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LED路灯的技术要点分析
LED技术
“十城万盏”是我国高科技产业以应用促发展的示范工程，其目的旨在通过选择一批基础良好的城市，采取国家、地方、企业共同投入的模式，率先开展LED市政照明的应用试点，为我国全面推广半导体照明摸索经验，并通过应用提升产业的自主创新水平，增强国际竞争力，促进中国半导体照明产业做大做强。
本文选择了示范项目较多的路灯、隧道灯以及对产品影响较大的驱动电源3个方面分析其技术进展，为“十城万盏”的顺利实施提供参考。
目前，用于道路照明的传统光源主要是高压钠灯，LED路灯主要在一些支干道上进行了试点应用，但两者已表现出明显的优劣差异。在光效方面，高压钠灯最高可达140lm/W,比目前商用大功率LED的光效100lm/W高，但LED的显色指数（约80）要远远超过高压钠灯（约25），且在相同照度下，白光LED更有助于司机或行人识别目标，其道路照明效果和舒适度要远高于高压钠灯。在灯具效率方面，高压钠灯采用球面发光设计，综合考虑反射器效率，高压钠灯的灯具效率一般仅有70%.但LED是定向出光，如采用恰当的配光设计，大部分光线会直接投射到路面，灯具效率能达85%以上。
所以，仅从光效和灯具效率来看，就可见LED路灯取代传统路灯光源的巨大潜力。为此，本文将从中山大学半导体照明系统研究中心在LED照明应用的研发过程中对配光、电源和散热等三个关键技术所取得的研究成果来重点阐述“十城万盏”示范应用工程关系密切的“LED路灯”的技术路线和技术支撑。
配光
通过光学设计获得蝙蝠翼型光强分布
目前市场上的LED路灯，其光源部分主要分两种方式：单颗1W大功率白光LED阵列和大功率集成封装光源模组。尽管LED路灯的国家标准还没有出台，但LED路灯的配光在参考传统光源道路照明标准要求时要实现以下目标：合适的平均路面亮度；高的总照度均匀度和纵向照度均匀度；合适的环境比；眩光控制等。
从配光曲线上看，要实现以上目标主要是通过合适的光学设计以获得蝙蝠翼型光强分布，从而在路面上获得矩形的光斑分布。但是普通大功率白光LED的封装透镜（即一次光学透镜）不适合直接应用于LED路灯上，所以在每一个大功率白光LED的一次光学透镜上还要添加二次光学透镜，目前“花生米”型的二次光学透镜能达到较好的效果。
中山大学半导体照明系统研究中心开发的设计思路是不采用单独的二次光学透镜，而是在一次封装的LED的发光光源外直接设计波浪形光学透镜面罩，利用透镜面罩来达到整个LED路灯发光光源的二次光学透镜的功能。
随着封装产业向下游应用产业的需求靠拢，中山大学半导体照明系统研究中心还开发设计特殊形状的一次光学透镜，在LED芯片封装时直接安装，具有体积小、成本低的特点，完全符合LED路灯和道路照明要求（图一）。
随着封装技术的进步，白光LED的封装方式由单颗1W大功率LED器件逐渐转向大功率集成封装光源模组。目前的大功率集成封装光源模组的功率最高可达100W以上，但这类光源由于发光面积较大，为光学配光设计带来困难。
中山大学半导体照明系统研究中心开发的红光增强的大功率白光LED智能控制系统技术，可以获得显色指数90以上，相关色温2500~8000K可调的光源模组（图2）。该技术利用在封装基板上集成光电转换芯片，实时监控光源模组的白光色度学参数，光电转换芯片将探测到的白光色度学参数的变化反馈给智能控制系统，系统通过计算后保证灯具能输出最优色度学性能的白光，可以保证光源模组输出保持设定的相关色温范围和显色指数；封装基板上还集成了温度传感芯片来实时探测封装基板的温度，实现对大功率LED芯片结温的间接监控，当结温超过系统预设的温度时，系统可以自动调节散热系统的散热途径或降低LED的功率。该光源模组可以由单颗1W大功率白光LED阵列的方式或大功率集成封装光源模组的方式组成，已经运用在LED路灯上。
电源
加强驱动电源可靠性设计 匹配LED寿命
目前主流的LED路灯采用交流电供电，交流电LED路灯存在一个共性问题，就是难以保证驱动电源寿命与LED的寿命相匹配。因为交流电必须经过开关电源的整流滤波才能变成直流电，而开关电源中必须采用电解电容来滤波。一般的电解电容寿命只有8000小时，远远小于LED的理论寿命50000小时。而且环境温度每升高10℃，电解电容的寿命就降低一半，使得整个LED路灯系统的寿命必然会受到电解电容的拖累。因此，制约LED路灯寿命的一个重要因素就是驱动电源的可靠性设计。LED路灯在室外环境下保证电源的可靠工作，一般需要从高效率、高功率、长寿命、过压过流、隔离、浪涌、过温、防护方面、符合安规和电磁兼容的要求等几方面进行考虑。
对于大功率LED路灯，无论其光源部分采用单颗1W大功率白光LED阵列方式或大功率集成封装光源模组方式，其主流的电源驱动方式是采取恒流驱动。一般通行的电路结构又由一个恒压源提供若干个恒流源，每个恒流源单独驱动一路串联的LED和市电直接转为恒流，LED以串并联组合的方式运行两种。
对于采用单颗1W大功率白光LED阵列的这种方式，恒压源为传统的开关电源架构相对成熟；而相配的恒流源部分为直流降压型，效率能达到95%以上，另外所占的电路空间较小，既可以与恒压源部分组合在一块，也可以与LED集成在一起，具有较大的灵活性。每一路LED电流可独立控制，保证灯具整体发光一致，但是成本会稍高一点。
对于大功率集成封装光源模组方式，又分为隔离型和非隔离型两类，前者成本以及效率方面有优势，但由于是非隔离的，供电不稳，尤其是晚上电压较高或雷雨时产生的浪涌，容易造成LED光源连同电源一起损坏。而后者虽然效率较低，电路复杂度较高，但可靠性得到保证。无论是隔离型还是非隔离型的交流-直流恒流源，由于路灯上的LED数目由几十到上百个，所以后端LED要考虑串联和并联相结合，于是不可避免地使得并联各路电流不一致。目前，这两种方式的电源并存。多路恒流输出的方式，在性能以及可靠性方面较好，将会是以后LED路灯电源驱动主流发展方向。
挖掘电池潜力 延长太阳能路灯寿命
随着太阳能这一新能源的发展，各地的太阳能LED路灯也逐渐兴起，太阳能电池的低压直流、长寿命的特点正好与LED相匹配。但是太阳能LED路灯系统中依然存在寿命瓶颈，就是铅酸蓄电池。一般的铅酸蓄电池的寿命为500个充电循环，大概在2年左右，约5000小时。中山大学半导体照明系统研究中心开发的智能充放电智能控制器，可以使得铅酸蓄电池的寿命达到1500次循环。
传统的太阳能路灯充电系统中，通常经过防电流倒灌二极管将太阳能板与蓄电池直接相连，将导致太阳能板的工作点偏移最大功率点（MaximPowerPoint,简称MPP）而未有效利用太阳能板的可输出功率，同时容易使蓄电池因供能不足而长期处于欠充满状态，造成寿命缩减。中山大学半导体照明系统研究中心开发的太阳能LED路灯系统利用太阳追踪（SunTracking）和最大功率追踪（MPPTracking,即MPPT）技术，可使太阳电池的输出稳定在MPP附近，从而有效利用了太阳能板可输出的最大功率。
智能调光系统灵活调整光输出 降低能耗
传统高压钠路灯，只能实现小范围的调光控制，比如关闭一侧或间隔关闭路灯，不可避免地带来照明形态的改变，容易造成安全隐患。LED路灯则可实现0-100%连续调光，可根据环境光照及交通状况灵活调整光输出，在保证照明质量的同时降低不必要的功耗。中山大学半导体照明系统研究中心开发的LED路灯的智能调光系统能方便地控制LED的工作状态，并通过改变驱动电流来控制其亮度。比如在进入下半夜后，通过降低整灯电流或关闭灯具内部分LED发光组件来达到低功率运行，达到节能的效果。
中山大学半导体照明系统研究中心还把Zigbee无线通讯控制技术应用在LED路灯系统上。Zigbee无线控制系统的出发点是希望能发展一种容易布建的低成本无线网络，具有协议栈简单紧凑、省电、可靠、时延短、网络容量大等特点（图3）。Zigbee收发模块集成在每一个LED路灯上，并通过接力的方式，把所有的信息汇集在终端上，从而实现在终端对每个LED路灯的运行情况进行有效的监控，发挥系统控制、故障排除和防盗的功能。
散热
优化散热和热管理控制系统
LED在正向电压下，电子在电场的驱动下克服p-n结的电场，由n区跃迁到p区并与p区的空穴发生复合。由于跃迁到p区的自由电子具有高于p区价电子的能量，复合时电子回到低能量态，多余的能量以光子的形式释放，辐射出来的光还需经过芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界。
综合考虑电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光萃取效率等因素，对于100lm/W的LED只有约30%的电能转化为光能，其余的能量则转化为热能，使LED芯片温度升高。对于LED芯片，如果热量不能有效散出，会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉效率下降。
随着p-n结的温升，LED芯片的发射波长将发生红移，导致YAG荧光粉激发效率下降，总的发光强度降低，白光色度漂移。当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升。器件温度每上升2℃，可靠性将下降10%.为了保证器件的寿命，一般要求p-n结的结温在90℃以下。当多个LED密集阵列或集成封装时，系统散热问题更严重。因此解决散热问题已成为LED路灯的先决条件。
如何提高LED路灯的散热能力是LED封装和LED路灯设计的核心问题。LED路灯散热问题分为芯片p-n结到外延层；外延层到封装基板；封装基板到外界环境三个层次。这三个环节构成了热传导的通道。针对LED的散热难题，中山大学半导体照明系统研究中心分别以下各个层面对散热和热管理系统进行了优化设计。
芯片p-n结到外延层的散热：在氮化镓材料的生长过程中，改进材料结构，优化生长参数，获得高质量的外延片，提高器件内量子效率，从根本上减少热量的产生，加快芯片p-n结到外延层的热传导。
外延层到封装基板的散热：在芯片封装上，采用倒装芯片结构、共晶焊封装（图4）、金属线路板结构。在器件封装上，选择合适的基板材料，比如金属印刷电路板（MC-PCB）、陶瓷、复合金属基板等导热性能好的封装基板，以加快热量从外延层向封装基板散发。
封装基板到外界环境的散热：目前的LED路灯一般是将大功率白光LED通过回流焊的方式阵列焊接在金属封装基板上，然后再把金属封装基板紧密安装在大体积的铝、铜材料的散热翅片上。大功率白光LED产生的热量通过金属封装基板传递到散热翅片上，利用自然对流或人为强制对流的方式达到散热的目的。
中山大学半导体照明系统研究中心针对大功率集成封装光源模组的热量大而集中的特点，将大功率集成封装光源模组安装在均温板上，利用均温板的快速扩散热量的性能将LED产生的热量快速横向扩散；在散热翅片部分还采用热管（直型热管、回路热管和脉冲热管）来降低加强热传导和降低热阻（图5）；在LED路灯的腔体中产生人工强制对流的方式来加强对流散热。

综上所述，引导LED路灯发展的技术支撑将体现在基于共晶焊技术的大功率集成封装光源模组方式；一次光学透镜；高显色指数和色温可调的白光智能控制系统；长寿命驱动电源；LED路灯结温智能控制系统； Zigbee无线通讯控制技术；基于热管技术的系统散热和热管理控制系统等几个方面。
随着能源价格的高企、能源危机的加剧和人类环保意识的提高，LED照明凭借其节能和环保的特点受到了越来越大的关注。目前，LED在路灯照明和室内照明等普通照明领域的应用刚处于起步阶段，受2008年北京奥运会和2010年上海世博会的推动，大功率白光LED的发光效率即将突破150lm/W将是LED进入普通照明的绝佳时机，随着单位流明价格的降低，LED路灯将全面取代现有的传统路灯。届时，全球的LED路灯的需求将达上亿只，仅中国的需求就要达到上千万只，产值将达上千亿元。
LED路灯市民难接受 本土发展令人堪忧
近日，佛山市禅城区作为广东省LED节能路灯及亮化工程试点区，已经完成了湖景路、绿景路、荷园路、彩虹路、佛山大道张槎隧道、文华路、同济东、汾江南路、岭南大道（矮灯）、深宁路、五峰四路、东平路、卫国路等路段路灯转换工作。然而附近市民对LED路灯却不大满意，有市民反映，安装LED路灯后，道路明显变暗，存在很大的安全隐患。
就市民提出的问题，禅城区公用事业局作出回应：LED所发出的白光接近太阳光，显色指数高，照明效果比高压钠灯更好。针对网友反映“白光太苍白，丑化城市”，他认为，这只是因为市民习惯了高压钠灯的黄光导致。
白色光是一种复合光，一般由二波长光或者三波长光混合而成。目前，LED实现白光的方法主要有三种：一是通过红、绿、蓝三基色多芯片组合以合成白光；二是使用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光，为改善显色特性还可加入适量红、绿荧光粉；三是采用紫外光LED(UVLED)激发三基色荧光粉合成白光。长期以来，我国的城市路灯以高压钠灯为主，市民普遍适应了黄色的照明路灯，接受白光LED路灯还需要一定的时间。
国家发改委等六部委近日联合出台的《半导体照明节能产业发展意见》指出，今后将重点在普通室内照明、停车场、隧道、道路、汽车照明以及医疗、农业等特殊领域开发和推广LED照明产品，并完善相关服务体系。
2009年，国家大力推动“十城万盏”建设项目，计划到2010年,在10-20个城市推广30万盏以上LED市政照明灯具。此举在节能环保、刺激内需、发展本土经济等多项领域具有重要作用，然而以目前的情况来看，LED本土化的普及还存在着相当大的困难。
首先，目前LED照明产品的价格仍然居高不下，虽然产品从长远角度具有节能特点，但是大多数消费者和企业用户仍对其持观望态度。LED照明产品现阶主要用于高档居室办公照明、汽车照明、政府采购等高端应用领域，平民化发展趋势较慢。
其次，LED照明上下游产品主要专利仍在国外领先企业手中，本土企业技术落后、产品质量参差不齐。国内市场主要掌握于欧司朗、飞利浦等国外品牌手中，这些大型对本土企业构筑起“专利包围圈”，使得本土LED企业发展相当缓慢。
虽然国内LED千亿市场前景喜人，但本土发展依然困难重重，市民的接受程度、价格及技术因素的制约都是挡在LED生产企业面前的高墙。LED在中国的发展还需要政府大力的扶持和媒体不断的宣传，有此二者再加上企业自身的自强创新，相信中国LED产业很快会步入世界巅峰

电压 
24(V) 
光源类型 
汞灯 
防护等级 
IP65 

1、太阳能LED路灯本身的特性——光的单向性，没有光的漫射，保证光照效率；   2、太阳能LED路灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到所需照明的区域，进一步提高了光照效率，以达到节能目的；  
3、太阳能LED的光源效率目前已达100lm/W，而且还有很大的发展空间，理论值达250lm/W。而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加，因此，总体光效LED路灯比高压钠灯强；  
4、太阳能LED路灯的光显色性比高压钠灯高许多，高压钠灯显色指数只有23左右，而LED路灯显色指数达到75以上，从视觉心理 角度考虑，达到同等亮度，LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低30%以上，（参照英国道理照明标准）；  
5、太阳能LED路灯的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到道路使用照度要求，而高压钠灯光衰大，一年左右已经下降30%以上，因此，LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低；  
6、LED路灯有自动控制节能装置,能实现在满足不同时段照明要求情况下最大可能的降低功率，节省电能；  
7、太阳能LED是低压器件，驱动单颗LED的电压为安全电压，系列产品单颗LED功率都为1瓦，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所（例如：路灯照明、厂矿照明、汽车照明、民用照明等）；  
8、每个单元LED小片只有很小体积，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。  
9、寿命长：能使用5万小时以上，提供三年的质量保证。  
10、光效高：采用≥100LM以上的芯片，相对于传统高压钠灯能节能75%以上。  
11、安装简便：无需加埋电缆无需整流器等，直接将路灯灯头安装于灯杆接上或者将光源嵌套原有灯壳。  
12、散热控制出色：夏天温度控制在45度左右，并采用被动散热方式。  
13、质量可靠：电路电源全部采用高质量元器件，每颗LED都有单独过流保护，无需担心损坏。  
14、光色均匀：不加透镜，不以提高亮度而牺牲均匀光色，从而保证无光圈光色均匀。   综合上述原理，大功率LED路灯的节能效果显著，代替高压钠灯可节电60%以上。   维护成本低：相对于传统路灯，LED路灯维护成本极低，经过比较，不到2年即可收回全部投入成本。 太阳能路灯工程：产品参数：
1、太阳能路灯主体材料：灯杆为全钢结构、整体热镀锌/喷塑处理
2、太阳能电池组件：晶体硅10-200WP（按负载配置）
3、太阳能路灯系统工作电压：直流12V/24V
4、太阳能路灯控制器：太阳能灯具专用控制器,光控+时控，智能控制(天黑灯自开，天亮灯自熄灭)
5、太阳能路灯储能电池：全封闭免维护铅酸蓄电池12V 24—200Ah(根据负载配置)
6、太阳能路灯光源类型：节能高效大功率LED路灯灯头，10-180W(可按客户要求配置)
7、太阳能路灯防护等级：IP65
8、太阳能路灯使用温度：-30度至70度，抗风力≥150Km/h
9、太阳能路灯照明时间：4～14小时（可根据需要调节）
10、太阳能路灯灯杆高度：4米～10米（可以按客户要求制作）
11、太阳能路灯阴雨天保证：可连续工作3~5个阴雨天（区域/季节不同有差异）    太阳能路灯设计体会，道路照度与适用范围　　根据《城市道路照明设计标准》的规定：快速路平均照度20lx，均匀度0.4，主干路平均照度15lx，均匀度0.35，次干路平均照度8lx，均匀度0.35，支路平均照度5lx，均匀度0.3。现投入使用的LED路灯，技术日益成熟，光效80~120lx/w，道路照度达到标准，笔者做过测试，杆高7米，间距28米，光源60wLED路灯，灯下照度22lx，两灯之间15lx，最暗处5.5lx。

太阳能LED灯具设计技术分析
太阳能LED灯具设计技术分析 

导读: 随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能电池作为一种新能源，在民用方面首先应用在照明灯具上，太阳能灯具产品由于环保节能的双重优势。 
关键字太阳能  LED灯具            随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能电池作为一种新能源，在民用方面首先应用在照明灯具上，太阳能灯具产品由于环保节能的双重优势。太阳能LED照明产品是新一代的绿色环保照明产品，它的主要部件包括太阳能光伏电池（PV技术）和半导体照明光源（LED）。因为LED太阳能灯集成了太阳能光伏发电和LED固态照明优点的太阳能LED照明系统，实现了新一代能源和新型光源的完美结合。但是，在太阳能照明灯具的设计中，涉及光源、太阳能电池系统、蓄电池充放电控制许多因素，其中任何一个环节出现问题都会造成产品缺陷。

一、先了解一下太阳能灯具组成：

        太阳能光伏发电技术能与LED照明完美结合的关键在于两者同为直流电、电压低且能互相匹配。因此两者的结合不需要将太阳能电池产生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的效率。同时，借助于并网技术或利用蓄电池充放能量，使其优势更加明显。

1、太阳能电池板 
2、充放电控制器 
3、蓄电池 
4、负载 
5、灯具外壳二、设计使用时需注意的问题：（以LED草坪灯为例）
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。采用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，反向电压6V左右，注意不要超过这个极限，尤其在太阳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6400k~30000k。目前，低色温的超高亮白光LED尚没有进入市场，因此用超高亮白光LED制造的太阳能草坪灯光穿透能力比较差，所以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。受静电伤害的超高亮白光LED当时可能凭眼睛看不出来，但是使用寿命将变短。 
7、系统组合中要注意光敏传感器，太阳能灯需要光控开关，有的设计者往往会使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，特性比光敏电阻要好。对于太阳能庭院灯的应用问题不大，但是对于仅仅使用一只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。
8、按蓄电池电压高低控制负载大小，太阳能灯往往对连续阴雨天可维持时间要求很高，这就增加了系统的成本。我们在连续阴雨天蓄电池电压降低时减少LED或者节能灯接入的个数，或者减少太阳能灯每天的发光时间，这就减少了系统的成本。
9、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灯照射效果，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，可降低成本。
10、三色基色高效节能灯的开关速度。这个问题非常重要，它甚至决定了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会造成电压的大幅度下降，太阳能草坪灯就无法启动或者反复启动，导致最后的损坏。
11、目前太阳能电池还不能够使用在主干道照明上。公路主干道的照明有法定的照度要求，就目前太阳能电池的转换效率和价格而言，还不能够满足这个要求。但在不久的将来随着各方面技术水准的提高，太阳能电池一定会应用于公路主干道的照明上。
12、关于储能电容，太阳能电池的使用寿命在25年以上，普通蓄电池的使用寿命在2~3年，所以蓄电池是太阳能电力系统中最薄弱的环节。储能电容可以在一定程度上解决这个问题。储能电容的使用寿命可以达到10年以上，而且控制电路简单，但是昂贵的价格限制了它的应用，目前仅仅应用在部分交通信号灯和装饰灯上。随着技术水准的提高，产品价格的下降，它将是一种最有希望成为太阳能电池配套的理想储能组件。        综上所述，太阳能电池是一个巨大的PN结，它把太阳能转换为电能。LED则是另一个可以将电能转换为光线的PN结，它的转换效率在不断提高，相信不久就可以达到节能灯的水平，而使用寿命可以却可以达到10万小时以上，这才是真正意义上的绿色照明。
大功率LED照明 设计
· 近年来随着太阳能光伏发电技术和LED照明技术的发展，太阳能LED 路灯已进入了城市照明领域。LED 作为照明光源与传统的照明光源相比具有直流低电压驱动、耗电量少、抗振动、寿命长、纳秒级的响应速度、设计空间大、环保、可连续开关闪断，能轻松实现0～100%调光功能等优点，被认为是新一代的绿色照明设备。太阳能LED 路灯是以太阳能作为能源。每个路灯均是独立的，安装方便，无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费，采用直流供电，光控定时控制，安全可靠、节能、经济、环保，实用。
　　1、太阳能电池板与蓄电池的选取
　　1.1 太阳能电池板选取
　　目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率约为15%，最高达到24%，是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，技术也最为成熟。使用寿命一般可达15 a，最高可达25 a。多晶硅太阳能电池比单晶硅太阳能电池的光电转换效率要降低不少，其光电转换效率约12%，同时多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。非晶硅薄膜太阳能电池光电转换效率偏低， 目前国际先进水平约为10%，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减，直接影响了其实际应用。所以目前多采用单晶硅太阳能电池。
　　根据太阳能辐射原理，太阳能电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度、海拔、大气的污染程度或透明程度、一年当中四季的变化、一天时间的变化、到达地面的太阳辐射值、散分量的比例、地表面的反射系数、太阳能电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳能电池方阵表面的清洁程度等。太阳能照明系统充放电效率取0.75，太阳能电池组件组失修正系数取0.95，灰尘遮挡及其他损失修正系数取0.90。经过查询资料和单位换算及简化处理后，可得到太阳能电池总用量P 的计算公式：

        1.2 蓄电池的选取
　　蓄电池的容量要根据太阳能电池板的功率和LED 路灯的功率以及照明时间来决定， 蓄电池应与太阳能电池、LED路灯相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须高出负载功率4 倍以上， 系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%～30%，才能保证给蓄电池正常蓄电。因此，蓄电池容量必须比负载日耗量高6 倍以上为宜。
· 蓄电池的容量Bc的计算公式：　　
Bc=(PL×10×D)/(Kb•V)
　　式中，PL 为日平均耗电量，D 为阴雨天数，Kb 为安全系数，1.1～1.4 （包括了温度修正系数To=0 ℃上为1，-10 ℃上为1.1，-10 ℃下为1.2，放电深度cc=0.75），V 为工作电压。
　　根据式（2）可以估算出蓄电池的容量，同时蓄电池的充电效率的高低取决于充电的方式。根据系统要求和对各种指标的核定，这里选用12 V 100 Ah 阀控密封式铅酸蓄电池。
　　2、太阳能控制器硬件设计
　　太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是控制太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制设备，能自动防止蓄电池过充电和过放电。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。
　　本文设计的充电控制器用ATmega128 单片机作为主控器件，检测太阳能电池板的输出电压，选择适合的DC/DC 支路，检测蓄电池的电压值，根据蓄电池的电荷状态，选择合适的充电方式，为蓄电池提供过充电、过放电保护。
　　图1 为采用斩波式PWM 充电原理图， 检测蓄电池的充电端电压， 将检测得到的蓄电池端电压与给定点电压比较。若蓄电池的电压小于给定电压，斩波器全通，迅速给蓄电池充电；若大于给定电压，则根据比例调整功率管的占空比，充电进入慢充阶段，改善充电特性，最后进入涓流充电，防止过充。

斩波式PWM充电原理框图
· AVR128 单片机（PB4）给出充电的控制信号，即PB4=1，NPN 型0805 的三极管导通，此时集电极接地，使得IRF4905栅源电压钳位在-10 V，IRF4905 管导通， 太阳能电池板向蓄电池充电； 反之，NPN 型0805 三极管截止VGS=0 V，IRF4905管断开，太阳电池板不能向蓄电池充电。
　　ATmega128 内置10 位的逐次逼近型A/D 转换器。A/D转换器与8 通道的模拟多路复用器连接，采样端口F 的8 路单端输入电压。蓄电池正极与单片机PF1 引脚相接，当电压低到10 V，单片机自动检测到并作出相应处理，如图2 所示。

系统硬件电路
　　3、LED 的选择
　　按目前市场产品的输入功率对LED 分类，其中输入功率为几十mW 的，称为传统的小功率芯片；其输入功率小于1 W的，为功率LED；输入功率等于1 W 或大于1 W 的，则为W级功率（大功率）LED。目前大功率比较常见的有1，3，5，8，10 W。已批量应用的有1 W 和3 W LED，并正朝大电流（300 mA～1.4 A）、高效率（60～1 204 lm/W）、亮度可调的方向发展［3］。大功率LED 路灯采用单颗功率大于1 W 以上的LED。选用美国CREE 公司的3 W LED 将多个芯片集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源，组合成一个大功率LED 单体模块，装入路灯灯具中，借此提高芯片面积，并增加发光量。
· 　将多个LED 集中在一起设计道路照明，除足够的光通量和合理的光学设计保证合理的光分布外，更为重要的是散热问题。由于路灯具有户外夜间使用，散热面位于侧上面以及体型受限制较小等特点， 有利于空气自然对流散热， 所以LED 路灯选择自然对流散热方式，同时整灯采用高导热系数铝作为散热主体，解决了LED 的散热问题。
        4、LED 组合及驱动方式
　　常用的LED 组合方式有3 种：并联、串联和混联。
　　1）并联方式要求LED 驱动器输出较大电流，负载电压较低。分配在所有LED 两端电压相同，当LED 的一致性差别较大时， 通过每颗LED 电流不一致， 其亮度也不同。
　　2）串联方式要求LED 驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时， 分配在不同的LED 两端电压不同，通过每颗LED 的电流相同，LED 的基本亮度一致。
　　3） 混联方式在需要使用比较多LED 时， 如果将所有LED 串联，将需要LED 驱动器输出较高的电压；如果将所有LED 并联，则需要LED 驱动器输出较大的电流。将所有LED串联或并联，不但限制着LED 的使用量，而且并联LED 负载电流较大，驱动器的成本也会大增。混联方式的LED 数量平均分配， 分配在一串LED 上的电压相同， 通过同一串每颗LED 上的电流也基本相同，LED 亮度一致。同时通过每串LED 的电流也相近。
　　通过以上分析，大功率LED 应用于照明领域，由于LED的电流、电压参数具有典型的PN 结伏安特性， 其正向压降的微小变化会引起较大的正向电流变化。不稳定的工作电流会影响LED 的寿命和光衰。所以大功率LED 的亮度完全是由电流控制的， 驱动电路必须提供恒定的电流。
　　在驱动电路中选用大功率LED 驱动器XLT* 驱动LED。XLT* 是采用BICMOS 工艺设计的PWM 高效LED 驱动控制器，它在输入电压7～450 VDC 范围内能有效驱动高亮LED。该驱动器能以高达300 kHz 的固定频率驱动外部MOSFET，其频率可由外部电阻编程决定。外部高亮LED 串可采用恒流方式控制， 以保持恒定亮度并增强LED 的可靠性，其恒流值由外部取样电阻值决定，变化范围为几mA～1 A。XLT* 驱动的LED 可通过外部控制电压线性调节亮度，亦可通过外部低频PWM 方式调节LED 串的亮度，所以根据太阳能LED 路灯设计实际需要， 选择LED 混联方式， 并选用XLT* 驱动器设计驱动电路来驱动LED，如图3 所示。　　

XLT604功能框图
· XLT* 各引脚主要功能有：LD 为线性输入调光端；ROSC 为振荡电阻接入段；CS 为LED 电流采样输入端；GND为芯片地；GATE 为驱动外部MOSFET 栅极；VDD 为芯片电源；PWM 为PWM 输入调光端，兼作使能端。
        5、太阳能30 W LED 路灯系统设计
　　太原地区年日照总时数为2 360～2 796 h。年太阳辐射总量为5 442.8～5652.18 MJ/m2， 峰值日照时数为4.832 053 2，属全国高照率范畴，因此，太原地区具有良好的太阳能利用条件。下面以太原地区30 W LED 路灯系统为例进行说明：
　　1）确定当地气象地理条件经过资料查询太原地区：纬度：北纬37°27′～38°25′，经度：东经111°30′～113°09′海拔：800 m，最长阴雨天：7 d
　　2）负载日耗量的确定照明路灯功率30 W，每天连续工作时间10 h，因此，每日耗电
　　QL=30 w×10 h=300 Wh （3）
　　3）倾角的确定太原地区倾角选38°，太阳能电池板最佳倾角：38°＋5°＝43°，因此，太阳能电池板面向正南。
　　4）太阳能电池总能量的计算通过资料查询，得知太原地区Kop=1.1，从当地的纬度、经度、海拔，和当地气象部门公布的数据： 太原地区日平均太阳辐射量为15MJ/(m^2•d)，因此水平面年平均日辐射量HL=15 000KJ/(m^2•d)。
P=5 618×A×QL/(Kop×HL)=112Wp
　　太阳能电池选用组件参数：工作电压为17.2 V，工作电流为3.49 A，开路电压为21.6 V，短路电流为3.9 A，峰值功率为60 Wp。选用峰值功率为60 Wp 的太阳能电池板，所用太阳能电池组件共2 块，太阳能电池设计12 V 蓄电池充电。
　　5）蓄电池的容量Bc的计算可用式（5）计算蓄电池的容量Bc：
　　Bc=(30 W×10×7)/(1.1×12)=159 Ah （5）
　　因此选用两组12 V 100 Ah 阀控密封式铅酸蓄电池即可。
　　目前大功率LED 路灯基本是采用5 000 K 左右所在色温的白光。作为道路照明光源，视觉感过分阴冷，同时远视时观察能力会下降， 选用3 000 K 左右的暖白光是比较适合道路照明的。同时还要考虑到电池组件支架的抗风设计和灯杆的抗风设计，LED 路灯的工作电压一般为12 V 或24 V，属于安全电压，不做电气保护接地。但LED 路灯金属灯杆应做防雷接地，接地电阻不大于10 Ω。
　　6、结论
　　太阳能LED 路灯照明系统是自然能源太阳能与环保光源LED 的完美结合， 其发展前景极其广阔。但是， 太阳能LED 路灯在实际的应用中还存在很多问题。包括：1）集中管理的问题；2）太阳能电池寿命、蓄电池寿命以及其他的控制元器件寿命往往低于LED 寿命的问题；3）一般安装高度比较高的太阳能电池的重量带来对灯杆设计的防风能力提高的问题。这些问题都是太阳能LED 路灯照明需要进一步解决的。