發(fā)布時間：2018/11/5 8:57:23 來源：本站
本設(shè)計方案涉及新能源照明技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種整體式薄型太陽能LED路燈。
隨著地球不可再生資源長期開采，不可再生資源成本會越來越高，其伴隨的安全和污染問題也越來越引起全球大多數(shù)國家的重視。太陽能和風(fēng)能、地?zé)崮艿刃履茉醋鳛榘踩�、環(huán)保新能源越來越受到人們的重視，也是未來能源發(fā)展的方向。LED太陽能路燈作為其中的一員，其優(yōu)點在于無需鋪設(shè)線纜等基礎(chǔ)工程，省時省力，安裝維護(hù)簡便，節(jié)約材料及人工成本，不用市電供電，節(jié)約電費；采用直流供電、控制使燈具穩(wěn)定性更好；采用LED作為光源壽命更長、發(fā)光效率高、安全性能高、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實用。LED太陽能燈具市場越來越大，從事LED燈具生產(chǎn)的廠家也很多，不少廠家已經(jīng)涉及LED太陽能燈具領(lǐng)域。工程商在選擇LED產(chǎn)品時也提出各種要求，涉及燈具外觀、安裝、光效、防眩光等方面。因此，LED燈具的設(shè)計一直是個值得長期思考和需要不斷總結(jié)完善的科研課題。
整體式太陽能路燈整體感強(qiáng)、簡潔、美觀，便于運輸及安裝。在白天，其既可讓太陽能板作為鋰電池充電，也可以作為景觀裝飾；光線暗下來后控制器通過預(yù)設(shè)時段及太陽能板的電壓檢測，自動判斷為整體式太陽能路燈的LED路燈供電，實現(xiàn)道路照明。市場上現(xiàn)有的LED戶外整體式太陽能路燈主要有以下幾種類型：圖1（a）、圖1（b）所示的一體化太陽能路燈，能夠調(diào)整太陽能板的東、西、南、北朝向，使太陽能板的轉(zhuǎn)化效率得到最大提升，但太陽能燈板安裝在燈桿延伸支桿或燈體的延伸部位，使得單燈體積增大，不利于燈具的倉儲及運輸，無形中增加了太陽能燈具的附加成本。圖1（c）所示為太陽能板與燈殼做成整體式，外觀雖然簡潔、美觀，但不利于燈珠的散熱，其限制了燈具的功率且不能調(diào)整太陽能板的朝向，使太陽能板不能高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。
圖1 現(xiàn)有的LED戶外整體式太陽能路燈類型
整體式薄型太陽能路燈的設(shè)計思路同一般的太陽能照明基本原理相同 （如圖2所示）。整體式薄型太陽能路燈，白天通過太陽能板組件將收集的太陽光的能量轉(zhuǎn)化為電能，通過充放電控制器給蓄電池充電，以及各種電池檢測及安全防護(hù)，在晚上或光線較暗時由蓄電池經(jīng)路燈控制器為LED燈提供電能，點亮LED路燈用于照明。
弄清了原理，我們根據(jù)各個部分電路的不同功能，分為以下幾個部分設(shè)計：太陽能電池板組件、沖放電控制器、路燈控制器、LED路燈、蓄電池。本設(shè)計方案的目的是提供一款整體式薄型太陽能路燈，用于各種農(nóng)村道路、交通輔道、小區(qū)、公園道路、無光線遮擋但不易拉電的場所照明為夜晚提供道路照明，所要解決的技術(shù)問題是外形輕薄時尚，方便運輸，現(xiàn)場安裝方便，有微博感應(yīng)功能，需保證其結(jié)構(gòu)安全性、可靠性、耐久性及電氣安全性。
3.2.1 整體外觀設(shè)計
整體式薄型太陽能路燈的主旨在于外觀時尚，感官輕薄，所以主體厚度設(shè)計最薄處為3 mm，外形采用流線型整體過渡設(shè)計，將最薄處和最厚處連接，使產(chǎn)品視覺感官上更輕薄、流暢，更像一個整體，長寬比采用黃金比例尺寸設(shè)計 （如圖3所示）。燈具靠尾端設(shè)計1 800 cm2的空間用于安放電池及控制器，腔體外形通過2個不同寬度及高度的2個腔體做造型，顯示出燈具的層次感，凸顯其線條及美感。表面采用戶外噴塑漆，顏色可以根據(jù)客戶要求噴涂，使外表面能達(dá)到更好的視覺效果 （顏色可以結(jié)合各種場合設(shè)計）。
3.2.2 燈具主體與路燈燈桿的連接方式
燈體尾部設(shè)計成圓弧抱箍形狀，底部加5 mm厚度的網(wǎng)狀加強(qiáng)筋，使燈具能夠承受更大的重量。燈體尾部采用預(yù)裝帶彈簧結(jié)構(gòu)的螺栓加雙壓板的設(shè)計方式，將燈具與50～70 mm直徑的圓燈桿連接固定，只需要把燈具套入燈桿，調(diào)節(jié)好水平，再用扳手?jǐn)Q緊壓板螺栓，燈具就安裝完畢，方便快捷，安全牢固。2個壓板中心間距為160 mm，能有效防止安裝時工人操作不當(dāng)導(dǎo)致燈具跌落傷人的風(fēng)險 （如圖4所示）。
3.2.3 燈珠及透鏡的選擇
此次設(shè)計的燈具主要用于各種農(nóng)村道路、交通輔道、小區(qū)、公園道路、無光線遮擋但不易拉電的場所照明為夜晚提供道路照明，按照設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計光源功率為20 W。燈珠采用36顆 “飛利浦”PHILIPS LUMILEDS LUXEON 5050M高光效燈珠加 “達(dá)爾科”DK173-36H1-45*63-TPⅡ-S透鏡，每顆燈珠功率為0.6 W，光效可以達(dá)到140 lm/W左右，燈具相當(dāng)于50 W左右的節(jié)能燈 （60 lm/W），滿足燈具設(shè)計需求，同時也能讓延長燈具的使用時間。燈體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和燈珠與透鏡的安裝方式如圖5所示。
圖3 整體式薄型太陽能路燈外觀設(shè)計
（1）LED光源與透鏡采用鑲?cè)胧桨惭b方式，有更好的防水效果 （燈板與透鏡、防水硅膠條鑲?cè)霟趔w的凹槽內(nèi)，用M3的平頭螺釘安裝固定）。對比市場上現(xiàn)有的透鏡直接鎖在燈體平面上，優(yōu)勢在于防止因工人操作不到位，螺絲未打緊，影響燈具防水效果。有時產(chǎn)品邊緣因下雨導(dǎo)致積水直接滲入透鏡，雨停后產(chǎn)生水汽，致使光源損壞。設(shè)計有效地降低了此類問題導(dǎo)致的維修量，從而降低維護(hù)成本。
（2）光源背部連線用FR-4材質(zhì)的玻纖連接線板，安裝固定在燈體設(shè)計的連接線板槽內(nèi)后，灌入防水灌封膠，安裝方便美觀，防水效果好。
3.2.4 燈體材質(zhì)及散熱
燈體主體采用ADC12壓鑄鋁合金，整體壓鑄而成，結(jié)構(gòu)堅固耐用。用壓鑄鋁方式制作燈體有以下幾個優(yōu)點。
（1）既可壓鑄結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，方便造型，使外觀及結(jié)構(gòu)更個性、更時尚、更有創(chuàng)意，又能保存較好的散熱性能，熱傳導(dǎo)率為96 W/m·℃。產(chǎn)品耐久度高，適合戶外使用。
（2）生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，不良率在7%左右，一臺臥式冷空壓鑄鋁機(jī)平均每8 h可壓鑄鋁600～700次，小型熱室壓鑄鋁機(jī)平均每8 h可壓鑄鋁3 000～7 000次；壓鑄鋁型壽命長，壽命可達(dá)幾十萬次；自動化可行性高。
圖4 一體式安裝示意圖
圖5 燈體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和燈珠與透鏡的安裝方式
（3）成本性價比高，其主體尺寸控制精度高，尺寸公差等級一般可達(dá)到6級左右，表面光潔度一般可達(dá)到7級左右，無需再做表面光潔度的加工處理；強(qiáng)度和硬度較高，強(qiáng)度一般比砂型鑄造提高25%～30%。延伸度低，能更好保證產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性，減少了大量的加工設(shè)備和工時；既節(jié)省裝配工時又節(jié)省金屬。
光源模組背部設(shè)計有散熱片，兩側(cè)及燈具模組間都采用網(wǎng)狀鏤空設(shè)計 （如圖6所示），使燈具既能通過模組背面的散熱片 （縱向）及時散熱，也能通過自發(fā)熱時，鏤空孔形成有效的空氣對流，及時將熱量導(dǎo)熱到空氣中，達(dá)到更好的散熱效果，保證燈珠的使用壽命。燈具主體有效散熱面積達(dá)到4 600 cm2，燈具可以達(dá)到120 W，可作為市電鋪道用路燈光源。
電池板采用單晶硅太陽能板。單晶硅太陽能板轉(zhuǎn)換效率為15% （工業(yè)生產(chǎn)）左右，比多晶硅要高。從制作成本上來講，單晶硅比多晶硅太陽能板的生產(chǎn)成本要高一些，但單晶硅太陽能板比多晶硅太陽能板的使用壽命要長，更加穩(wěn)定，結(jié)合產(chǎn)品的適用場合，減少產(chǎn)品的維修量，單晶硅太陽能的產(chǎn)品穩(wěn)定性更合適。太陽能板功率的選擇根據(jù)外觀和實用性考慮2種規(guī)格 （25W、50 W），通過合頁及可調(diào)節(jié)支架，達(dá)到調(diào)節(jié)太陽能板調(diào)平的要求。
3.4.1 充放電控制器、路燈控制器選擇
市場上有很多種類控制器，我們選用 “碩日”的SRMES60－IR/WB太陽能路燈控制器，主要考慮如下。
（1）我們選用的是18650電芯磷酸鐵鋰電池，而 “碩日”控制器支持MPPT（最大功率點跟蹤）及12 V鋰電池，具有自動激活功能。最大太陽能板開路電路Voc≤40V，最大太陽能板功率Pm≤100 W，適合我們選用的25 W/50 W太陽能板。
（2）鋰電池低溫充電保護(hù)、蓄電池反接保護(hù)、LED短路保護(hù)、開路保護(hù)等功能，更好地延長燈具的使用壽命。
圖6 燈體材質(zhì)及散熱
（3）其負(fù)載升壓恒流輸出，最大負(fù)載功率Pled≤60 W，符合設(shè)計燈具為20W的要求。
（4）熱釋電人體紅外或微波感應(yīng)功能 （有人時全亮或亮80%，沒人時降低亮度），同時還可以通過豐富的參數(shù)設(shè)置，對不同的場合進(jìn)行不同的優(yōu)化設(shè)計，使燈具的效果和使用達(dá)到最佳效果。
（5）低功耗休眠模式，便于產(chǎn)品的長途運輸，不會因為虧電，導(dǎo)致交貨時無法檢驗燈具好壞。
（6）其集成充放電控制器及路燈控制器，既能夠保證燈具安全性及可靠性，又能減少安裝時觸電造成傷害的風(fēng)險（輸入輸出電壓小于40V）。
（7）真正恒流而非限流控制，確保輸出電流平滑穩(wěn)定，從而減少LED光衰，延長LED使用壽命。
（8）金屬外殼，IP68防水等級，能夠在各種惡劣環(huán)境下使用。
3.4.2 蓄電池選擇與安裝
蓄電池采用18650電芯磷酸鐵鋰電池，3串，容量為18 AH，體積為132 mm×70 mm×50 mm，帶鋰電池保護(hù)板，標(biāo)稱電壓為11.1V，2組18AH電池并聯(lián)通過包塑鋼片及緊固螺釘固定在燈體設(shè)計防水腔體兩側(cè)，控制器與主體通過緊固螺釘固定在腔體中間位置 （如圖7所示）。燈具腔體通過盒蓋+硅膠防水圈達(dá)到防水密封效果。為了方便防水圈安裝，燈體處設(shè)計了密封圈安裝凹槽。盒蓋與燈體連接采用合頁+搭扣的方式，方便后期燈具電池、控制器的維護(hù)。蓄電池、控制器、LED燈連線通過WAGO電線連接器 ［222～412 V可接導(dǎo)線截面積為28～12 AWG，額定電壓為400 V，電流為32A（軟導(dǎo)線）］連接，方便快捷，易拆裝。
燈具采用的是類似合頁式設(shè)計加錯位擺放相結(jié)合的理念，使產(chǎn)品不同于其他同類產(chǎn)品 （如圖8所示），能更好地利用有效的空間 （我們設(shè)計的整體式薄型太陽能路燈2臺所需包裝空間為0.046m3，其他燈具所需空間為0.1m3，也就是說我們裝4臺的包裝箱，其他燈具只裝1臺），起到方便包裝、倉儲、運輸?shù)男Ч�，從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。
圖7 18650電芯磷酸鐵鋰電池
此產(chǎn)品為一款薄型整體式太陽能路燈，采用的是類似合頁式設(shè)計加錯位擺放相結(jié)合的理念設(shè)計，方便包裝、倉儲、運輸；燈體尾部采用預(yù)裝帶彈簧結(jié)構(gòu)的螺栓加雙壓板的設(shè)計方式，安全方便；控制器帶微波感應(yīng)功能，參數(shù)設(shè)置豐富，使燈具使用在不同場合達(dá)到最佳效果。太陽能板朝向、角度可調(diào)至水平，保證其結(jié)構(gòu)安全性、可靠性、耐久性及電氣安全性。此設(shè)計方案，為太陽能路燈新產(chǎn)品及其他LED燈具在運輸方便與實用性方面的問題解決提供了思路和參考。
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