基于任務驅動的太陽能LED路燈系統匹配設計

周亞東，朱世軍

(1.海南職業技術學院，海南海口 570216；2.海南華僑中學，海南海口 570206)

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基于任務驅動的太陽能LED路燈系統匹配設計

周亞東1，朱世軍2

(1.海南職業技術學院，海南海口 570216；2.海南華僑中學，海南海口 570206)

以實際太陽能路燈建設項目為例，對系統中太陽能組件、光源、蓄電池、燈桿、地腳螺絲以及地基等進行精心設計，使系統之間相互達到最佳匹配，解決了太陽能路燈電氣與燈桿基礎分割設計的不足，使太陽能路燈系統在2014年17級超強臺風“威馬遜”肆虐中依然保持系統的穩定運行，驗證了系統的整體使用壽命及系統安全，為太陽能路燈工程提供可靠的施工與運營依據。

太陽能技術；系統匹配；照度；抗風；地基強度；扭矩；LED；路燈；設計

引言

太陽能路燈與普通燈相比有節能、安全等獨特的優勢而得到迅速的普及。但是，太陽能路燈看似簡單的系統，如果不能進行良好的匹配與精心的設計，將會影響系統的使用壽命和系統的安全，造成極大的經濟損失。如海南2014年“威馬遜”超強臺風，2015年“蘇迪羅”超強臺風，中心風力都達到17級，風速60～65 m/s。如果燈桿基礎不能精準設計，在這兩場臺風中就會出現傾覆或折斷，造成巨大的經濟損失。再如，系統中蓄電池與負載匹配不科學，就會導致蓄電池壽命降低，增加維護成本等等。總之，優秀的系統設計是系統質量的保證。

近年來有不少關于太陽能路燈的設計文獻[1-8]，如：文獻[1]重點從環境因素來考慮供電系統的匹配，沒有涉及到組件受風壓對燈標的影響；文獻[2]、[3]通過風洞試驗，模擬了太陽能電池板在不同安裝方式下的抗風性能；文獻[4]針對路燈的基礎螺桿強度進行了設計；文獻[5]強調運用ABAQUS有限元軟件對10 m太陽能路燈燈桿在風載、雪載以及自身重力作用下各構件的應力與變形進行了分析，等等。路燈系統包括光源選擇、供電系統、燈桿及燈桿基礎系統，目前諸多文獻研究主要針對燈桿及燈桿基礎，對整個路燈系統進行綜合設計分析的文獻研究較少。本文以海南某校園亮化工程太陽能LED路燈為例，從路燈的光源選擇、供電系統的匹配與燈桿基礎三方面進行綜合分析，使整個路燈系統設計一體化。

1 光源選擇與設計

1.1 任務設計要求

2013年該校在校園主干道路安裝太陽能LED路燈，道路為雙向雙車道，路寬8 m，要求根據當時實行的CJJ 45—2006《城市道路照明設計標準》中三級道路亮度與照度標準設計。路燈每天工作10 h以上，自給時間為6天，每天用電時間約10 h以上，燈桿防16級超級臺風。

1.2 燈頭高度、路燈之間的距離與燈源的亮度關系

校園路燈承載著夜間行車，師生娛樂、休閑等功能，是師生學習、生活基本保障，國外像哈佛大學、耶魯大學對校園路燈其照度、亮度都有明確規定[9-10]。根據當時實行的CJJ 45—2006《城市道路照明設計標準》，機動車交通道路照明應按快速路與主干路、次干路、支路分為三級，并提出：城市道路照明應滿足平均亮度/照度、亮度/照度均勻度、眩光限制和環境比四項評價指標[11]，五級道路亮度與照度標準見表1。

表1 五級道路亮度與照度標準表Table 1 The standard table for intensity of light and illumination on the five-level road

根據表1，學校是主干道可以以次干路要求設計為三級其亮度達1.0 cd/m2，考慮學校夜間人流量大，其照度選擇快速道路標準為20 lx。

1.3 路燈布局及燈具高度選擇

常規照明有單側布置、雙側交錯布置、雙側對稱布置、橫向懸索布置和中心對稱布置五種基本布燈方式。

采用常規照明方式時，根據《城市道路照明設計標準》，燈具的配光類型、布燈方式、安裝高度和間距應滿足表2的規定，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°。

表2 燈具的配光類型、布燈方式與安裝高度、間距的關系Table 2 The types for light distribution of lamps , the way of setting lamps and the distance between the lamps

注：Weff為路面有效寬度(m)

根據表2，本項目燈具布置采用雙側對稱布置，根據《城市道路照明設計標準》，燈具的類型選擇半截光型(最大光強方向在0°～75°,其90°和80°角度方向上的光強最大允許值分別為50 cd/100 lm和100 cd/1 000 lm)，則H≥0.6Weff=4.8 m。考慮校園主干道，可能會有高車輛通過，故H值取6 m。相應地，S≤(3.5H=21 m)，燈桿間距S選擇20 m。

1.4 光源功率選擇

光源的功率選擇，一般情況下可以通過道路平均照度計算公式推算得到，見式(1)。

(1)

式中，φ為光源的總光通量(lm)；Eav為光源平均照度(lx)；U為利用系數；K為維護系數；W為道路寬度；S為路燈安裝間距；N為路燈的排列方式，雙側對稱排列時N=2。

本項目Eav取20 lx，U為利用系數取0.7，K維護系數取0.7，W道路寬度取10 m，S為路燈安裝間距取20 m，N為雙側對稱排列取2，代入式(1)得φ=4 081 lm。采用40 W LED暖白大功率光源，其光通量為4 400 lm，大于計算值4 081 lm，符合項目設計要求。

2 供電系統設計

2.1 負載工作電壓

根據道路照明中常用的光源及其參數[12]，考慮LED響應速度快、適合調光、節能等特點[10]，選擇40 W LED大功率光源，其額定工作電壓在36 V,工作電流1.650 A，采用24～36 V(DC)脈沖寬度調制(PWM)恒流控制型電源，以滿足光源用電需求。

2.2 光伏組件與蓄電池容量的匹配

光伏組件與蓄電池容量的匹配，可以從負載每天工作總功率與太陽能組件的每天發電量保持相等來考慮。

太陽能路燈光伏組件功率(P)計算公式為[14-15]

(2)

式中P光源為光源功率，t為每天工作時間，t1為峰值日照時數，為蓄電池庫侖效應，ξ為其他綜合損耗。式(2)中1.43是太陽能電池組件峰值工作電壓與系統工作電壓的比值；海口峰值日照時數為4.43 h，蓄電池庫侖效應及其他綜合損耗這里全部取0.85，代入式(2),得太陽能路燈組件功率為178 W。

這里選擇90 W，組件面積為0.985 m×0.665 m，重量為7.7 kg，最佳工作電壓16.5 V，工作電流為5 A兩塊單晶組件串聯方式，其串聯后工作電壓為33 V，滿足對24 V蓄電池充電要求，工作電流為5 A。要注意的是，市場上160 W單晶組件種類比較多，在選擇的時候一定要注意其工作電壓能滿足項目蓄電池充電要求。如果選擇160 W，工作電壓為18.2 V，工作電流為8.79 A組件時，就應該考慮將兩組件串聯，這樣串聯后的組件電壓為36.4 V，電流為8.79 A，這也能滿足系統需求。

2.3 蓄電池容量與負載的匹配

蓄電池容量與負載的匹配可以從負載在規定時間內用電總容量等于蓄電池所應該存儲的電量來考慮，放電深度參考文獻[16]。

蓄電池容量(C)計算公式如下：

(3)

選用兩組12V/150 Ah或一組24V/150 Ah蓄電池串聯，串聯后蓄電池工作電壓為24 V，總容量為150 Ah，能滿足系統正常工作。項目使用免維護24 V/150 Ah蓄電池，產品尺寸長寬高厚為484 mm×171 mm×241 mm×241 mm，蓄電池使用防水地埋箱，安裝于四周砌磚的蓄電池室內，蓄電池室是緊挨燈標側，埋于300 mm地下且長寬高約為700 mm×500 mm×400 mm的長方體。

3 燈桿基礎設計

我國南方沿海臺風偏多，太陽能路燈燈桿至少應能抗12級以上臺風，文中根據2014年肆虐海南的超強臺風“威馬遜”，中心風力達16級，風速達61 m/s標準設計要求，依據燈桿標準參數，考慮抗風需要，將燈桿設計為桿錐度為10，燈桿材質為優質低硅碳鋼Q235A鋼材[9]標準，其屈服強度為，燈標上底直徑d為0.080 m，下底直徑D為0.180 m，燈桿厚δ為0.004 m,組件采用U形抱窟和螺紋緊固連接，傾角根據海口地區最佳傾角15°安裝；燈臂選擇長為1.20 m，直徑為0.006 m鋼材；燈頭選擇長0.60 m，寬0.22 m飛魚型燈具。法蘭盤尺寸為0.30 m×0.30 m×0.014 m，孔距為0.20 m,混凝土基礎為0.80 m×0.80 m×0.80 m。

3.1 系統抗風分析

3.1.1 基本風壓計算

風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力。根據伯努利方程得出的風壓關系，風的動壓為

(4)

其中WP為風壓(kN/m2),R0為空氣密度(kg/m3),V為風速(m/s)。空氣密度(R0)和重力(r)的關系為r=R0g，因此有R0=r/g。代入公式(4)得

(5)

式(5)為標準風壓公式。在標準狀態下氣壓為1 013 hPa, 溫度為15 ℃, 空氣重度=0.012 25 kN/m3。重力加速度g=9.8 m/s2，則

太陽能電池組件支架的抗風設計依據電池組件廠家的技術參數資料,太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2 400 Pa。根據1 kN/m2=1 kpa換算，可知組件本身是完全可以承受61 m/s的風速而不至于損壞。

3.1.2 系統迎風面積計算

兩塊太陽板面積為

S組件=sin15°×0.985×0.665×2=0.34 m2

燈桿為錐體近似梯形，其面積計算為

S燈桿=(d+D)/2=0.564 m2

燈頭面積為

S燈頭=0.60×0.22=0.132 m2

燈臂面積為

S燈臂=0.06×1.20=0.072 m2

則系統總迎風面積為

S總=S組件+S燈桿+S燈頭+S燈臂=1.108 m2

3.2 系統各部分對燈桿底部產生的扭矩

為了分析路燈系統抗風情況，從燈桿受力情況可以知道，對于燈桿來說，其底部受壓應該是最大的，同時要考慮圓形燈桿本身破壞面上的抵抗矩情況。

燈桿為圓錐梯形，其幾何重心高度計算為

(6)

式中Yc為幾何重心高度(m)；d為上底高(m);D為下底高(m);h為燈桿高(m)，則Yc=2.09 m。

燈桿對桿底扭矩為

M燈桿=S燈桿Yc=2 734.9 N

組件對桿底扭矩為

M組件=S組件h=4 731.2 N

燈具燈臂對桿底的扭矩為

M燈具=(S燈頭+S燈臂)h=2 845.8 N

則系統總扭矩為

M總=M燈桿+M組件+M燈具=10 312 N

3.3 圓形燈桿破壞面的抵抗矩分析

根據數學推導，圓環形破壞面的抵抗矩為[18]

W=π×(3r2δ+3rδ2+δ3)

(7)

式中r是圓環內半徑(m)，δ是圓環寬度(m)。

燈桿底部圓形破壞面抵抗矩為

W=π×(3r2δ+3rδ2+δ3)=π×(3×852×4+3×85×42+43)=9.084 4×10-5m3

風荷載在破壞面上作用矩引起的應力為

M總/W=113.5 MPa

因為113.5 MPa<235 MPa，所以燈桿的抗風設計是沒有問題的。

4 路燈基礎設計

海南地區基礎地基的承載能力為115 kN/m3[19]，混凝土采用標號為C20，其比重2 356 kg/m3, 采用基礎長B、寬L、高H分別為0.80 m、0.80 m、1.00 m。根據GB J7—89各建筑設計基礎規范第5.1.1條規定，基礎的平均壓強P≤F，且Pmax≤1.2F的要求進行設計。

1)基礎底部混泥土澆層的抵抗矩為

W基礎底=BL2/6=1×12/6=0.167 m2

(8)

式中B表示底部的寬度，L為底部的長度。

基礎地基上總的壓強P，應該等于系統總重量/基礎表面積，即

P=G總/S表面積

(9)

其中G總=G燈桿+G組件+G混凝土基礎+G燈臂+G燈具，因為(G燈臂+G燈具)相對于整個系統來說可以忽略不計,則

P=(G燈桿+G組件+G混凝土基礎)/S表面積=2.2 kN/m2

2)基礎邊緣產生的最大壓強為

Pmax=P+M總/W基礎底=74.9 kN//m2

通過計算設計可以驗證，基礎的平均壓強P≤F，且Pmax≤1.2F，符合設計標準。

3)地腳螺栓強度設計分析。

依據美國規范ACI318M-05進行錨固設計和計算[20]。地腳螺栓設計主要考慮其地腳螺桿共同作用產生的拉力應絕對大于燈桿根部受到的最大風彎矩，即在風載荷的作用下，通過法蘭盤傳遞給地腳螺栓(共4根)，法蘭盤為300 mm×300 mm×14 mm，孔距為210 mm，如圖1所示。當風向為螺栓的對角線時，螺栓的拉力最大。假設最大風力由螺栓1向螺栓3方向，則螺栓1所受的最大風彎矩應該是最大的。

圖1 燈桿地腳螺栓及其力臂示意圖Fig.1 Diagram for anchor bolt of light pole and its arm

根螺栓均勻分布，相鄰兩個螺栓中心所對的圓周心角為90°，根據三角函數關系可知L1=0.297 m，路燈桿經受最大風荷載作用力M總，為使高桿燈保持總體平衡，桿根部必然產生一個抵抗彎矩ZM，且量值上ZM>M總。此時整體燈桿所受的風荷載作用力，底板緊固螺栓共同產生的拉力、燈桿的重力，基礎的支承力等作用力的合力應該為O。而底板緊固螺栓能產生拉力的分別是螺栓1到螺栓4共4只，它們分別產生的拉力設為NL1、NL2、……,其中NL1應該最大，如果有多個螺栓則會產生N2N個力矩，其力臂長分別為L1、L2、……和L2′、……、LN′(其中L2′=L2，……，LN=LN′)，3個力臂的量度也體現了螺栓的拉力N的大小[21-23]，則力臂總長為

LN=L1+L2+L2′+……=0.717 m

因此，NL1=14.4 kN，即螺栓有可能受到的最大軸向拉力為14.4 kN。考慮到安全，取安全系數為1.5，則最大軸向拉力為21.6 kN。對照地腳螺栓彎鉤錨栓數據表，可選擇螺栓直徑為M16，Q235鋼，其抗拉承壓力為22.6 kN，能滿足燈桿設計要求。

5 系統應用與測試分析

該項目于2013年8月完工，同年12月通過驗收，2013年7月18日超級臺風“威馬遜”肆虐海南，然而所設計安裝的62盞LED路燈全部經受住了考驗。臺風過后對全部路燈進行系統的檢查，燈桿基礎混凝土、法蘭螺栓、燈桿等沒有出現任何變形、彎曲等情況，供電系統全部正常工作。2016年1月，系統經過兩年半運行后，我們進行了如下測試。

1)供電系統測試。2016年1月19日至1月28日海口連續10天的陰雨天氣，經過記錄，其62盞LED路燈工作情況如表3所示。

表3 連續陰雨天路燈工作情況統計Table 3 The statistics for performance of road lamp during continuous rainy days

從表3可以看出，項目工程所有LED路燈工作正常，供電系統能滿足所設計的自給時間，從第7天開始，有3%的路燈已經不能保證正常照明；第7天，因為天氣有所回升，但依然不能滿足路燈的通宵照明，這完全符合設計要求。

2)路面照度測試。選取學校主干道兩側6盞雙側對稱布置LED路燈，根據圖2測試點進行地面照度測試，測試數值單位為lx。

圖2 地面照度測試點選擇圖Fig.2 The selection chart for the ground illumination test point

從地面照度測試點測試數據可知，系統基本符合道路路面設計值為20 lx的設計要求。

6 結束語

任務驅動下的太陽能LED路燈系統的匹配設計，其光源選擇、供電系統匹配及燈桿與燈桿基礎等系統各組成部分環環相扣的設計，關系到整個系統的正常運行與安全保障。不同地區太陽能路燈設計方法及思考的問題有所不同，但其研究設計的基本思路應該是相同的。太陽能LED路燈實際施工過程中一定要注意其施工標準，以保證其質量符合要求。

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國際照明標準技術研討會在杭州舉辦

2017年5月26-27日， 由浙江省照明學會主辦，橫店集團得邦照明股份有限公司承辦的“國際照明標準技術研討會”在杭州成功舉辦。

中國照明學會理事長邴樹奎，中國照明電器協會理事長陳燕生，國家電光源質量監督檢驗中心(北京)主任華樹明，國家半導體照明工程研發及產業聯盟常務副秘書長阮軍，浙江省照明學會理事長潘建根，浙江省照明學會名譽理事長陳哲艮，澳大利亞照明學會主席、CIE D2秘書長Tony Bergen，浙江省照明電器協會理事長凌應明，江蘇省照明學會、江蘇省照明電器協會副理事長嚴慈，上海市照明學會副理事長張善端，中國質量認證中心新能源認證部副經理陳松，杭州濱江(高新)區副區長鄭迪，TüV南德意志集團EMC首席工程師Miiler Dan等來自照明相關的企事業單位、政府機構共計200余人參加了會議。

System Matching Design of Solar-powered LED Road Lamp Based on Task-driven

ZHOU Yadong1， ZHU Shijun2

(1.Hainan College of Vocation and Technique, Haikou 570216, China;2.Hainan Overseas Chinese Middle School, Haikou 570206, China)

An actual construction project of solar-powered street lamp is to be taken as an example to make a meticulous design on the solar panels, light source, light battery, light pole, anchor bolts and foundation etc. in the system. By the design, the best matching between the systems is achieved so as to solve the problem of the inefficiency between the electricity for solar-powered street lamp and light pole segmentation design. With the design, the solar street light system has been still working steadily when the 12-scale typhoon Rammasun was drenching the island Hainan in 2014, which verifies the service life of solar-powered street lamp and security of the system.The research provides the reliable guidance for constructing and operating the project of the solar-powered street lamps.

solar technology; system matching; illumination; wind resistance; ground strength; torque; LED;road lamp; design

TM615;TU998.9

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.016