太陽能LED路燈照明系統優化分析

孔軼

摘? ?要：在提倡可持續發展和綠色環保的今天，對各類可再生資源的有效利用已經被納入了政府高層的決策之中。太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生能源，尤其受到青睞。而太陽能LED路燈的投入使用不僅為政府節約了大筆的電費，同時管理起來也相對容易。太陽能LED路燈是一種依靠光源控制技術以及可再生能源傳輸系統的光源系統。為了有效提高系統性能，需要對電池組件的傾角、蓄電池的容量以及當地的氣候等這幾個因素進行優化，一方面保障系統穩定運行，另一方面延長太陽能LED路燈的使用壽命，節約政府資金投入。

關鍵詞：太陽能LED路燈? 太陽電池? 照明系統? 優化設計

中圖分類號：TK512? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（c）-0075-02

1? 合理選擇太陽能LED路燈的光源

太陽能LED路燈和普通路燈不同，不需要人工架設電線以及光纜等設施，只需要在光源上安裝太陽能電池板作為能源即可。但是結合當前全國各地的太陽能LED路燈照明系統來說，都采用了白熾燈光源。本身太陽能LED路燈的前期成本投入就很高，又加上白熾燈光源的功率不穩定，能耗較大且容易破損，在某種程度上增加的政府的控制成本。基于此，有必要對太陽能LED路燈的光源進行合理選擇。

例如政府部門在安裝太陽能LED路燈時可以選用LED作為光源。LED作為一種新型的半導體發光元器件，具有功率穩定、能耗低，使用壽命長的特點，除此之外，LED發出的光較為柔和，不刺眼，非常適合在城市街道、公園、學校等地區投放。根據一項數據研究表明，LED光源和普通白熾燈光源相比具有很好的光效，是其2倍之多，且可達到10萬h以上的超長使用壽命。

2? 做好電路控制設計

一般來說，太陽能LED路燈系統使用的電路系統的電壓都比較低，根據電器電壓標準可知，類似于公用設施的電器設備其電壓都處于220V～330V之間，且自耗電流低于工作電流的1%。基于此，在安裝公用光源設施時一定要對其電路進行合理控制，太陽能LED路燈系統也不例外。綜合來講，太陽能LED路燈的控制電路主要由集成運放組合而成，該控制系統下的電氣設備無一例外都是由硬件組成的，且由于花費少、可控性強、便于維護和日常管理等優點受到不少電器生產廠商的青睞。基于此，為了有效提高路燈的功率，需要對其電路控制系統進行調節。

例如在進行太陽能LED路燈的控制電路設計時一定要對其蓄電池元祖件的蓄電能力進行檢驗，確保其擁有良好充放電特點的同時還要擁有非常好的電壓回差。在進行設計時要采用一些質量良好的元器件如發光二極管共同構成指示電路。從而將太陽能LED路燈因充放電時間過長產生的不利影響降到最低。除此之外，還要針對蓄電池和光源的特點及時調整自耗電流，進而調整其功率，確保太陽能LED路燈照明系統可以在陰天或者梅雨季節內正常使用。而這一點是沒有進行電路控制設計的照明系統無法做到的，在太陽輻射較低的季節中，這類照明系統的蓄電池的充電效果會顯著下降，進而導致電壓增加，能耗上升，無法正常保持太陽能LED路燈系統的正常使用，而且長時間的高負荷運轉還會減少其壽命。

3? 合理調整太陽能電池板的傾角

通常情況下，太陽能LED路燈照明系統的工作方式有兩種：（1）定時運行;（2）根據光效運行。就第一種運行方式而言，該方式下的太陽能LED路燈系統受外界干擾較小，只需要在控制器上定好開關時間即可。但是受到天氣以及季節等因素的影響，經常會出現天沒亮路燈就滅了這樣的現象，對市民的正常出行和生活帶來一定的困擾;就第二種工作方式來說，根據光效運行的太陽能LED路燈系統可以敏感感應到周圍光線明暗的變化，當周圍的亮度不足200勒克斯時，就會自動切換到開燈模式，當光效增加時就會自動關閉。基于此，第二種運行方式是當前非常受到青睞的一種方式。但是光控工作系統也存在一定的缺陷，當太陽能電池板的傾角角度不合理時，也會出現天沒亮燈滅了這種問題。由此可見。太陽能電池板的傾角角度是提高太陽能LED路燈利用效率的一個重要因素。

例如為了有效調整太陽能LED路燈光控方式的運行時間，需要結合路燈安裝地區的日出日落時間進行計算，并得出一個最佳傾角。首先需要結合該地區維度給出日出和日落時期對角公式，公式如下：，其中表示該地區所處的緯度，而δ表示太陽赤緯。假設此時為正午時分，此時的赤緯角是太陽光線直射方向與赤道的平面夾角。計算過程如下：

其中：

β代表太陽能電池板的斜面傾角，ρ代表地面物體的太陽輻射反射率θi代表太陽入射角，結合常識可知，一般日出日落前后0.5h內天光尚亮，此時的暗度沒有達到200勒克斯以下，所以得出公式：。將安裝路燈地區的緯度和赤緯代入公式中就可得出光控時間的變化，結合一年中冬至、夏至、春分以及秋分的太陽直射時間變化，得出冬至時分低緯度地區的太陽能LED路燈工作時間較長，且工作時長由低緯度地區向高緯度地區逐漸遞減;在夏至時期低緯度地區的太陽能LED路燈工作時間較短，且由低緯度向高緯度地區逐漸遞增。但是綜合來說，低緯度地區的時間變化差異不大，緯度越低，差異越小。由此可見，要對太陽能LED路燈的電池板傾角進行合理控制，通過調節其角度合理控制路燈運行時間，在提高工作效率的同時節約能耗。最后，經過分析和計算得出太陽能LED路燈工作時間最長和最短的一天分別是每年的冬至日和夏至日，在這一天太陽直射北（南）回歸線，導致白晝最短（長），黑夜最長（短）。而且太陽能LED路燈四季的工作時間都各不相同，由此導致其存在負載不均衡的情況。基于此，除了調整其傾角之外一定要對太陽能LED路燈的開關進行適當的調整，并且要在安裝時選用一些質量良好的控制器，考慮到成本，本人建議選用帶有光感控制器的太陽的LED路燈作為城市照明設備。

4? 合理設計太陽能的蓄電池容量

在對太陽能LED路燈照明系統進行設計時還要考慮到其太陽能蓄電池的容量。由于每個地區的氣候條件和光照時間都各不相同，所以為了確保太陽能LED路燈可以在陰雨天正常使用，必須要對蓄電池容量進行合理優化。同時，為了降低太陽能前期投入成本，需要在確保光效的基礎上用最少的太陽能電池組件來達到完美的負載需求。通常，我國對負載缺電率的衡量單位為 LOLP，LOLP 的數值處于0～1之間，且數值越低說明其負載缺電率越好，照明系統的可靠性越強。除此之外，根據我國城市建設標準，太陽能LED路燈除了損壞外不可以停電，換而言之，即要求LOLP 數值為0，但是結合我國實際的供電情況來說，幾乎不能達到這一標準。基于此，必須要對太陽能的蓄電池容量進行設計。

例如可以結合照明系統安裝地區一年內的天氣情況對蓄電池容量作出優化設計，一般情況下，太陽能LED路燈照明系統的LOLP 推薦值為 0.1，處于該數值下的路燈照明系統即便在連續一周的陰雨天中也可以維持正常的供電。根據這一標準，對路燈系統的配置如下：（1）采用8支額定功率為1W的白光LED;（2）兩塊的太陽電池組件;（3）電壓為12V，電流為40AH的鉛酸蓄電池。

5? 根據路燈照明系統安裝地區的氣候條件進行優化

我國地勢西高東低，國內以秦嶺-淮河為分界線形成不同的季風區，秦嶺以北為廣義上的北方，屬于大陸性季風氣候;淮河以南為南方，氣候類型為亞熱帶季風氣候。綜合來說，我國光照輻射量最高的地區多以北方為主，北方降水少，蒸發量大，且光照時間充足，所以非常適合安裝太陽能LED路燈照明系統。就一份統計數據表明，我國北方大部分地區的夏季蒙古高壓控制，天氣干燥、晴朗，日照時間長，新疆某些地區的光照時長可達到15h，且冬季也不例外，以晴天居多，很少有雨雪天氣。

以北方地區為例，每年的11月～2月份，屬于冬季，這一季節內雖然太陽輻射量較大，且赤緯的角度較大，不同緯度地區的光照時長各異，且緯度越高白晝越短，由此可推測出北方冬季雖然太陽輻射強烈，但是光照時間較長。所以要及時對路燈照明系統的開關時間進行合理規劃。6～8月為夏季，雖然近些年氣候異常，但是綜合來說北方地區的夏季還是以晴朗高溫為主，且在夏至這一天時光照時間最長，由此可以推出北方夏季不僅太陽輻射高，且光照時間較長，基于此，需要盡可能地縮短路燈開放時間。結合一份數據可知，冬季路燈開關時間要比夏季延長2.5～3h左右。除此之外，需要根據季節變化隨時調整太陽能電池板的傾角，在冬季時的傾角要盡量調整的高一些，傾角調整范圍控制在30°～45°之間;在夏季時可以適當的減小傾角，將其調整到15°～20°之間，在春秋兩季由于太陽直射點的位移，所以變化幅度不大，無需進行大規模角度調整。而且需要盡可能地和黃赤交角平行，從而最大限度的實現太陽光直射太陽能電池板，進而提高太陽能LED路燈功率。此外，結合對太陽能LED路燈不同季節耗電量的對比可知，由于冬季的日照時間較短，導致太陽能LED路燈的負載量不斷攀升，這和太陽能電池板的傾角并沒有多大關系，完全是由冬季的日照時間決定的。鑒于原因，需要在冬季按時對太陽能LED路燈系統進行檢修，必要時可以對其蓄電池進行人工充電，確保其能夠進行正常充放電，進而延長使用壽命。

6? 結語

綜上所述，太陽路燈系統屬于光伏發電系統中的一種，但是由于當前很多太陽能光源產品未能達到光伏發電系統的運行標準，從而導致很多太陽能光源系統無法穩定運行。基于此，本文針對太陽能LED路燈的特點，從太陽能電池板傾角、日照時間、蓄電池容量等角度出發對其系統進行了優化設計。一方面為政府節約太陽能LED路燈投入成本，另一方面保障太陽能LED路燈照明系統可以正常運行。最后，經過大量的實驗和數據分析得出只要通過加強對太陽能LED路燈的正常養護維修且在冬季對其進行人工充放電，即可保障路燈的正常運行。

參考文獻

[1] 許夢羊， 羅素芹， 陳國棟，等. 基于ZigBee和GPRS感知天氣的太陽能LED路燈控制系統[J]. 照明工程學報， 2017（5）：54-58.

[2] 李存龍， 陳偉民， 雷小華，等. 基于相關分析的LED路燈光強分布測試步距角優化研究[J]. 光學技術， 2016， 36（6）：852-856.

[3] 張紅， 尹椿榮， 李偉. 基于NB-IoT技術的太陽能-LED路燈照明監控管理系統[J]. 中國照明電器， 2018（3）：34-37.