太陽能LED廣告燈箱的研制

新疆維吾爾自治區(qū)新能源研究所 ■ 林閩 張艷紅 修強(qiáng) 熱孜望

一 引言

早在20世紀(jì)60年代，LED(半導(dǎo)體發(fā)光二極管)的發(fā)光原理就被人類掌握，并開始大量應(yīng)用于各種儀器儀表的指示光源。隨著近代固體物理學(xué)和新型半導(dǎo)體材料的突破性發(fā)現(xiàn)，LED技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，尤其是用于照明的白光LED的應(yīng)用，將改變傳統(tǒng)光源結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室中LED的光效已達(dá)到傳統(tǒng)光源的10倍，比白熾燈節(jié)能70%。在壽命上，LED可以連續(xù)發(fā)光超過10萬h，比傳統(tǒng)光源壽命長10～50倍。由于LED的這些顯著優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)日臻成熟，近年來逐漸開始應(yīng)用于交通信號燈、景觀燈、大面積顯示屏等。與此同時(shí)，太陽能技術(shù)在過去10年來的大幅進(jìn)步，已使太陽能作為低功耗直流電源實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化，成本大幅度降低。LED技術(shù)和太陽能技術(shù)相得益彰，兩者的結(jié)合可以在很大程度上擺脫傳統(tǒng)光源對人工維護(hù)等方面的依賴，降低使用成本。

二 光伏照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1光伏系統(tǒng)的電壓等級確定

IEC標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及行業(yè)內(nèi)大部分企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)格中，太陽能電源控制器、逆變器直流電壓規(guī)格等級為：12V、24V、48V、110V、220V等。在LED系統(tǒng)中，負(fù)載是由一個個小LED串并聯(lián)組成的模塊，為直接選用規(guī)范的控制器、逆變器產(chǎn)品，LED模塊的額定電壓應(yīng)和電池板、控制器相匹配，同時(shí)還要考慮直流側(cè)電流不能太大，降低線損，并根據(jù)負(fù)載容量確定電壓等級。

2蓄電池容量設(shè)計(jì)

要按供電保證率來考慮。在實(shí)踐中，應(yīng)調(diào)查用戶所在地一年中實(shí)際連續(xù)陰雨天的最大天數(shù)。在新疆，一般要滿足用戶連續(xù)三個陰雨天正常供電。根據(jù)用電需求情況，計(jì)算日耗電量如下：

日平均用電時(shí)間根據(jù)用戶需求可取4～12h，整機(jī)效率一般取80%，LED廣告燈箱是無人值守系統(tǒng)，要考慮在冬、夏季負(fù)載電流可能的變化情況，估算日耗電量實(shí)際上應(yīng)接近于設(shè)計(jì)最大值。為使太陽能系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行，根據(jù)設(shè)備廠家提供的壽命期內(nèi)蓄電池容量衰減及效率下降情況，確定蓄電池容量為：

3太陽電池板的傾角

對于固定傾角的太陽能獨(dú)立供電系統(tǒng)，選擇當(dāng)?shù)鼐暥葹樘栯姵匕宓膬A角，可使太陽能系統(tǒng)的年發(fā)電量最大。但作為獨(dú)立供電系統(tǒng)，首先要考慮一年四季都能滿足用戶需求的均衡供電問題。事實(shí)上，冬季太陽輻射弱、發(fā)電少、夜間時(shí)間長，光伏照明系統(tǒng)的實(shí)際用電量會大于夏季，因此首先要側(cè)重于提高冬半年的發(fā)電量。冬季太陽高度角低，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下傾角可選擇當(dāng)?shù)鼐暥燃??～8?，然后測算此傾角下發(fā)電量，再根據(jù)推算結(jié)果進(jìn)行修正。

以下是太陽電池板傾角的一種理論計(jì)算方法。

目前氣象臺站的所有觀測項(xiàng)目(直接輻射、散射輻射以及總輻射)都是以水平面為基礎(chǔ)的，但在實(shí)際利用太陽能的過程中，為了獲取盡可能多的太陽能量，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，工程上往往是將采光裝置安放成某一傾斜角度。因此，將已知水平面的太陽輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成任意平面上的太陽輻射強(qiáng)度，并且找出在某一時(shí)間某一角度下可獲得最大能量，即在某時(shí)刻下的最佳傾角設(shè)計(jì)，在太陽能工程中有很大的實(shí)際意義。

最佳傾角設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，這里不具體介紹其推導(dǎo)過程，以下給出的計(jì)算公式是最精確的計(jì)算方法之一。

任意平面上的太陽能輻射計(jì)算公式為：

其中：I為任意平面上的太陽能輻射；i為水平面上的太陽能輻射；α為任意平面與水平面夾角（傾角）；?為當(dāng)?shù)鼐暥?；A為方位角；δ為太陽赤緯角；h為太陽高度角；ω為太陽時(shí)角。通過積分運(yùn)算得出最大的輻射強(qiáng)度，與之對應(yīng)的傾角即為最佳。當(dāng)然，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過迭代法計(jì)算相對更快。

4LED光源的恒壓、恒流控制技術(shù)

首先，并不是所有的發(fā)光二極管都適合做LED光源，必須選擇經(jīng)過特殊工藝制造的高光效、高亮度的專用LED。由于LED的發(fā)光效率與其工作電壓、電流、內(nèi)電阻、溫度等都有關(guān)聯(lián)，而LED一般都具有較寬的工作電壓范圍，在額定電壓、電流、溫度下，發(fā)光效率最高。隨著LED使用時(shí)間的延長，其溫度會升高，內(nèi)阻等特性將改變，光效下降，所以LED的驅(qū)動應(yīng)采取穩(wěn)壓或恒流控制。一般情況下，LED的恒流驅(qū)動電路輸出的電流恒定，而輸出的直流電壓卻隨負(fù)載阻值不同在一定范圍內(nèi)變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也就越高；恒流電路不怕負(fù)載短路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全開路。LED的穩(wěn)壓驅(qū)動電路輸出電壓是固定的，而輸出和電流卻隨著負(fù)載的增減而變化；穩(wěn)壓電路不怕負(fù)載開路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全短路；以穩(wěn)壓驅(qū)動電路驅(qū)動LED，每串需要加上合適的電阻方可使LED顯示亮度平均，且亮度會受電壓變化的影響。一般恒流驅(qū)動電路驅(qū)動的價(jià)格要高于穩(wěn)壓驅(qū)動電路驅(qū)動。

三 太陽能技術(shù)和LED技術(shù)在廣告燈箱上的結(jié)合

1太陽能LED廣告燈箱的工作原理及其設(shè)計(jì)

太陽能LED廣告燈箱是一種新型照明產(chǎn)品，具有節(jié)能、環(huán)保、安裝方便、使用維護(hù)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是常規(guī)廣告燈箱的替代產(chǎn)品。白天，太陽電池經(jīng)過控制器給蓄電池充電；夜間，由蓄電池經(jīng)控制器給LED光源供電，點(diǎn)亮廣告燈箱。系統(tǒng)構(gòu)成包括太陽電池板、廣告燈箱、LED光源、蓄電池、控制器等，如圖1所示。

現(xiàn)以新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院安裝的太陽能LED廣告燈箱為實(shí)例，介紹其設(shè)計(jì)和制作過程。

圖1 太陽能LED廣告燈箱系統(tǒng)工作原理

安裝地點(diǎn)：昌吉，新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院大門內(nèi)道路兩側(cè)。地理緯度：北緯43?47'。安裝數(shù)量：8個。使用要求：每天5h。

(1) 廣告燈箱的選型設(shè)計(jì)

根據(jù)與用戶的協(xié)商，廣告燈箱采用普通結(jié)構(gòu)，尺寸為2.4m ×1.2m；箱體和立柱采用常用的不銹鋼結(jié)構(gòu)；太陽電池板和廣告燈箱為一體化設(shè)計(jì)，位于燈箱兩邊立柱的正上方；電池板下沿要高于箱體遮雨蓬至少30cm，以防止冬季積雪淹沒電池板；根據(jù)后面電池板的選型結(jié)果，燈箱的總高為3.3m；燈箱面板采用高透光耐光板(當(dāng)然也可采用玻璃，但太重，而且價(jià)格相差不大)；內(nèi)襯反光底板采用和燈箱同尺寸的鋁塑板。常規(guī)的同尺寸單面燈箱一般配有6支40W日光燈管，本項(xiàng)目用LED模塊代替。

(2) LED光源的選型設(shè)計(jì)

并不是所有的LED都適合廣告燈箱，經(jīng)大量調(diào)研后，選擇了LED光條(一種很薄的窄條，在上面等距鑲嵌有LED顆粒)和LED模塊(業(yè)內(nèi)稱之為“食人魚模塊”)這兩種產(chǎn)品。每3粒LED加一個小電阻構(gòu)成一個模塊，制作在一個帶背膠的塑料襯底上。廠家可按用戶要求進(jìn)行等距的串并聯(lián)制作，每個模塊之間用導(dǎo)線連接，線的選材、粗細(xì)都可按用戶要求，當(dāng)然也可自己制作。這是兩種成熟的產(chǎn)品，在深圳等地大量外銷。

(3) 配光設(shè)計(jì)

在制作LED燈箱之前，我們已對常規(guī)的燈箱做過亮度和光效測試，如何采用最少的LED并達(dá)到較佳的實(shí)用效果是我們追求的目標(biāo)。無論是LED光條，還是LED模塊都有一個發(fā)射角，角度有45?、90?、135?等，我們選取各種LED在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了配光測試，主要測試指標(biāo)為照度、均勻度、電流。完成測試后確定燈箱厚度，上下兩排的LED一定要形成光路的交叉，否則會出現(xiàn)一個陰影帶(見圖2)。根據(jù)對照射面的照度測試和光強(qiáng)均勻度計(jì)算，最后確定燈箱厚度為20cm，2個LED模塊的縱向間距為36cm，橫向間距為30cm。

圖2 LED陣列正面和縱向排列示意圖

燈箱寬度為1.2m，1.2/0.36=3.3，考慮到燈箱兩邊的照度，取4排LED模塊；燈箱長度為2.4m，2.4/0.3=8，同樣考慮燈箱兩邊照度，每排取9個LED模塊，廣告燈箱共采用4×9=36個LED模塊并聯(lián)組成一個光陣。導(dǎo)線選擇1.5mm的多股銅芯線。經(jīng)測試，在電壓為直流12V的情況下，整個LED組合的電流值為2.4A，LED陣列功率不到30W。燈箱的日耗電量為30×5÷0.8=187.5Wh，即12V系統(tǒng)15.625Ah。

(4) 蓄電池容量設(shè)計(jì)

考慮到壽命和價(jià)格因素，選用12V的免維護(hù)膠體鉛酸蓄電池。蓄電池容量=日耗電量×連續(xù)陰雨天數(shù)÷(1?衰減因子)=15.625×3÷(1?0.3)=67Ah，最后選定蓄電池為12V 80Ah。

(5) 太陽電池板的傾角和功率設(shè)計(jì)

在北方地區(qū)，夏季夜間較短，日照時(shí)間長，太陽輻射好；而冬季夜間較長，日照時(shí)間短，太陽輻射差。因此，光伏系統(tǒng)要保證一年四季的正常應(yīng)用，必須要有好的設(shè)計(jì)方案，不能僅僅為了滿足使用要求(亮度、時(shí)長等)而一味增大太陽能系統(tǒng)功率，這樣只會使系統(tǒng)的價(jià)格變得更加昂貴。在滿足用戶需求的情況下，設(shè)計(jì)最經(jīng)濟(jì)的配置是我們的設(shè)計(jì)原則。

首先，根據(jù)安裝地的氣象條件，確定太陽輻射最弱的月份(一般在冬季)，根據(jù)這個月太陽高度角的變化情況確定電池板的傾角，然后進(jìn)行系統(tǒng)功率匹配設(shè)計(jì)，在保證太陽能資源最差月份正常使用的條件下，再逐一計(jì)算驗(yàn)證其他月份是否也能滿足使用的要求。太陽能光伏照明系統(tǒng)的最大障礙是過冬問題，在低溫環(huán)境下，太陽電池板易被冰雪覆蓋，接收功率下降，造成系統(tǒng)不能正常工作，而且由于光伏照明系統(tǒng)電池板的安裝位置都較高，清除積雪很困難。經(jīng)過長期研究，我們發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律：冬季下雪在物體表面上的溶化脫落速度與平面的傾斜角度、磨擦系數(shù)、雪的物質(zhì)特性以及風(fēng)向風(fēng)力、環(huán)境溫度、海拔、太陽輻射強(qiáng)度等有關(guān)，對太陽電池板來說，總有一個最小的傾角使得冰雪不易在表面上站住(或是太陽出來后，積雪便迅速滑落)，這個角度在不同的地區(qū)是不同的。大量實(shí)驗(yàn)證明，在烏魯木齊，臨界角度為52?，即只要大于52?，冰雪在電池板表面站不住，小于這個角度，則冬天不能良好發(fā)電。由于冬季太陽高度角低，對電池板的傾角也要求較大，例如在烏魯木齊選定的角度是55?，因此，太陽能廣告燈箱、太陽能路燈等光伏照明系統(tǒng)的傾角設(shè)計(jì)和光伏電站有較大不同。昌吉和烏魯木齊緯度接近，大氣透明度優(yōu)于烏魯木齊，在這里也選定為55?。根據(jù)用戶要求，選用多晶硅電池組件。查新疆新能源研究所內(nèi)部的技術(shù)手冊，當(dāng)?shù)刈钊踺椛湓路轂?2月份，折算的水平面表面的日平均峰值日照時(shí)數(shù)為1.9h。再通過上述計(jì)算方法得出在55?傾斜面上的日平均峰值日照時(shí)數(shù)約為2.7h。

光伏功率=日耗電量÷峰值日照時(shí)數(shù)÷效率因子=187.5÷2.7÷0.8=87W

最后選用兩塊50W的電池板。其他月份由于日照時(shí)間長和太陽輻射好，對當(dāng)月來講雖然不是最佳發(fā)電角度，但通過計(jì)算，發(fā)電量仍可滿足使用要求。安裝方向?yàn)檎掀??。

(6) 控制器和恒流源的選型設(shè)計(jì)

筆者所在單位就設(shè)計(jì)過帶恒流驅(qū)動的太陽能光伏照明控制器，具有光控、時(shí)控、過充、過放保護(hù)、短路、過載等多種保護(hù)功能。當(dāng)然，也可以選擇普通太陽能路燈控制器，型號規(guī)格為12V 10A。再選擇一個功率為30W的LED路燈上用的恒流源，國內(nèi)生產(chǎn)恒流源的廠家很多，選擇范圍廣。

(7) LED廣告燈箱的制作及安裝

完成上述設(shè)計(jì)后，開始LED燈箱的制作。選擇一家合適的專門制作燈箱的加工廠，提出技術(shù)要求，加工工藝和常規(guī)燈箱相同。做好的箱體在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)拿下底板，最好先在內(nèi)層刷層白漆，利于光的反射，或直接選用白色襯底的底板材料，然后按前述尺寸在底板上均勻排列LED模塊。先劃好位置尺寸，連接上導(dǎo)線，再用專用膠將LED模塊固定在底板上，接好控制器、恒流源、穩(wěn)壓電源等，點(diǎn)亮測試通過，一個LED光陣就完成了。

太陽能LED廣告燈箱的安裝和常規(guī)產(chǎn)品基本一樣，工程量少了挖電纜溝等工作，多了太陽電池板安裝及固定的工作，燈箱的基礎(chǔ)既可以用預(yù)埋件水泥預(yù)制，也可以用膨脹螺絲在水泥地面上固定，主要看當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力，若風(fēng)太大則選擇第一種方法把基礎(chǔ)做牢固。最后在燈箱附近選合適位置挖個蓄電池地埋坑，接好系統(tǒng)并測試后，把專用地埋箱埋好，清理完場地后，任務(wù)全部完成。

2太陽能LED廣告燈箱的經(jīng)濟(jì)性分析及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

以新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的廣告燈箱為例。按2009年的工程造價(jià)，每個太陽能LED廣告燈箱的造價(jià)為6350元，其中太陽能LED部分的增量投資為2750元。市場上同樣大小的普通廣告燈箱工程造價(jià)一般為8000元左右(含挖電纜溝及材料)，太陽能LED廣告燈箱有足夠的利潤空間，并且無需支付電費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性顯著。LED廣告燈箱亮度、均勻度等光照效果優(yōu)于常規(guī)日光燈，競爭力非常明顯。以當(dāng)前太陽電池低于6元/W的價(jià)格，太陽能LED廣告燈箱的市場前景更為廣闊。

圖3 太陽能LED廣告燈箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 太陽能LED廣告燈箱的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一覽表

在北方，為了在冬季也能使用，通常會在燈箱下方挖一個1.5m的深坑，把蓄電池地埋箱放進(jìn)去后再掩埋；或做一個有保溫的基座，且必須保留一定的通風(fēng)口，通常由電纜上下出入口擔(dān)當(dāng)通風(fēng)的作用?？刂破骺煞胖迷趶V告燈箱或地埋箱內(nèi)。若控制器在廣告燈箱內(nèi)，對芯片有更高的要求，要能耐嚴(yán)寒，必須采用帶探頭的溫度傳感器，否則蓄電池的溫度補(bǔ)償將不準(zhǔn)確。這些要求對控制器的性能和可靠性是一個挑戰(zhàn)，成本價(jià)格也會增高。若控制器在地埋箱里，工作環(huán)境基本常溫狀態(tài)，和電池溫度接近，但即使采用了免維護(hù)蓄電池，酸霧的影響也很大，會直接縮短控制器壽命，而且壞了還不易更換。太陽能LED廣告燈箱的安裝和常規(guī)產(chǎn)品一樣，非常簡單，由于無需挖電纜溝，安裝較快。

本文所提及的電池板傾角等關(guān)鍵問題，也是在應(yīng)用中要特別注意的地方。本文中多項(xiàng)技術(shù)都已申請專利，但由于單位性質(zhì)，市場做的并不好。從2006年開始，先后在烏魯木齊雅山公園、新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、新疆太陽能科技開發(fā)公司院內(nèi)、烏魯木齊縣水西溝鎮(zhèn)方家莊村等地安裝了幾十個太陽能LED廣告燈箱、3000多盞太陽能路燈，在光伏照明應(yīng)用上的一些成功經(jīng)驗(yàn)被業(yè)內(nèi)廣為傳播，有利地推動了新疆光伏照明事業(yè)的發(fā)展。

3實(shí)驗(yàn)效果(圖4)

四 結(jié)論

通過實(shí)踐表明，把太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和LED技術(shù)科學(xué)地融入到廣告燈箱中應(yīng)用，其效果非常理想。太陽能LED廣告燈箱的工程價(jià)格接近于常規(guī)燈箱，具有極高的社會經(jīng)濟(jì)效益，既節(jié)能又環(huán)保，同時(shí)具有高度的可靠性，可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，無需挖溝埋纜，且隨意安裝，非常方便。

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