太阳能LED路灯在老旧小区改造中的设计及应用

方 敏，成 迪

(江西省城乡规划市政设计研究总院有限公司，江西 南昌 330095)

引言

城镇老旧小区改造是重大的民生工程和发展工程。2020年7月，国务院办公厅发布《关于全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见》(国办发[2020]23 号)，明确提出应有序推进老旧住宅小区综合整治。

小区照明是城镇老旧小区改造的基础必改项目，而电费的问题导致传统的市电照明方式存在取电难的现象。为了解决老旧小区内的照明问题及响应“双碳”战略，本文提出了结合老旧小区特色的太阳能路灯照明设计方案。

1 老旧小区改造中传统的市电照明及太阳能照明的比较

从老旧小区的照明应用出发来进行简单的对比，具体见表1。

表1 老旧小区改造中传统的市电照明与太阳能照明的比较

2 太阳能路灯系统

太阳能光伏发电，实际上就是太阳能电池将光能转换为电能的过程。首先将光能转换为光生载流子，然后光生载流子被半导体P-N结产生的静电场分离，在P-N结两侧形成电位差，最后外部接通电路，产生输出功率。

由太阳能光伏组件、蓄电池组件、灯具、智能控制器、环境传感器等部分组成，如图1所示。

图1 太阳能LED路灯系统框图Fig.1 Solar LED street lamp system block diagram

与传统的气体光源相比，LED光源具有低压直流驱动、发光效率高、耗电量低、使用寿命长等优点，因此更适宜在太阳能路灯中使用。

3 设计方案及计算

3.1 光源及系统电压VS的确定

(1)光源设计

根据CJJ45—2015第3.5.1条[1]，老旧小区内路面平均照度标准值取Eav=5 lx。

小区道路宽度W=5 m，路灯单侧布置N=1，路灯安装间距S=25 m，灯具利用系数ηed=0.32，维护系数K=0.8。

由于小区内选择偏暖色调更能营造温馨氛围，因此LED灯具色温选择3 500 K。初步选用25 W的LED光源，则LED路灯光通量Φ=2 375 lm[2]。

道路路面平均照度一般按标准直线段考虑，采用利用系数曲线法计算[3]。计算式为：

(1)

其中，Eav为照度，lx；ηed为灯具利用系数；Φ为光通量，lm；K为维护系数；N为灯具系数，路灯单侧布置时取1；S为路灯安装间距，m；W为道路宽度，m。结果表明，满足CJJ45—2015要求。

工程设计：选择25 W的LED光源，色温3 500 K，单侧布置，路灯安装间距S=25 m，安装高度5 m。

(2)照明节能评价

对于机动车道照明应以照明功率密度(LPD)作为照明节能的评价指标并符合相应规定[1]，而小区内的照明因其照度标准较低，因此可以满足规范规定。

(3)系统电压VS

将太阳能路灯光源的直流输入电压作为系统电压，一般为12 V或24 V。由于灯具安装高度不高，线路损耗不大，因此本工程太阳能路灯工作电压取VS=12 V。

工程设计：工作电压VS=12 V；选用某品牌的峰值输出功率Pm=75 W的光伏组件，其峰值工作电压Vm=17.8 V，峰值工作电流Im=4.22 A。

3.2 相关输入数据

(1)日平均辐射量HA

根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。本项目所在地江西属于四类地区，年太阳辐射总量1 163～1 393 kWh/m2，标准光照下日平均辐射量3.1～3.8 kWh/m2。

工程设计：根据GB 50797—2012附录B，南昌的日辐射量为13 094 kJ/m2，折算后HA=3.6 kWh/m2。

(2)每日无日照期间用电时数Dt

初步计算负载每天的功耗和与之相应的太阳能电池组件的功率。

太阳能路灯每晚工作时通过控制器来调节电流的输出大小，不同时段有不同的亮度。考虑到小区内的人流主要集中在傍晚至晚上11点，因此通过控制器根据时间调整亮度能够有效的节能。

工程设计：从晚上7点亮灯至晚上11点的4个小时，人流量较大，全功率输出；晚上11点至第二天凌晨5点，1/4功率输出，则：

Dt=5.5 h

(2)

(3)连续阴雨天数d1和两个连续阴雨天之间的间隔天数d2

连续阴雨天数d1决定了蓄电池容量的大小及阴雨天过后恢复蓄电池容量所需要的太阳能电池组件的功率，两个连续阴雨天之间的间隔天数d2决定了系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率。

根据GB 24460—2009第5.1.2条和7.2.5条[4]，太阳能路灯应能至少连续2～n天提供正常照明，则蓄电池的蓄电量需要维持n+1天。

工程设计：连续阴雨天数d1=3天；两个连续阴雨天之间的间隔天数d2设定为20天。

(4)连续阴雨天裕量系数F、光伏系统综合效率系数K、标准条件下的辐照度Es

根据15D202[5]，本次工程选定连续阴雨天裕量系数F=1.2～2.0，标准条件下的辐照度为常数Es=1 kW/m2。光伏系统综合效率系数需综合考虑光伏方阵的安装倾角和方位角修正系数、光伏组件衰减修正系数、光伏组件温度修正系数、光伏组件表面污染及遮挡修正系数、光伏组件适配系数、光伏系统可利用率、逆变器平均效率、集电线路损耗系数，光伏系统综合效率系数通常取0.7～0.8。

工程设计：F=1.2，Es=1 kW/m2，K=0.8。

(5)储能电池放电深度U、储能电池放电效率的修正系数Fc、储能电池的放电效率Ka

根据GB 24460—2009第5.2.2条[4]，最后一天蓄电池应最少剩余20%的蓄电量。因此，储能电池放电深度U≥0.8。

根据15D202[5]，储能电池放电深度U=0.5～0.8，储能电池放电效率的修正系数Fc=1.05，储能电池的放电效率Ka=0.7～0.8。

工程设计：综合考虑小区照明的负荷等级，选定U=0.8，Fc=1.05，Ka=0.8。

3.3 太阳能组件的选择

(1)光伏方阵容量计算[5]

(3)

其中，P为光伏系统装机容量，Wp；P0为负载平均容量，W；Dt为负载日用电时数，h；F为考虑连续阴雨天数的裕量系数，可取1.2～2.0；Es为标准条件下辐照度(常数)，1kW/m2；HA为太阳辐射最差月份日均水平面太阳总辐照量，kWh/m2/day；K为光伏系统综合效率系数。

(2)光伏组件串联数Ns[5]

光伏组串峰值工作电压应满足储能电池浮充电压(包括防反二极管和直流线路的压降)的要求，则：

(4)

其中，Ns为电池组件串联数，块；Vsc为储能电池组浮充电压，V；Vm为所选组件峰值工作电压，V。区Ns=1块。

(3)太阳能光伏组件平均日发电量Ep

Ep=Im×HA×K=12.15 Ah

(5)

其中，Ep为太阳能光伏组件平均日发电量，Ah；Im为电选定组件峰值工作电流，A；HA为太阳辐射最差月份日均水平面太阳总辐照量，kWh/m2/day；K为光伏系统综合效率系数。

(4)负载日耗电量Ec

(6)

其中，Ec为负载日耗电量，Ah；P0为负载平均容量，W；Vs为系统电压，V。

(5)两段连续阴雨天之间的最短间隔天数需要补充的蓄电池容量Cc1[5]

Cc1=41.26 Ah

(7)

其中，Cc1为补充的蓄电池容量，Ah；K1为安全系数，取1.2；Ec为负载日耗电量，Ah；d1为连续阴雨天数。

(6)光伏组件并联数Np

根据15D202[5]，当不考虑间隔天数时：

(8)

考虑间隔天数时

(9)

其中，Np为光伏组件并联数；Cc1为补充的蓄电池容量，Ah；Ec为负载日耗电量，Ah；d2为两个连续阴雨天之间的间隔天数；Ep为太阳能光伏组件平均日发电量，Ah。

综合考虑，取Np=1。

工程设计：选用峰值功率为75 W的太阳能电池组件1块。

3.4 储能电池总容量计算[5]

(10)

其中，Cc为储能电池总容量，Ah；Dt为负载日用电时数，h；d1为连续阴雨天数；P0为负载平均容量，W；Fc为放电效率修正系数；U为放电深度；Ka为放电效率；Vs为系统电压，V。

工程设计：选择全密封免维护胶体蓄电池，总容量为65 Ah。

3.5 太阳能电池板角度的选择

太阳能电板的发电效率与太阳能电板的安装倾斜角有非常密切的关系。在太阳能LED路灯系统的设计中，为了提高太阳能电板的发电效率，太阳能灯电板的倾斜角度应根据安装位置的纬度确定，以保证太阳能电池的发电量最大。相关文献[5，6]中给出了太阳能板安装角度的建议：

1)纬度为0°～25°时，倾斜角等于纬度；

2)纬度为26°～40°时，倾斜角等于纬度加上5°～10°；

3)纬度为41°～55°时，倾斜角等于纬度加上10°～15°；

4)纬度为55°以上时，倾斜角等于纬度加上15°～20°；

工程设计：本工程位于南昌，纬度为28.67°，根据GB 50797—2012附录B[7]，太阳能灯电板的倾斜角度为30.67°。

3.6 防雷接地

太阳能路灯的工作电压一般为DC12V或24 V，属于安全电压，可不做保护接地。但为了保证太阳能路灯的安全运行，应对其进行防雷接地设计。太阳能路灯的防雷接地可利用金属灯杆兼做接闪器和引下线，并利用路灯基础钢筋做接地体，接地电阻不应大于10 Ω。

4 工程案例

在某老旧小区改造实际案例中，采用传统照明方案与太阳能方案对比见表2。

表2 老旧小区改造中传统照明方案与太阳能方案的比较

图2是某小区的太阳能路灯在连续4天的阴雨天后的应用实例。由于太阳能控制器内部集成了高精度LED恒流驱动芯片，采用智能数字化调节技术进行恒流输出，且光通量与路灯电流成正比关系，因此，当恒流输出时保证了LED路灯的光通量不会改变。在设计中，通过合理地选择技术参数，在放电深度允许范围之内，LED太阳能路灯在连续阴雨天之后依然能够提供有效的照明保证。

该老旧小区采用了太阳能路灯照明方案后，整体投资节约了70%，还解决了该小区因电费原因而无法取得市电电源的问题，同时太阳能路灯采用恒流输出的方案，光通量的输出不会受蓄电池容量减少的影响，同样能稳定保持路面照度。

图2 某小区的太阳能路灯在连续4天的阴雨天后的应用实例Fig.2 Application example of solar street lamp in a residential area after 4 consecutive days of rain

5 结束语

考虑老旧小区楼房普遍不高，遮光现象不严重，有利于太阳能的收集；另外小区照明对照明时间、有效范围的要求不高。因此，在老旧小区照明难以取得市电电源的情况下，响应国家对老旧小区改造及双碳目标的政策号召，通过科学合理地设计太阳能LED路灯，为提高居民生活水平发挥积极作用。