太陽能LED路燈在南京江寧區自然村的應用分析

劉希偉

(南京京澤照明工程有限公司，江蘇 南京 211113)

引言

太陽能作為可再生能源，通過采取專業的技術措施對其進行有效的利用開發，符合創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念。太陽能LED照明充分發揮了太陽能與半導體照明的優勢，是綠色低碳的一種照明模式，近年來關于太陽能LED照明的應用與研究不斷增多，受到了業界的重視[1-6]。

筆者通過南京江寧區自然村“村村亮”太陽能LED路燈項目實際實施中遇到的問題，探討太陽能LED路燈在江南地區的應用前景，對太陽能LED路燈系統提出優化建議。

1 項目簡介

江寧區位于江蘇省南京市，原自然村道路基本無夜間照明系統，不利于夜間出行安全，并且落后的基礎設施影響經濟的發展建設，在美麗鄉村、新農村建設的發展目標下，江寧區政府設立“村村亮”項目，既保證居民的夜間出行安全，又有利于區域經濟發展，是一項一舉多得的惠民項目。

圖1 道路實景Fig.1 Road site photos

本項目共涉及567個自然村，自然村地理位置分散，道路狀況各異(圖1)，如果采用傳統的普通路燈照明，需要埋地敷設電纜，設置專門供電電路，工程量大，資金投入高。普通路燈照明采用商業供電，后期運行中需要持續投入高額的電費支出，并產生大量的碳排放，增加能源耗費，與綠色低碳的發展理念背道而馳，綜合考慮以上各種因素，本項目采用太陽能LED路燈照明系統，只需要初期一次性投入，節省投資成本，充分利用太陽能資源，有效降低對電力資源的消耗，減少碳排放。

2 太陽能LED路燈系統設計

2.1 太陽能LED路燈參數的確定

1)平均照度的計算(圖2)。通過對江寧自然村道路進行調查發現，道路以水泥路面居多，道路寬度普遍在3～8 m之間。參照《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)對于支路照明的照度標準，并結合本區域道路實際狀況、規劃部門相關意見，確定路面平均照度設計標準為10 lx，均勻度為0.3。因夜間行駛多為行人及非機動車，眩光限制閾值增量(TI)最大初始值為20。道路周邊多為農田，對環境比(SR)不做要求。

圖2 道路照度計算區域Fig.2 Lighting calculation area

根據道路照明求平均照度“利用系數法”計算公式

(1)

推導得到

(2)

式中U為利用系數，根據燈具的安裝高度、懸臂長度和仰角以及道路的寬度，從燈具利用系數曲線圖中查得；Φ為燈具光通量；K為維護系數；N為燈具排布方式，單側布置取值為1；W為道路寬度；S為燈桿間距。

2) 燈具利用系數的確定。路燈的利用系數曲線是以燈垂直于路面的垂線為界，一側為屋邊，另一側為路邊。利用系數的變化按照路寬W與燈的安裝高度h之比給出相關曲線值，路面的總利用系數U可按照利用系數曲線圖(圖3)求出。

圖3 利用系數的計算Fig.3 Calculation of coefficient of utilization

本項目道路類型多，在項目實施中無法細化到單條道路的設計，故根據規劃部門、路燈管理部門、供貨單位的意見，并結合本項目的投資情況，在對道路進行調研后，初步制作如下道路模型：

①路寬≤7 m：采用6 m路燈燈桿，燈具仰角10°，懸挑長度1 m，燈桿間距30 m，平均照度標準為10 lx，均勻度0.3，維護系數為0.9。

②路寬>7 m：采用8 m路燈燈桿，燈具仰角10°，懸挑長度1.5 m，燈桿間距30 m，平均照度標準為10 lx，均勻度0.3，維護系數為0.9。

確定以上模型有兩個目的，一為保證多數道路照明符合本項目設計要求，二為盡量做到產品規格的統一，減少投資及管理成本。

模型1中，根據圖3計算出路燈距高比為Wa/h=0.17，Wb/h=1。

考慮到道路寬度及路燈間距，道路路燈采用“蝙蝠翼”TYPE Ⅱ類型的配光，圖4為通過分布光度計測得的利用系數曲線圖，根據利用系數曲線確定U1=0.08，U2=0.58，U=0.66。

圖4 燈具利用系數曲線Fig.4 Streetlight coefficient of utilization curve

根據式(2)有

即需要采用光通量為3 535 lm的LED路燈才能滿足平均照度為10 lx的需求，燈具采用光源的平均光效為120 lm/W，P=29.46 W。根據以上計算結果，本項目7 m以下道路采用30 W太陽能路燈。

在確定燈具規格后，通過照明計算軟件對均勻度及眩光限制閾值進行計算，結果符合設計要求。

2.2 太陽能電池板及蓄電池的確定

江寧區地理位置位于北緯31.84°，東經118.77°，四季變化分明，冬夏溫差較大。降水豐富，根據2016年統計數據(表1)，年平均降雨139 d，降水豐富，常有暴雨，濕度大，氣壓低，日照少。2016年年日照總時數為2 010.8 h，日平均日照5.5 h，最長連續陰雨天數為7 d，兩個連續陰雨天的最短間距為3 d。

表1 南京市氣象統計數據(2016年)

太陽能路燈日平均點亮時間為8 h，采用前4 h全亮，后4 h半亮模式，太陽能板及蓄電池規格計算公式為

(3)

(4)

式中Pb為太陽能板功率；Wd為路燈日功耗；d1為最長陰雨天；d2為日光照時間；d3為兩個陰雨天之間最短間隔；μ1為蓄電池充放電效率，一般取95%；μ2為逆變器效率，一般取94%；Ah為蓄電池容量；V為蓄電池電壓；K1為安全系數，一般取1.2；K2為溫度系數，一般在0 ℃以上取1，0～10 ℃時取1.1，-10 ℃以下取1.3；K3為放電深度，一般取75%。

根據式(3)、式(4)，計算得到Pb=120 W，Ah=178 A·h。即太陽能板規格為120 W，蓄電池容量為180 A·h，額定電壓12 V。路燈控制器選擇12 V/24 V自適應，多時段負載控制。

3 太陽能LED路燈在江寧區自然村的具體應用

3.1 項目施工

太陽能路燈主要由燈桿及地籠、燈具、太陽能電池板、蓄電池、控制器等組件組成，主要施工順序為：布點→澆筑混凝土→燈桿安裝→調試(部分施工圖見圖5)。

第一步：布點。首先根據施工要求測量防線確定路燈安裝位置，確認無誤后按照基礎圖紙進行開挖工作，基礎開挖合格后將地籠和蓄電池放入相應基坑內，并預留管線。

第二步：澆筑混凝土。采用C25商品混凝土從基礎四周均勻澆筑并搗實，同時不斷校正預埋件使其處在中心位置。澆筑完畢后，對基礎外觀進行修正，保證成品達到要求。最后按照規定進行7 d養護工作。

第三步：燈桿安裝。在安裝之前，準備好安裝材料和工具，將路燈各部件組裝好，并根據設計數據調整好太陽能板的仰角及方向。立桿時，嚴格按照立桿順序和要求進行操作。最后對安裝完畢的燈桿進行校正。

第四步：調試。路燈安裝到位后，進行調試工作。對亮燈時間、路面照度、路燈各部件是否正常等進行檢測和調試。同時，對路燈的配置及位置進行記錄。最后，整理好各類施工材料，進行上報驗收。

圖5 路燈施工照片Fig.5 Street lamps construction site photos

3.2 項目運營與維護

為了便于后期運營維護，本項目路燈數據全部制作成圖形化信息管理系統(圖6)，如果路燈在使用過程中發生故障，在接到報修電話之后可以迅速確定故障路燈具體規格參數、地理位置，方便檢修人員快速處理故障，節省管理成本，提升工作效率。

圖6 太陽能路燈地理信息圖Fig.6 Geographic information map of street lamps

3.3 項目經濟效益評估

本項目注重經濟效益與社會效益的統一，根據計算，如果采用高壓鈉燈照明，需要單燈功率為70 W(表2)；而通過本項目的實施后，不再需要消耗市電，即每年可節電3 474 332.80 kW·h，對該區域的節能減排將有一定的貢獻。

表2 高壓鈉燈的經濟效益

4 結束語

隨著“美麗鄉村”和“新農村建設”的發展，農村地區的基礎設施建設將迎來一個新的發展階段，在鄉村道路照明方面，采用傳統路燈照明方式存在著經濟與管理方面的諸多問題與難點，但是太陽能LED路燈為鄉村道路照明提供了一個很好的應用方案。在推廣太陽能LED路燈的過程中，由于太陽能板對光照、蓄電池對溫度的特性較敏感，需要對農村道路狀況因地制宜，設計合理的方案，保證投資的經濟性，產品的適用性。在項目實施之前需要多進行調研工作，根據所在地區的需求、經濟發展程度，設置合理的照度和路燈布置方式。另外，農村地區范圍遼闊，項目實施后期燈具的維護工作量也較大，可采用計算機信息技術手段對路燈進行管理，可有效減少維護成本，提高工作效率。