太阳能路灯在煤矿地面道路照明中的应用

王 钢

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司， 山西 太原 030000）

引言

传统煤矿路灯照明设计中普遍存在供电距离较远、电缆敷设环境较差等问题[1]，通常的解决方法是利用箱式变电所供电。按照《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006），路灯照明设计通常采用TN-S或TT接地系统，但无论哪种接地系统，都必须考虑高/低压接地故障对路灯配电系统的影响、路灯灵敏度校验、干线断路器选择、电缆选择及电缆敷设等问题[2]。太阳能路灯照明作为一种新型的绿色路灯照明型式，与传统的路灯照明方式相比，其显著的优点是节能环保，而且不必考虑传统路灯设计中存在上述的问题，适用于次干道及以下道路照明；而与风光互补型路灯照明相比，其结构简单，维护费用不高[3]。煤矿地面道路通常为次干道，太阳能路灯显然在煤矿地面道路照明中是非常适用的。

1 太阳能路灯系统及工作原理

太阳能路灯系统通常由LED光源（含驱动）、太阳能电池板、蓄电池组（包括蓄电池组保温箱）、太阳能路灯控制器、路灯灯杆（含基础）等几个部分构成。其工作原理是：在太阳能路灯控制器的控制下，白天太阳能板向蓄电池充电，晚上蓄电池组为LED光源供电，控制LED光源的开启和关闭。太阳能路灯控制器能够在任何条件下（阳光充足或长期阴雨天）确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏，同时具备光控、时控、声控、温度补偿及防雷、反极性保护等功能[4]。

2 设计实例

2.1 设计基本资料

某煤矿进场公路位于东经114°01'～114°06'，北纬 31°46'～31°52'，海拔高度为 990 m。该地区平均日照时间为4.04 h，最长连续阴雨天数为7 d。进场道路全长1 709.712 m，路面宽为9.0 m，路基宽为12.0 m，路面结构为沥青混凝土。

2.2 LED灯功率计算

由于设计的道路为次干路，根据《城市道路照明设计标准》CJJ 45—2006，路面平均照度要求维持在15lx，照度均匀度不小于0.35，路灯宜单侧布置，采用截光型灯具。设计的太阳能路灯高度为10 m，路灯间距为30 m，灯悬挑长2 m，仰角为10°，共计55套。

根据道路照明照度公式[5]，其中，Eav为照度，取15 Lx，Φ为光通量，k1为维护系数，k2为利用系数，k3为灯具效率，Weff为路面有效宽度，S为路灯间距。取k1=0.6，k2=0.7，k3=0.9。经计算 Φ=9 375 Lm，查相关样本，确定LED灯功率为100 W。

2.3 蓄电池容量计算

LED工作电压为24 V，每个100WLED灯放电电流为4.17 A（100 W/24 V≈4.17 A）；设LED灯的恒流驱动功耗20%，实际放电电流为5 A（4.17 A×1.2≈5 A）；每个LED灯每天工作10 h耗电量为50Ah（5 A×10 h=50 Ah）。

为满足连续阴雨7 d的放电要求（加阴雨前一夜的放电记8 d），蓄电池需存储的容量为400 Ah（50 Ah×（7+1）=400 Ah）。考虑蓄电池容量衰减以及季节温度变化等因素，蓄电池以90%可放电容量计算444 Ah（400 Ah/0.9≈444 Ah），所以共需 150 Ah/24 V蓄电池3块。

2.4 电池板容量及倾角计算

假设每个LED灯每天工作10 h（以晚上7点至第二天凌晨5点为例），最长连续阴雨天数为7 d，两个阴雨天之间最短天数为20 d，则电池板每天的发电量除了必须满足LED灯当夜10 h用电，还必须同时将蓄电池组在剩余的13 d（20-7=13）内充满，以满足蓄电池组能提供7 d阴雨的照明，所以电池板每天的发电量需要满足1.57d（1+（7+1）/14=1.57）的用电量。

假设采用24 V的单晶硅电池板，其充电电压为34.8V，则电池板容量Wp=50×1.57×34.8/4.04=676W。所以可选取120 W/24V电池板6块。即峰值为676 W的电池板每天经过4.04 h的峰值日照，所发电量可以满足5 A电流LED灯每夜工作10 h，同时每个光照日有0.57 d供电量的余量可以保存在蓄电池，刚好可以满足每20个周期日7个阴雨天的设计要求。

为了有效利用太阳能，电池板的安装应根据当地的经纬度确定最优倾角，煤矿当地位于东经114°01'～114°06'，北纬 31°46'～31°52'，确定太阳能电池板与地平线倾角为39°，偏西5°安装。

2.5 防雷与接地

由于设计的太阳能路灯为直流24 V，属于安全电压，无需电气保护接地。太阳能路灯不可用路灯、太阳能电池板作为接闪器，宜采用金属灯柱兼作接闪器和引下线，宜采用路灯钢筋基础作为防雷接地极，接地电阻不大于10 Ω，如不满足则增加人工接地极。为了防止瞬态过电压，在路灯控制器内设置浪涌保护器。

综上，需100 W LED灯具55套，10 m灯杆55套，120 W/24 V电池板330块，150 Ah/24 V蓄电池165块。

3 性能比较

为了直观反应太阳能路灯的优势，表1给出了太阳能路灯与传统钠灯的性能比较。

显然太阳能路灯相对于传统路灯优势明显。

表1 太阳能路灯与传统高压钠灯路灯的性能对比

4 结语

尽管目前太阳能路灯已经应用很广泛，但在煤矿中的应用却很少，煤矿地面道路通常为次干道，太阳能路灯在其路灯照明中比传统的路灯照明有显著的优势，本文给出了太阳能路灯在煤矿地面路灯设计中的工程应用，以引起广大煤矿从业人员的关注。