,8.9)

赣州(离当地距离，月平均阴雨天)=(290,7.4)

新余市阴雨天：290*1.5/450+7.4=8.3 天

新余市连续阴雨天约为：3 天

2.2.2 蓄电池容量计算与选取

太阳能草坪灯配置的计算一般按照独立光伏系统的设计方法进行,下面是太阳能草坪灯配置的设计步骤:

设计要求:LED灯的输入电压为3 V，灯组功率为1 W,每天工作时数9 h,连续阴雨天数取3 天,

1. 负载日电量耗 : （1÷3）×9=3Ah

2. 蓄电池容量的计算:

容量计算公式如下:

蓄电池容量=负载功率×日工作时间×(连续阴雨天数)÷放电深度÷系统电压

其中:蓄电池容量单位为Ah;

负载功率单位为W;

日工作时间单位为h;

存贮天数单位为d;

放电深度,镍镉蓄电池取0.85左右;

系统电压单位为V。

根据上面计算:负载日耗电量3Ah

蓄电池容量=3×3÷0.85÷3=3.5Ah

由于本产品考虑到作为备用电源使用

则蓄电池选取为：5V,5Ah

3.蓄电池的选择

表 2 太阳能光伏系统中常用的蓄电池比较

蓄电池种类电压

（V)

能量密度

（Wh/kg)

价格

元、Wh)

自放电

（％/月）

容量效率

（％）

循环次数

（次数）

备注

镍镉蓄电池1.2 50 1.4-1.8 15-30 67-75 500 有记忆效

应，充放

电控制电

路简单

锂蓄电池 3.6 100 4.0-4.5 2-5 95 1000 防止过充

过放电

铅酸蓄电池2 30 0.6-0.8 5 90 400 寿命短，

使用时间

不长

( 1)从表中可以看出, 单位 Wh 价格 , 以锂电池价格最高,是铅酸蓄电池的5～ 7 倍 , 镍镉蓄电池是铅酸蓄电池的 2～ 3 倍,镍氢电池价格目前还是高于镍镉电池的价格, 是铅酸蓄电池价格的3～ 4倍。

( 2)镍镉/镍氢电池有相对简单的充放电控制电路,这是因为镍镉/镍氢电池都有比较强的耐过充、过放能力, 由于镍镉电池的镉电极和氧化镍电极属于不溶性电极, 因此镍镉电池不会因过充电而引起负极金属枝晶的产生和生长, 也不会引起隔膜的破坏而造成电池内部短路。镍镉/镍氢电池都具有一定的耐过放能力 , 能够完全放电, 在完全放电( 终止电压 1. 0～ 1. 1 V)深循环下 , 也有很好的

寿命, 因此镍镉/镍氢电池应用于太阳能草坪灯等小型光伏系统中, 只需要为系统设计合适的太阳电池板容量, 而不需要过充、过放保护电路 , 这可能使系统控成本降低。

( 3)在正常工作的条件下, 锂电池的充放电容量效率最高 , 而镍镉电池的充放电容量效率为67 %～ 75 %, 充放电电能效率为 55 %～ 65 %,镍氢电池的充放电容量效率典型值也只有 66 %,这些值相对于铅酸蓄电池的充放电 90 %的容量效率和以及 80 %的电能效率都明显偏低。

( 4)比较几种蓄电池, 其中以锂蓄电池的寿命最长, 镍镉/镍氢电池的循环使用寿命也长于小型阀控封铅酸蓄电池。小型阀控密封铅酸蓄电池的循环寿命是指80 % 放电深度时的寿命, 而对镍镉/镍氢电池都是可以完全放电 , 但是由于镍镉电池存在记忆效应要求每次充电前都要完全放电。

( 5)自放电率指蓄电池在不使用时失去电荷的速率。镍镉/镍氢电池的自放电率比较高 , 镍镉电池为 15 %～ 30 % ( 每月) ,镍氢电池为 25 %～ 35%( 每月) , 而在光伏系统中常用的固定型密封铅酸蓄电池的自放电率只有 5 % ( 每月) 。而且高温会加速蓄电池的自放电 ,在 45℃下镍镉蓄电池的自放电是 25℃下的3倍。

( 6)镍镉/镍氢电池都具有较好的低温放电特性, 镍氢电池即使在 - 20℃环境温度下 , 采用大电流 ( 以1 C 放电速率)放电, 放出的电量也能达到标称容量的85 %以上, 因此在高寒地带使用的光伏系统一般使用镍镉/镍氢电池代替铅酸蓄电池，然而 , 镍镉/镍氢电池在高温 ( +40℃以上)时蓄电容量将下降 , 同时高的环境温度也影响镍镉/镍氢电池充电效率 , 若在 40℃以上充电 , 充电效率会大大降低, 过高的充电温度也会引起电池漏液和性能降低。镍镉/镍氢电池在 10 ～ 30℃的环境下充电时 , 具有最佳的充电效果。故本产品选用镍镉/镍氢电池作为蓄电池。

2.2.3 太阳能电池板功率计算与设计

太阳能草坪灯白天的发电时间为9小时，则

系统充电电流 =蓄电池容量/发电时间=5/9=0.55A

总电流= 系统充电电流 + LED灯工作电流=0.55+0.35=0.9A

考虑到控制电路的损耗，太阳能组件的实际效率为85％则太阳能组件的功率： P=

（工作电压×总电流）÷85％=3×0.9÷85％=3.17W

由此可选用选用输出电压：1.5×3=4.5V,输出功率为4W 的电池组件

电池片的大小和数量由当地的天气和该产品所需的的功率计算而来。其计算公式为：

电池板功率=电池片长度*电池片宽度*电池片总数*硅片转换效率/1000 其中硅的转换效率一般为17%左右，电池片每片0.5v ，如按每片串联，即电池片数=5/0.5V=10片，如按一定的混联方式则片数值又会改变。根据我们设计的外形要求和产品的稳定性考虑，我们选用的电池片以2片先并联再10组串联,总共20片。尺寸形状为正方形。根据上面所给出的公式可得： 每片电池片的尺寸为=17%*1000/20*4=5.8CM

因此，整个电池片的向阳面的的尺寸分别是：宽度-24CM 、长度-30CM 才能满足我们整个系统的工作要求。排列图如下所示；

2.2.4 产品光源的选取

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 1MW，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 1MW，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。

其中本产品的LED灯的数量以及工作条件如表3所示

表3 太阳能LED灯具的主要性能指标

LED发光源 4只LED、每只0.25W

工作温度-40℃--80℃

正向电压 3.0-3.6v

使用电流 IF=350MA

照明时间

天黑后，光控自动启动电光转换功能，使路灯点亮；在深夜时控（时间点可调）自动使路灯熄灭；早晨时控（时间点可调）自动使路灯点亮；天亮后光控自动恢复到光电转换模式

阴雨天保证时间 保证连续3个阴雨天正常工作

LED 灯组合方式

串并混联

2.3 产品的电路设计

本设计主要是以简单的独立发电系统为模型，LED 太阳能草坪灯是一个小型的太阳能供电系统。它的结构非常简单主要由太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池、照明电路（负载）等部分组成。其电路图如图2所示。

图2 太阳能草坪灯的电路原理图

该电路的工作原理：白天有太阳光时，由BT1把光能转换为电能，由VD1对BT2充电，由于有光照，光敏电阻呈低阻，VQ4 b 极为低电平而截止。当晚上无光照时光敏电阻呈高阻，VQ4导通，VQ2 b 极为低电平也导通，由VQ3、VQ5、C2、R6、L1组成的DC 升压电路工作，LED 得电发光。

DC 升压电路其核心就是一个互补管振荡电路，其工作过程为：VQ2导通时电源通过L1、R6、VQ4向C2充电，由于C2两端电压不能突变，VQ3 b 极为高电平，VQ3不导通，随着C2的充电其压降越来越高，VQ3 b 极电位越来越低，当低至VQ3导通电压时VQ3导通，VQ5相继导通，C2通过VQ5 ce 结、电源、VQ3 eb 结(由于VQ2导通，我们假设其ec 结短路，VQ3 e 极直接电源正极)放电。 当放完电后VQ3截止，VQ5截止，电源再次向C2充电，之后VQ3导通，VQ5导通，

C2放电，如此反复，电路形成振荡，在振荡过程中，VQ5导通时电源经L1和VQ5 ce 结到地，电流经L1储能，VQ5截止时L1产生感应电动势，和电源叠加后驱动LED ，LED 发光。本可以提高电池电压直接驱动LED ，以提高效率，但电池电压提高，相应的太阳能电池价格也大幅提高，只要电路元件设置合适，其效率还是可以接受的。当白天充电不够时(如遇上阴雨天等)，BT2可能发生过放电，这样会损坏电池，为此特加R5构成过放保护：当电池电压降至2V 时，由于R5的分压使VQ4基极电位不足以使VQ4导通，从而保护电池。增加R5会影响VQ4的导通深度。

3 产品设计总体分析

本设计以实用性出发，在普通的太阳能草坪灯的基础之上外加了一个可向外界供能的环节，是可在极易发生突发事件地区的一个应急设备，还可作为景观灯、导路灯的身份使用。就其创新性而言，我觉得该产品可以大范围推广，达到了相应的设计要求，而且成本和普通的太阳能草坪灯相差无几，这在下小节我们会稍加分析。

3.1 产品性价比分析

本产品所用器件一览表及相应价格

器件名称

数量（件）

单价（元）

总计（元） 总额

电阻 7 0.1 0.7 114.7元

电池组件 1 40 40 二极管 4 0.5 2 感光元件 1 2 2 LED 灯 4 0.5 2 电路板 1 1 1 数据线 1 2 2 蓄电池 2 5 10 外形壳体 1 45 45 导线

10

1

10

与市场上的其他产品价格相比，我们的设计还是投入比较的大，而这其中的花费主要集中在外壳和电池片的设计上，如果能在这两个方面加以更节省的设计，那么和其他的产品的竞争力也将大大提高。为了达到一个均衡点，还得更多的数据验证。

3.2 总结与心得体会

经过一周的翻阅资料、查找相关信息，首先对我自己收集资料的能力有很大的提高，而且也对一个产品的设计、生产、销售都有一定的了解。首先对市场的调研，再收集产品信息，最后设计出自己的产品这样一条科学严谨的路线。这和老师的指导似乎分不开的，因为在做设计的时候，老师们天天会召集我们进行专业知识讨论和答疑。这默默的对我们的设计进程加快了脚步。可以说没有老师们的帮助，我们是很难在如此之短的时间里完成的。

最后，因为我们的产品只在设计阶段，不知道其市场价值为多大。对该产品入市有一定的风险。鉴于作者的水平有限，难免存在一些错误和漏洞，望各位老师多多指点，在此向大家表示衷心的感谢。

参考文献

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[2]赵争鸣，刘建政等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.10

[3]刘建明. 逆变和太阳能电源使用时需要注意的问题[J].四川地震，2005（01）

[4]朱正菲，金步平. 太阳能冷暖箱的研制[J].能源工程，2005（05）

[5]赵文博等，人民邮电出版社，单片机语言C51程序设计[M]，2005年10月

[6]李朝青.单片机原理与接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005

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