lvd无极灯博客

陈育明¹   王爱群²   李维德²

1复旦大学电光源研究所      上海  200433

2上海宏源照明电器有限公司  上海  201802

 

本文介绍了一种太阳能电磁感应灯照明系统，将太阳能技术和电磁感应技术相结合，充分利用两者的优点实现可持续照明的设计。分析了太阳能电磁灯道路照明系统的各部件的性能要求和相关设计，并介绍了系统的设计计算和使用中需要注意的问题。

 

在资源日益缺乏的今天，太阳能作为地球上真正取之不尽的清洁能源，将是２１世纪最理想的绿色新能源，利用光伏发电技术将太阳能转化为电能，可以缓解环保压力和实现可持续发展。电磁感应灯是绿色光源， 将荧光灯气体放电和高频电磁感应相结合，使光源具有无电极、长寿命和高光效等优点，可以节约大量的电能和维修费用。LVD太阳能电磁感应灯把太阳能技术和无极灯技术紧密的结合在一起，充分利用了双方的优点，开发了一种节能环保的道路照明新产品。随着太阳能技术和无极灯技术的不断发展，这种新产品的性能一定会不断完善，其在将来的照明领域将大有所为。

太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件（Ｓｏｌａｒ　Cｅｌｌｓ），利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体ＰＮ结上，由于Ｐ－Ｎ结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使Ｐ区电势升高，Ｎ区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。

太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，不和外部电网产生关系。并网发电系统通过光伏阵列将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏阵列首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。在日照不足时，储存在蓄电池中的能量经过全桥逆变器后变成ＳＰＷＭ波，然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流２２０Ｖ，５０Ｈｚ的正弦电压供给交流负载使用。

电磁感应灯真正发展是上世纪90年代，世界上很多公司纷纷推出产品进入实用化阶段。LVD电磁感应灯紧跟时代潮流，利用自行设计和制造的HY型芯片技术，成功地生产出各种放电形状的电磁感应灯。

传统的荧光灯需要采用电极的结构来进行发光，如图1所示，电极的损坏是影响灯寿命和性能的一个主要因素。而电磁感应灯是利用感应放电原理制成的新型光源，其结构由高频发生器，功率耦合线圈，电磁感应灯管组成。高频发生器产生的高频能量通过功率耦合线圈耦合到灯管内的等离子体中，激发等离子体和通过荧光粉转换发光（见图2）。

 

 

电磁感应灯相对传统的光源有如下一些特点。

电磁感应灯由于高频放电的原理，能够有很高的光效，据研究最大光效能达到90lm/W，通常大功率的电磁感应灯的光效在80lm/W左右。

电磁感应灯因为没有电极，可以有很长的寿命，通常可达到10年以上。长的寿命减少了维护更换的问题，特别适用于维修困难的照明场所。

由于电磁感应灯没有电极，放电条件变化小，不会由于电极损耗而影响灯的光通量。采用良好的工艺和特殊荧光粉，能够保证电磁感应灯的光衰比较小。光衰小可以有效保证在灯寿命期间的照明质量。

LVD电磁感应灯采用了IC电路进行工作，电路集成了良好的调光控制性能，这一点对室内照明和城市道路照明中的节能都具有重要的意义。通常随着白天室内照明的天然采光的变化和深夜室外照明的人们活动的降低，照明应该相应地改变照明亮度，而LVD电磁感应灯具备在其额定功率的30%到100%范围内都能稳定工作的良好调光性能，这不仅能够节约能源，同时也能减少光污染现象。

由于LVD电磁感应灯内是使用汞齐，而不是直接充入液体汞，这就极大地降低了生产过程中的汞污染，而且它的超长工作寿命，使实际应用的汞消耗量和废弃光源数量都较荧光灯大大减少，从而有效地降低了对环境的汞污染。

由于电磁感应灯没有电极，因此在燃点过程中受供电电压不稳定的影响很小，在太阳能照明使用中光源的性能保持稳定。与传统光源相比，不会产生因多次燃点造成灯管的发黑和光衰大的现象。无电极结构和感应放电可以使光源的寿命和性能得到很好的保证。为了降低照明系统的成本和提高能源利用效率，LVD电磁感应灯设计了直流工作的高频发生器，发生器的电路结构示意图见图3所示。太阳能系统的蓄电池提供的低压直流直接升压为逆变需要的高压。通过功率因子校正后，直流作为逆变电路的输入。逆变电路在自行设计的集成电路芯片的控制下工作，得到的高频交流电能作为耦合线圈的输入。集成芯片还可以实现调光的功能，同时可以作为系统的保护控制，当工作电路出现短路或者断路等异常情况时，芯片会自动切断输出信号，以实现自我保护。采用了这样的芯片技术还可以实现对电磁感应灯的调频调光，由于灯的感抗是正比于通过它的电流的频率的，灯的工作频率升高，就意味着增大感抗，于是流过灯的电流下降，灯功率随之下降。通过实现太阳能电池和电磁感应灯的最佳匹配和协调控制，可以保证太阳电池发电系统中的蓄电池的合理利用，并利用智能控制延长蓄电池寿命，达到最大限度环保。实现电磁感应灯集成技术、软件控制等技术的标准化、规范化之后，将大力推动太阳能应用技术产业与电磁感应灯照明产业的交叉结合，形成太阳能电磁感应灯照明新产业。

 

 

LVD太阳能电磁感应灯的结构主要分成4个模块构成，其基本结构如图4所示，第一是太阳能电池模块，用以实现太阳能向电能的转变；第二个是控制电路，用以控制太阳能电池与蓄电池之间的充放电，蓄电池对负载供电，以及实现系统安全工作的保护控制等；第三部分是蓄电池，太阳能转变成的电能存储在蓄电池中；第四个部分是电磁感应光源。

 

太阳能电池是一种能将太阳光转化成为电压的器件，它们有一个共同点，就是对这些器件输入特定的光，则会发生光电效应，把光能转变成为电能。太阳能电池是由两种不同掺杂的材料压制而成，分别形成一个pn结，在特点波长太阳光的照射下n区和p区之间会形成一定的电势差，这个电势差决定了电池的最大供电电压。如果把电池上下连接形成回路，太阳能电池就可以向负载供电。

从原理上来说只要把太阳能电池和负载直接连接给负载供电，负载就可以工作，但实际上因为太阳能是不断变化的，一方面其供电时间和负载工作时间可能不一致，另一方面负载往往需要在一定的电压下才能工作，太阳能电池不具备提供恒定电压的能力，所以现在所有的太阳能供电系统都配合有蓄电池一起工作。

 

2。 控制电路
控制电路是系统工作的核心，它的主要功能有：

a。 控制系统的充放电

充电时，太阳能电池对蓄电池充电；放电时，蓄电池的电能对负载供电。当然蓄电池的电压远不能满足负载工作的要求，控制电路会对蓄电池的输出电压进行升压处理。

b。 定时工作

可以自动设定系统的工作时间，当蓄电池电力不足，或输出电压过底时，自动切断负载并控制太阳能电池对蓄电池充电。

c。 保护功能

控制电路可以实现对系统的保护，当系统出现问题，如负载短路，开路，电池反接，过量充电等情况时自动切断线路。光照时间长的时候控制充电程度，电池充满即停止充电，不使蓄电池过充损坏，以保护蓄电池，延长其使用寿命。

 

3。 蓄电池
前面所说的太阳能电池不能直接对负载供电，必须把电能存储在蓄电池中，蓄电池对负载供电，但是蓄电池的电压不能加在太阳能电池上，必须保证太阳能电池和蓄电池之间的充电是单向的。

 

LVD型感应无极荧光灯是利用H型放电原理制成的新型光源，其结构由高频发生器，功率耦合线圈，无极荧光灯管组成。高频发生器产生的高频能量通过功率耦合线圈耦合到灯管内的等离子体中，激发等离子体和通过荧光粉转换发光。蓄电池电能经过升压后对LVD电磁感应灯供电，因LVD电磁感应灯的高频发生器内部本身具备boost升压电路，所以它对蓄电池的供电电压的要求大大降低了，体统只要能提供150v的电压，LVD电磁感应灯就能正常工作。这使得系统需要的太阳能电池数目可以大大降低，成本也随之降低了。

1．太阳能电池的选择

目前，太阳能电池的光电转换率一般在百分之十几以上，个别太阳能电池光电转换率已经可以达到３０％左右。2 太阳能电池主要有四类：硅太阳能电池、无机盐电池、高分子材料和纳米晶太阳能电池等。 硅太阳能电池技术相对较成熟，禁带不是太宽，光电转换率较高，材料本身不造成污染，所以硅是目前最理想的太阳能电池材料。以其他材料为基础的太阳能电池也正在研制和发展过程中。因此，目前主要使用硅太阳能电池。

a．单晶硅电池：

单晶硅太阳能电池光电转换率最高（２０％左右），技术最为成熟，但由于单晶硅材料价格过高，制造工艺繁琐，造成单晶硅成本价格居高不下，成为发展单晶硅太阳能电池的一大障碍，现在正在逐渐被多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池等取代。单晶硅太阳能电池在道路照明、交通信号等室外照明中的应用较为普遍，光电转换率为１１％～２４％，使用年限较长。

b．多晶硅电池：

多晶硅薄膜电池由于所使用的硅比单晶硅少很多，不存在效率衰退等问题，而且有可能在廉价衬底材料上制备。多晶硅薄膜太阳能电池的成本远低于单晶硅电池，光电转换率近２０％，高于非晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池将有望成为太阳能电池的主导产品，目前 在室外照明中的应用将越来越广泛。

c．非晶硅电池：

非晶硅薄膜太阳能电池制作简单，成本较低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得以迅速的发展，光电转换率在１４．５％以上，但稳定性较差。提高转换率和稳定性是非晶硅薄膜太阳能电池的发展方向。目前，非晶硅电池在低功率电力系统中应用较多。

     太阳能电池功率必须比负载功率高出４倍以上，系统才能正常工作。

 

2． 蓄电池

太阳能照明必须配备蓄电池才能工作，因为太阳能电池只能在白天进行光电转化工作，电能在夜晚才能用于照明，而且太阳能电池板的输出能量极不稳定，配备蓄电池后，太阳能灯等负荷才能正常工作。蓄电池的主要有四种，其特性如下：

a． 铅酸蓄电池：

传统蓄电池，能量密度较低，对环境污染较为严重，将逐渐被淘汰。

b．镍镉蓄电池：

性能较铅酸蓄电池优越，但能量密度不足，镉的污染严重，多数国家严格控制此类蓄电池的生产和使用。

c． 镍氢蓄电池：

具有能量密度高、重量轻、寿命长、无环境污染等优点，各国正在积极开发，并逐步进入产业化阶段。

d．锂电池：

新型高能化学电源，具有高容量、高功率、小型化、无污染的特点。锂电池主要用于笔记本电脑和手机。

目前，我国室外照明大量使用全封闭、免维护的铅酸蓄电池。小型照明工程、笔记本电脑和手机等大量使用锂电池、镍氢电池。锂电池的应用领域正在逐步扩大。 我国地域广阔，气候差异很大，蓄电池白天储存的电能应能满足夜晚照明的需求，同时应该满足当地连续阴雨天气时夜晚照明的需求。但是，所选蓄电池容量也不必过大，否则，蓄电池经常处于亏电状态，将影响蓄电池的寿命，造成不必要的浪费。对蓄电池容量大小的选择，我国西部地区建议高出照明灯日耗电量的４倍以上；北方地区建议高出照明灯日耗电量５倍以上；南方地区建议高出照明灯日耗电量６倍以上。

 

3．优化计算

a．太阳能电池电池板设计

首先需要确定电磁感应灯每天需要消耗的电能Q_L，可以用下式来表示

                                             （1）

式中：P是电磁感应灯和高频发生器的总功耗，H是电磁感应灯每天工作的时间，U_o是系统的工作电压（通常有12V和24V两种）。如果系统采用调光控制，可以对各时段进行积分来计算。

太阳能电池板的功率P_s可以通过下式来进行，计算时可以根据需要考虑连续阴天的情况，

                                        （2）

式中：H_e为标准光强下的平均日辐射时数，由太阳能电池电池板安装地点的太阳能日辐射量H_t，转换（H_e=H_t×2。778/10000（h）），K_c为斜面修正系数，Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0。8，η为系统转换效率，一般为0。95，U_f为蓄电池的浮充电压，N_c为最长连续阴雨天数。我国部分城市的太阳能平均日辐射时数和斜面修正系数如表1所示。

 b．蓄电池组容量设计

目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。

蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，太阳能板发电量各月份有很大差别太阳能板的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足;在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以电池板发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的主要依据。同时连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的重要因素。蓄电池的容量C_B可以用公式

                                        （3）

式中:A为安全系数，取1。1~1。4之间; Q_L为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数;N_c为最长连续阴雨天数;T_O为温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1。1，-10℃以下取1。2;C_C为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0。75，碱性镍镉蓄电池取0。85。

 

 

 

一般情况下，电池板朝向正南（即电池板垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30°度时，电池板的发电量将减少约10％～15％；在偏离正南（北半球）60°时，电池板的发电量将减少约20％～30％。尽量要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。对于具体设计某一个电池板的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。通常，在电池板周围有建筑物及山峰等物体时，太阳出来后，建筑物及山的周围会存在阴影，因此在选择敷设电池板的地方时应尽量避开阴影。如果实在无法躲开，也应从太阳电池的接线方法上进行解决，使阴影对发电量的影响降低到最低程度。为了美观，许多太阳能灯具生产工厂将太阳能电池水平放置，在这种情况下，太阳能电池的输出功率将减少15%~20%。

单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。太阳能电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。太阳能电池组件在使用过程中如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射时就会发热损坏，于是就造成整个太阳能电池组件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。

控制电路是太阳能照明系统的心脏。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过度充电及深度放电。另外，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制复杂些。

a．防反充电控制

通常可以在太阳能电池回路中串联一个二极管来防止反充电，这个二极管应该是肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。另外，还可以用场效应晶体管控制防止反充电功能，它的管压降比肖特基二极管更低，只是控制电路要比前面复杂。

b．防止过充电控制

可以在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管，电压鉴别电路控制晶体管的开关，将多余的太阳能电池能量通过晶体管泄放，保证没有过高的电压给蓄电池充电。

c．防止过放电控制

蓄电池一般都需要防止蓄电池过放电功能，因为蓄电池过放会造成永久性损坏。需要注意的是太阳能电池照明系统一般的蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜过低。对于12V的铅酸蓄电池放电截止电压建议为11V，再小就对蓄电池的寿命有影响。

d．温度补偿

蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的，所以太阳能灯系统应该有一个受温度控制的基准电压。对于单节铅酸蓄电池是-3~-7mV/℃，我们通常选用-4mV/℃。

 

 

图5是一种双光源的太阳能路灯系统，设计采用了两个40W的电磁感应灯，系统采用的太阳能板功率为330W，采用12V的工作电压，蓄电池采用400Ah，系统在晚上8点开始工作，12点时关闭其中一个光源，早上6点关闭另一个光源。电磁感应灯采用宽电压设计，输入电压在9.5V-16V范围内均能够启动。负载的总功耗为85W，经测试在上海采用40度的倾斜角，可以正常工作。采用10m的灯杆，25m对称布灯在6米的支路上可以得到10Lx的平均照度，基本满足了道路照明的要求。

 

LVD太阳能电磁感应灯把太阳能技术和无极灯技术紧密的结合在一起，充分利用了双方的优点，是一种节能环保的新产品。其在照明领域应用的另一个优越性就是它能大大简化烦琐的照明布线问题，每一个光源都是一个独立的工作系统。随着太阳能技术和无极灯技术的不断发展，这种新产品的性能一定会不断完善，其在将来的照明领域将大有所为。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平的提高，太阳能电池一定会应用于公路主干道的照明上。

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