农村用太阳能LED路灯照明若干问题浅谈

摘要：本文分析了LED太阳能路灯灯具设计中需要重点考虑的几个关键性问题：包括LED太阳能路灯光效的重要性及配光设计中要遵循的规律；同时本文也对现有太阳能路灯照明质量在实际应用中存在的问题和困惑进行了阐述，尤其是电池容量、灯具功率、太阳能组件功率、及阴雨天亮灯天数等系列问题进行了论述及讨论。

关键词：光效；倾斜角；电池容量、太阳能组件；亮灯天数

【正文】

随着我们国家经济的快速发展，针对改善农村居住环境以及基础设施的建设的高度重视，特别是农村道路建设，现如今农村道路建设工作中随着国家对农村公共设施投入的不断增加，农村道路亮化工作成为了现在农村面貌改造提升的一项重要工程。为了满足农村道路照明需求，使农村道路照明达到绿色节能的目的，在进行农村道路节能改造亮化过程中选择哪种路灯照明才合适呢？其中LED太阳能路灯由于先天的技术优势越来越多的受到大家的重视，特别是随着锂电池价格的大幅度下降，锂电池型太阳能路灯在农村道路照明中的比重越来越大。其中一些问题也逐渐的暴露出来，如有些太阳能路灯道路照明亮度达不到预期的效果，有些太阳能路灯整年的亮灯天数达不到要求等等。那么造成那这些问题的原因是什么呢？笔者认为第一应该是没有指导性的标准规范，使得乡村道路照明缺少前期设计，第二、对LED太阳能路灯缺少科学性设计；还有对当地的气候环境没有进行针对性研究，下面将从以下几个方面进行系统的讨论谈谈我们的看法。

1、太阳能路灯的功率应该多少合适？

讨论这个问题之前我们先了解一下我国农村道路目前的一个情况，依据国土资源部办公厅关于进一步规范农村道路地类认定工作的通知国土资厅函[2013]581号规定：农村道路路面宽度不超过6.0米，或路基宽度不超过6.5米。农村道路改扩建后路面或路基宽度超过上限，以及只设单向车道的道路，不得认定为农村道路，应纳入建设用地管理范畴，按规定办理相关用地手续。大型机械化作业区内的农村道路宽度可依照《高标准基本农田建设标准》（TD/T工资1033—2012）相关规定执行。根据以上规定，我们将以最宽宽度（道路宽度为6米）为依据，进行照度模拟：

输入条件如下：

路宽：6米；

灯具功率：30W

灯具光通量：5000Lm

布灯方式：单侧布灯

路灯杆高：8米

路灯杆间距：30米

高距比：1：3.75

目前农村道路没有相关的国家标准要求，根据路宽因素，所以本文参考CJJ45-2016《城市道路照明设计标准》，支路照明等级，如图1-1所示

通过上图可以看出，一个6米宽的道路，道路照明照度满足国家要求，灯具光通量达到5000Lm即可。在现有的LED光效情况下，灯具30W完全可以达到5000Lm。如果优化灯具二次配光，功率还可以更小。

2、太阳能电池组件方位角、倾斜角应该如何计算？

太阳能路灯的电能是全部由太能能电池组件产生的，全年太阳的辐射量不尽相同，每个月的太阳辐射量差别比较大，为了能够满足全年不同时期的照明要求，充分利用好太阳能，要根据当地的地理环境，气候环境，制定相应的太阳能电池组件的方位角以及倾斜角。优化太阳能路灯配置，以下将对太阳能组件安装时的方位角及倾斜角进行分析。

（1）方位角

方位角是太阳能电池组件的垂直面与正南方向的夹角，在北半球以正南方为零度，在南半球以正北方为0°，在太阳能使用过程中，使尽量多的时间保持太阳光的入射方向与太阳能组件面保持垂直，这样可以保证一天获得最大的发电量。实际上在夏天，太阳午后稍后，是太阳辐射量最大的时刻。所以太阳能组件的方位角稍微偏西一点，可以获得当天最大发电量。由于我们的太阳能路灯设计时要考虑太阳能电池组件在不同地区、不同经纬度的使用，所在的太阳辐射强度不一致，所以我们在安装太阳能路灯时，统一按照方位角0°来设置，正南方向或正北方向即可。

（2）倾斜角

倾斜角是太阳能电池组件与水平地面的夹角，当方位角固定后，此夹角决定了太阳能组件不同月份的发电量。以成都为例，春分为30°，夏至为16.5°，秋分为30°，冬至为43.5°。对于太阳能路灯而言，安装的时候就已经确定了太阳能组件的倾斜角，我们不能只考虑夏天的情况，也不能只考虑冬天的情况。只考虑全年接收太阳辐射量最大或只考虑冬天太阳最弱月份接收到最大辐射的倾角都不是最佳倾角，因为前者会使夏天发电量过多而浪费，同时冬天却发电量不足。同时，我们还需要考虑太阳能电池组件掉落一下树叶、积雪容易滑落等等情况，故宜选择30°的倾斜角是一个比较折中的方案，兼顧到夏天和冬天的情况。

（3）可以通过软件进行倾斜角的计算

1）以桂林为例，桂林市位于南岭山系西南部，地处湘桂走廊南端，广西壮族自治区东北部，地处东经109°36′50″—111°29′30″，北纬24°15′23″—26°23′30″可以利用软件PVsyst自动导入。

2）确定安装的角度：我们不但要考虑全年总的发电量，还要考虑冬天太阳辐射相对比较低的情况，利用软件自带的模拟检测，确定电池板安装的倾斜角为30度，方位角为0度能够达到最佳效果。

3）经软件模拟仿真之后得到如下结果：

3、关于太阳能路灯设计时应注意的一些问题

（1）应当尽可能的提高LED路灯的光效。

以某农村道路照明设计距离说明，LED路灯功率30瓦，系统光效140LM/W，系统电压DC12V，灯杆高8米，间距30米，路单侧安装，路灯每晚满功率工作7小时，连续3个阴雨天的蓄电池自动续航照明，按照峰值日照小时数3.5小时，大致配置：

LED灯头30瓦；

系统电压12V，工作电流：30/12=2.5A；

蓄电池容量2.5*7*（3+1）/0.8=87.5Ah，考虑电池放电深度，取DC12V，100Ah；

多晶太阳能电池板功率计算：2.5*7*1.2*18/3.5=135瓦；太阳能电池板取多晶108瓦，DC18V输出；

那么如果我们采用系统光效180LM/W的灯头，在同样的配光情况下，我们可以认为，LED系统功率可以减少约至23瓦。那么要达到同样的系统自治要求，配置需要：

通过以上分析，为了提高太阳能路灯的综合效率，我们应当提高我们LED灯具的光效，以减少太阳能组件及蓄电池的容量。

（2）提高太阳能路灯的光效方法

在不能采用更高光通量的LED的情况下，可以采用增加LED数量的方式来进行提高光效。

在电源驱动电流不变的情况下，LED数量增加，功率不变，单颗LED的驱动电流降低，LED的光通量增加，LED光效增大。

假如太阳能路灯，灯具光通量需要≥5000Lm，驱动效率95%，透光罩效率95%，使用某一企业3030灯珠，计算结果如下：

则使用LED的数量为：36

灯具功率为33W

灯具光效为152.2Lm/W

总光通量为5029Lm

同样，太阳能路灯灯具光通量≥5000Lm我们将LED数量增加到97个，驱动效率95%，透光罩效率95%，使用同一款3030灯珠，计算结果如下：

则使用LED的数量為：97

灯具功率为27.6W

灯具光效为181.9Lm/W

总光通量为5017Lm

所以在实现5000Lm光通量前提不不变的情况下，采用提高LED数量，减少LED电流的方式，功率减少33-27.6=5.4W，在达到相同照明效果的情况下，太阳能板、蓄电池都将减少减少。

另外还有其它的方式可以提高太阳能路灯的光效，如采用高透光率的透镜或透光罩，增强灯具的散热效果，提高电源的转换效率等等，在这里不在一一说明，总的来说，太阳能路灯设计时需要综合性的考虑，才能充分的利用好太阳光这个清洁的能源进行照明。

参考文献

[1]许基多姜世平关于固定式太阳能路灯照明系统电池组件的最佳安装角度科学应用

作者简介：王建卫，男，陕西省人，学历大专，桂林海威科技股份有限公司，主要从事LED应用产品的研究。

（作者单位：桂林海威科技股份有限公司）