太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

彭建軍

（重慶市設(shè)計(jì)院有限公司）

1 引言

2 太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)

太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏組件、蓄電池組件、智能控制器、LED 燈具和環(huán)境傳感器等部分組成（見(jiàn)圖1）。工作原理是在智能控制器的控制下，白天通過(guò)太陽(yáng)能光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在蓄電池里，夜間蓄電池給LED 燈具 放電，實(shí)現(xiàn)道路照明。

3 太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)因地制宜，充分考慮安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，依據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境和氣象資料，科學(xué)計(jì)算，合理選擇相關(guān)設(shè)備。

3.1 LED 燈具

與傳統(tǒng)光源相比，LED 具有直流低壓驅(qū)動(dòng)、發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(zhǎng)且能較易實(shí)現(xiàn)調(diào)光調(diào)色溫等優(yōu)點(diǎn)，因此在太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)中推薦使用LED[5]。

圖1 太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)框架

LED 燈具應(yīng)選擇高光效的LED 光源，其LED 光源總光通量為：

式中： Pled為L(zhǎng)ED 燈具功率，W；L 為L(zhǎng)ED 光源光效，lm/W。

道路路面平均照度一般按標(biāo)準(zhǔn)直線段，采用利用系數(shù)曲線法計(jì)算[6]。計(jì)算式為：

式中：ηled為燈具利用系數(shù)，根據(jù)燈具的安裝臂長(zhǎng)、高度、仰角和道路的寬度從燈具利用系數(shù)曲線查找；K 為維護(hù)系數(shù)；W 為道路寬度，m；S 為路燈安裝間距，m；N 為與路燈排列方式有關(guān)，當(dāng)路燈一側(cè)排列或交錯(cuò)排列時(shí)N=1，相對(duì)雙側(cè)排列時(shí)N=2。

值得注意的是，轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，并不意味著教師作用的減弱。相反，雙邊活動(dòng)、分組學(xué)習(xí)、合作探究等強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體地位的課堂，對(duì)教師的能力提出了更高的要求。教師應(yīng)該以民主、開(kāi)放的心態(tài)，充分調(diào)動(dòng)自己的教育智慧，運(yùn)用獨(dú)特的個(gè)人魅力來(lái)影響學(xué)生，讓課堂充滿(mǎn)智慧和情趣。教師要巧妙地創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生的探索熱情。明代學(xué)者陳獻(xiàn)章說(shuō)：“前輩謂學(xué)貴知疑，小疑則小進(jìn)，大疑則大進(jìn)。疑者，覺(jué)悟之機(jī)也。一番覺(jué)悟，一番長(zhǎng)進(jìn)?！币磺行轮詮囊苫蟆?wèn)題開(kāi)始，生活如此，歷史學(xué)習(xí)同樣如此。教師要善于捕捉有利的時(shí)機(jī)，制造教學(xué)中的懸念。懸念產(chǎn)生后，要讓學(xué)生展開(kāi)自主的、多維的探討。

評(píng)價(jià)道路照明節(jié)能宜采用照明功率密度（LPD），其限值應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定[7]。照明功率密度計(jì)算式為：

3.2 蓄電池組件

蓄電池的容量及工作電壓應(yīng)與太陽(yáng)能光伏組件、LED 燈具功率和照明時(shí)間要求等相匹配。一般蓄電池的工作電壓應(yīng)低于太陽(yáng)能光伏組件的工作電壓20%～30%，以確保蓄電池正常充電；蓄電池容量應(yīng)比LED 燈具日耗電量高6 倍以上，以確保工作的可靠性。

LED 燈具日耗電量計(jì)算式為:

式中:t 為L(zhǎng)ED 燈具日工作時(shí)間，h；Ubattery為蓄電池標(biāo)稱(chēng)電壓，V。

蓄電池容量計(jì)算式為：

式中:d 為連續(xù)陰雨天的天數(shù)，d；μ為蓄電池放電深度，一般取值0.75；σ 為蓄電池安全系數(shù)，一般取值1.1 ～1.4。

根據(jù)計(jì)算得到的蓄電池容量，選取合適的全密封免維護(hù)膠體蓄電池?cái)?shù)量組成蓄電池組件。

3.3 太陽(yáng)能光伏組件

太陽(yáng)能光伏組件的核心是太陽(yáng)能電池[8]。目前太陽(yáng)能電池主要分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種，三者比較如表1 所示。太陽(yáng)能電池板的類(lèi)型選擇應(yīng)根據(jù)擬安裝地區(qū)的地理環(huán)境和氣候資料等合理選擇。

太陽(yáng)能電池板的功率應(yīng)滿(mǎn)足LED 燈具日用電量和連續(xù)陰雨天后蓄電池需要恢復(fù)的容量。其中，滿(mǎn)足LED 燈具日用電量的太陽(yáng)能光伏組件的充電電流為:

式中:λ 為太陽(yáng)能充電綜合損失系數(shù)，一般取值1.05；ηbattery為蓄電池充電效率，一般取值0.85；ηcontrol為控制器效率、灰塵遮擋及其他損失修正系數(shù)，一般取值0.9。

滿(mǎn)足連續(xù)陰雨天后需要恢復(fù)蓄電池容量的太陽(yáng)能光伏組件充電電流為:

式中：D 為連續(xù)兩個(gè)陰雨天的間隔時(shí)長(zhǎng)，d。

太陽(yáng)能光伏組件的功率為:

式中：Usolar為太陽(yáng)能電池電池組件工作電壓，V。

根據(jù)計(jì)算得到的 Psolar選取合適數(shù)量的太陽(yáng)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的太陽(yáng)能組件。

太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率與太陽(yáng)能電池板的安裝傾斜角有密切關(guān)系。為保證太陽(yáng)能電池板發(fā)電效率，在太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)能電池板的傾斜角度應(yīng)根據(jù)安裝位置的緯度確定，使太陽(yáng)輻照量盡量滿(mǎn)足最大性和均勻性，從而最大程度地降低太陽(yáng)能電池板的投資成本。一般太陽(yáng)能電池板安裝傾斜角與緯度關(guān)系可按表2 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 智能控制器

太陽(yáng)能LED 路燈控制器的主要作用是實(shí)現(xiàn)照明過(guò)程的智能控制和平滑調(diào)光調(diào)色溫，并具備過(guò)充、過(guò)放、防短路、防反接、防雷擊等保護(hù)功能。在溫差較大的地方，智能控制器還應(yīng)有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

3.5 防雷接地

太陽(yáng)能LED 路燈的工作電壓一般為12V 或24V，屬于安全電壓，可不做電氣保護(hù)接地。但為了保證太陽(yáng)能LED路燈的運(yùn)行安全，應(yīng)進(jìn)行防雷接地設(shè)計(jì)。防雷接地可用金屬燈桿兼作接閃器和引下線，并利用路燈基礎(chǔ)鋼筋作接地體，接地電阻要求不應(yīng)大于10Ω[10]。如接地電阻不滿(mǎn)足要求應(yīng)增加人工接地極。在特殊地方，針對(duì)大風(fēng)等惡劣天氣還應(yīng)考慮設(shè)置抗風(fēng)裝置，避免意外天氣影響太陽(yáng)能LED 路燈的運(yùn)行質(zhì)量。

表1 太陽(yáng)能電池板的比較

表2 太陽(yáng)能電池板傾斜角與緯度關(guān)系

4 工程應(yīng)用

目前太陽(yáng)能路燈在城市道路中的應(yīng)用主要以局部示范、小規(guī)模試點(diǎn)為主，居民小區(qū)和工廠等環(huán)境的應(yīng)用較多。重慶一安置區(qū)的內(nèi)部道路在開(kāi)發(fā)初期未考慮照明，隨著城鄉(xiāng)建設(shè)，為滿(mǎn)足安置區(qū)域內(nèi)部道路照明需求，通過(guò)本文的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，進(jìn)行了傳統(tǒng)路燈與太陽(yáng)能LED 路燈方案對(duì)比，如表3 所示。從表中可以看出，太陽(yáng)能LED 路燈總投資費(fèi)用較傳統(tǒng)路燈節(jié)省約42.1 萬(wàn)元，并且避免了敷設(shè)電線等施工過(guò)程對(duì)區(qū)域生活造成的影響。目前該安置區(qū)的太陽(yáng)能LED路燈運(yùn)行良好，能滿(mǎn)足內(nèi)部道路照明的要求。

表3 傳統(tǒng)路燈與太陽(yáng)能LED 路燈方案對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能LED 路燈將太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與節(jié)能LED 照明技術(shù)有機(jī)結(jié)合，隨著太陽(yáng)能電池的效率提升和成本的下降，在未來(lái)太陽(yáng)能LED 路燈將越來(lái)越滿(mǎn)足照明需求。通過(guò)對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證，本文的計(jì)算過(guò)程，可高效、科學(xué)、合理的滿(mǎn)足太陽(yáng)能LED 路燈的設(shè)計(jì)。