太阳能LED广告灯箱的研制

新疆维吾尔自治区新能源研究所 ■ 林闽 张艳红 修强 热孜望

一 引言

早在20世纪60年代，LED(半导体发光二极管)的发光原理就被人类掌握，并开始大量应用于各种仪器仪表的指示光源。随着近代固体物理学和新型半导体材料的突破性发现，LED技术取得了突飞猛进的发展，尤其是用于照明的白光LED的应用，将改变传统光源结构。实验室中LED的光效已达到传统光源的10倍，比白炽灯节能70%。在寿命上，LED可以连续发光超过10万h，比传统光源寿命长10～50倍。由于LED的这些显著优点和技术日臻成熟，近年来逐渐开始应用于交通信号灯、景观灯、大面积显示屏等。与此同时，太阳能技术在过去10年来的大幅进步，已使太阳能作为低功耗直流电源实现了实用化，成本大幅度降低。LED技术和太阳能技术相得益彰，两者的结合可以在很大程度上摆脱传统光源对人工维护等方面的依赖，降低使用成本。

二 光伏照明系统设计

1光伏系统的电压等级确定

IEC标准、国内标准规范以及行业内大部分企业的产品规格中，太阳能电源控制器、逆变器直流电压规格等级为：12V、24V、48V、110V、220V等。在LED系统中，负载是由一个个小LED串并联组成的模块，为直接选用规范的控制器、逆变器产品，LED模块的额定电压应和电池板、控制器相匹配，同时还要考虑直流侧电流不能太大，降低线损，并根据负载容量确定电压等级。

2蓄电池容量设计

要按供电保证率来考虑。在实践中，应调查用户所在地一年中实际连续阴雨天的最大天数。在新疆，一般要满足用户连续三个阴雨天正常供电。根据用电需求情况，计算日耗电量如下：

日平均用电时间根据用户需求可取4～12h，整机效率一般取80%，LED广告灯箱是无人值守系统，要考虑在冬、夏季负载电流可能的变化情况，估算日耗电量实际上应接近于设计最大值。为使太阳能系统长期可靠运行，根据设备厂家提供的寿命期内蓄电池容量衰减及效率下降情况，确定蓄电池容量为：

3太阳电池板的倾角

对于固定倾角的太阳能独立供电系统，选择当地纬度为太阳电池板的倾角，可使太阳能系统的年发电量最大。但作为独立供电系统，首先要考虑一年四季都能满足用户需求的均衡供电问题。事实上，冬季太阳辐射弱、发电少、夜间时间长，光伏照明系统的实际用电量会大于夏季，因此首先要侧重于提高冬半年的发电量。冬季太阳高度角低，根据经验，一般情况下倾角可选择当地纬度加5¡～8¡，然后测算此倾角下发电量，再根据推算结果进行修正。

以下是太阳电池板倾角的一种理论计算方法。

目前气象台站的所有观测项目(直接辐射、散射辐射以及总辐射)都是以水平面为基础的，但在实际利用太阳能的过程中，为了获取尽可能多的太阳能量，取得更好的经济效益，工程上往往是将采光装置安放成某一倾斜角度。因此，将已知水平面的太阳辐射强度转化成任意平面上的太阳辐射强度，并且找出在某一时间某一角度下可获得最大能量，即在某时刻下的最佳倾角设计，在太阳能工程中有很大的实际意义。

最佳倾角设计是一个复杂的数学问题，这里不具体介绍其推导过程，以下给出的计算公式是最精确的计算方法之一。

任意平面上的太阳能辐射计算公式为：

其中：I为任意平面上的太阳能辐射；i为水平面上的太阳能辐射；α为任意平面与水平面夹角（倾角）；ϕ为当地纬度；A为方位角；δ为太阳赤纬角；h为太阳高度角；ω为太阳时角。通过积分运算得出最大的辐射强度，与之对应的倾角即为最佳。当然，根据经验通过迭代法计算相对更快。

4LED光源的恒压、恒流控制技术

首先，并不是所有的发光二极管都适合做LED光源，必须选择经过特殊工艺制造的高光效、高亮度的专用LED。由于LED的发光效率与其工作电压、电流、内电阻、温度等都有关联，而LED一般都具有较宽的工作电压范围，在额定电压、电流、温度下，发光效率最高。随着LED使用时间的延长，其温度会升高，内阻等特性将改变，光效下降，所以LED的驱动应采取稳压或恒流控制。一般情况下，LED的恒流驱动电路输出的电流恒定，而输出的直流电压却随负载阻值不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高；恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。LED的稳压驱动电路输出电压是固定的，而输出和电流却随着负载的增减而变化；稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路；以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使LED显示亮度平均，且亮度会受电压变化的影响。一般恒流驱动电路驱动的价格要高于稳压驱动电路驱动。

三 太阳能技术和LED技术在广告灯箱上的结合

1太阳能LED广告灯箱的工作原理及其设计

太阳能LED广告灯箱是一种新型照明产品，具有节能、环保、安装方便、使用维护简单、成本低廉等优点，是常规广告灯箱的替代产品。白天，太阳电池经过控制器给蓄电池充电；夜间，由蓄电池经控制器给LED光源供电，点亮广告灯箱。系统构成包括太阳电池板、广告灯箱、LED光源、蓄电池、控制器等，如图1所示。

现以新疆农业职业技术学院安装的太阳能LED广告灯箱为实例，介绍其设计和制作过程。

图1 太阳能LED广告灯箱系统工作原理

安装地点：昌吉，新疆农业职业技术学院大门内道路两侧。地理纬度：北纬43¡47'。安装数量：8个。使用要求：每天5h。

(1) 广告灯箱的选型设计

根据与用户的协商，广告灯箱采用普通结构，尺寸为2.4m ×1.2m；箱体和立柱采用常用的不锈钢结构；太阳电池板和广告灯箱为一体化设计，位于灯箱两边立柱的正上方；电池板下沿要高于箱体遮雨蓬至少30cm，以防止冬季积雪淹没电池板；根据后面电池板的选型结果，灯箱的总高为3.3m；灯箱面板采用高透光耐光板(当然也可采用玻璃，但太重，而且价格相差不大)；内衬反光底板采用和灯箱同尺寸的铝塑板。常规的同尺寸单面灯箱一般配有6支40W日光灯管，本项目用LED模块代替。

(2) LED光源的选型设计

并不是所有的LED都适合广告灯箱，经大量调研后，选择了LED光条(一种很薄的窄条，在上面等距镶嵌有LED颗粒)和LED模块(业内称之为“食人鱼模块”)这两种产品。每3粒LED加一个小电阻构成一个模块，制作在一个带背胶的塑料衬底上。厂家可按用户要求进行等距的串并联制作，每个模块之间用导线连接，线的选材、粗细都可按用户要求，当然也可自己制作。这是两种成熟的产品，在深圳等地大量外销。

(3) 配光设计

在制作LED灯箱之前，我们已对常规的灯箱做过亮度和光效测试，如何采用最少的LED并达到较佳的实用效果是我们追求的目标。无论是LED光条，还是LED模块都有一个发射角，角度有45¡、90¡、135¡等，我们选取各种LED在实验室进行了配光测试，主要测试指标为照度、均匀度、电流。完成测试后确定灯箱厚度，上下两排的LED一定要形成光路的交叉，否则会出现一个阴影带(见图2)。根据对照射面的照度测试和光强均匀度计算，最后确定灯箱厚度为20cm，2个LED模块的纵向间距为36cm，横向间距为30cm。

图2 LED阵列正面和纵向排列示意图

灯箱宽度为1.2m，1.2/0.36=3.3，考虑到灯箱两边的照度，取4排LED模块；灯箱长度为2.4m，2.4/0.3=8，同样考虑灯箱两边照度，每排取9个LED模块，广告灯箱共采用4×9=36个LED模块并联组成一个光阵。导线选择1.5mm的多股铜芯线。经测试，在电压为直流12V的情况下，整个LED组合的电流值为2.4A，LED阵列功率不到30W。灯箱的日耗电量为30×5÷0.8=187.5Wh，即12V系统15.625Ah。

(4) 蓄电池容量设计

考虑到寿命和价格因素，选用12V的免维护胶体铅酸蓄电池。蓄电池容量=日耗电量×连续阴雨天数÷(1−衰减因子)=15.625×3÷(1−0.3)=67Ah，最后选定蓄电池为12V 80Ah。

(5) 太阳电池板的倾角和功率设计

在北方地区，夏季夜间较短，日照时间长，太阳辐射好；而冬季夜间较长，日照时间短，太阳辐射差。因此，光伏系统要保证一年四季的正常应用，必须要有好的设计方案，不能仅仅为了满足使用要求(亮度、时长等)而一味增大太阳能系统功率，这样只会使系统的价格变得更加昂贵。在满足用户需求的情况下，设计最经济的配置是我们的设计原则。

首先，根据安装地的气象条件，确定太阳辐射最弱的月份(一般在冬季)，根据这个月太阳高度角的变化情况确定电池板的倾角，然后进行系统功率匹配设计，在保证太阳能资源最差月份正常使用的条件下，再逐一计算验证其他月份是否也能满足使用的要求。太阳能光伏照明系统的最大障碍是过冬问题，在低温环境下，太阳电池板易被冰雪覆盖，接收功率下降，造成系统不能正常工作，而且由于光伏照明系统电池板的安装位置都较高，清除积雪很困难。经过长期研究，我们发现一个规律：冬季下雪在物体表面上的溶化脱落速度与平面的倾斜角度、磨擦系数、雪的物质特性以及风向风力、环境温度、海拔、太阳辐射强度等有关，对太阳电池板来说，总有一个最小的倾角使得冰雪不易在表面上站住(或是太阳出来后，积雪便迅速滑落)，这个角度在不同的地区是不同的。大量实验证明，在乌鲁木齐，临界角度为52¡，即只要大于52¡，冰雪在电池板表面站不住，小于这个角度，则冬天不能良好发电。由于冬季太阳高度角低，对电池板的倾角也要求较大，例如在乌鲁木齐选定的角度是55¡，因此，太阳能广告灯箱、太阳能路灯等光伏照明系统的倾角设计和光伏电站有较大不同。昌吉和乌鲁木齐纬度接近，大气透明度优于乌鲁木齐，在这里也选定为55¡。根据用户要求，选用多晶硅电池组件。查新疆新能源研究所内部的技术手册，当地最弱辐射月份为12月份，折算的水平面表面的日平均峰值日照时数为1.9h。再通过上述计算方法得出在55¡倾斜面上的日平均峰值日照时数约为2.7h。

光伏功率=日耗电量÷峰值日照时数÷效率因子=187.5÷2.7÷0.8=87W

最后选用两块50W的电池板。其他月份由于日照时间长和太阳辐射好，对当月来讲虽然不是最佳发电角度，但通过计算，发电量仍可满足使用要求。安装方向为正南偏西5¡。

(6) 控制器和恒流源的选型设计

笔者所在单位就设计过带恒流驱动的太阳能光伏照明控制器，具有光控、时控、过充、过放保护、短路、过载等多种保护功能。当然，也可以选择普通太阳能路灯控制器，型号规格为12V 10A。再选择一个功率为30W的LED路灯上用的恒流源，国内生产恒流源的厂家很多，选择范围广。

(7) LED广告灯箱的制作及安装

完成上述设计后，开始LED灯箱的制作。选择一家合适的专门制作灯箱的加工厂，提出技术要求，加工工艺和常规灯箱相同。做好的箱体在实验室内拿下底板，最好先在内层刷层白漆，利于光的反射，或直接选用白色衬底的底板材料，然后按前述尺寸在底板上均匀排列LED模块。先划好位置尺寸，连接上导线，再用专用胶将LED模块固定在底板上，接好控制器、恒流源、稳压电源等，点亮测试通过，一个LED光阵就完成了。

太阳能LED广告灯箱的安装和常规产品基本一样，工程量少了挖电缆沟等工作，多了太阳电池板安装及固定的工作，灯箱的基础既可以用预埋件水泥预制，也可以用膨胀螺丝在水泥地面上固定，主要看当地的风力，若风太大则选择第一种方法把基础做牢固。最后在灯箱附近选合适位置挖个蓄电池地埋坑，接好系统并测试后，把专用地埋箱埋好，清理完场地后，任务全部完成。

2太阳能LED广告灯箱的经济性分析及实践经验

以新疆农业职业技术学院的广告灯箱为例。按2009年的工程造价，每个太阳能LED广告灯箱的造价为6350元，其中太阳能LED部分的增量投资为2750元。市场上同样大小的普通广告灯箱工程造价一般为8000元左右(含挖电缆沟及材料)，太阳能LED广告灯箱有足够的利润空间，并且无需支付电费，经济性显著。LED广告灯箱亮度、均匀度等光照效果优于常规日光灯，竞争力非常明显。以当前太阳电池低于6元/W的价格，太阳能LED广告灯箱的市场前景更为广阔。

图3 太阳能LED广告灯箱系统结构

表1 太阳能LED广告灯箱的技术经济指标一览表

在北方，为了在冬季也能使用，通常会在灯箱下方挖一个1.5m的深坑，把蓄电池地埋箱放进去后再掩埋；或做一个有保温的基座，且必须保留一定的通风口，通常由电缆上下出入口担当通风的作用。控制器可放置在广告灯箱或地埋箱内。若控制器在广告灯箱内，对芯片有更高的要求，要能耐严寒，必须采用带探头的温度传感器，否则蓄电池的温度补偿将不准确。这些要求对控制器的性能和可靠性是一个挑战，成本价格也会增高。若控制器在地埋箱里，工作环境基本常温状态，和电池温度接近，但即使采用了免维护蓄电池，酸雾的影响也很大，会直接缩短控制器寿命，而且坏了还不易更换。太阳能LED广告灯箱的安装和常规产品一样，非常简单，由于无需挖电缆沟，安装较快。

本文所提及的电池板倾角等关键问题，也是在应用中要特别注意的地方。本文中多项技术都已申请专利，但由于单位性质，市场做的并不好。从2006年开始，先后在乌鲁木齐雅山公园、新疆农业职业技术学院、新疆太阳能科技开发公司院内、乌鲁木齐县水西沟镇方家庄村等地安装了几十个太阳能LED广告灯箱、3000多盏太阳能路灯，在光伏照明应用上的一些成功经验被业内广为传播，有利地推动了新疆光伏照明事业的发展。

3实验效果(图4)

四 结论

通过实践表明，把太阳能光伏发电技术和LED技术科学地融入到广告灯箱中应用，其效果非常理想。太阳能LED广告灯箱的工程价格接近于常规灯箱，具有极高的社会经济效益，既节能又环保，同时具有高度的可靠性，可实现免维护，无需挖沟埋缆，且随意安装，非常方便。

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