太阳能LED路灯在南京江宁区自然村的应用分析

刘希伟

(南京京泽照明工程有限公司，江苏 南京 211113)

引言

太阳能作为可再生能源，通过采取专业的技术措施对其进行有效的利用开发，符合创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念。太阳能LED照明充分发挥了太阳能与半导体照明的优势，是绿色低碳的一种照明模式，近年来关于太阳能LED照明的应用与研究不断增多，受到了业界的重视[1-6]。

笔者通过南京江宁区自然村“村村亮”太阳能LED路灯项目实际实施中遇到的问题，探讨太阳能LED路灯在江南地区的应用前景，对太阳能LED路灯系统提出优化建议。

1 项目简介

江宁区位于江苏省南京市，原自然村道路基本无夜间照明系统，不利于夜间出行安全，并且落后的基础设施影响经济的发展建设，在美丽乡村、新农村建设的发展目标下，江宁区政府设立“村村亮”项目，既保证居民的夜间出行安全，又有利于区域经济发展，是一项一举多得的惠民项目。

图1 道路实景Fig.1 Road site photos

本项目共涉及567个自然村，自然村地理位置分散，道路状况各异(图1)，如果采用传统的普通路灯照明，需要埋地敷设电缆，设置专门供电电路，工程量大，资金投入高。普通路灯照明采用商业供电，后期运行中需要持续投入高额的电费支出，并产生大量的碳排放，增加能源耗费，与绿色低碳的发展理念背道而驰，综合考虑以上各种因素，本项目采用太阳能LED路灯照明系统，只需要初期一次性投入，节省投资成本，充分利用太阳能资源，有效降低对电力资源的消耗，减少碳排放。

2 太阳能LED路灯系统设计

2.1 太阳能LED路灯参数的确定

1)平均照度的计算(图2)。通过对江宁自然村道路进行调查发现，道路以水泥路面居多，道路宽度普遍在3～8 m之间。参照《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)对于支路照明的照度标准，并结合本区域道路实际状况、规划部门相关意见，确定路面平均照度设计标准为10 lx，均匀度为0.3。因夜间行驶多为行人及非机动车，眩光限制阈值增量(TI)最大初始值为20。道路周边多为农田，对环境比(SR)不做要求。

图2 道路照度计算区域Fig.2 Lighting calculation area

根据道路照明求平均照度“利用系数法”计算公式

(1)

推导得到

(2)

式中U为利用系数，根据灯具的安装高度、悬臂长度和仰角以及道路的宽度，从灯具利用系数曲线图中查得；Φ为灯具光通量；K为维护系数；N为灯具排布方式，单侧布置取值为1；W为道路宽度；S为灯杆间距。

2) 灯具利用系数的确定。路灯的利用系数曲线是以灯垂直于路面的垂线为界，一侧为屋边，另一侧为路边。利用系数的变化按照路宽W与灯的安装高度h之比给出相关曲线值，路面的总利用系数U可按照利用系数曲线图(图3)求出。

图3 利用系数的计算Fig.3 Calculation of coefficient of utilization

本项目道路类型多，在项目实施中无法细化到单条道路的设计，故根据规划部门、路灯管理部门、供货单位的意见，并结合本项目的投资情况，在对道路进行调研后，初步制作如下道路模型：

①路宽≤7 m：采用6 m路灯灯杆，灯具仰角10°，悬挑长度1 m，灯杆间距30 m，平均照度标准为10 lx，均匀度0.3，维护系数为0.9。

②路宽>7 m：采用8 m路灯灯杆，灯具仰角10°，悬挑长度1.5 m，灯杆间距30 m，平均照度标准为10 lx，均匀度0.3，维护系数为0.9。

确定以上模型有两个目的，一为保证多数道路照明符合本项目设计要求，二为尽量做到产品规格的统一，减少投资及管理成本。

模型1中，根据图3计算出路灯距高比为Wa/h=0.17，Wb/h=1。

考虑到道路宽度及路灯间距，道路路灯采用“蝙蝠翼”TYPE Ⅱ类型的配光，图4为通过分布光度计测得的利用系数曲线图，根据利用系数曲线确定U1=0.08，U2=0.58，U=0.66。

图4 灯具利用系数曲线Fig.4 Streetlight coefficient of utilization curve

根据式(2)有

即需要采用光通量为3 535 lm的LED路灯才能满足平均照度为10 lx的需求，灯具采用光源的平均光效为120 lm/W，P=29.46 W。根据以上计算结果，本项目7 m以下道路采用30 W太阳能路灯。

在确定灯具规格后，通过照明计算软件对均匀度及眩光限制阈值进行计算，结果符合设计要求。

2.2 太阳能电池板及蓄电池的确定

江宁区地理位置位于北纬31.84°，东经118.77°，四季变化分明，冬夏温差较大。降水丰富，根据2016年统计数据(表1)，年平均降雨139 d，降水丰富，常有暴雨，湿度大，气压低，日照少。2016年年日照总时数为2 010.8 h，日平均日照5.5 h，最长连续阴雨天数为7 d，两个连续阴雨天的最短间距为3 d。

表1 南京市气象统计数据(2016年)

太阳能路灯日平均点亮时间为8 h，采用前4 h全亮，后4 h半亮模式，太阳能板及蓄电池规格计算公式为

(3)

(4)

式中Pb为太阳能板功率；Wd为路灯日功耗；d1为最长阴雨天；d2为日光照时间；d3为两个阴雨天之间最短间隔；μ1为蓄电池充放电效率，一般取95%；μ2为逆变器效率，一般取94%；Ah为蓄电池容量；V为蓄电池电压；K1为安全系数，一般取1.2；K2为温度系数，一般在0 ℃以上取1，0～10 ℃时取1.1，-10 ℃以下取1.3；K3为放电深度，一般取75%。

根据式(3)、式(4)，计算得到Pb=120 W，Ah=178 A·h。即太阳能板规格为120 W，蓄电池容量为180 A·h，额定电压12 V。路灯控制器选择12 V/24 V自适应，多时段负载控制。

3 太阳能LED路灯在江宁区自然村的具体应用

3.1 项目施工

太阳能路灯主要由灯杆及地笼、灯具、太阳能电池板、蓄电池、控制器等组件组成，主要施工顺序为：布点→浇筑混凝土→灯杆安装→调试(部分施工图见图5)。

第一步：布点。首先根据施工要求测量防线确定路灯安装位置，确认无误后按照基础图纸进行开挖工作，基础开挖合格后将地笼和蓄电池放入相应基坑内，并预留管线。

第二步：浇筑混凝土。采用C25商品混凝土从基础四周均匀浇筑并捣实，同时不断校正预埋件使其处在中心位置。浇筑完毕后，对基础外观进行修正，保证成品达到要求。最后按照规定进行7 d养护工作。

第三步：灯杆安装。在安装之前，准备好安装材料和工具，将路灯各部件组装好，并根据设计数据调整好太阳能板的仰角及方向。立杆时，严格按照立杆顺序和要求进行操作。最后对安装完毕的灯杆进行校正。

第四步：调试。路灯安装到位后，进行调试工作。对亮灯时间、路面照度、路灯各部件是否正常等进行检测和调试。同时，对路灯的配置及位置进行记录。最后，整理好各类施工材料，进行上报验收。

图5 路灯施工照片Fig.5 Street lamps construction site photos

3.2 项目运营与维护

为了便于后期运营维护，本项目路灯数据全部制作成图形化信息管理系统(图6)，如果路灯在使用过程中发生故障，在接到报修电话之后可以迅速确定故障路灯具体规格参数、地理位置，方便检修人员快速处理故障，节省管理成本，提升工作效率。

图6 太阳能路灯地理信息图Fig.6 Geographic information map of street lamps

3.3 项目经济效益评估

本项目注重经济效益与社会效益的统一，根据计算，如果采用高压钠灯照明，需要单灯功率为70 W(表2)；而通过本项目的实施后，不再需要消耗市电，即每年可节电3 474 332.80 kW·h，对该区域的节能减排将有一定的贡献。

表2 高压钠灯的经济效益

4 结束语

随着“美丽乡村”和“新农村建设”的发展，农村地区的基础设施建设将迎来一个新的发展阶段，在乡村道路照明方面，采用传统路灯照明方式存在着经济与管理方面的诸多问题与难点，但是太阳能LED路灯为乡村道路照明提供了一个很好的应用方案。在推广太阳能LED路灯的过程中，由于太阳能板对光照、蓄电池对温度的特性较敏感，需要对农村道路状况因地制宜，设计合理的方案，保证投资的经济性，产品的适用性。在项目实施之前需要多进行调研工作，根据所在地区的需求、经济发展程度，设置合理的照度和路灯布置方式。另外，农村地区范围辽阔，项目实施后期灯具的维护工作量也较大，可采用计算机信息技术手段对路灯进行管理，可有效减少维护成本，提高工作效率。