我們都見過很多太陽能燈，它們的價(jià)格非常便宜。但是用購買太陽能燈的錢無法從商店購買太陽能電池板、鎳氫電池。而且它們還有一個(gè)缺點(diǎn)，即電池不能滿足蓄電和用電的需求，整個(gè)使用過程并不是完整的循環(huán)，這種太陽能燈的壽命非常短。大多數(shù)燈整夜都不亮，原因有很多，比如電池壞/舊、太陽能電池板小、電子設(shè)備糟糕等等。針對(duì)這種情況，可以使用超級(jí)電容器代替電池，持續(xù)時(shí)間會(huì)更長。
太陽能草坪燈是一個(gè)獨(dú)立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。它能夠獨(dú)立地完成把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并能把電能轉(zhuǎn)換成熱能供照明和裝飾使用，而不需要電線的傳輸。即使是在陰天，這個(gè)太陽能發(fā)電機(jī)(太陽能板)也可以收集，存儲(chǔ)太陽能量。由于蓄電池壽命短以及不環(huán)保，因此本文介紹了一種基于超級(jí)電容器太陽能草坪燈的設(shè)計(jì)方法。超級(jí)電容器作為一種充電快、壽命長、綠色環(huán)保型儲(chǔ)能元件，它給太陽能產(chǎn)品的發(fā)展帶來了新的活力。
太陽能草坪燈
1.設(shè)計(jì)選擇
1.1光源選擇
由于LED技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵性突破，同時(shí)性能價(jià)格比也有較大地提高。現(xiàn)在的LED壽命已可達(dá)到100,000h以上，而且工作電壓低，非常適合應(yīng)用于太陽能草坪燈上。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，可以調(diào)節(jié)明暗，并可頻繁開關(guān)，而且不會(huì)對(duì)LED的性能產(chǎn)生不良影響。因此，從可靠性、性價(jià)比、色溫和發(fā)光效率等幾個(gè)方面綜合考慮，設(shè)計(jì)時(shí)可選擇額定電壓為3.3 V、工作電流為6 mA的超亮LED作為光源。由于草坪燈不但要有裝飾作用，還要有一定的照明功能，故可選擇8個(gè)LED使用。
1.2太陽能電池選擇
太陽能電池是依據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)的光伏效應(yīng)原理把太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件，是超級(jí)電容器太陽能草坪燈的核心器件。太陽能電池性能的好壞直接決定著能量的轉(zhuǎn)換效率及輸出電壓的穩(wěn)定性，同時(shí)也直接決定了超級(jí)電容器太陽能草坪燈的性能。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用性價(jià)比比較好的單晶硅太陽能電池。
由于地球上各個(gè)地區(qū)的太陽年總輻射量與平均峰值日照時(shí)數(shù)不同，太陽能草坪燈的設(shè)計(jì)和燈的使用地理位置是有關(guān)系的，太陽能電池組件額定輸出功率和燈具的輸入功率之間的關(guān)系大約是2～4：1，具體比例要根據(jù)燈的每天工作時(shí)間以及對(duì)連續(xù)陰雨天的照明要求決定。本系統(tǒng)的太陽能電池的功率為3.3V×0.006×8=0.1584 W，假設(shè)每天工作12個(gè)小時(shí)，太陽能電池功的效率為40%，每天有效工作時(shí)間為5小時(shí)，則可選用3 W/6 V的太陽能電池。
1.3超級(jí)電容選擇
由于太陽能電池的輸入能量極不穩(wěn)定，同時(shí)草坪燈只是在周圍光線較弱時(shí)才發(fā)光，因而必需配置蓄電系統(tǒng)才能有效工作。現(xiàn)階段普遍采用鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池或Ni-H蓄電池，但采用蓄電池作為蓄電系統(tǒng)有許多缺陷：首先可充電型蓄電池的充電次數(shù)有限(小于1000次)，使用壽命較短;其次，由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，它不能進(jìn)行大電流充電;第三，蓄電池需要有防過充、防過放以及溫度補(bǔ)償?shù)瓤刂齐娐罚铱刂齐娐繁容^復(fù)雜;第四，可充電型蓄電池主要利用化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行充放電，電池中的廢物會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，不屬于環(huán)保產(chǎn)品。
因此，本產(chǎn)品中選用超級(jí)電容做為儲(chǔ)能元件。該電容具有法拉級(jí)的超大電容量，超強(qiáng)的荷電保持能力，且漏電流非常小，8小時(shí)電壓下降率小于5%;無須特別的充電電路和控制放電電路，充電迅速，而且可以在僅高于其漏電流(典型值約為1 mA)的狀態(tài)下充電，因此，即使在陰天，太陽能電池也能對(duì)超級(jí)電容器充電;與蓄電池相比，其過充、過放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響，可靠性高、使用壽命長(充放電循環(huán)壽命在10萬次以上);此外還具有優(yōu)良的溫度性能，可在-40℃～75℃的環(huán)境溫度中正常使用;無污染，是一種綠色電源;可焊接，而且不存在像蓄電池那樣接觸不牢固等問題。
本太陽能草坪燈產(chǎn)品選用5.0V/225 F電容器模塊，其單只電容器產(chǎn)品的ESR(DC)只有20mΩ，直徑25 mm，高為48 mm。5 V/225 F超級(jí)電容器充電時(shí)間為(在充電電流為450mA的情況下)：
式中：C-電容器額定容量;△U-電容器工作電壓變化;I-電容器充電電流;t-電容器充電時(shí)間。
超級(jí)電容器放電時(shí)間為：
式中：ESR為電容器的直流內(nèi)阻。5 V/225 F超級(jí)電容器可從5 V放電到0.6 V。
2.系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)
2.1充電電路
本系統(tǒng)中的充電電路由防過壓和防反充電路構(gòu)成，圖1所示為其充電電路，圖中的ZD1為5.6V穩(wěn)壓二極管，當(dāng)電池電壓高于5.6 V時(shí)，Q2導(dǎo)通，硅電池全部電流通過電阻Q2消耗掉，當(dāng)硅電池電壓降到5.6 V以下時(shí)，Q2截至，硅電池給超級(jí)電容充電，并同時(shí)保護(hù)超級(jí)電容。
圖1 充電電路
防止反充電控制電路可以保證在太陽能電池輸入電壓低于超級(jí)電容電壓時(shí)，超級(jí)電容不會(huì)反向?qū)μ柲茈姵爻潆姡悦庠斐刹槐匾哪芰繐p耗。反充電控制可由圖1中的二極管D1來完成，這個(gè)二極管選用肖特基二極管，因?yàn)樾ぬ鼗O管的導(dǎo)通壓降比普通二極管低。
2.2驅(qū)動(dòng)LED穩(wěn)壓電路
由于所選用的LED燈的額定電壓為3.3 V，而超級(jí)電容器的電壓為5.0 V，并且超級(jí)電容器在放電過程中電壓會(huì)不斷降低，因此需要有穩(wěn)壓電路來驅(qū)動(dòng)LED。本文選用CMOS工藝制造且靜態(tài)電流極低的VFM開關(guān)型DC/DC升壓穩(wěn)壓器，該芯片內(nèi)部包括VFM控制電路、LX開關(guān)驅(qū)動(dòng)晶體管、基準(zhǔn)電壓單元、振蕩器、誤差比較放大器、電壓采樣電阻、LX開關(guān)保護(hù)電路等。芯片外部只需要一個(gè)電感、一個(gè)輸出電容和一個(gè)肖特基二極管就可以提供穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。該穩(wěn)壓器具有8μA的極低輸入電流、低紋波、低噪聲特性，效率可達(dá)到80%，并具有0.6 V的極低啟動(dòng)電壓，輸出電壓精度可達(dá)±2.5%。該部分電路如圖2所示。
圖2 驅(qū)動(dòng)LED穩(wěn)壓電路
其中331C外圍的電感和二極管會(huì)影響轉(zhuǎn)換效率，此外，電容和電感也會(huì)影響輸出波紋。因此。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的電感、電容和肖特基二極管以獲得較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的波紋和噪聲。根據(jù)331C的數(shù)據(jù)手冊(cè)，本設(shè)計(jì)選擇47μH且小于0.5 Ω的電感和47μF的低ESR的鉭電容。用于整流的二極管對(duì)DC-DC的效率影響很大，雖然普通的二極管也能夠使DC-DC電路工作正常，但是會(huì)降低DC-DC轉(zhuǎn)換器5%～10%的效率，所以D3采用正向?qū)妷狠^低、反應(yīng)時(shí)間較短的肖特基二極管lN5817。
2.3光控電路
超級(jí)電容器太陽能草坪燈需要光控開關(guān)電路來控制LED的開關(guān)。以便在周圍環(huán)境光線變暗時(shí)點(diǎn)亮LED，并當(dāng)光線變亮?xí)r關(guān)閉LED。有些光控開關(guān)電路采用光敏電阻來開關(guān)LED，也可以直接采用太陽能電池做光敏開關(guān)，因?yàn)樘柲茈姵靥匦员裙饷綦娮韬谩＿@部分電路如圖3所示。
圖3 光控電路
圖3中，U1為帶施密特觸發(fā)器的六反相器74HC14，其中的多諧振蕩器由第二個(gè)反相器與R5和C1構(gòu)成。這樣，在白天光線變亮?xí)r，太陽能電池電壓升高，74HC14的1腳為高電平，74HC14的2腳為低電平，8腳同樣輸出低電平，三極管Q1截至，LED關(guān)斷。而當(dāng)光線變暗時(shí)，太陽能電池電壓降低到一定程度時(shí)，HC14的1腳為低電平，HC14的2腳為高電平，多諧振蕩器開始振蕩，并經(jīng)過Y4輸出高、低電平，Q2時(shí)而導(dǎo)通時(shí)而截至，此時(shí)只要調(diào)節(jié)R6和C1的值，以把閃光頻率調(diào)節(jié)到人眼不能分辨即可，這樣做的最大好處是可以延長草坪燈工作時(shí)間。經(jīng)實(shí)際測試，該電路可以每天連續(xù)工作10小時(shí)以上，完全可以達(dá)到用戶的使用需求。
3.關(guān)于電容器太陽能草坪燈設(shè)計(jì)的常見問題
3.1LED燈泡中電容的作用是什么?
取決于你使用的是哪種電容器。有兩種類型的電源操作LED：第一種是便宜的，由電壓降整流器電路供電，其中降壓功能由聚酯薄膜電容器執(zhí)行，高達(dá)2微法拉。還有一個(gè)大約100微法拉的電解液，可以防止浪涌并平滑直流電壓。第二種是真正的LED燈，它有一個(gè)小的驅(qū)動(dòng)模塊，它是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，控制提供給LED串的電流。通常，這是大約300mA。電壓根據(jù)燈的額定值而變化，從大約25V到80V。驅(qū)動(dòng)模塊中通常有高壓電解和低壓電解。這些用于平滑HV輸入和LV輸出。
3.2LED燈的電容有什么作用?
電容器通常用于LED驅(qū)動(dòng)器以平滑和減少來自電源的紋波。為LED照明系統(tǒng)選擇合適的電容器有助于避免閃爍、消除過熱并確保LED燈的使用壽命。
3.3LED燈需要電容嗎?
需要一個(gè)電容器，因?yàn)殡m然LED顏色變化會(huì)因電阻、電感、電源質(zhì)量等原因?qū)е螺^大的壓降，但問題在于這些智能LED中有一個(gè)小型微控制器，對(duì)掉電很敏感(輸入電壓下降)。
3.4LED需要多大尺寸的電容器?
針對(duì)典型的LED照明電路來說，對(duì)于C1、C2和C3，應(yīng)選擇額定AC250Vrms的安全認(rèn)可電容器。C6是二極管的緩沖電容;需要額定承受DC250V至DC630V的部件，這些部件可以具有X7R溫度特性。
3.5電容器會(huì)阻止LED閃爍嗎?
電容器實(shí)際上可以用來減少閃爍，但它們需要與LED二極管本身并聯(lián)，而不是與電源連接。
3.6電容器和電池有什么區(qū)別?
電池可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電容器用于儲(chǔ)存能量的電子元件。與以化學(xué)方式儲(chǔ)存能量的電池不同，電容器以物理方式儲(chǔ)存能量，其形式與靜電非常相似。
3.7將帶電的電容器連接到燈泡時(shí)會(huì)發(fā)生什么?
當(dāng)一個(gè)電容器放在一個(gè)包含一個(gè)燈泡和一個(gè)電池的電路中時(shí)，電容器最初會(huì)充電，隨著充電的發(fā)生，電路中將出現(xiàn)非零電流，因此燈泡會(huì)亮起。
3.8當(dāng)用電容器設(shè)計(jì)太陽能草坪燈時(shí)，電容器會(huì)增加電壓嗎?
電容器不會(huì)增加電壓。在直流電路中，連接一個(gè)充電的電容器作為電源將提供電容器的電位作為電源電壓，隨著電容器放電，這將隨著時(shí)間的推移而減少。
3.9可以用電容器作為電池嗎?
施加在導(dǎo)體上的電壓會(huì)在電容器中產(chǎn)生電場，從而存儲(chǔ)能量。電容器像電池一樣工作，如果在其兩端施加可能導(dǎo)致電荷大于其“當(dāng)前”電荷的電勢(shì)差，它將被充電。
結(jié)語
以上就是基于電容器的太陽能草坪燈設(shè)計(jì)介紹了。本設(shè)計(jì)采用了超級(jí)電容和集成的DC-DC芯片，因而整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡單，可靠性高，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品。電子設(shè)備本身就是一種最先進(jìn)的技術(shù)，它非常小，可以焊接到超級(jí)電容器上。即使在多云的天氣它也可以充電，可以把它放在任何你喜歡的外殼里。而該草坪燈很好的結(jié)合了太陽能和超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)，它無需安裝其他電源，就可以主動(dòng)發(fā)光，還能夠根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱自動(dòng)控制燈的開關(guān)，并且安裝方便、不用布線、工作穩(wěn)定可靠、免維護(hù)、環(huán)保無污染、使用壽命長，可廣泛應(yīng)用于廣場綠地、小區(qū)草坪等場所。
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