太陽能LED路燈在老舊小區改造中的設計及應用

方 敏，成 迪

(江西省城鄉規劃市政設計研究總院有限公司，江西 南昌 330095)

引言

城鎮老舊小區改造是重大的民生工程和發展工程。2020年7月，國務院辦公廳發布《關于全面推進城鎮老舊小區改造工作的指導意見》(國辦發[2020]23 號)，明確提出應有序推進老舊住宅小區綜合整治。

小區照明是城鎮老舊小區改造的基礎必改項目，而電費的問題導致傳統的市電照明方式存在取電難的現象。為了解決老舊小區內的照明問題及響應“雙碳”戰略，本文提出了結合老舊小區特色的太陽能路燈照明設計方案。

1 老舊小區改造中傳統的市電照明及太陽能照明的比較

從老舊小區的照明應用出發來進行簡單的對比，具體見表1。

表1 老舊小區改造中傳統的市電照明與太陽能照明的比較

2 太陽能路燈系統

太陽能光伏發電，實際上就是太陽能電池將光能轉換為電能的過程。首先將光能轉換為光生載流子，然后光生載流子被半導體P-N結產生的靜電場分離，在P-N結兩側形成電位差，最后外部接通電路，產生輸出功率。

由太陽能光伏組件、蓄電池組件、燈具、智能控制器、環境傳感器等部分組成，如圖1所示。

圖1 太陽能LED路燈系統框圖Fig.1 Solar LED street lamp system block diagram

與傳統的氣體光源相比，LED光源具有低壓直流驅動、發光效率高、耗電量低、使用壽命長等優點，因此更適宜在太陽能路燈中使用。

3 設計方案及計算

3.1 光源及系統電壓VS的確定

(1)光源設計

根據CJJ45—2015第3.5.1條[1]，老舊小區內路面平均照度標準值取Eav=5 lx。

小區道路寬度W=5 m，路燈單側布置N=1，路燈安裝間距S=25 m，燈具利用系數ηed=0.32，維護系數K=0.8。

由于小區內選擇偏暖色調更能營造溫馨氛圍，因此LED燈具色溫選擇3 500 K。初步選用25 W的LED光源，則LED路燈光通量Φ=2 375 lm[2]。

道路路面平均照度一般按標準直線段考慮，采用利用系數曲線法計算[3]。計算式為：

(1)

其中，Eav為照度，lx；ηed為燈具利用系數；Φ為光通量，lm；K為維護系數；N為燈具系數，路燈單側布置時取1；S為路燈安裝間距，m；W為道路寬度，m。結果表明，滿足CJJ45—2015要求。

工程設計：選擇25 W的LED光源，色溫3 500 K，單側布置，路燈安裝間距S=25 m，安裝高度5 m。

(2)照明節能評價

對于機動車道照明應以照明功率密度(LPD)作為照明節能的評價指標并符合相應規定[1]，而小區內的照明因其照度標準較低，因此可以滿足規范規定。

(3)系統電壓VS

將太陽能路燈光源的直流輸入電壓作為系統電壓，一般為12 V或24 V。由于燈具安裝高度不高，線路損耗不大，因此本工程太陽能路燈工作電壓取VS=12 V。

工程設計：工作電壓VS=12 V；選用某品牌的峰值輸出功率Pm=75 W的光伏組件，其峰值工作電壓Vm=17.8 V，峰值工作電流Im=4.22 A。

3.2 相關輸入數據

(1)日平均輻射量HA

根據各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為五類地區。本項目所在地江西屬于四類地區，年太陽輻射總量1 163～1 393 kWh/m2，標準光照下日平均輻射量3.1～3.8 kWh/m2。

工程設計：根據GB 50797—2012附錄B，南昌的日輻射量為13 094 kJ/m2，折算后HA=3.6 kWh/m2。

(2)每日無日照期間用電時數Dt

初步計算負載每天的功耗和與之相應的太陽能電池組件的功率。

太陽能路燈每晚工作時通過控制器來調節電流的輸出大小，不同時段有不同的亮度。考慮到小區內的人流主要集中在傍晚至晚上11點，因此通過控制器根據時間調整亮度能夠有效的節能。

工程設計：從晚上7點亮燈至晚上11點的4個小時，人流量較大，全功率輸出；晚上11點至第二天凌晨5點，1/4功率輸出，則：

Dt=5.5 h

(2)

(3)連續陰雨天數d1和兩個連續陰雨天之間的間隔天數d2

連續陰雨天數d1決定了蓄電池容量的大小及陰雨天過后恢復蓄電池容量所需要的太陽能電池組件的功率，兩個連續陰雨天之間的間隔天數d2決定了系統在一個連續陰雨天過后充滿蓄電池所需要的電池組件功率。

根據GB 24460—2009第5.1.2條和7.2.5條[4]，太陽能路燈應能至少連續2～n天提供正常照明，則蓄電池的蓄電量需要維持n+1天。

工程設計：連續陰雨天數d1=3天；兩個連續陰雨天之間的間隔天數d2設定為20天。

(4)連續陰雨天裕量系數F、光伏系統綜合效率系數K、標準條件下的輻照度Es

根據15D202[5]，本次工程選定連續陰雨天裕量系數F=1.2～2.0，標準條件下的輻照度為常數Es=1 kW/m2。光伏系統綜合效率系數需綜合考慮光伏方陣的安裝傾角和方位角修正系數、光伏組件衰減修正系數、光伏組件溫度修正系數、光伏組件表面污染及遮擋修正系數、光伏組件適配系數、光伏系統可利用率、逆變器平均效率、集電線路損耗系數，光伏系統綜合效率系數通常取0.7～0.8。

工程設計：F=1.2，Es=1 kW/m2，K=0.8。

(5)儲能電池放電深度U、儲能電池放電效率的修正系數Fc、儲能電池的放電效率Ka

根據GB 24460—2009第5.2.2條[4]，最后一天蓄電池應最少剩余20%的蓄電量。因此，儲能電池放電深度U≥0.8。

根據15D202[5]，儲能電池放電深度U=0.5～0.8，儲能電池放電效率的修正系數Fc=1.05，儲能電池的放電效率Ka=0.7～0.8。

工程設計：綜合考慮小區照明的負荷等級，選定U=0.8，Fc=1.05，Ka=0.8。

3.3 太陽能組件的選擇

(1)光伏方陣容量計算[5]

(3)

其中，P為光伏系統裝機容量，Wp；P0為負載平均容量，W；Dt為負載日用電時數，h；F為考慮連續陰雨天數的裕量系數，可取1.2～2.0；Es為標準條件下輻照度(常數)，1kW/m2；HA為太陽輻射最差月份日均水平面太陽總輻照量，kWh/m2/day；K為光伏系統綜合效率系數。

(2)光伏組件串聯數Ns[5]

光伏組串峰值工作電壓應滿足儲能電池浮充電壓(包括防反二極管和直流線路的壓降)的要求，則：

(4)

其中，Ns為電池組件串聯數，塊；Vsc為儲能電池組浮充電壓，V；Vm為所選組件峰值工作電壓，V。區Ns=1塊。

(3)太陽能光伏組件平均日發電量Ep

Ep=Im×HA×K=12.15 Ah

(5)

其中，Ep為太陽能光伏組件平均日發電量，Ah；Im為電選定組件峰值工作電流，A；HA為太陽輻射最差月份日均水平面太陽總輻照量，kWh/m2/day；K為光伏系統綜合效率系數。

(4)負載日耗電量Ec

(6)

其中，Ec為負載日耗電量，Ah；P0為負載平均容量，W；Vs為系統電壓，V。

(5)兩段連續陰雨天之間的最短間隔天數需要補充的蓄電池容量Cc1[5]

Cc1=41.26 Ah

(7)

其中，Cc1為補充的蓄電池容量，Ah；K1為安全系數，取1.2；Ec為負載日耗電量，Ah；d1為連續陰雨天數。

(6)光伏組件并聯數Np

根據15D202[5]，當不考慮間隔天數時：

(8)

考慮間隔天數時

(9)

其中，Np為光伏組件并聯數；Cc1為補充的蓄電池容量，Ah；Ec為負載日耗電量，Ah；d2為兩個連續陰雨天之間的間隔天數；Ep為太陽能光伏組件平均日發電量，Ah。

綜合考慮，取Np=1。

工程設計：選用峰值功率為75 W的太陽能電池組件1塊。

3.4 儲能電池總容量計算[5]

(10)

其中，Cc為儲能電池總容量，Ah；Dt為負載日用電時數，h；d1為連續陰雨天數；P0為負載平均容量，W；Fc為放電效率修正系數；U為放電深度；Ka為放電效率；Vs為系統電壓，V。

工程設計：選擇全密封免維護膠體蓄電池，總容量為65 Ah。

3.5 太陽能電池板角度的選擇

太陽能電板的發電效率與太陽能電板的安裝傾斜角有非常密切的關系。在太陽能LED路燈系統的設計中，為了提高太陽能電板的發電效率，太陽能燈電板的傾斜角度應根據安裝位置的緯度確定，以保證太陽能電池的發電量最大。相關文獻[5，6]中給出了太陽能板安裝角度的建議：

1)緯度為0°～25°時，傾斜角等于緯度；

2)緯度為26°～40°時，傾斜角等于緯度加上5°～10°；

3)緯度為41°～55°時，傾斜角等于緯度加上10°～15°；

4)緯度為55°以上時，傾斜角等于緯度加上15°～20°；

工程設計：本工程位于南昌，緯度為28.67°，根據GB 50797—2012附錄B[7]，太陽能燈電板的傾斜角度為30.67°。

3.6 防雷接地

太陽能路燈的工作電壓一般為DC12V或24 V，屬于安全電壓，可不做保護接地。但為了保證太陽能路燈的安全運行，應對其進行防雷接地設計。太陽能路燈的防雷接地可利用金屬燈桿兼做接閃器和引下線，并利用路燈基礎鋼筋做接地體，接地電阻不應大于10 Ω。

4 工程案例

在某老舊小區改造實際案例中，采用傳統照明方案與太陽能方案對比見表2。

表2 老舊小區改造中傳統照明方案與太陽能方案的比較

圖2是某小區的太陽能路燈在連續4天的陰雨天后的應用實例。由于太陽能控制器內部集成了高精度LED恒流驅動芯片，采用智能數字化調節技術進行恒流輸出，且光通量與路燈電流成正比關系，因此，當恒流輸出時保證了LED路燈的光通量不會改變。在設計中，通過合理地選擇技術參數，在放電深度允許范圍之內，LED太陽能路燈在連續陰雨天之后依然能夠提供有效的照明保證。

該老舊小區采用了太陽能路燈照明方案后，整體投資節約了70%，還解決了該小區因電費原因而無法取得市電電源的問題，同時太陽能路燈采用恒流輸出的方案，光通量的輸出不會受蓄電池容量減少的影響，同樣能穩定保持路面照度。

圖2 某小區的太陽能路燈在連續4天的陰雨天后的應用實例Fig.2 Application example of solar street lamp in a residential area after 4 consecutive days of rain

5 結束語

考慮老舊小區樓房普遍不高，遮光現象不嚴重，有利于太陽能的收集；另外小區照明對照明時間、有效范圍的要求不高。因此，在老舊小區照明難以取得市電電源的情況下，響應國家對老舊小區改造及雙碳目標的政策號召，通過科學合理地設計太陽能LED路燈，為提高居民生活水平發揮積極作用。