CN201830493U - 风、光、网电组合驱动的大功率led恒温照明*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风、光、网电组合驱动的大功率LED恒温照明***，包括有太阳电池、风力发电机、智能直流控制器、蓄电池、以及温度控制电路，所述的太阳电池、风力发电机的电力接入到智能直流控制器变压、整流、滤波、稳压后输送到蓄电池，所述的智能直流控制器还与电网接入连接，所述的智能直流控制器的电力输出端驱动连接大功率LED和温度控制电路，该温度控制电路中包括有的大功率LED芯片、以及与大功率LED配合安装的半导体热电制冷器。本实用新型能保证大功率LED的使用寿命和可靠性。

Description

风、光、网电组合驱动的大功率LED恒温照明***

技术领域

本实用新型属于绿色能源、节能减排领域，具体涉及一种大功率LED的供电驱动以及对大功率LED进行降温、维持大功率LED稳定照明的大功率LED恒温照明***，特别是指利用风电、光电、电网组合驱动的大功率LED恒温照明***。

背景技术

传统石油、煤等化工能源的有限性及日益严重的环境污染，更加渴求太阳能、风能等可再生绿色能源的推广应用，已成为全球趋势。此外，偏远的乡村、海岛等电网难以到达的地区也渴求太阳能、风能***来改善缺电状况。光伏发电及风力发电是最有发展前景的两种能源技术，它们有显著优越性：取之不尽、可以再生、环境友好、分布广泛、因地制宜、不需运输。风光互补供电***能有效地利用风能和太阳能在能量及时间上的互补性，通过两者各自的发电装置，共同向蓄电池充电，减少中间蓄能***的容量。尽管风光互补供电***初次投资较高，但是不需要输电线路，也不需要开挖路面预埋管线，不消耗线路输送电能。因此，从长远来看该***有明显的经济效益。风光互补路灯利用自然能源发电，不消耗化石燃料，无二氧化碳、二氧化硫等有害气体的排放，清洁无害，环境效益良好。

高光电转换效率的大功率LED作为新一代的替代光源被广泛看好，是我国照明工程技术重点发展的方向。可应用于特殊照明、辅助照明、通用照明，潜力巨大，市场前景广阔。当前，高效大功率LED的散热、驱动、配光及***可靠性技术尚不成熟，极大地影响了高效大功率LED的推广应用和使用寿命。

近年来，人们开始研究风能、光能以及风/光互补供电的LED照明***,例如“中国申请(专利)号CN200710190951.X太阳能、风能或风光互补集中供电的LED隧道区域照明***”，“中国申请(专利)号CN200910102803.7风能、光能、市电互补LED智能照明***”，“中国申请(专利)号CN200820030542.3智能化LED照明灯”，“中国申请(专利)号CN200920052411.X一种风光互补集中供电的LED照明***”，“中国申请(专利)号CN200620131935.4风光互补大功率LED照明灯具”，“时斌，大功率LED太阳能照明***相关电路设计，中国照明电器，2007年第11期第1-5页”等等。但是，这些方案中并没有涉及到对利用风能发电、光伏发电、风/光互补发电给大功率LED灯降温散热的技术，影响了LED灯的稳定工作和使用寿命。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种用风光互补发电给大功率LED供电照明，同时驱动半导体热电制冷器为LED降温散热，保证了LED的使用寿命和可靠性的风、光、网电组合驱动的大功率LED恒温照明***。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是一种风、光、网电组合驱动的大功率LED恒温照明***，其特征在于：包括有太阳电池、风力发电机、智能直流控制器、蓄电池、以及温度控制电路，所述的太阳电池、风力发电机的电力接入到智能直流控制器变压、整流、滤波、稳压后输送到蓄电池，所述的智能直流控制器还与电网接入连接，所述的智能直流控制器的电力输出端连接驱动大功率LED和温度控制电路，该温度控制电路中包括有的大功率LED芯片、以及与大功率LED配合安装的半导体热电制冷器。

通过上述设置，本实用新型所述太阳电池、风力发电机工作时发电，或者在太阳电池(组)及风力发电机不工作时接入电网，并将电能通过控制器变压、整流、滤波、稳压后输送到蓄电池，蓄电池(组)将直流电经过控制器驱动大功率高效LED芯片、半导体制冷器。在LED芯片工作发热时，温度控制电路驱动半导体制冷器工作让LED芯片降温散热，保证LED的使用寿命和可靠性。控制器负责监视电池组件的充电状态，管理充电过程包括负载的开与关，使电池组件能量充分利用，并延长使用寿命。任何条件下(阳光充足或长期阴雨天)，控制器都能确保蓄电池不因过充或过放而损坏。

进一步设置是所述温度控制电路由大功率LED芯片、热敏电阻、半导体热电制冷器、集成运放芯片、电阻及三极管构成的闭环控制电路。通过本设置维持LED芯片在一比较稳定的温度下发光，保证了可靠性，延长其使用寿命。

本实用新型就是基于风能/光伏互补发电的优势，以及它们给LED供电但没有降温散热的不足而思考设计出来的。实用新型设计人提出利用风光互补发电给大功率LED供电照明，同时驱动半导体热电制冷器为LED降温散热，保证了LED的使用寿命和可靠性，避免了有害制冷剂氟利昂等的使用和排放，这些都是我国乃至世界其他国家迫切需要的可再生绿色能源及节能减排技术。因此，本实用新型具有重大的应用、经济和社会价值。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做进一步介绍。

附图说明

图1 本实用新型具体实施方式原理示意图；

图2 本实用新型蓄电池充放电控制电路图；

图3 本实用新型接入电网的可调直流稳压电源电路；

图4 本实用新型温度控制电路。

具体实施方式

如图1-4所示的本实用新型的具体实施方式，包括有太阳电池(亦称光伏电池)、风力发电机、智能直流控制器、蓄电池、以及温度控制电路，所述的太阳电池、风力发电机的电力接入到智能直流控制器变压、整流、滤波、稳压后输送到蓄电池，所述的智能直流控制器还与电网接入连接，所述的智能直流控制器的电力输出端驱动连接大功率LED和温度控制电路，该温度控制电路中包括有的大功率LED芯片、以及与大功率LED配合安装的半导体热电制冷器。

本实施例在设计时，为了得到以最小设备投资成本满足客户用电要求的风/光/蓄***配置，第一步，根据负载和当地气象参数粗略选定某一风力发电机的容量，在充分利用风能和风机容量不变的情况下，计算与该风机容量相匹配的光伏电池(组)的容量；第二步，改变风机的容量，分别计算出与此风机容量相匹配的光伏电池(组)的容量；第三步，重复第二步，可以得到几个满足客户用电需求、风/光搭配不同的风能/光能互补发电***组合；第四步，考虑各部分设备的市场价格，计算出总投资成本最小的一个风/光互补发电***的组合。蓄电池的容量C通常按照保证连续供电的天数来计算：C=(n·W)/( U·Γ·η)，其中n为蓄电池连续供电的天数，W为日耗电量，U为***工作电压，Γ为蓄电池最大放电深度(一般取40%)，η是由蓄电池到负载的放电回路效率。

在设计的计算中，需要的基本数据主要有：现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔高度等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10 年到20 年的平均值作为依据。

采取目前国际上流行的“全年均衡冬半年最大”的接收太阳能辐射量的光伏***设计原则，即根据蓄电池(组)均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在太阳电池组件面上的日辐射量相等，但同时还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到最大值，从而增加组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量原则，来确定光伏电池组件面的最佳倾角及其最佳发电的电流值，同时统计出全年累计最大的连续亏欠电量，结合适当的蓄电池(组)放电深度G，确定出光伏组件和蓄电池(组)的合理搭配容量。

所述的风力发电机可根据负载的大小选择大型、中型、小型的水平轴或者竖直轴的风机；所述的光伏电池可选择单晶硅、多晶硅、非晶硅的太阳电池；所述的蓄电池(组)可选择铅酸蓄电池(组)、Ni-Cd蓄电池(组)、Ni-H蓄电池(组)。

本实用新型所述的风/光组合发电对蓄电池(组)充放电控制电路如图2所示。光伏电池组件输出通过防反充二极管D2和充电场效应管Q6 对蓄电池(组)充电，同时充电场效应管、电感和二极管组成所谓的Buck 电路，通过控制单片机输出的脉宽调制 (PWM)信号，实现最大功率跟踪。风力发电机输出的交流电，一路通过电桥整流得到直流电压，经过防反充二极管D2 和充电场效应管Q6 给蓄电池(组)充电；另一路通过场效应管Q2、Q4及卸载电阻R8。如果蓄电池(组)的电压达到风机卸载电压值，开通Q2、Q4管使风机卸载，停止对蓄电池(组)充电；否则，禁止卸载恢复充电。放电场效应管Q10是蓄电池(组)的放电开关。放电时，为保护蓄电池(组)，当Q10的电压小于过放电压时，放电开关截止，切断蓄电池(组)与负载的回路，避免过放而损坏。只有当蓄电池(组)的电压重新升到浮充电压时，放电开关重新导通，与负载大功率LED芯片及半导体制冷器(TEC)接通。

所述的控制电路安装在塑料机壳内，面板加装电压表、电流表、调节电位器、开关、输出接线端子以及红、绿色发光二极管指示灯。

本实施例当所述的风/光组合发电无法提供电力时，实用新型设计人提出可用接入电网的可调直流稳压电源给大功率LED芯片及半导体制冷器(TEC)供电。如图3所示，所述电源主要包括稳压集成块LM723(或MC1723等)，内含启动电路、恒流源、基准稳压源、过流保护等电路。外接大功率调整管等附属电路，可输出0～30 V连续可调的稳定电压，最大输出电流为5 A，具有过流保护功能，为大功率LED芯片及半导体制冷器(TEC)供电。

正常使用时，调整图3中的电位器W可在0～30 V范围内调节输出电压。当输出端发生过流或短路时，R1两端的压降大于0.6 V，Q3、Q4导通，此时D7导通，稳压集成块LM723的13脚电压下降接近0 V，内部检测电路动作，11脚输出高电压30 V，Q1、Q2（C2819、2N3395等）截止导致无电压输出，保护负载和稳压源本身。重新开机才有输出。电路焊接时应加装足够大的散热片，才能保证调整管Q1输出额定电流时不被烧坏。

进一步所述的可调直流稳压电源电路与前述的控制电路安装在同一个塑料机壳内，所述可调直流稳压电源的输出端通过两个双刀双掷开关，与所述风/光组合发电***控制器的输出端之间互相切换。

现有LED芯片的体积小，发光效率一般不是很高，输入的电能绝大部分转变为热量，因此芯片散热是LED封装的关键技术。

所述大功率LED温度控制电路(如图4)主要包括LED芯片、热敏电阻(Pt电阻等)、半导体热电制冷器(TEC)、集成运放芯片、电阻及三极管等，由他们构成闭环控制电路；还要用到热沉(铜及铜合金等)、低温无铅焊料(锡等)、荧光粉等。

图4是温度控制电路，LED组件中的热敏电阻Rt具有负温度系数，在20℃时阻值 Rt＝10 k～12 k，ΔRt/ΔT≈-0.5/℃。Rt与Rl，R2，R3组成电桥，其输出电压加到差分放大器的同相和反相输入端。在某温度下，电桥达到平衡。电源驱动LED发光时它的温度也升高，Rt阻值下降，电阻Rt的端电压V_Rt下降，也就是集成运放的反相端电位下降，同相端电位不变，输入端压降增大，输出端电压为正。BGl、BG2正向导通，通过半导体热电制冷器TEC（电阻Rc）的电流增大，制冷量增大，使LED芯片的温度下降，最终维持LED芯片在一比较稳定的温度下发光，保证了可靠性，延长其使用寿命。

所述LED产生白光的技术有：蓝光芯片(如GaN倒装、正装芯片等)+黄光荧光粉(YAG、TAG等)成白光；BY双芯片发光混色成白光或者RGB三基色芯片发光混色成白光；UV芯片+RGB三基色荧光粉发光混色成白光等。荧光粉粒度合理，环氧树脂胶粘度合适，满足于芯片、空气的折射率的匹配。

所述的半导体热电制冷器(TEC)可选择二元(Bi2Te3－Sb2Te3和Bi2Te3－Bi2Se3)或者三元(Bi2Te3－Sb2Te3－Sb2Se3)固溶体材料的TEC器件，而不宜选用含Cu等重金属材料的制冷器，其功率大小及尺寸结构可根据所选的LED芯片的来决定，如果LED芯片有多个，则制冷器也可有多个。

进一步所述的全部LED芯片及制冷器(TEC)的总功率，应该与前述的风光互补发电***的功率或者电网的输入功率，以及充放电控制电路、可调直流稳压电路、温度控制电路和蓄电池的效率匹配，而且LED芯片及制冷器(TEC)的电压、电流应该与供电单元的电压、电流吻合。

所述本实用新型，针对风力资源丰富的地区，使用风力发电机通过智能直流控制器和蓄电池给LED芯片及制冷器供电，可以简化***和降低成本。如果LED芯片数量少，单独使用光伏电池(组)通过智能直流控制器直接给LED芯片及制冷器供电，从而简化了整个***。

所述本实用新型属于我国乃至世界其他国家迫切需要的可再生绿色能源及节能减排技术。适用于家庭、教室、办公楼、体育场馆、隧道、地铁交通、道路等室内外场所的照明，特别适合海岛、高山、草原、沙漠等电网不便延伸之地的照明***，具有显著的应用、经济和社会价值。

Claims (2)

1.一种风、光、网电组合驱动的大功率LED恒温照明***，其特征在于：包括有太阳电池、风力发电机、智能直流控制器、蓄电池、以及温度控制电路，所述的太阳电池、风力发电机的电力接入到智能直流控制器变压、整流、滤波、稳压后输送到蓄电池，所述的智能直流控制器还与电网接入连接，所述的智能直流控制器的电力输出端驱动连接大功率LED和温度控制电路，该温度控制电路中包括有的大功率LED芯片、以及与大功率LED配合安装的半导体热电制冷器。

2.根据权利要求1所述的一种风、光、网电组合驱动的大功率LED恒温照明***，其特征在于：所述温度控制电路为由大功率LED芯片、热敏电阻、半导体热电制冷器、集成运放芯片、电阻及三极管构成的闭环控制电路。

Images