发布时间：2018/11/5 8:57:23 来源：本站
本设计方案涉及新能源照明技术领域，涉及一种整体式薄型太阳能LED路灯。
随着地球不可再生资源长期开采，不可再生资源成本会越来越高，其伴随的安全和污染问题也越来越引起全球大多数国家的重视。太阳能和风能、地热能等新能源作为安全、环保新能源越来越受到人们的重视，也是未来能源发展的方向。LED太阳能路灯作为其中的一员，其优点在于无需铺设线缆等基础工程，省时省力，安装维护简便，节约材料及人工成本，不用市电供电，节约电费；采用直流供电、控制使灯具稳定性更好；采用LED作为光源寿命更长、发光效率高、安全性能高、节能环保、经济实用。LED太阳能灯具市场越来越大，从事LED灯具生产的厂家也很多，不少厂家已经涉及LED太阳能灯具领域。工程商在选择LED产品时也提出各种要求，涉及灯具外观、安装、光效、防眩光等方面。因此，LED灯具的设计一直是个值得长期思考和需要不断总结完善的科研课题。
整体式太阳能路灯整体感强、简洁、美观，便于运输及安装。在白天，其既可让太阳能板作为锂电池充电，也可以作为景观装饰；光线暗下来后控制器通过预设时段及太阳能板的电压检测，自动判断为整体式太阳能路灯的LED路灯供电，实现道路照明。市场上现有的LED户外整体式太阳能路灯主要有以下几种类型：图1（a）、图1（b）所示的一体化太阳能路灯，能够调整太阳能板的东、西、南、北朝向，使太阳能板的转化效率得到最大提升，但太阳能灯板安装在灯杆延伸支杆或灯体的延伸部位，使得单灯体积增大，不利于灯具的仓储及运输，无形中增加了太阳能灯具的附加成本。图1（c）所示为太阳能板与灯壳做成整体式，外观虽然简洁、美观，但不利于灯珠的散热，其限制了灯具的功率且不能调整太阳能板的朝向，使太阳能板不能高效地将太阳能转化为电能。
图1 现有的LED户外整体式太阳能路灯类型
整体式薄型太阳能路灯的设计思路同一般的太阳能照明基本原理相同 （如图2所示）。整体式薄型太阳能路灯，白天通过太阳能板组件将收集的太阳光的能量转化为电能，通过充放电控制器给蓄电池充电，以及各种电池检测及安全防护，在晚上或光线较暗时由蓄电池经路灯控制器为LED灯提供电能，点亮LED路灯用于照明。
弄清了原理，我们根据各个部分电路的不同功能，分为以下几个部分设计：太阳能电池板组件、冲放电控制器、路灯控制器、LED路灯、蓄电池。本设计方案的目的是提供一款整体式薄型太阳能路灯，用于各种农村道路、交通辅道、小区、公园道路、无光线遮挡但不易拉电的场所照明为夜晚提供道路照明，所要解决的技术问题是外形轻薄时尚，方便运输，现场安装方便，有微博感应功能，需保证其结构安全性、可靠性、耐久性及电气安全性。
3.2.1 整体外观设计
整体式薄型太阳能路灯的主旨在于外观时尚，感官轻薄，所以主体厚度设计最薄处为3 mm，外形采用流线型整体过渡设计，将最薄处和最厚处连接，使产品视觉感官上更轻薄、流畅，更像一个整体，长宽比采用黄金比例尺寸设计 （如图3所示）。灯具靠尾端设计1 800 cm2的空间用于安放电池及控制器，腔体外形通过2个不同宽度及高度的2个腔体做造型，显示出灯具的层次感，凸显其线条及美感。表面采用户外喷塑漆，颜色可以根据客户要求喷涂，使外表面能达到更好的视觉效果 （颜色可以结合各种场合设计）。
3.2.2 灯具主体与路灯灯杆的连接方式
灯体尾部设计成圆弧抱箍形状，底部加5 mm厚度的网状加强筋，使灯具能够承受更大的重量。灯体尾部采用预装带弹簧结构的螺栓加双压板的设计方式，将灯具与50～70 mm直径的圆灯杆连接固定，只需要把灯具套入灯杆，调节好水平，再用扳手拧紧压板螺栓，灯具就安装完毕，方便快捷，安全牢固。2个压板中心间距为160 mm，能有效防止安装时工人操作不当导致灯具跌落伤人的风险 （如图4所示）。
3.2.3 灯珠及透镜的选择
此次设计的灯具主要用于各种农村道路、交通辅道、小区、公园道路、无光线遮挡但不易拉电的场所照明为夜晚提供道路照明，按照设计经验，设计光源功率为20 W。灯珠采用36颗 “飞利浦”PHILIPS LUMILEDS LUXEON 5050M高光效灯珠加 “达尔科”DK173-36H1-45*63-TPⅡ-S透镜，每颗灯珠功率为0.6 W，光效可以达到140 lm/W左右，灯具相当于50 W左右的节能灯 （60 lm/W），满足灯具设计需求，同时也能让延长灯具的使用时间。灯体的结构设计和灯珠与透镜的安装方式如图5所示。
图3 整体式薄型太阳能路灯外观设计
（1）LED光源与透镜采用镶入式安装方式，有更好的防水效果 （灯板与透镜、防水硅胶条镶入灯体的凹槽内，用M3的平头螺钉安装固定）。对比市场上现有的透镜直接锁在灯体平面上，优势在于防止因工人操作不到位，螺丝未打紧，影响灯具防水效果。有时产品边缘因下雨导致积水直接渗入透镜，雨停后产生水汽，致使光源损坏。设计有效地降低了此类问题导致的维修量，从而降低维护成本。
（2）光源背部连线用FR-4材质的玻纤连接线板，安装固定在灯体设计的连接线板槽内后，灌入防水灌封胶，安装方便美观，防水效果好。
3.2.4 灯体材质及散热
灯体主体采用ADC12压铸铝合金，整体压铸而成，结构坚固耐用。用压铸铝方式制作灯体有以下几个优点。
（1）既可压铸结构复杂的产品，方便造型，使外观及结构更个性、更时尚、更有创意，又能保存较好的散热性能，热传导率为96 W/m·℃。产品耐久度高，适合户外使用。
（2）生产效率高，产品质量稳定，不良率在7%左右，一台卧式冷空压铸铝机平均每8 h可压铸铝600～700次，小型热室压铸铝机平均每8 h可压铸铝3 000～7 000次；压铸铝型寿命长，寿命可达几十万次；自动化可行性高。
图4 一体式安装示意图
图5 灯体的结构设计和灯珠与透镜的安装方式
（3）成本性价比高，其主体尺寸控制精度高，尺寸公差等级一般可达到6级左右，表面光洁度一般可达到7级左右，无需再做表面光洁度的加工处理；强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高25%～30%。延伸度低，能更好保证产品尺寸的稳定性，减少了大量的加工设备和工时；既节省装配工时又节省金属。
光源模组背部设计有散热片，两侧及灯具模组间都采用网状镂空设计 （如图6所示），使灯具既能通过模组背面的散热片 （纵向）及时散热，也能通过自发热时，镂空孔形成有效的空气对流，及时将热量导热到空气中，达到更好的散热效果，保证灯珠的使用寿命。灯具主体有效散热面积达到4 600 cm2，灯具可以达到120 W，可作为市电铺道用路灯光源。
电池板采用单晶硅太阳能板。单晶硅太阳能板转换效率为15% （工业生产）左右，比多晶硅要高。从制作成本上来讲，单晶硅比多晶硅太阳能板的生产成本要高一些，但单晶硅太阳能板比多晶硅太阳能板的使用寿命要长，更加稳定，结合产品的适用场合，减少产品的维修量，单晶硅太阳能的产品稳定性更合适。太阳能板功率的选择根据外观和实用性考虑2种规格 （25W、50 W），通过合页及可调节支架，达到调节太阳能板调平的要求。
3.4.1 充放电控制器、路灯控制器选择
市场上有很多种类控制器，我们选用 “硕日”的SRMES60－IR/WB太阳能路灯控制器，主要考虑如下。
（1）我们选用的是18650电芯磷酸铁锂电池，而 “硕日”控制器支持MPPT（最大功率点跟踪）及12 V锂电池，具有自动激活功能。最大太阳能板开路电路Voc≤40V，最大太阳能板功率Pm≤100 W，适合我们选用的25 W/50 W太阳能板。
（2）锂电池低温充电保护、蓄电池反接保护、LED短路保护、开路保护等功能，更好地延长灯具的使用寿命。
图6 灯体材质及散热
（3）其负载升压恒流输出，最大负载功率Pled≤60 W，符合设计灯具为20W的要求。
（4）热释电人体红外或微波感应功能 （有人时全亮或亮80%，没人时降低亮度），同时还可以通过丰富的参数设置，对不同的场合进行不同的优化设计，使灯具的效果和使用达到最佳效果。
（5）低功耗休眠模式，便于产品的长途运输，不会因为亏电，导致交货时无法检验灯具好坏。
（6）其集成充放电控制器及路灯控制器，既能够保证灯具安全性及可靠性，又能减少安装时触电造成伤害的风险（输入输出电压小于40V）。
（7）真正恒流而非限流控制，确保输出电流平滑稳定，从而减少LED光衰，延长LED使用寿命。
（8）金属外壳，IP68防水等级，能够在各种恶劣环境下使用。
3.4.2 蓄电池选择与安装
蓄电池采用18650电芯磷酸铁锂电池，3串，容量为18 AH，体积为132 mm×70 mm×50 mm，带锂电池保护板，标称电压为11.1V，2组18AH电池并联通过包塑钢片及紧固螺钉固定在灯体设计防水腔体两侧，控制器与主体通过紧固螺钉固定在腔体中间位置 （如图7所示）。灯具腔体通过盒盖+硅胶防水圈达到防水密封效果。为了方便防水圈安装，灯体处设计了密封圈安装凹槽。盒盖与灯体连接采用合页+搭扣的方式，方便后期灯具电池、控制器的维护。蓄电池、控制器、LED灯连线通过WAGO电线连接器 ［222～412 V可接导线截面积为28～12 AWG，额定电压为400 V，电流为32A（软导线）］连接，方便快捷，易拆装。
灯具采用的是类似合页式设计加错位摆放相结合的理念，使产品不同于其他同类产品 （如图8所示），能更好地利用有效的空间 （我们设计的整体式薄型太阳能路灯2台所需包装空间为0.046m3，其他灯具所需空间为0.1m3，也就是说我们装4台的包装箱，其他灯具只装1台），起到方便包装、仓储、运输的效果，从而达到节约成本的目的。
图7 18650电芯磷酸铁锂电池
此产品为一款薄型整体式太阳能路灯，采用的是类似合页式设计加错位摆放相结合的理念设计，方便包装、仓储、运输；灯体尾部采用预装带弹簧结构的螺栓加双压板的设计方式，安全方便；控制器带微波感应功能，参数设置丰富，使灯具使用在不同场合达到最佳效果。太阳能板朝向、角度可调至水平，保证其结构安全性、可靠性、耐久性及电气安全性。此设计方案，为太阳能路灯新产品及其他LED灯具在运输方便与实用性方面的问题解决提供了思路和参考。
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