復(fù)雜條件下新能源LED路燈應(yīng)用分析

周百紅，姜聯(lián)玉，王剛，白烏熱，齊立軍，孫國強(qiáng)

內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 029200

0 引言

道路照明在社會發(fā)展中起到重要位置，作為關(guān)鍵公共資源對人們的日常生活起到直接影響[1]。傳統(tǒng)道路照明以電力為支撐，通過電網(wǎng)完成照明工作，雖應(yīng)用范圍廣，但是不僅耗費(fèi)的電力高，且易受到電路影響，較易出現(xiàn)照明故障，給人們正常生活造成不便[2]。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展背景下，LED照明技術(shù)愈發(fā)成熟，已成為道路照明應(yīng)用最廣泛的照明工具之一，且在綠色可持續(xù)發(fā)展理念下，新能源照明也迎來了發(fā)展新機(jī)遇。新能源LED燈不僅能夠省去電能轉(zhuǎn)換，提升照明系統(tǒng)工作有效性和靈活性，還能夠拓展道路照明系統(tǒng)新的發(fā)展道路，于復(fù)雜環(huán)境下靈活應(yīng)用[3]。為滿足低光、多雨、高原、高寒等復(fù)雜環(huán)境下的道路照明需求，通過照明提升地區(qū)人們生活質(zhì)量、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，就需要加強(qiáng)對于新能源LED路燈的分析和剖析，將其高質(zhì)量應(yīng)用于多種復(fù)雜環(huán)境條件下。

1 背景介紹

本文分析的主要案例為內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司的廠區(qū)道路照明，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)霍林郭勒市，氣候條件復(fù)雜，年平均氣溫僅為0.8℃，年最低氣溫甚至可達(dá)到近-40℃。除氣溫條件外，風(fēng)力也是該區(qū)域特色復(fù)雜條件之一?；袅止帐幸晕鞅憋L(fēng)為主，年平均風(fēng)速為4.5m/s，最大風(fēng)速可達(dá)28.4m/s。

在原設(shè)計中，廠區(qū)共設(shè)置147盞路燈，以交變220V為主要供電方式，每年總耗電量約為9萬kW·h，耗電量較大。在氣溫、日照、風(fēng)力等的眾多環(huán)境因素影響下，當(dāng)前燈桿已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漆面脫落和腐蝕，外觀并不統(tǒng)一，美觀度、實(shí)用性均較低，且電能消耗量大。路燈照明是必備的公共設(shè)施之一，但是傳統(tǒng)供電方式的使用不僅不滿足當(dāng)前節(jié)能環(huán)保理念的要求，且易發(fā)生故障[4]。這是因?yàn)?，電能供電需要?fù)雜的布線，埋設(shè)工作量大，電纜線路長，若在應(yīng)用過程中出現(xiàn)故障則極難排查，直接影響區(qū)域公共區(qū)域的正常照明。隨著傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)應(yīng)用年限的增長，企業(yè)運(yùn)行、維護(hù)系統(tǒng)的成本也在顯著增加，給企業(yè)成本管理帶來難題。在綠色可持續(xù)發(fā)展理念以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動下，以可再生能源為支撐的路燈照明系統(tǒng)應(yīng)用愈發(fā)廣泛，其中主要包括風(fēng)能、光能、太陽能以及風(fēng)光互補(bǔ)等，應(yīng)用前景廣泛，節(jié)能作用突出[5]。此外，風(fēng)光互補(bǔ)太陽能路燈或者單一的太陽能路燈均不需要電網(wǎng)供電輔助，不僅建設(shè)成本低，且維護(hù)成本相對也不高，有效減少了傳統(tǒng)能源的消耗，做到了高效、節(jié)能、環(huán)保、低成本。

就地區(qū)而言，霍林郭勒市具有良好的光能及風(fēng)能資源，光能方面，該市日照時間長、光照充足，年太陽能輻射約為5700MJ/m2，日照時間在2900h左右；風(fēng)能方面，該市屬于溫帶大陸性氣候，風(fēng)能充沛，因此應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)太陽能資源極為適用。風(fēng)光互補(bǔ)太陽能即綜合運(yùn)用太陽能和風(fēng)能，綠色可再生資源的應(yīng)用有效減少了不可再生資源或污染性資源的應(yīng)用，污染性氣體排放量直接降至零，是對于環(huán)境友好型社會建設(shè)的有效貫徹。不僅如此，光照和風(fēng)能的應(yīng)用減少了區(qū)域公共照明對于傳統(tǒng)電能的依賴，穩(wěn)定性更強(qiáng)、靈活性更高，應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

2 高寒地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)太陽能路燈應(yīng)用優(yōu)勢及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 優(yōu)勢

（1）安全性。風(fēng)光互補(bǔ)太陽能在公共照明系統(tǒng)中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，供電方式以直流12V、直流24V等低壓供電為主，極大地降低了意外觸電、電源性火災(zāi)等事故的發(fā)生率，運(yùn)行更加安全，在科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的推動下，風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)愈發(fā)成熟，安全性也更加明顯。

（2）經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)光互補(bǔ)太陽能于公路照明系統(tǒng)中的應(yīng)用極大降低的對于傳統(tǒng)電能的依賴，使用可再生綠色能源，園區(qū)耗電量直接減少9萬kW·h，運(yùn)行成本更低。另外，風(fēng)光互補(bǔ)太陽能路燈采用單桿獨(dú)立供電，相對于傳統(tǒng)電力而言線路簡單、鋪設(shè)便捷、故障率低。獨(dú)立運(yùn)行更是極大便捷了檢修工作，發(fā)生故障后排查面積更小，且不會對其他路燈造成影響，維修費(fèi)用更低。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）高寒地區(qū)風(fēng)光能源應(yīng)用?；袅止帐形挥趦?nèi)蒙古東部，冬季漫長，冬季最低溫可達(dá)-30℃以下，因此對于蓄電池耐寒性能有較高要求。但是就目前而言，超低溫電池并未在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，僅在特殊行業(yè)應(yīng)用，且價格高昂，不適合大范圍普及。為減少電池?fù)p耗，在低溫環(huán)境下，工作人員需結(jié)合霍林郭勒市實(shí)際情況，于凍土上設(shè)置1.2m深的電池基坑，通過地表深埋起到保溫作用。同時選擇合適保溫板，在隔離防護(hù)、保溫防凍的同時起到防水作用，使用太陽能專用膠體電池，延長使用壽命，保證電池在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）風(fēng)光互補(bǔ)?；袅止丈鷳B(tài)環(huán)境特殊，風(fēng)能、光能充足，使用風(fēng)光互補(bǔ)太陽能供電能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)電網(wǎng)供電的缺點(diǎn)，也能夠解決單一供能造成的穩(wěn)定性不足的問題。風(fēng)光互補(bǔ)下，霍林郭勒地區(qū)夏季光照充足，可主要使用光伏發(fā)電，輔以風(fēng)力發(fā)電；冬季多云大雪，光照資源不足，但是此時風(fēng)力強(qiáng)盛，可主要使用風(fēng)力發(fā)電，輔以光伏發(fā)電。風(fēng)光互補(bǔ)使得霍林郭勒地區(qū)路燈照明一年四季均可使用綠色可再生能源供電。

（3）降低能耗。企業(yè)廠區(qū)路燈每年總耗電量約為9萬kW·h，耗電量較大，而風(fēng)光互補(bǔ)太陽能路燈照明系統(tǒng)的應(yīng)用則減少了此部分電力損耗，節(jié)約資源作用明顯。

（4）風(fēng)光互補(bǔ)智能控制系統(tǒng)。風(fēng)光互補(bǔ)智能控制系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用能夠通過蓄電池充放電實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的自動控制、監(jiān)測、故障報警，另外，過放保護(hù)、短路保護(hù)、過壓保護(hù)、過充保護(hù)、蓄電池反接保護(hù)、防雷擊、負(fù)載過流等也是其中重要功能。此外也可接入市電電源，若風(fēng)光互補(bǔ)太陽能電池由于多種惡劣天氣出現(xiàn)電池虧電系統(tǒng)便可自動切換至市電供電，保證照明系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行。

（5）全功率照明續(xù)航時長能力。企業(yè)廠區(qū)需要路燈照明時間為10h左右，時間較長，因此需要注重蓄電池擴(kuò)容，延長續(xù)航時間。蓄電池容量擴(kuò)容后太陽能蓄電池能夠?qū)崿F(xiàn)低溫環(huán)境下的長時間全功率照明需求，充放電功能正常，且使用壽命較長。

3 新能源路燈構(gòu)成要素及風(fēng)光互補(bǔ)太陽能路燈應(yīng)用參數(shù)

3.1 LED路燈燈具

新能源LED路燈燈具分為兩種：①僅有光源款，②DC-DC恒流電源款，后者為主要的新能源燈具類型。相較于市區(qū)LED路燈，DC-DC恒流電流燈具具有更高電流效率。光源的性能一般由散熱功能、光學(xué)設(shè)計、燈珠光電性能等決定，不同環(huán)境下燈具的設(shè)計需要有所改變[6]。在復(fù)雜環(huán)境下，需要按照實(shí)際需求合理配光，在適應(yīng)環(huán)境的前提下充分發(fā)揮照明效果。同時也需要注意散熱功能的完善和創(chuàng)新，平衡燈具運(yùn)行過程中的熱量，提升燈具工作效果[7]。另外，與市電LED路燈相比，新能源LED路燈還需要格外注意燈珠性能的完善，保證照明系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司園區(qū)路燈選擇全密封、全鋁壓鑄燈具外殼，燈具設(shè)計合理，不存在砂眼、收縮孔等應(yīng)用缺陷，外表光滑；燈具反射器配光合理，在進(jìn)口高純鋁拉伸成型的基礎(chǔ)上經(jīng)極氧化處理，使用性能更強(qiáng)；選擇直流12/24v作為工作電壓，可滿足園區(qū)10h照明需求，5天左右連續(xù)陰雨天的情況下依然能夠滿足路燈供電需求；緊固件選擇不銹鋼材料，耐腐蝕性強(qiáng)，異物侵入防護(hù)等級為IP65以上；選擇120W的LED燈頭作為光源，燈珠光效在125LM/W以上。燈光色溫5500K，顯色指數(shù)為80至89，10h全程滿功率亮燈。

3.2 蓄電池

蓄電池在新能源LED路燈照明系統(tǒng)中處于核心位置，是儲存和釋放能量的關(guān)鍵組件。通過蓄電池，照明系統(tǒng)可于白天儲存光能并在夜晚釋放以完成照明。當(dāng)前市場中常見的額蓄電池包括膠體儲能蓄電池、鋰電池以及鉛酸儲能蓄電池等，其中膠體儲能蓄電池是安全性最高的電池種類，且技術(shù)相對更加成熟[8]。儲能鋰電池在科學(xué)技術(shù)發(fā)展背景下價格成本持續(xù)下降，已經(jīng)成為新能源電路的主要應(yīng)用方案。鋰電池優(yōu)缺點(diǎn)均較為明顯：優(yōu)勢方面，相較于膠體蓄電池，鋰電池能量及功率密度更高，重量更輕、體積更小，因此安裝難度下降，成本投入較低；缺點(diǎn)方面，鋰電池在復(fù)雜環(huán)境下使用的安全性和穩(wěn)定性不足，環(huán)境溫度過高或者過低均會影響電池正常運(yùn)行[9]。因此，在高寒地區(qū)若使用蓄電池可采用深埋達(dá)到保溫防寒的目的。

該企業(yè)園區(qū)路燈蓄電池選擇專用膠體蓄電池，由4只12V/180Ah電池構(gòu)成電池組，2并2串連接，總電壓為24V。單桿路燈電池功率需在700Ah以上，全程滿功率亮燈工作時間需要50h以上，同時針對內(nèi)蒙古高寒環(huán)境選擇聚丙烯材質(zhì)地埋式保護(hù)箱，于1.3m深基坑中掩埋，內(nèi)部做防水處理，同時加設(shè)100mm厚度以上的保溫板，以此達(dá)到防水抗寒的作用。完成后需要在電池井上蓋進(jìn)行綠化土回填，避免對綠植造成破壞。

3.3 太陽能板

對于風(fēng)光互補(bǔ)太陽能LED路燈系統(tǒng)來說，太陽能板是收集和轉(zhuǎn)換能量的關(guān)鍵組成要素，安裝位置一般為燈桿頂部。硅基光伏是太陽能板核心組件，多由多晶硅、單晶硅、非晶硅等晶硅構(gòu)成，其中單晶硅、多晶硅是新能源LED路燈采用的主要成分[10]。太陽能組件輸出功率會受到光照條件的影響，因此需要重視不同光照下光伏組件的應(yīng)用參數(shù)，提升應(yīng)用有效性。

該企業(yè)園區(qū)路燈太陽能板由2塊單晶硅光伏板構(gòu)成，以串聯(lián)方式連接，單塊功率12V/250W，整體功率須達(dá)到400W以上。太陽能板以及其他相關(guān)組件必須可在-40℃條件下正常運(yùn)作，滿足內(nèi)蒙古環(huán)境要求，且其使用壽命、發(fā)電轉(zhuǎn)換效率均有嚴(yán)格要求，安裝傾角也要根據(jù)實(shí)際位置合理調(diào)節(jié)。

3.4 新能源路桿

新能源路桿專一性特點(diǎn)突出，是新能源LED道路照明系統(tǒng)的核心支撐，由燈臂、燈桿主體、組件專用支架以及地下管線等組成[11]。需要注意的是，太陽能組件于燈桿頂部安裝，這對于燈桿防風(fēng)型、穩(wěn)定性等有了更加嚴(yán)格的選擇，必須詳細(xì)分析復(fù)雜環(huán)境要素的影響作用，合理選擇燈桿材質(zhì)、焊接度、口徑以及厚度[12]。

企業(yè)園區(qū)新能源路燈主桿選擇高度為10m，板材厚度4mm及以上，且于表面進(jìn)行85μm及以上的熱鍍鋅處理；燈桿底部法蘭板材厚度20mm及以上，一次焊接成形，且需要在法蘭板與燈桿間進(jìn)行8mm以上加強(qiáng)筋的焊接，保證無虛焊，且表面光滑飽滿；路桿各組成部分使用壽命需在20年以上，承載能力需要達(dá)到50kg以上，抗風(fēng)能力應(yīng)達(dá)到10級。款式、顏色可依照需求方要求決定，需統(tǒng)一、美觀。

3.5 太陽能路燈控制器

太陽能路燈控制器即控制以上各組成部分的中心控制器，在照明系統(tǒng)中處于核心位置，是保證照明工作穩(wěn)定有序完成的保障[13]。恒流控制一體機(jī)是當(dāng)前LED路燈最普遍的應(yīng)用類型，最大光伏充電電流15A，最大負(fù)載150W。若環(huán)境條件較為復(fù)雜則需要充分考慮溫度及光照的差異性，合理調(diào)控各時段照明系統(tǒng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

企業(yè)園區(qū)應(yīng)用上文所提的風(fēng)光互補(bǔ)智能控制系統(tǒng)，使用光感控制、經(jīng)緯時控兩種控制互補(bǔ)模式啟動路燈，同時連接市電電源，若出現(xiàn)長時間持續(xù)惡劣天氣影響蓄電池供電則可智能調(diào)控至市電供電，保證路燈照明系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

新能源LED路燈在復(fù)雜條件下的應(yīng)用能夠保障地區(qū)人民正常生活，但是在應(yīng)用過程中也面臨諸多難點(diǎn)，不僅需要優(yōu)化路燈系統(tǒng)配置，確定復(fù)雜條件下的關(guān)鍵影響因素，還需要通過多項系統(tǒng)測試滿足最佳應(yīng)用目標(biāo)。相關(guān)工作者需要認(rèn)識到新能源LED路燈應(yīng)用的優(yōu)勢，反思與研究復(fù)雜環(huán)境因素，不斷優(yōu)化新能源照明系統(tǒng)，優(yōu)化配置，保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行，保障充足照明，為區(qū)域整體發(fā)展提供基礎(chǔ)設(shè)施支撐。