CN108006566B - 太阳能路灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能路灯100，该太阳能路灯100包括灯杆101；灯架102，设置于所述灯杆101靠近顶端位置处；LED光源103，设置于所述灯架102端头位置处；太阳能电池104，设置于所述灯杆101顶端位置处；控制器105，设置于所述灯杆101内部并分别电连接所述太阳能电池104与所述LED光源103；蓄电池106，设置于所述灯杆101内部并电连接所述控制器105。本发明提供的太阳能路灯，采用高发光效率的LED作为发光器件，只需要较少的LED，就可以保证照明亮度，因此可以极大地节省电量。

Description

太阳能路灯
技术领域
本发明属于照明领域，具体涉及一种太阳能路灯。
背景技术
近年来，太阳能路灯已逐渐作为市政照明的主流产品，因其具有如下优点：1、安装简便：太阳能路灯安装时，不用辅设复杂线路，只做一个水泥基座，做一个电池坑，用镀锌螺栓固定就可。不需消耗大量人力、物力、财力消耗，安装简洁，不需要架线或“开膛破肚”挖地施工，也没有停电限电顾虑。2、投入资金少：太阳能路灯一次投资、长期受益，由于线路简便，不产生维护费用，不产生昂贵电费。3、安全性能好：太阳能路灯由于采用的是12~24V低压，电压稳定，运行可靠，不存在安全隐患，是生态小区，路政部门理想产品。绝无触电、火灾等意外事故。4、节能环保：以太阳能光电转换提供电能，取之不尽、用之不竭，且无污染、无噪音、无辐射。
但是，目前市面上的太阳能电池光电转换率较低，导致太阳能路灯的亮度或者通电时长得不到保证。而如果采用增加太阳能电池的方法，则会大大增加太阳能路灯的成本，从经济角度来看显得有些得不偿失。
因此，如何解决太阳能路灯的亮度及通电时长就成了当期亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种太阳能路灯。
本发明的一个实施例提供了一种太阳能路灯100，包括：
灯杆101；
灯架102，设置于所述灯杆101靠近顶端位置处；
LED光源103，设置于所述灯架102端头位置处；
太阳能电池104，设置于所述灯杆101顶端位置处；
控制器105，设置于所述灯杆101内部并分别电连接所述太阳能电池104与所述LED光源103；
蓄电池106，设置于所述灯杆101内部并电连接所述控制器105。
在本发明的一个实施例中，所述太阳能电池104为晶体硅太阳能电池。
在本发明的一个实施例中，所述蓄电池106为铅酸电池或胶体电池。
在本发明的一个实施例中，所述LED光源103包括：
底座1031；
多个LED灯1032，设置于所述底座1031上；
反光杯1033，设置于所述底座1031上并环绕于所述多个LED灯1032外侧；
透镜1034，设置于所述反光杯1033顶端。
在本发明的一个实施例中，所述底座1031为铝材料。
在本发明的一个实施例中，所述反光杯1033为金属反光杯。
在本发明的一个实施例中，所述LED灯1032包括：
基板10321；
LED芯片，设置于所述基板10321上；
第一硅胶层10322，设置于所述基板10321及所述LED芯片上；
球形透镜10323，其下半球均匀设置于所述第一硅胶层10322内；
第二硅胶层10324，设置于所述第一硅胶层10322及所述球形透镜10323上。
在本发明的一个实施例中，所述基板10321内沿宽度方向设置有多个散热通孔。
在本发明的一个实施例中，所述LED芯片包括蓝宝石衬底、GaN稳定层、GaN缓冲层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱结构、P型AlGaN阻挡层、P型GaN层、上电极及下电极；其中，
所述GaN稳定层、所述GaN缓冲层、所述N型GaN层、所述InGaN/GaN多量子阱结构、所述P型AlGaN阻挡层及所述P型GaN层依次层叠于所述蓝宝石衬底上，且所述上电极设置于所述P型GaN层，所述下电极设置于所述N型GaN层。
在本发明的一个实施例中，所述第一硅胶层10322、所述第二硅胶层10324及所述球形透镜10323的折射率依次增大。
本发明实施例的太阳能路灯，相对于现有技术具有如下优点：
本发明提供的太阳能路灯，散热效果好，结构简单，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种太阳能路灯的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种LED光源的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种LED灯的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基板的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种LED芯片的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种LED灯的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的再一种LED灯的结构示意图；
图8a为本发明实施提供的一种球形透镜的排布方式示意图；
图8b为本发明实施例提供的另一种球形透镜的排布方式示意图；
图9为本发明实施例提供的一种LED硅胶封装工艺的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种太阳能路灯的结构示意图。该太阳能路灯100包括：
灯杆101；
灯架102，设置于所述灯杆101靠近顶端位置处；
LED光源103，设置于所述灯架102端头位置处；
太阳能电池104，设置于所述灯杆101顶端位置处；
控制器105，设置于所述灯杆101内部并分别电连接所述太阳能电池104与所述LED光源103；
蓄电池106，设置于所述灯杆101内部并电连接所述控制器105。
本发明实施例提供的太阳能路灯，散热效果好，结构简单，使用寿命长。
实施例二
本实施例是在实施例一的基础上对本发明作进一步的说明。
优选地，在上述实施例的基础上，所述太阳能电池104为晶体硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池转换效率高、寿命长、性能可靠，目前作为太阳能电池中的主流产品。
优选地，在上述实施例的基础上，所述蓄电池106为铅酸电池或胶体电池。铅酸电池的工作电压较稳、使用温度、工作电流较宽，储存性能好且造价低；胶体电池放电曲线平直，拐点高，寿命较长，高温及低温特性好，适合在多变气候条件下使用。
进一步地，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种LED光源的结构示意图。该LED光源103包括：
底座1031；
多个LED灯1032，设置于所述底座1031上；
反光杯1033，设置于所述底座1031上并环绕于所述多个LED灯1032外侧；
透镜1034，设置于所述反光杯1033顶端。
优选地，所述底座1031为铝材料。铝材料密度小、价格低，是一种良好的散热材料，被广泛用于电子产品中。
进一步地，所述反光杯1033为金属反光杯。优选的，可以选用高纯铝反光杯，因为高纯铝反光杯的成本较低、耐温性能佳，且还有散热的效果。
进一步地，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种LED光源的结构示意图。该LED光源1032可以包括：
基板10321；
LED芯片，设置于所述基板10321上；
第一硅胶层10322，设置于所述基板10321及所述LED芯片上；
球形透镜10323，其下半球均匀设置于所述第一硅胶层10322内；
第二硅胶层10324，设置于所述第一硅胶层10322及所述球形透镜10323上。
其中，所述第二硅胶层1034中含有荧光粉材料，所述第一硅胶层10322中不含有荧光粉材料。且所述第一硅胶层10322、所述第二硅胶层10324及所述球形透镜10323的折射率依次增大。硅胶层折射率从下向上依次增大的原因是为了抑制全反射，因为全反射会导致出射光变少，全反射到内部的光会被吸收变为无用的热量。
通过在第一硅胶层10322和第二硅胶层10324中设置球形透镜10323，改善LED芯片发光分散的问题，可以提高发光效率；此外，将荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题，从而进一步提高LED的发光效率。
进一步地，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种基板的结构示意图。该基板10321可以包括基板本体103211以及设置于本体内的散热通孔103212。其中，散热通孔103212可以沿基板本体103211的宽度方向均匀平行设置于基板本体103211内。
具体地，所述基板10321优选为铁材质，且其厚度为0.5mm~10mm，所述散热通孔的直径为0.2mm~0.4mm，所述散热通孔之间的间距为0.5mm~10mm。且优选采用散热通孔103212与基板本体103211表面形成倾角，且所述倾角可以为1~10度，这样更加有利于空气的流通。
另外，带有倾斜通孔的基本可以是直接铸造形成，也可以是在铁基板的基础上沿宽度方向直接开槽形成。
目前LED芯片多数是封装在薄金属基板上，由于金属基板较薄、热容较小，而且容易变形，导致其与散热片底面接触不够紧密而影响散热效果。为了解决这个难问题，本实施例通过设置相对较厚的金属基板来获取更大的热容并可以保持基板不变形的情况下与散热装置接触紧密以增加导热效果；其次在基板上设置倾斜通孔增加空气流通的通道，利用烟囱效应提升空气的热对流速率，增加了散热效果，同时由于在基板上设置有通孔，在强度几乎没有变化的同时也可以使金属基板的成本下降。另外，因为基板厚度较厚，不易变形，相对于额外增加散热设备的方式更易于散热，也不会出现因为较薄的基板容易变形导致与外设散热设备不贴合而引起散热效果变差的问题。
进一步地，请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种LED芯片的结构示意图。该LED芯片200包括蓝宝石衬底201、GaN缓冲层202、GaN稳定层203、N型GaN层204、InGaN/GaN多量子阱结构205、P型AlGaN阻挡层206、P型GaN层207、上电极208及下电极209；其中，
所述GaN缓冲层202、所述GaN稳定层203、所述N型GaN层204、所述InGaN/GaN多量子阱结构205、所述P型AlGaN阻挡层206及所述P型GaN层207依次层叠于所述蓝宝石衬底201上，且所述上电极208设置于所述P型GaN层207，所述下电极209设置于所述N型GaN层204。
进一步地，该LED的制备工艺如下：
1. 选取蓝宝石0001衬底201，在衬底上生长厚度为3000-5000纳米的GaN缓冲层202，生长温度为400-600℃。
2. 升温至900-1050℃生长厚度为500纳米-1500纳米的GaN稳定层203。
3. 温度不变，在生长200-1000纳米掺Si的N型GaN层204，掺杂浓度为1×1018~5×1019cm-3。
4. 在以上N型GaN层上，再生长InGaN/GaN多量子阱结构205作为有源层，其中InGaN量子阱205a的生长温度为650~750℃，GaN势垒205b的生长温度为750~850℃；量子阱周期为8~30，InGaN量子阱205a厚度为1.5~3.5纳米，其中In的含量约为10~20%；GaN势垒205b厚度均为5~10纳米。
5. 在升温至850~950℃，生长10~40纳米掺的P型AlGaN阻挡层206。
6. 生长100~300纳米的P型GaN层207，作为接触用。
7. 再淀积SiO2层，其厚度为300nm~800nm，刻蚀电极接触窗口。经实验论证，厚度最优值为500nm。蒸镀金属Cr/Pt/Au电极，其中，Cr的厚度为20nm~40nm，Pt的厚度为20nm~40nm，Au的厚度为800nm~1500nm；经实验论证，Cr的厚度最优值为30nm、Pt的厚度最优值为30nm、Au的厚度最优值为1200nm。之后在300℃~500℃温度下退火处理，形成金属化合物，并去掉多余金属形成上电极208和下电极209。淀积金属，光刻引线，采用PECVD淀积SiO2钝化层，图形光刻，露出电极焊盘所在的区域，以便后续引金线。
在上述步骤之后，将蓝宝石衬底201背面减薄至150μm以下，在背面镀金属反射层，如金属Al、Ni、Ti等。之后进行划片形成LED芯片。
通过上述方法在蓝宝石衬底上通过量子阱结构激发蓝光作为LED芯片，其发光效率高，有利于提升LED灯的发光效率。
进一步地，请参见图6、图7、图8a、图8b及图9，图6为本发明实施例提供的另一种LED灯的结构示意图，图7为本发明实施例提供的再一种LED的封装结构示意图，图8a为本发明实施提供的一种球形透镜的排布方式示意图，图8b为本发明实施例提供的另一种球形透镜的排布方式示意图，图9为本发明实施例提供的一种LED硅胶封装工艺的流程图。此处重点对本发明的硅胶和球形透镜进行详细描述如下。
该LED封装结构中，第一硅胶层10322可以采用改性环氧树脂、有机硅材料等，但不可以使用环氧树脂，这是因为环氧树脂类材料一定要与芯片隔离，以防氧化。该球形透镜10323采用聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂、玻璃等材料。第二硅胶层10324优选采用甲基折光率为1.41的硅橡胶、苯基高折射率例如1.54的有机硅橡胶等。
其中，该球形透镜10323之间有硅胶条10325相连，且该球形透镜10323为“凸凸镜”，其焦距优选为满足
Figure DEST_PATH_IMAGE002
：
1.07R/(n2-n1)~1.5R/(n2-n1)；------------
Figure 822293DEST_PATH_IMAGE002
其中，n1为第一硅胶层10322的折射率，n2为形成透镜的硅胶材料的折射率，R为球形透镜的半径；且其焦距同时满足
Figure DEST_PATH_IMAGE004
：
1.07R/(n3-n2)~1.5R/(n3-n2)；------------
Figure 552482DEST_PATH_IMAGE004
其中，n3为第二硅胶层10324的折射率。这样才能很好地保证LED的出光率最高。
另外，通过实验证明，出光率最优的LED的其他参数还包括：
第一硅胶层10322的厚度应满足公式
Figure DEST_PATH_IMAGE006
：
H1> R+0.5R/(n2-n1)；----------------
Figure 394536DEST_PATH_IMAGE006
其中，H1为第一硅胶层10322的厚度；第一硅胶层10322的厚度应满足公式
Figure DEST_PATH_IMAGE008
：
H2> R+0.5R/(n3-n2)；----------------
Figure 789746DEST_PATH_IMAGE008
其中，H2为第二硅胶层10324的厚度。当然，第一硅胶层10322和第二硅胶层10324的厚度也不能太厚，太后也会影响其出光率。
另外，球形透镜的半径R优选为5μm~100μm，且球间距优选为5μm~100μm。LED芯片的宽度优选为：W=5mil1mil=1/45mm，其厚度D优选为90μm~140μm。
另外，透镜还有一个优势，有了透镜可改变光的传播方向，可以有效地抑制全反射效应，有利于更多的光发射到LED外部，即增大了LED器件的外量子效率，或者提高LED的发光效率。
需要重点强调的是，该球形透镜在第一硅胶层的表面中呈矩形或者菱形排布，详见图8a和图8b。
具体地，请参见图9，该LED硅胶封装工艺流程包括如下步骤：
步骤1、在LED芯片上方涂敷第一折射率硅胶形成第一硅胶层。其中，该硅胶中不含有荧光粉，且为耐高温硅胶。该硅胶在LED芯片表面形成平面结构。
需要说明的是，荧光粉被认为是影响白光 LED 封装取光效率最重要的封装材料之一，国外研究人员发现荧光粉的光散射特性使得相当一部分的正向入射光线会被后向散射。目前的大功率LED 封装中，荧光粉一般是直接涂覆在芯片表面上的。由于芯片对于后向散射的光线存在吸收作用，因此，这种直接涂覆的方式将会降低封装的取光效率。另外，将荧光粉直接涂覆在芯片上，芯片产生的高温会使荧光粉的量子效率显著下降，从而严重影响到封装的流明效率。本发明的第一硅胶层，具有耐高温特性且不含有荧光粉材料，使得荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题。
步骤2、利用半球形模具在第一硅胶层内压制形成半球形凹槽。
具体地，该半球形模具的直径为10μm~200μm，在第一硅胶层内进行压制形成半球形的凹槽，且这些凹槽的间距为10μm~200μm，且在第一硅胶层内呈矩形均匀排列，或者呈交错排列，当然，也可以为其他排列方式，此处不做任何限制。
步骤3、将带有半球形模具的第一硅胶层在90℃~125℃的温度下，烘烤15~60分钟，之后去掉半球形模具。
步骤4、在第一硅胶层表面涂敷第二折射率硅胶，并利用半球形模具进行压制以在所述第一硅胶层表面形成半球形凸起，去除多余的第二折射率硅胶。
步骤5、将带有半球形模具的第一硅胶层在90℃~125℃的温度下，烘烤15~60分钟，之后去掉半球形模具形成球形透镜。
步骤6、在第三折射率硅胶中配置荧光粉形成第二硅胶层。
其中，荧光粉可以根据所要制作的LED的颜色确定，例如，如果制作白色LED，由于LED芯片采用蓝宝石衬底并采用GaN材料发光，则需要配置黄色的荧光粉，而荧光粉的含量的多少形成不同光源的色温。对于制作其他单色LED，可以采用InGaN或GaN，波长为465nm，制作蓝色LED；采用Y1Gd3AlGa5O12，波长为550nm，制作黄色LED；采用Y2O2S:Eu3+，波长为626nm，制作红色LED；采用BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+，波长为515nm，制作绿色LED。当然，也可以采用多种材料一并制作对应混色的LED。
步骤7、在100℃~150℃的温度下，将整个LED材料烘烤4~12小时。即将包括LED芯片、第一硅胶层、球形透镜、第二硅胶层等的整个LED材料进行长烤，以形成最终的LED灯。
通过将荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题。与LED芯片接触的硅胶为耐高温的硅胶，解决了硅胶老化发黄引起的透光率下降的问题。利用不同种类硅胶和荧光粉胶折射率不同的特点，在硅胶中形成透镜，改善LED 芯片发光分散的问题，使LED灯发出的光能够更加集中，提高了大功率LED的发光效率。
本实施例提供的太阳能路灯，采用高发光效率的LED作为发光器件，只需要较少的LED灯，就可以保证照明亮度，因此可以节省电量，能在目前太阳能电池转换率低的情况下保证太阳能路灯能够得到广泛的使用。
实施例三
本实施例是在实施例一与实施列二的基础上对本发明的原理及实现方式进行说明。
请再次参见图1，太阳能电池104是整个太阳能路灯100的核心部件之一，也是太阳能路灯100中运用价值最高的部分，它的作用是将太阳的辐射能转换为电能。
控制器105在太阳能路灯中起到对蓄电池106的充放电进行控制的作用。为了延长蓄电池106的使用寿命，必须对蓄电池106的充放电进行控制，来防止蓄电池106过度充电或者深度放电。在一些温差较大的地方，在控制器105中还可以加入温度补偿功能。此外，控制器105还应具备时间控制功能，以在特定的时间对蓄电池106进行充电与放电，比如在冬季时，天黑的时间较早，因此控制器105控制蓄电池106进行放电的时间可以早于夏季的放电时间。
蓄电池106的功能是通过控制器105的控制将太阳能电池104白天转换的电能存储下来，在夜间进行放电以进行照明。需要说明的是，由于在阴雨天的光照时间较短、强度较弱，因此蓄电池106的容量应尽可能保证可以提供连续多天的照明，一般可以考虑提供7天左右的夜间照明时间。
LED光源103也是太阳能路灯的重要部件之一。LED具有发光效率高、耗电量小、使用寿命长及工作温度相对较低等特点，目前，LED普遍用来作为照明灯具的光源。在本发明实施例中采用的LED光源103，对其结构进行了如实施例二所述的设计，可以极大地提高发光效率，因此，在保证照明强度的同时，可以减少LED灯的数量，这样可以极大地节省电能，尤其是在目前太阳能电池转换率较低的情况下，在保证照明时间的同时可以降低太阳能路灯的制造成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种太阳能路灯(100)，其特征在于，包括：
灯杆(101)；
灯架(102)，设置于所述灯杆(101)靠近顶端位置处；
LED光源(103)，设置于所述灯架(102)端头位置处；
太阳能电池(104)，设置于所述灯杆(101)顶端位置处；
控制器(105)，设置于所述灯杆(101)内部并分别电连接所述太阳能电池(104)与所述LED光源(103)；
蓄电池(106)，设置于所述灯杆(101)内部并电连接所述控制器(105)；
所述LED光源(103)包括：
底座(1031)；
多个LED灯(1032)，设置于所述底座(1031)上；
反光杯(1033)，设置于所述底座(1031)上并环绕于所述多个LED灯(1032)外侧；
透镜(1034)，设置于所述反光杯(1033)顶端；
所述LED灯(1032)包括：
基板(10321)；
LED芯片，设置于所述基板(10321)上；
第一硅胶层(10322)，设置于所述基板(10321)及所述LED芯片上；
球形透镜(10323)，其下半球均匀设置于所述第一硅胶层(10322)内；
第二硅胶层(10324)，设置于所述第一硅胶层(10322)及所述球形透镜(10323)上；
所述第一硅胶层(10322)、所述第二硅胶层(10324)及所述球形透镜(10323)的折射率依次增大，所述第二硅胶层(10324)中含有荧光粉材料，所述第一硅胶层(10322)中不含有荧光粉材料，所述第一硅胶层(10322)的厚度满足H1>R+0.5R/(n2-n1)，所述第二硅胶层(10324)的厚度满足H2>R+0.5R/(n3-n2)，其中，n1为所述第一硅胶层(10322)的折射率，n2为所述球形透镜(10323)的折射率，n3为所述第二硅胶层(10324)的折射，R为所述球形透镜(10323)的半径，H1为所述第一硅胶层(10322)的厚度，H2为所述第二硅胶层(10324)的厚度。
2.根据权利要求1所述的太阳能路灯(100)，其特征在于，所述太阳能电池(104)为晶体硅太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的太阳能路灯(100)，其特征在于，所述蓄电池(106)为铅酸电池或胶体电池。
4.根据权利要求1所述的太阳能路灯(100)，其特征在于，所述底座(1031)为铝材料。
5.根据权利要求1所述的太阳能路灯(100)，其特征在于，所述反光杯(1033)为金属反光杯。
6.根据权利要求1所述的太阳能路灯(100)，其特征在于，所述基板(10321)内沿宽度方向设置有多个散热通孔。
7.根据权利要求1所述的太阳能路灯(100)，其特征在于，所述LED芯片包括蓝宝石衬底、GaN稳定层、GaN缓冲层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱结构、P型AlGaN阻挡层、P型GaN层、上电极及下电极；其中，
所述GaN稳定层、所述GaN缓冲层、所述N型GaN层、所述InGaN/GaN多量子阱结构、所述P型AlGaN阻挡层及所述P型GaN层依次层叠于所述蓝宝石衬底上，且所述上电极设置于所述P型GaN层，所述下电极设置于所述N型GaN层。
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