一種優(yōu)化降凈路燈設(shè)計

何曉玲 陳澤娜 賴文娜 曾嘉洪 文雅

摘 要：優(yōu)化降凈路燈是一種集太陽能、吸塵裝置、灑水裝置為一體的節(jié)能型路燈。當前環(huán)境問題是國家乃至全世界都關(guān)注的重點問題之一。本產(chǎn)品不僅采用太陽能的環(huán)保能源，還在路燈上安裝吸塵及灑水功能的設(shè)備，雙管齊下以達到降低空氣中灰塵含量、保護環(huán)境的效果，是一種環(huán)境友好型產(chǎn)品。本產(chǎn)品以智能控制為前提，在路燈照明上采取隔一亮一或調(diào)光照明方案，在根源上處理光線的明暗問題，同時也在一定程度上起到了節(jié)約能源的作用。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化降凈路燈;LED;節(jié)能;吸塵裝置;集塵箱

中圖分類號：TU998 ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）2-0055-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.013

An Optimized Design of Net Reducing Street Lamp

HE Xiaoling ? ?CHEN Zena ? ?LAI Wenna ? ?ZENG Jiahong ? ?WEN Ya

（Guangdong Baiyun University， Guangzhou 510550，China）

Abstract：The optimized street lamp is an energy-saving street lamp integrating solar energy， dust suction device and sprinkler. At present， environmental issues are one of the key issues concerned by the country and even the world. This product not only uses solar energy as environmental protection energy， but also installs equipment with dust collection and watering functions on street lamps. It works in two ways to reduce the dust content in the air and protect the environment. It is an environment-friendly product. On the premise of intelligent control， this product adopts the lighting scheme of one light every other or dimming on the street lamp lighting to deal with the light and dark problem at the root. At the same time， it also plays a role in saving energy to a certain extent.

Keywords：optimize the street lamp; LED; energy saving; dust collection device; dust collection box

0 引言

當前環(huán)境污染和資源浪費問題日益突出，豐富、潔凈的可再生清潔能源——太陽能，被廣泛應用于發(fā)電、發(fā)熱等方面，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能供路燈運行且有效利用，不但能夠達到節(jié)能減排的目的，還有利于改善能源緊缺的問題。

1 優(yōu)化降凈路燈的設(shè)計

1.1 供電模塊

1.1.1 太陽能供電。優(yōu)化降凈路燈主要采用太陽能供電，通過太陽能板收集太陽能并轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池內(nèi)，以蓄電池作為路燈運行的主要電源。一般來說，太陽能板與太陽光呈現(xiàn)90°的垂直角，太陽能板吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效果最佳。但考慮到各地區(qū)的經(jīng)緯度環(huán)境等情況，以及路燈周圍的建筑物、樹木等外部物體的遮擋，會出現(xiàn)太陽能板無法最大限度地吸收光能的情況。所以，在運用太陽能供電的同時也會使用其他的供電方式以確保路燈正常運行。

1.1.2 市電供電?？紤]到“優(yōu)化降凈路燈”吸塵裝置等的供電用電問題以及特殊天氣狀況下太陽能路燈的照明問題，“優(yōu)化降凈路燈”仍要鋪設(shè)電纜線路，利用電纜線路連接市電來保障供電。

直埋電纜線路比較適合“優(yōu)化降凈路燈”的線路建設(shè)，直埋電纜線路一般直接埋于地下，是一種比較簡單而又經(jīng)濟的鋪設(shè)方法，而且泥土散熱比較好，有利于提高電纜的載流量。

1.1.3 風能供電。“優(yōu)化降凈路燈”是采用風力供電的方法在路燈上安裝垂直軸風力發(fā)電機。

1.2 照明模塊

1.2.1 LED路燈的型號。LED技術(shù)的發(fā)展不斷加快，芯片的光效有所提升，節(jié)能率也有了保證。光效和色溫的矛盾不再是LED應用過程中的主要矛盾，色溫與環(huán)境條件是否協(xié)調(diào)才是關(guān)注的重點[1]。綜合我國當前技術(shù)、氣候、社會環(huán)境等條件以及人眼的感官，“優(yōu)化降凈路燈”可以采用色溫為2 800～4 200 K的LED光源，在滿足照明的前提下，提升人體舒適度，提升城市形象。

1.2.2 節(jié)能照明的方案。為了使“優(yōu)化降凈路燈”達到節(jié)能的效果，可采用隔一亮一和調(diào)光兩種節(jié)能照明方案。

隔一亮一節(jié)能照明方案需要依托單燈監(jiān)控系統(tǒng)（由監(jiān)控軟件、監(jiān)控主機、單燈控制末端三部分構(gòu)成），采用城市路燈照明單燈控制系統(tǒng)后，可根據(jù)行人流量和交通流量的情況設(shè)置照明方式。

此外，單燈控制系統(tǒng)對路燈進行全方位監(jiān)控，如故障檢測和預判、路線防盜等，可進一步實現(xiàn)道路照明的智能化管理。隔一亮一節(jié)能照明方案是以整體線路降低電壓的方式進行節(jié)能，工程量相對較小，可因地制宜地應用于路燈改造工程。

調(diào)光節(jié)能照明方案可通過安裝節(jié)能型照明調(diào)光器進行節(jié)能，節(jié)能照明調(diào)光器是能夠改變照明裝置中的光通量、調(diào)節(jié)照度水平的一種電氣裝置，優(yōu)化降凈路燈引入節(jié)能照明調(diào)光器可以采取固定的調(diào)光變化的時間模式。節(jié)能型照明調(diào)光電器的安裝非常簡便，只需要更換原有路燈內(nèi)的電器，并且按照接線圖在燈具內(nèi)安裝好即可，但由于燈具多、工程量大，其方案不適用于已建路燈的改造工程上，而比較適用于新建道路路燈工程上。

1.3 吸塵模塊

1.3.1 吸塵裝置工作原理。優(yōu)化降凈路燈上的吸塵裝置依據(jù)普通吸塵器和粉塵檢測儀的高空吸塵原理進行可行性研究，有效減少路面粉塵，增加道路的可視度，減輕粉塵對人體的危害。目前，用光學方法來監(jiān)測灰塵的技術(shù)被廣泛使用，光學檢測具有獨特的優(yōu)勢，具有零接觸、消息實時、測量速度快等優(yōu)勢。利用光學檢測的工作原理是：灰塵屬于一種漂浮在半空中的微粒，微粒在光線的照射下，由于照射光的振蕩電磁場的作用而產(chǎn)生極化，并向各方向輻射出電磁波，這就是光的散射現(xiàn)象。

吸塵的時間和周期會根據(jù)不同的地點、當?shù)氐默F(xiàn)狀不同而有所差異，在一些灰塵量比較多的地方，吸塵間隔的時間會比較短，次數(shù)也會相應地增加。在一些相對干凈的地區(qū)，吸塵間隔的時間會適當延長，減少吸塵的次數(shù)。吸塵與灑水的操作時間錯開，以達到更好的降塵效率。

1.3.2 吸塵裝置降噪處理。吸塵裝置在運行過程中，由于電機運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生空氣動力噪聲、電磁噪聲和機械噪聲等。通過對吸塵器產(chǎn)生噪聲的主要原因的探究和對吸塵器減少噪聲解決方法的思考，認為可通過以下方法對吸塵裝置進行降噪處理。

第一，增加吸塵器在前殼殼體的厚度。

第二，在吸塵器出風通道貼上玻璃棉、巖棉、礦渣棉、棉麻或人造纖維棉等吸聲效果較好的纖維性材料進行吸聲。在設(shè)計吸塵器后出風通道時，要適當增加吸聲材料的通道面積，在確保排風的同時盡量使出風通道蜿蜒曲折，并在出風通道盡可能貼上吸聲材料[3]。

第三，改進排風口。排風口高速流轉(zhuǎn)的氣流產(chǎn)生很強的空氣動力噪聲，同時風機產(chǎn)生的噪聲也通過排風口直接傳遞出來。改變排風口高度減小其排氣面積，得到半無限聲場聲壓級。

第四，施加阻尼。采用隔音材料對吸塵器在運作過程中的噪聲進行削減，從而達到降噪效果[4]。

第五，改變內(nèi)損耗因子。

1.4 灑水模塊

目前，公路建設(shè)、道路維護、園林綠化等必備且頻繁使用的機械設(shè)備是灑水車和霧化路燈，但目前霧化路燈只在部分地區(qū)存在（如河南省鄭州市），絕大部分地區(qū)還是需要灑水車來進行道路綠化。綠化灑水車的使用存在消耗燃料、產(chǎn)生汽車廢氣等缺點，在路燈上設(shè)置灑水裝置能在一定程度上減少灑水車的使用，從而更好地節(jié)約能源。

優(yōu)化降凈路燈用水管道連接市政用水管道，利用達到《市政用水標準》要求的市政水，噴射出對人體無害的水霧。

在灑水裝置上多增加一紅外線感應裝置，紅外線感應裝置用來感應行人的走動。當空氣中的水含量達不到標準要求時，灑水裝置要適當?shù)剡\行。

1.5 燈桿的材質(zhì)

優(yōu)化降凈路燈燈桿材質(zhì)首選不銹鋼和鋁合金，不銹鋼燈桿的特點是不生銹，拋光拉絲后更美觀，其安全性高，抗風能力強，降低安全隱患，使用壽命長，防水防雷，安裝太陽能板更是省電;鋁合金燈桿質(zhì)量輕、方便安裝，通過陽極氧化、電解等工序后比不銹鋼燈桿更加美觀，安全性更高，耐腐蝕性強，永不生銹，使用壽命更長，能經(jīng)過旋壓工藝制造出更多的造型，觀賞性更高，而且可100%回收，環(huán)保節(jié)能減排。

因為材質(zhì)不同，價格也不同，鋁合金燈桿相對于不銹鋼燈桿價格要高，可根據(jù)預算自行選擇。

1.5.1 燈具的間距、桿高和挑臂。優(yōu)化降凈路燈燈具的間距、桿高和挑臂要嚴格遵循《城市道路照明設(shè)計標準》（CJJ 45—2015）進行具體設(shè)計，如燈具的懸挑長度不宜超過安裝高度的1/4，燈具的仰角不宜超過15°。

1.5.2 布置方式?！冻鞘械缆氛彰髟O(shè)計標準》（CJJ 45—2015）中，對安裝路燈的方式?jīng)]有明確標準，僅對照度、均勻度、功率密度等作出規(guī)定。具體的安裝方法按照當?shù)氐膶嶋H情況來進行選擇與安裝。

根據(jù)我國城市化進程的3個階段：初期階段、中期加速階段、后期成熟階段，每個階段具有不同的特點，特設(shè)置了以下4種路燈的位置分布。

①單側(cè)布置。單側(cè)布置適用于比較窄的道路，通常是某村莊的道路，要求燈具的安裝高度大于或等于路面有效寬度。

②雙側(cè)交錯布置。交錯布置要求燈具的安裝高度不小于路面有效寬度的0.7。

③兩側(cè)對稱布置。對稱布置要求燈具的安裝高度不小于路面有效寬度的一半。

④中心對稱布置：在中間有中央分隔帶的路段上用中心對稱布置。

2 管理與控制系統(tǒng)

2.1 單燈控制系統(tǒng)

單燈控制系統(tǒng)可以對各個路燈的參數(shù)進行檢測和控制，是對傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)的升級。目前，多數(shù)單燈控制規(guī)?；鞘袘秒娏€載波作為第2級通信方式，選擇這樣的方式安裝方便，有利于減少半空中雜亂的電線，增加城市的美觀，將電線安裝在地下還能減少天線的安裝，更加省時省力。不過要安裝電力線也有一定的要求，所以在安裝之前要檢測當?shù)氐沫h(huán)境，在安裝時要注意設(shè)備的調(diào)試，在安裝后還要注意測試通信效果。

單燈系統(tǒng)的設(shè)計主要是將路燈各個箱變里的一些集中器通過控制系統(tǒng)對每一盞路燈進行開關(guān)的自動開關(guān)和后臺的遙控以及一些數(shù)據(jù)的測量。集中器是路燈發(fā)展過程中遠程控制的產(chǎn)物和核心產(chǎn)品，主要負責通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和調(diào)整，向下收集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點反饋信息以及傳達控制命令。目前5G技術(shù)的興起，為行動遠程控制方式提供了更為快捷的網(wǎng)速，為其與監(jiān)控中心的相互聯(lián)系提供了便利[2]。

選擇單燈控制系統(tǒng)有其自身的優(yōu)勢，采用各個路燈的分開控制對開關(guān)燈模式會更加靈活，更能節(jié)約能源;在維修方面也會更加方便，分開控制路燈之間的制約會減少，所以路燈電路的維修方面對不同箱變的路燈影響較小。

2.2 后臺管理系統(tǒng)

普通路燈只需要照明這一功能，而優(yōu)化降凈路燈功能的多樣性使其與普通路燈有一定的區(qū)別。

服務(wù)器在室外的作用不大且路燈是一根一根進行安置的，所以優(yōu)化降凈路燈如果要實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)后臺管理系統(tǒng)進行控制，那么需要在生產(chǎn)時為路燈配置支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通信的互聯(lián)網(wǎng)通信組件，支持互聯(lián)網(wǎng)通信卡或者無線局域網(wǎng)，如為路燈設(shè)備配置無線通信技術(shù)（安裝一個4G互聯(lián)網(wǎng)通信卡為優(yōu)化降凈路燈配置網(wǎng)絡(luò)），配置無線通信便可使該設(shè)備具有無線通信功能，與后臺管理系統(tǒng)進行協(xié)議通信，即設(shè)備為在線狀態(tài)。

設(shè)置權(quán)限使管理人員更好操作，管理人員可通過互聯(lián)網(wǎng)上的設(shè)備后臺管理系統(tǒng)對優(yōu)化降凈路燈設(shè)備進行相應控制，能實時檢測到路燈當前的具體運作情況，例如控制該優(yōu)化降凈路燈設(shè)備的開關(guān)，定時開關(guān)，設(shè)置路燈設(shè)備的燈碼值（優(yōu)化降凈路燈的功率）、合理的吸塵時間與灑水時間。

后臺管理系統(tǒng)可選擇移動設(shè)備上的APP、小程序、移動端的后臺管理系統(tǒng)、電腦設(shè)備上的后臺管理系統(tǒng)等頁面方式。

2.3 故障診斷系統(tǒng)

吸塵裝置的電機和吸力等有時會產(chǎn)生一些故障，下面列舉了出現(xiàn)吸塵裝置發(fā)生故障的主要原因及其解決辦法[3]。

2.3.1 電動機不轉(zhuǎn)動且沒有電流聲。引起這種現(xiàn)象的原因有許多，可以根據(jù)這些原因?qū)嵭邢鄳呐懦椒ǎ斐蛇@種現(xiàn)象的原因可能有電源插頭接觸不良;電源的保險絲被熔斷了;電源線不通;電源開關(guān)不通;電動機的接線松脫、虛接;電刷和換向器不接觸;電動機的定子繞組或者電樞繞組短路;換向器與繞組接線處開焊。

解決辦法：插好插頭;更換保險絲并檢查電路;更換電源線;修理電源開關(guān)，嘗試是否可以成功運行;接好電動機的導線接點（若電刷與刷握配合太緊，就需要改進電刷配合尺寸，若是因為電刷磨損或彈簧彈力太小，就需要更換電刷和彈簧;重繞損壞的繞組;把接線處焊好）。

2.3.2 電動機產(chǎn)生很大的電流嗡嗡聲。造成這種現(xiàn)象的原因一是集塵箱損壞，雜物繞上電動機和風機，可以修補集塵箱損壞的地方，并把卡住電動機和風機的雜物取出;二是電動機軸承嚴重損壞，可以更換電動機軸承或直接把整個電動機換掉;三是電刷位置不在中線上，可以調(diào)整刷握的位置;四是定子繞組損壞，受潮或者短路，可以烘干電動機或者重繞電動機繞組;五是定子線圈接線錯誤造成兩極性相同，需要更正線圈的接線[4]。

2.3.3 吸塵裝置的吸力減弱。吸塵裝置的吸塵力度下降可能是由多方面因素造成的，一是因為各個吸塵裝置如集塵箱已滿，軟管、吸塵口、集塵箱接口處被堵塞，濾塵網(wǎng)的微孔被堵住，這時需要對吸塵裝置進行清理;二是因為使用時間久，吸塵集塵的組件老化，導致相關(guān)部位的密封性能減弱，可以更換老化的組件;三是電壓的原因，吸塵力度與電壓和功率有著很大的關(guān)系，當電壓不足時，電動機的轉(zhuǎn)速會下降，可以通過調(diào)壓器調(diào)整電壓[5]。

2.4 報警系統(tǒng)

在路燈上安裝報警系統(tǒng)，主要是為了防止路燈的一些組件被盜取和對路燈運行進行監(jiān)控。路燈的監(jiān)控與報警系統(tǒng)采用遠程控制系統(tǒng)。若要對路燈有監(jiān)控作用，又對電纜集塵箱等起防盜作用，就需要有直接用于控制城市路燈設(shè)施的監(jiān)控設(shè)備，又要有用于電纜防盜的電纜智能防盜系統(tǒng)，同時有用于遠程無線通信處理任務(wù)的GPRS接口以及管理處的監(jiān)控中心監(jiān)控軟件，從而對整個路燈進行遠程控制。設(shè)置一個亮點防盜系統(tǒng)對路燈的各項參數(shù)進行監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)電纜或者集塵箱被非法盜取時，可以根據(jù)GPRS和GSM通道進行報警[1]。這個報警器主要由電源、電池、MCU以及GSM、天線、外殼等部分組成，對系統(tǒng)的適應環(huán)境要求比較高，要求系統(tǒng)可滿足溫度在-20～50 ℃的環(huán)境運行要求[6]。

3 優(yōu)化降凈路燈設(shè)計理念

優(yōu)化降凈路燈主要由太陽能板、路燈、燈桿、噴霧孔、吸塵口、集成箱、管道等部分組成。太陽能板置于路燈上方，可以根據(jù)不同地區(qū)的緯度來設(shè)置其傾斜角度，以更好地實現(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)換。燈桿實現(xiàn)多功能化，既可以考慮在燈桿上設(shè)置指示牌，又可以考慮在燈桿上設(shè)置充電桿。噴霧口安置于路燈頂部的燈桿上，在8～12 m的高度范圍內(nèi)進行噴霧，從而有效使灰塵沉降，以凈化空氣。吸塵口為百葉窗形式，安置于路燈的下半部分，用于吸取接近地面的灰塵，來不斷降低空氣中灰塵的濃度。

為了資源得到更有效的配置，采取每三根路燈配置一個集塵箱的策略，路燈吸取灰塵通過管道運輸?shù)郊瘔m箱內(nèi)，集塵箱須定期安排清理。管道主要分為電路管道和水路管道，水路和電路管道分管設(shè)置。

參考文獻：

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[4] 陳玲玲.降低吸塵器噪音的方法探索[J].高等函授學報（自然科學版），2012，25（3）：78-79.

[5] 和卓波.路燈節(jié)能與電纜防盜成套技術(shù)分析[J].電子測試，2018（4）：20-21，41.

[6] 龍智勇.基于統(tǒng)計能量法的吸塵器噪聲分析預測與控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2008.