農(nóng)村用太陽能LED路燈照明若干問題淺談

摘要：本文分析了LED太陽能路燈燈具設(shè)計中需要重點考慮的幾個關(guān)鍵性問題：包括LED太陽能路燈光效的重要性及配光設(shè)計中要遵循的規(guī)律；同時本文也對現(xiàn)有太陽能路燈照明質(zhì)量在實際應(yīng)用中存在的問題和困惑進行了闡述，尤其是電池容量、燈具功率、太陽能組件功率、及陰雨天亮燈天數(shù)等系列問題進行了論述及討論。

關(guān)鍵詞：光效；傾斜角；電池容量、太陽能組件；亮燈天數(shù)

【正文】

隨著我們國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，針對改善農(nóng)村居住環(huán)境以及基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)的高度重視，特別是農(nóng)村道路建設(shè)，現(xiàn)如今農(nóng)村道路建設(shè)工作中隨著國家對農(nóng)村公共設(shè)施投入的不斷增加，農(nóng)村道路亮化工作成為了現(xiàn)在農(nóng)村面貌改造提升的一項重要工程。為了滿足農(nóng)村道路照明需求，使農(nóng)村道路照明達到綠色節(jié)能的目的，在進行農(nóng)村道路節(jié)能改造亮化過程中選擇哪種路燈照明才合適呢？其中LED太陽能路燈由于先天的技術(shù)優(yōu)勢越來越多的受到大家的重視，特別是隨著鋰電池價格的大幅度下降，鋰電池型太陽能路燈在農(nóng)村道路照明中的比重越來越大。其中一些問題也逐漸的暴露出來，如有些太陽能路燈道路照明亮度達不到預(yù)期的效果，有些太陽能路燈整年的亮燈天數(shù)達不到要求等等。那么造成那這些問題的原因是什么呢？筆者認為第一應(yīng)該是沒有指導(dǎo)性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，使得鄉(xiāng)村道路照明缺少前期設(shè)計，第二、對LED太陽能路燈缺少科學(xué)性設(shè)計；還有對當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境沒有進行針對性研究，下面將從以下幾個方面進行系統(tǒng)的討論談?wù)勎覀兊目捶ā?/p>

1、太陽能路燈的功率應(yīng)該多少合適？

討論這個問題之前我們先了解一下我國農(nóng)村道路目前的一個情況，依據(jù)國土資源部辦公廳關(guān)于進一步規(guī)范農(nóng)村道路地類認定工作的通知國土資廳函[2013]581號規(guī)定：農(nóng)村道路路面寬度不超過6.0米，或路基寬度不超過6.5米。農(nóng)村道路改擴建后路面或路基寬度超過上限，以及只設(shè)單向車道的道路，不得認定為農(nóng)村道路，應(yīng)納入建設(shè)用地管理范疇，按規(guī)定辦理相關(guān)用地手續(xù)。大型機械化作業(yè)區(qū)內(nèi)的農(nóng)村道路寬度可依照《高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（TD/T工資1033—2012）相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。根據(jù)以上規(guī)定，我們將以最寬寬度（道路寬度為6米）為依據(jù)，進行照度模擬：

輸入條件如下：

路寬：6米；

燈具功率：30W

燈具光通量：5000Lm

布燈方式：單側(cè)布燈

路燈桿高：8米

路燈桿間距：30米

高距比：1：3.75

目前農(nóng)村道路沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)路寬因素，所以本文參考CJJ45-2016《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，支路照明等級，如圖1-1所示

通過上圖可以看出，一個6米寬的道路，道路照明照度滿足國家要求，燈具光通量達到5000Lm即可。在現(xiàn)有的LED光效情況下，燈具30W完全可以達到5000Lm。如果優(yōu)化燈具二次配光，功率還可以更小。

2、太陽能電池組件方位角、傾斜角應(yīng)該如何計算？

太陽能路燈的電能是全部由太能能電池組件產(chǎn)生的，全年太陽的輻射量不盡相同，每個月的太陽輻射量差別比較大，為了能夠滿足全年不同時期的照明要求，充分利用好太陽能，要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境，氣候環(huán)境，制定相應(yīng)的太陽能電池組件的方位角以及傾斜角。優(yōu)化太陽能路燈配置，以下將對太陽能組件安裝時的方位角及傾斜角進行分析。

（1）方位角

方位角是太陽能電池組件的垂直面與正南方向的夾角，在北半球以正南方為零度，在南半球以正北方為0°，在太陽能使用過程中，使盡量多的時間保持太陽光的入射方向與太陽能組件面保持垂直，這樣可以保證一天獲得最大的發(fā)電量。實際上在夏天，太陽午后稍后，是太陽輻射量最大的時刻。所以太陽能組件的方位角稍微偏西一點，可以獲得當(dāng)天最大發(fā)電量。由于我們的太陽能路燈設(shè)計時要考慮太陽能電池組件在不同地區(qū)、不同經(jīng)緯度的使用，所在的太陽輻射強度不一致，所以我們在安裝太陽能路燈時，統(tǒng)一按照方位角0°來設(shè)置，正南方向或正北方向即可。

（2）傾斜角

傾斜角是太陽能電池組件與水平地面的夾角，當(dāng)方位角固定后，此夾角決定了太陽能組件不同月份的發(fā)電量。以成都為例，春分為30°，夏至為16.5°，秋分為30°，冬至為43.5°。對于太陽能路燈而言，安裝的時候就已經(jīng)確定了太陽能組件的傾斜角，我們不能只考慮夏天的情況，也不能只考慮冬天的情況。只考慮全年接收太陽輻射量最大或只考慮冬天太陽最弱月份接收到最大輻射的傾角都不是最佳傾角，因為前者會使夏天發(fā)電量過多而浪費，同時冬天卻發(fā)電量不足。同時，我們還需要考慮太陽能電池組件掉落一下樹葉、積雪容易滑落等等情況，故宜選擇30°的傾斜角是一個比較折中的方案，兼顧到夏天和冬天的情況。

（3）可以通過軟件進行傾斜角的計算

1）以桂林為例，桂林市位于南嶺山系西南部，地處湘桂走廊南端，廣西壯族自治區(qū)東北部，地處東經(jīng)109°36′50″—111°29′30″，北緯24°15′23″—26°23′30″可以利用軟件PVsyst自動導(dǎo)入。

2）確定安裝的角度：我們不但要考慮全年總的發(fā)電量，還要考慮冬天太陽輻射相對比較低的情況，利用軟件自帶的模擬檢測，確定電池板安裝的傾斜角為30度，方位角為0度能夠達到最佳效果。

3）經(jīng)軟件模擬仿真之后得到如下結(jié)果：

3、關(guān)于太陽能路燈設(shè)計時應(yīng)注意的一些問題

（1）應(yīng)當(dāng)盡可能的提高LED路燈的光效。

以某農(nóng)村道路照明設(shè)計距離說明，LED路燈功率30瓦，系統(tǒng)光效140LM/W，系統(tǒng)電壓DC12V，燈桿高8米，間距30米，路單側(cè)安裝，路燈每晚滿功率工作7小時，連續(xù)3個陰雨天的蓄電池自動續(xù)航照明，按照峰值日照小時數(shù)3.5小時，大致配置：

LED燈頭30瓦；

系統(tǒng)電壓12V，工作電流：30/12=2.5A；

蓄電池容量2.5*7*（3+1）/0.8=87.5Ah，考慮電池放電深度，取DC12V，100Ah；

多晶太陽能電池板功率計算：2.5*7*1.2*18/3.5=135瓦；太陽能電池板取多晶108瓦，DC18V輸出；

那么如果我們采用系統(tǒng)光效180LM/W的燈頭，在同樣的配光情況下，我們可以認為，LED系統(tǒng)功率可以減少約至23瓦。那么要達到同樣的系統(tǒng)自治要求，配置需要：

通過以上分析，為了提高太陽能路燈的綜合效率，我們應(yīng)當(dāng)提高我們LED燈具的光效，以減少太陽能組件及蓄電池的容量。

（2）提高太陽能路燈的光效方法

在不能采用更高光通量的LED的情況下，可以采用增加LED數(shù)量的方式來進行提高光效。

在電源驅(qū)動電流不變的情況下，LED數(shù)量增加，功率不變，單顆LED的驅(qū)動電流降低，LED的光通量增加，LED光效增大。

假如太陽能路燈，燈具光通量需要≥5000Lm，驅(qū)動效率95%，透光罩效率95%，使用某一企業(yè)3030燈珠，計算結(jié)果如下：

則使用LED的數(shù)量為：36

燈具功率為33W

燈具光效為152.2Lm/W

總光通量為5029Lm

同樣，太陽能路燈燈具光通量≥5000Lm我們將LED數(shù)量增加到97個，驅(qū)動效率95%，透光罩效率95%，使用同一款3030燈珠，計算結(jié)果如下：

則使用LED的數(shù)量為：97

燈具功率為27.6W

燈具光效為181.9Lm/W

總光通量為5017Lm

所以在實現(xiàn)5000Lm光通量前提不不變的情況下，采用提高LED數(shù)量，減少LED電流的方式，功率減少33-27.6=5.4W，在達到相同照明效果的情況下，太陽能板、蓄電池都將減少減少。

另外還有其它的方式可以提高太陽能路燈的光效，如采用高透光率的透鏡或透光罩，增強燈具的散熱效果，提高電源的轉(zhuǎn)換效率等等，在這里不在一一說明，總的來說，太陽能路燈設(shè)計時需要綜合性的考慮，才能充分的利用好太陽光這個清潔的能源進行照明。

參考文獻

[1]許基多姜世平關(guān)于固定式太陽能路燈照明系統(tǒng)電池組件的最佳安裝角度科學(xué)應(yīng)用

作者簡介：王建衛(wèi)，男，陜西省人，學(xué)歷大專，桂林海威科技股份有限公司，主要從事LED應(yīng)用產(chǎn)品的研究。

（作者單位：桂林海威科技股份有限公司）