一種優化降凈路燈設計

何曉玲 陳澤娜 賴文娜 曾嘉洪 文雅

摘 要：優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能型路燈。當前環境問題是國家乃至全世界都關注的重點問題之一。本產品不僅采用太陽能的環保能源，還在路燈上安裝吸塵及灑水功能的設備，雙管齊下以達到降低空氣中灰塵含量、保護環境的效果，是一種環境友好型產品。本產品以智能控制為前提，在路燈照明上采取隔一亮一或調光照明方案，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約能源的作用。

關鍵詞：優化降凈路燈;LED;節能;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，被廣泛應用于發電、發熱等方面，將太陽能轉化為電能供路燈運行且有效利用，不但能夠達到節能減排的目的，還有利于改善能源緊缺的問題。

1 優化降凈路燈的設計

1.1 供電模塊

1.1.1 太陽能供電。優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化為電能儲存到蓄電池內，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90°的垂直角，太陽能板吸收太陽能轉化為電能的效果最佳。但考慮到各地區的經緯度環境等情況，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，“優化降凈路燈”仍要鋪設電纜線路，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“優化降凈路燈”的線路建設，直埋電纜線路一般直接埋于地下，是一種比較簡單而又經濟的鋪設方法，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?！皟灮祪袈窡簟笔遣捎蔑L力供電的方法在路燈上安裝垂直軸風力發電機。

1.2 照明模塊

1.2.1 LED路燈的型號。LED技術的發展不斷加快，芯片的光效有所提升，節能率也有了保證。光效和色溫的矛盾不再是LED應用過程中的主要矛盾，色溫與環境條件是否協調才是關注的重點[1]。綜合我國當前技術、氣候、社會環境等條件以及人眼的感官，“優化降凈路燈”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 節能照明的方案。為了使“優化降凈路燈”達到節能的效果，可采用隔一亮一和調光兩種節能照明方案。

隔一亮一節能照明方案需要依托單燈監控系統（由監控軟件、監控主機、單燈控制末端三部分構成），采用城市路燈照明單燈控制系統后，可根據行人流量和交通流量的情況設置照明方式。

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

調光節能照明方案可通過安裝節能型照明調光器進行節能，節能照明調光器是能夠改變照明裝置中的光通量、調節照度水平的一種電氣裝置，優化降凈路燈引入節能照明調光器可以采取固定的調光變化的時間模式。節能型照明調光電器的安裝非常簡便，只需要更換原有路燈內的電器，并且按照接線圖在燈具內安裝好即可，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。優化降凈路燈上的吸塵裝置依據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，用光學方法來監測灰塵的技術被廣泛使用，光學檢測具有獨特的優勢，具有零接觸、消息實時、測量速度快等優勢。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生極化，并向各方向輻射出電磁波，這就是光的散射現象。

吸塵的時間和周期會根據不同的地點、當地的現狀不同而有所差異，在一些灰塵量比較多的地方，吸塵間隔的時間會比較短，次數也會相應地增加。在一些相對干凈的地區，吸塵間隔的時間會適當延長，減少吸塵的次數。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，由于電機運轉會產生空氣動力噪聲、電磁噪聲和機械噪聲等。通過對吸塵器產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。排風口高速流轉的氣流產生很強的空氣動力噪聲，同時風機產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，改變內損耗因子。

1.4 灑水模塊

目前，公路建設、道路維護、園林綠化等必備且頻繁使用的機械設備是灑水車和霧化路燈，但目前霧化路燈只在部分地區存在（如河南省鄭州市），絕大部分地區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、產生汽車廢氣等缺點，在路燈上設置灑水裝置能在一定程度上減少灑水車的使用，從而更好地節約能源。

優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，灑水裝置要適當地運行。

1.5 燈桿的材質

優化降凈路燈燈桿材質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，環保節能減排。

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

1.5.1 燈具的間距、桿高和挑臂。優化降凈路燈燈具的間距、桿高和挑臂要嚴格遵循《城市道路照明設計標準》（CJJ 45—2015）進行具體設計，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計標準》（CJJ 45—2015）中，對安裝路燈的方式沒有明確標準，僅對照度、均勻度、功率密度等作出規定。具體的安裝方法按照當地的實際情況來進行選擇與安裝。

根據我國城市化進程的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，特設置了以下4種路燈的位置分布。

①單側布置。單側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

2.1 單燈控制系統

單燈控制系統可以對各個路燈的參數進行檢測和控制，是對傳統路燈控制系統的升級。目前，多數單燈控制規?；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地的環境，在安裝時要注意設備的調試，在安裝后還要注意測試通信效果。

單燈系統的設計主要是將路燈各個箱變里的一些集中器通過控制系統對每一盞路燈進行開關的自動開關和后臺的遙控以及一些數據的測量。集中器是路燈發展過程中遠程控制的產物和核心產品，主要負責通信網絡的架構和調整，向下收集網絡節點反饋信息以及傳達控制命令。目前5G技術的興起，為行動遠程控制方式提供了更為快捷的網速，為其與監控中心的相互聯系提供了便利[2]。

選擇單燈控制系統有其自身的優勢，采用各個路燈的分開控制對開關燈模式會更加靈活，更能節約能源;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

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

服務器在室外的作用不大且路燈是一根一根進行安置的，所以優化降凈路燈如果要實現通過互聯網后臺管理系統進行控制，那么需要在生產時為路燈配置支持互聯網協議通信的互聯網通信組件，支持互聯網通信卡或者無線局域網，如為路燈設備配置無線通信技術（安裝一個4G互聯網通信卡為優化降凈路燈配置網絡），配置無線通信便可使該設備具有無線通信功能，與后臺管理系統進行協議通信，即設備為在線狀態。

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

后臺管理系統可選擇移動設備上的APP、小程序、移動端的后臺管理系統、電腦設備上的后臺管理系統等頁面方式。

2.3 故障診斷系統

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

2.3.1 電動機不轉動且沒有電流聲。引起這種現象的原因有許多，可以根據這些原因實行相應的排除方法，造成這種現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，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 電動機產生很大的電流嗡嗡聲。造成這種現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系，當電壓不足時，電動機的轉速會下降，可以通過調壓器調整電壓[5]。

2.4 報警系統

在路燈上安裝報警系統，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控。路燈的監控與報警系統采用遠程控制系統。若要對路燈有監控作用，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施的監控設備，又要有用于電纜防盜的電纜智能防盜系統，同時有用于遠程無線通信處理任務的GPRS接口以及管理處的監控中心監控軟件，從而對整個路燈進行遠程控制。設置一個亮點防盜系統對路燈的各項參數進行監測，當發現電纜或者集塵箱被非法盜取時，可以根據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，對系統的適應環境要求比較高，要求系統可滿足溫度在-20～50 ℃的環境運行要求[6]。

3 優化降凈路燈設計理念

優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，可以根據不同地區的緯度來設置其傾斜角度，以更好地實現太陽能向電能的轉換。燈桿實現多功能化，既可以考慮在燈桿上設置指示牌，又可以考慮在燈桿上設置充電桿。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到集塵箱內，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置。

參考文獻：

[1] 馮士良，陸哲.論城市道路LED路燈的色溫選擇[J].建設科技，2016（9）：61-63.

[2] 張蘇文.城市智慧路燈建設的研究及實現[D].南昌：華東交通大學，2020.

[3] 周德林.吸塵器的調速電路及其檢修[J].電工技術，1998（2）：22-26.

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

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