太陽能LED 路燈系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

彭建軍

（重慶市設(shè)計院有限公司）

1 引言

2 太陽能LED 路燈系統(tǒng)

太陽能LED 路燈系統(tǒng)主要由太陽能光伏組件、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（見圖1）。工作原理是在智能控制器的控制下，白天通過太陽能光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，儲存在蓄電池里，夜間蓄電池給LED 燈具 放電，實現(xiàn)道路照明。

3 太陽能LED 路燈系統(tǒng)設(shè)計

太陽能LED 路燈系統(tǒng)的設(shè)計過程應(yīng)因地制宜，充分考慮安全性、可靠性和經(jīng)濟性，依據(jù)當?shù)氐牡乩憝h(huán)境和氣象資料，科學計算，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、發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長且能較易實現(xiàn)調(diào)光調(diào)色溫等優(yōu)點，因此在太陽能路燈設(shè)計中推薦使用LED[5]。

圖1 太陽能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LED 燈具功率，W；L 為LED 光源光效，lm/W。

道路路面平均照度一般按標準直線段，采用利用系數(shù)曲線法計算[6]。計算式為：

式中：ηled為燈具利用系數(shù)，根據(jù)燈具的安裝臂長、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)，當路燈一側(cè)排列或交錯排列時N=1，相對雙側(cè)排列時N=2。

值得注意的是，轉(zhuǎn)變教學模式，體現(xiàn)學生的主體地位，發(fā)揮學生的積極性和主動性，并不意味著教師作用的減弱。相反，雙邊活動、分組學習、合作探究等強調(diào)學生主體地位的課堂，對教師的能力提出了更高的要求。教師應(yīng)該以民主、開放的心態(tài)，充分調(diào)動自己的教育智慧，運用獨特的個人魅力來影響學生，讓課堂充滿智慧和情趣。教師要巧妙地創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學生的探索熱情。明代學者陳獻章說：“前輩謂學貴知疑，小疑則小進，大疑則大進。疑者，覺悟之機也。一番覺悟，一番長進?！币磺行轮詮囊苫?、問題開始，生活如此，歷史學習同樣如此。教師要善于捕捉有利的時機，制造教學中的懸念。懸念產(chǎn)生后，要讓學生展開自主的、多維的探討。

評價道路照明節(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)與太陽能光伏組件、LED 燈具功率和照明時間要求等相匹配。一般蓄電池的工作電壓應(yīng)低于太陽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 燈具日耗電量計算式為:

式中:t 為LED 燈具日工作時間，h；Ubattery為蓄電池標稱電壓，V。

蓄電池容量計算式為：

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)計算得到的蓄電池容量，選取合適的全密封免維護膠體蓄電池數(shù)量組成蓄電池組件。

3.3 太陽能光伏組件

太陽能光伏組件的核心是太陽能電池[8]。目前太陽能電池主要分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種，三者比較如表1 所示。太陽能電池板的類型選擇應(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。

太陽能電池板的功率應(yīng)滿足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，滿足LED 燈具日用電量的太陽能光伏組件的充電電流為:

式中:λ 為太陽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。

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

式中：D 為連續(xù)兩個陰雨天的間隔時長，d。

太陽能光伏組件的功率為:

式中：Usolar為太陽能電池電池組件工作電壓，V。

根據(jù)計算得到的 Psolar選取合適數(shù)量的太陽能標準規(guī)格的太陽能組件。

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

3.4 智能控制器

太陽能LED 路燈控制器的主要作用是實現(xiàn)照明過程的智能控制和平滑調(diào)光調(diào)色溫，并具備過充、過放、防短路、防反接、防雷擊等保護功能。在溫差較大的地方，智能控制器還應(yīng)有溫度補償?shù)墓δ堋?/p>

3.5 防雷接地

太陽能LED 路燈的工作電壓一般為12V 或24V，屬于安全電壓，可不做電氣保護接地。但為了保證太陽能LED路燈的運行安全，應(yīng)進行防雷接地設(shè)計。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]。如接地電阻不滿足要求應(yīng)增加人工接地極。在特殊地方，針對大風等惡劣天氣還應(yīng)考慮設(shè)置抗風裝置，避免意外天氣影響太陽能LED 路燈的運行質(zhì)量。

表1 太陽能電池板的比較

表2 太陽能電池板傾斜角與緯度關(guān)系

4 工程應(yīng)用

目前太陽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)部道路在開發(fā)初期未考慮照明，隨著城鄉(xiāng)建設(shè)，為滿足安置區(qū)域內(nèi)部道路照明需求，通過本文的設(shè)計計算方法，進行了傳統(tǒng)路燈與太陽能LED 路燈方案對比，如表3 所示。從表中可以看出，太陽能LED 路燈總投資費用較傳統(tǒng)路燈節(jié)省約42.1 萬元，并且避免了敷設(shè)電線等施工過程對區(qū)域生活造成的影響。目前該安置區(qū)的太陽能LED路燈運行良好，能滿足內(nèi)部道路照明的要求。

表3 傳統(tǒng)路燈與太陽能LED 路燈方案對比

5 結(jié)語

太陽能LED 路燈將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與節(jié)能LED 照明技術(shù)有機結(jié)合，隨著太陽能電池的效率提升和成本的下降，在未來太陽能LED 路燈將越來越滿足照明需求。通過對實際工程設(shè)計驗證，本文的計算過程，可高效、科學、合理的滿足太陽能LED 路燈的設(shè)計。