太阳能LED 路灯系统的设计与应用

彭建军

（重庆市设计院有限公司）

1 引言

2 太阳能LED 路灯系统

太阳能LED 路灯系统主要由太阳能光伏组件、蓄电池组件、智能控制器、LED 灯具和环境传感器等部分组成（见图1）。工作原理是在智能控制器的控制下，白天通过太阳能光伏组件将太阳能转化为电能，储存在蓄电池里，夜间蓄电池给LED 灯具 放电，实现道路照明。

3 太阳能LED 路灯系统设计

太阳能LED 路灯系统的设计过程应因地制宜，充分考虑安全性、可靠性和经济性，依据当地的地理环境和气象资料，科学计算，合理选择相关设备。

3.1 LED 灯具

与传统光源相比，LED 具有直流低压驱动、发光效率高、耗电量少、使用寿命长且能较易实现调光调色温等优点，因此在太阳能路灯设计中推荐使用LED[5]。

图1 太阳能LED 路灯系统框架

LED 灯具应选择高光效的LED 光源，其LED 光源总光通量为：

式中： Pled为LED 灯具功率，W；L 为LED 光源光效，lm/W。

道路路面平均照度一般按标准直线段，采用利用系数曲线法计算[6]。计算式为：

式中：ηled为灯具利用系数，根据灯具的安装臂长、高度、仰角和道路的宽度从灯具利用系数曲线查找；K 为维护系数；W 为道路宽度，m；S 为路灯安装间距，m；N 为与路灯排列方式有关，当路灯一侧排列或交错排列时N=1，相对双侧排列时N=2。

值得注意的是，转变教学模式，体现学生的主体地位，发挥学生的积极性和主动性，并不意味着教师作用的减弱。相反，双边活动、分组学习、合作探究等强调学生主体地位的课堂，对教师的能力提出了更高的要求。教师应该以民主、开放的心态，充分调动自己的教育智慧，运用独特的个人魅力来影响学生，让课堂充满智慧和情趣。教师要巧妙地创设问题情境，激发学生的探索热情。明代学者陈献章说：“前辈谓学贵知疑，小疑则小进，大疑则大进。疑者，觉悟之机也。一番觉悟，一番长进。”一切新知皆从疑惑、问题开始，生活如此，历史学习同样如此。教师要善于捕捉有利的时机，制造教学中的悬念。悬念产生后，要让学生展开自主的、多维的探讨。

评价道路照明节能宜采用照明功率密度（LPD），其限值应符合相关规定[7]。照明功率密度计算式为：

3.2 蓄电池组件

蓄电池的容量及工作电压应与太阳能光伏组件、LED 灯具功率和照明时间要求等相匹配。一般蓄电池的工作电压应低于太阳能光伏组件的工作电压20%～30%，以确保蓄电池正常充电；蓄电池容量应比LED 灯具日耗电量高6 倍以上，以确保工作的可靠性。

LED 灯具日耗电量计算式为:

式中:t 为LED 灯具日工作时间，h；Ubattery为蓄电池标称电压，V。

蓄电池容量计算式为：

式中:d 为连续阴雨天的天数，d；μ为蓄电池放电深度，一般取值0.75；σ 为蓄电池安全系数，一般取值1.1 ～1.4。

根据计算得到的蓄电池容量，选取合适的全密封免维护胶体蓄电池数量组成蓄电池组件。

3.3 太阳能光伏组件

太阳能光伏组件的核心是太阳能电池[8]。目前太阳能电池主要分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种，三者比较如表1 所示。太阳能电池板的类型选择应根据拟安装地区的地理环境和气候资料等合理选择。

太阳能电池板的功率应满足LED 灯具日用电量和连续阴雨天后蓄电池需要恢复的容量。其中，满足LED 灯具日用电量的太阳能光伏组件的充电电流为:

式中:λ 为太阳能充电综合损失系数，一般取值1.05；ηbattery为蓄电池充电效率，一般取值0.85；ηcontrol为控制器效率、灰尘遮挡及其他损失修正系数，一般取值0.9。

满足连续阴雨天后需要恢复蓄电池容量的太阳能光伏组件充电电流为:

式中：D 为连续两个阴雨天的间隔时长，d。

太阳能光伏组件的功率为:

式中：Usolar为太阳能电池电池组件工作电压，V。

根据计算得到的 Psolar选取合适数量的太阳能标准规格的太阳能组件。

太阳能电池板的发电效率与太阳能电池板的安装倾斜角有密切关系。为保证太阳能电池板发电效率，在太阳能LED 路灯系统设计中，太阳能电池板的倾斜角度应根据安装位置的纬度确定，使太阳辐照量尽量满足最大性和均匀性，从而最大程度地降低太阳能电池板的投资成本。一般太阳能电池板安装倾斜角与纬度关系可按表2 进行设计。

3.4 智能控制器

太阳能LED 路灯控制器的主要作用是实现照明过程的智能控制和平滑调光调色温，并具备过充、过放、防短路、防反接、防雷击等保护功能。在温差较大的地方，智能控制器还应有温度补偿的功能。

3.5 防雷接地

太阳能LED 路灯的工作电压一般为12V 或24V，属于安全电压，可不做电气保护接地。但为了保证太阳能LED路灯的运行安全，应进行防雷接地设计。防雷接地可用金属灯杆兼作接闪器和引下线，并利用路灯基础钢筋作接地体，接地电阻要求不应大于10Ω[10]。如接地电阻不满足要求应增加人工接地极。在特殊地方，针对大风等恶劣天气还应考虑设置抗风装置，避免意外天气影响太阳能LED 路灯的运行质量。

表1 太阳能电池板的比较

表2 太阳能电池板倾斜角与纬度关系

4 工程应用

目前太阳能路灯在城市道路中的应用主要以局部示范、小规模试点为主，居民小区和工厂等环境的应用较多。重庆一安置区的内部道路在开发初期未考虑照明，随着城乡建设，为满足安置区域内部道路照明需求，通过本文的设计计算方法，进行了传统路灯与太阳能LED 路灯方案对比，如表3 所示。从表中可以看出，太阳能LED 路灯总投资费用较传统路灯节省约42.1 万元，并且避免了敷设电线等施工过程对区域生活造成的影响。目前该安置区的太阳能LED路灯运行良好，能满足内部道路照明的要求。

表3 传统路灯与太阳能LED 路灯方案对比

5 结语

太阳能LED 路灯将太阳能光伏发电技术与节能LED 照明技术有机结合，随着太阳能电池的效率提升和成本的下降，在未来太阳能LED 路灯将越来越满足照明需求。通过对实际工程设计验证，本文的计算过程，可高效、科学、合理的满足太阳能LED 路灯的设计。