太阳能道路照明装置的设计

摘　要　本文通过多年的设计和实践，提出了一种太阳能道路照明装置的安装布置、配置计算、光源选择、照度计算以及特殊地段安装的处理方式等。

关键词　峰值日照时数　集中供电　光源

Abstract　Through many years of design and practice, this paper presents a processing mode for solar street lighting installation layout, configuration calculation, light source selection, illumination calculation, and special sector installation.

 Keywords　Peak sunshine hours, Centralized Power Supply, light source

 

      太阳能道路照明装置是一种利用太阳能作为能源的照明装置，因其具有不受市电供电影响，不用开沟埋线或架空电线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点而受到人们的广泛关注。太阳能道路照明装置的主要应用就是太阳能路灯。其广泛应用于乡村旅游道路，城乡结合公路、偏远山区等，尤其适合安装在交通不便的偏远山区和不方便接入市电的地区，具有广泛的市场前景。

 

      太阳能路灯的照明由于系统各方面的限制，不可能按照市电的照明标准来要求，目前可以借鉴的主要是一些地方标准，如北京市的地方标准《太阳能光伏室外照明装置技术要求》（DB11/T542-2008），其中对于照明标准方面规定：乡村街道、道路维持水平平均照度在3-4lx，水平照度均匀度0.1~0.2，灯具的类型采用半截光型灯具。

      太阳能路灯由于采用太阳能辐射进行发电，对于路灯安装的具体地点具有特殊的要求，太阳能路灯安装前必须对安装地点进行现场勘查。勘查的内容主要有：

      1、察看安装路段道路两侧（主要是南侧或东、西两侧）是否有树木、建筑等遮挡,有树木或者建筑物遮挡可能影响采光的，测量其高度以及与安装地点的距离，计算确定其是否影响太阳能电池组件采光；对太阳能光照的一般要求是太阳能光照至少能保证上午9：00至下午3：00之间不能有影响采光的遮挡。

      2、观察太阳能灯具安装位置上空是否有电缆、电线或其它影响灯具安装的设施（注意：严禁在高压线下方安装太阳能灯具）；

      3、了解太阳能路灯基础及电池舱部位地下是否有电缆、光缆、管道或其它影响施工的设施，是否有禁止施工的标志等。安装时尽量避开以上设施，确实无法避开时，请与相关部门联系，协商同意后方可进行施工。

      4、避免在低洼或容易造成积水的地段安装；

      5、对安装地段进行现场拍照；

      6、测量路段的宽度、长度、遮挡物高度和距离等参数，记录路向并和照片等资料一起提供给方案设计者供参考。

      1、根据道路的宽度、照明要求，选择安装布灯方式：

      a、单侧布置

      b、双侧对称布置；

      c、双侧交错布置

 

图1 太阳能路灯布置的三种方式

 

      2、灯具的悬臂长度不宜超过安装高度的1/4，灯具的仰角不宜超过15°；

      3、灯具的安装高度（H）、间距（S）与路宽（W）和布置方式间的关系如下：

 

      表1  灯具的安装高度（H）、间距（S）与路宽（W）和布置方式间的关系

      太阳能路灯光源的选择原则是选择适合环境要求、光效高、寿命长的光源。同时为了提高太阳能发电的使用效率，尽量选择直流输入光源，避免由于引入逆变器而带来的功率损失（由于小型逆变器的效率比较低，一般低于80%）。

常用的光源类型有：三基色节能灯、高压钠灯、低压钠灯、LED、陶瓷金卤灯、无极灯等。现针对应用最多的太阳能灯具光源加以分析比较：

下表为常见直流输入光源的特性表：

表2常见直流输入光源特征一览表

光源种类	光效（lm/w）	显色指数（Ra）	色温（K）	平均寿命（h）	特   点
三基色节能灯	60	80~90	2700~6400	5000	光效高、光色好、成本低、应用广泛
高压钠灯	100~120	40	2000~2400	24000	光效高、寿命长、透雾性强，更加适合道路照明
低压钠灯	150以上	30	1800	28000	光效特高、寿命长、透雾性好，显色性差
无极灯	55~70	85	2700~6500	40000	寿命长、无频闪、显色性好
LED	60~80	80	6500（白色）	30000	寿命长、无紫外红外辐射、低电压工作、可辐射多种光色、可调功率
陶瓷金卤灯	80~110	90	3000~4000	12000	寿命长、光效高、显色性好

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     具体选用时参照道路状况和客户要求进行选择，需要注意的是各种光源都有一定的功率限制和常用规格，选择功率时尽量选择常用的光源功率。近年来也出现了一些新型的光源，如混光型节能路灯灯具，将高显色性、高色温的金卤灯和高效光源低压钠灯两种光源系统一体化置于灯具电器仓内，使整体光效及显色性色温明显提高的同时，一定程度上也提高了照明质量。

太阳能路灯配置的计算一般按照独立光伏系统的设计方法进行，可以采用专用的设计软件来进行设计，近年来使用较多的如加拿大环境资源部和美国宇航局（NASA）联合开发的RetScreen软件等。下面介绍太阳能路灯配置的简单估算方法：

公式如下：峰值日照时数=A/(3.6×365)

A为倾斜面的上年辐照总量，单位为MJ/m²

例如：某地的方阵面上的年辐照为6207 MJ/m²，则年峰值日照时数为：

6207÷3.6÷365=4.72小时

1、太阳能路灯光源的直流输入电压作为系统电压，一般为12V或24V，特殊情况下也可以选择交流负载，但必须增加逆变器才能工作；

2、选择交流负载时，系统的直流电压在条件允许的情况下，尽量提高系统电压，以减少线损；

3、系统直流输入电压选择还要兼顾控制器、逆变器等电器件的选型。

对于太阳能路灯，整体系统配置计算公式如下：

          P= 光源功率×光源工作时间×（17/12）÷峰值日照时数÷（0.85×0.85）

 其中P为电池组件的功率，单位为W；

    光源工作时间单位为h；

峰值日照时数单位为h；

0.85分别为蓄电池的库仑效率和电池组件衰减、方阵组合损失、尘埃遮挡等综合系数；

例如：光源功率为18W，每天工作8小时，当地的年日照时数为4.0，则需要的太阳能板功率为18×8×（17/12）÷4÷（0.85×0.85）=70.5W

具体选择太阳能板的功率时根据太阳能板的规格进行选取即可。

首先根据当地的阴雨天情况确定选用的蓄电池类型和蓄电池的存贮天数，一般北方选择的存贮天数在3~5天，西部少雨地区可以选用2天，南方的多雨地区存贮天数可以适当增加。容量计算公式如下：

蓄电池容量=负载功率×日工作时间×（存贮天数+1）÷放电深度÷系统电压

其中：蓄电池容量单位为Ah;

      负载功率单位为W；

      日工作时间单位为h；

      存贮天数单位为d；

      放电深度，一般取0.7左右

      系统电压单位为V

例如：光源功率为18W，每天工作8小时，蓄电池存贮天数为3天，则需要的蓄电池容量为：18×8×4÷0.7÷12=68Ah

然后根据系统电压和容量的要求选配蓄电池。

以上计算没有考虑温度的影响，若蓄电池的最低工作温度低于-20℃，应对蓄电池的放电深度加以修正，具体修正系数可咨询蓄电池厂家。

    在对道路进行照明设计时，对照度、亮度及均匀度的计算是必不可少的，一般情况下可以采用道路照明设计软件或照明计算表进行计算，也可以根据灯具的配光曲线进行简单的计算。下面给出常用道路的平均照度计算公式，读者可以进行照度计算或者根据照度计算路灯间距及光源功率等参数，供读者自行参考。

计算公式

其中：F---光源的总光通量（lm）；

      U---利用系数（由灯具利用系数曲线查出）；

      K---维护系数；

      W---道路宽度（m）；

      S---路灯安装间距（m）；

      N---与排列方式有关的数值，当路灯一侧排列或交错排列时N=1，相对矩形排列时N=2。

      太阳能路灯常用的是钢质锥形灯杆，其特点是美观、坚固、耐用，且便于做成各种造型，加工工艺简单、机械强度高。常用锥形灯杆的截面形状有圆形、六边形、八边形等，锥度多为1：90，1：100，壁厚根据灯杆的受力情况一般选在3-5mm。

      由于太阳能路灯工作的环境是室外，为了防止灯杆生锈腐蚀而降低结构强度，必须对灯杆进行防腐蚀处理。防腐蚀的方法主要是针对锈蚀原因采取预防措施。防腐蚀要避免或减缓潮湿、高温、氧化、氯化物等因素的影响。常用的方法如下：

      1、热镀锌：将经过前处理的制件浸入熔融的锌液中，在其表面形成锌和锌铁合金镀层的工艺过程和方法，锌层厚度在65-90um。镀锌件的锌层应均匀、光滑、无毛刺、滴瘤和多余结块，锌层应与钢杆结合牢固，锌层不剥离，不凸起。

      2 喷塑处理：热镀锌后再进行喷塑处理，喷塑粉末应选用室外专用粉末，涂层不得有剥落、龟裂现象。喷塑处理可以更高的提高钢杆的防腐性能，且大大提高灯杆的美观装饰性，颜色也可以有多种选择。

      此外，由于太阳能灯杆内安装有控制器等电气件（有的蓄电池也安装在灯杆内），设计太阳能灯杆除了要满足强度和造型方面的要求外，还必须注意灯杆防水性能和防盗性能，防止雨水进入灯杆内造成电气故障；维护门避免采用常规的工具就能打开（如内六角螺栓、钳子等），防止人为进行破坏或盗窃。

      针对部分有遮挡地段需要安装太阳能路灯的情况，可以对灯具采用集中供电的方式，即：将所有太阳能灯具需要的太阳能电池板集中到一个不影响采光的支架上安装，然后由系统对各个路灯进行供电。参见图2。

 

图2  某公司太阳能集中供电路灯图片

      在政府机关大院安装的太阳能路灯：由于周围有楼房遮挡，但路灯的安装位置已经确定，同时院内对于路灯的开启时间不能有差异，必须实现同时开关，独立太阳能路灯显然不能满足系统的要求，          

 

   图3 某公司太阳能市电切换系统图片

 

     同时路灯不能出现阴雨天不能点亮的情况，针对这种情况，可以采用太阳能市电互补系统+集中供电的方式,将系统所需要的太阳能电池板集中安装在楼顶，并对整个路灯系统实现集中控制，可实现同时点亮，当太阳能供电不足时，可以采用市电进行补充。参见图3。

      总之，太阳能路灯涉及到很多领域方面的知识，对于系统配置的设计优化、配件选择等都需具备一定的专业知识。当然，影响太阳能路灯工程质量的原因很多，除了设计要尽可能完善之外，工程施工也是一个非常重要的环节，有关施工方面的专业知识，这里不再赘述。