太陽(yáng)能LED路燈在老舊小區(qū)改造中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

方 敏，成 迪

(江西省城鄉(xiāng)規(guī)劃市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，江西 南昌 330095)

引言

城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造是重大的民生工程和發(fā)展工程。2020年7月，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于全面推進(jìn)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)[2020]23 號(hào))，明確提出應(yīng)有序推進(jìn)老舊住宅小區(qū)綜合整治。

小區(qū)照明是城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造的基礎(chǔ)必改項(xiàng)目，而電費(fèi)的問(wèn)題導(dǎo)致傳統(tǒng)的市電照明方式存在取電難的現(xiàn)象。為了解決老舊小區(qū)內(nèi)的照明問(wèn)題及響應(yīng)“雙碳”戰(zhàn)略，本文提出了結(jié)合老舊小區(qū)特色的太陽(yáng)能路燈照明設(shè)計(jì)方案。

1 老舊小區(qū)改造中傳統(tǒng)的市電照明及太陽(yáng)能照明的比較

從老舊小區(qū)的照明應(yīng)用出發(fā)來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)比，具體見(jiàn)表1。

表1 老舊小區(qū)改造中傳統(tǒng)的市電照明與太陽(yáng)能照明的比較

2 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電，實(shí)際上就是太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。首先將光能轉(zhuǎn)換為光生載流子，然后光生載流子被半導(dǎo)體P-N結(jié)產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分離，在P-N結(jié)兩側(cè)形成電位差，最后外部接通電路，產(chǎn)生輸出功率。

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

圖1 太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)框圖Fig.1 Solar LED street lamp system block diagram

與傳統(tǒng)的氣體光源相比，LED光源具有低壓直流驅(qū)動(dòng)、發(fā)光效率高、耗電量低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此更適宜在太陽(yáng)能路燈中使用。

3 設(shè)計(jì)方案及計(jì)算

3.1 光源及系統(tǒng)電壓VS的確定

(1)光源設(shè)計(jì)

根據(jù)CJJ45—2015第3.5.1條[1]，老舊小區(qū)內(nèi)路面平均照度標(biāo)準(zhǔn)值取Eav=5 lx。

小區(qū)道路寬度W=5 m，路燈單側(cè)布置N=1，路燈安裝間距S=25 m，燈具利用系數(shù)ηed=0.32，維護(hù)系數(shù)K=0.8。

由于小區(qū)內(nèi)選擇偏暖色調(diào)更能營(yíng)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(biāo)準(zhǔn)直線段考慮，采用利用系數(shù)曲線法計(jì)算[3]。計(jì)算式為：

(1)

其中，Eav為照度，lx；ηed為燈具利用系數(shù)；Φ為光通量，lm；K為維護(hù)系數(shù)；N為燈具系數(shù)，路燈單側(cè)布置時(shí)取1；S為路燈安裝間距，m；W為道路寬度，m。結(jié)果表明，滿足CJJ45—2015要求。

工程設(shè)計(jì)：選擇25 W的LED光源，色溫3 500 K，單側(cè)布置，路燈安裝間距S=25 m，安裝高度5 m。

(2)照明節(jié)能評(píng)價(jià)

對(duì)于機(jī)動(dòng)車道照明應(yīng)以照明功率密度(LPD)作為照明節(jié)能的評(píng)價(jià)指標(biāo)并符合相應(yīng)規(guī)定[1]，而小區(qū)內(nèi)的照明因其照度標(biāo)準(zhǔn)較低，因此可以滿足規(guī)范規(guī)定。

(3)系統(tǒng)電壓VS

將太陽(yáng)能路燈光源的直流輸入電壓作為系統(tǒng)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(yáng)能路燈工作電壓取VS=12 V。

工程設(shè)計(jì)：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(guān)輸入數(shù)據(jù)

(1)日平均輻射量HA

根據(jù)各地接受太陽(yáng)總輻射量的多少，可將全國(guó)劃分為五類地區(qū)。本項(xiàng)目所在地江西屬于四類地區(qū)，年太陽(yáng)輻射總量1 163～1 393 kWh/m2，標(biāo)準(zhǔn)光照下日平均輻射量3.1～3.8 kWh/m2。

工程設(shè)計(jì)：根據(jù)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(wú)日照期間用電時(shí)數(shù)Dt

初步計(jì)算負(fù)載每天的功耗和與之相應(yīng)的太陽(yáng)能電池組件的功率。

太陽(yáng)能路燈每晚工作時(shí)通過(guò)控制器來(lái)調(diào)節(jié)電流的輸出大小，不同時(shí)段有不同的亮度?？紤]到小區(qū)內(nèi)的人流主要集中在傍晚至晚上11點(diǎn)，因此通過(guò)控制器根據(jù)時(shí)間調(diào)整亮度能夠有效的節(jié)能。

工程設(shè)計(jì)：從晚上7點(diǎn)亮燈至晚上11點(diǎn)的4個(gè)小時(shí)，人流量較大，全功率輸出；晚上11點(diǎn)至第二天凌晨5點(diǎn)，1/4功率輸出，則：

Dt=5.5 h

(2)

(3)連續(xù)陰雨天數(shù)d1和兩個(gè)連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)d2

連續(xù)陰雨天數(shù)d1決定了蓄電池容量的大小及陰雨天過(guò)后恢復(fù)蓄電池容量所需要的太陽(yáng)能電池組件的功率，兩個(gè)連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)d2決定了系統(tǒng)在一個(gè)連續(xù)陰雨天過(guò)后充滿蓄電池所需要的電池組件功率。

根據(jù)GB 24460—2009第5.1.2條和7.2.5條[4]，太陽(yáng)能路燈應(yīng)能至少連續(xù)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(shè)計(jì)：連續(xù)陰雨天數(shù)d1=3天；兩個(gè)連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)d2設(shè)定為20天。

(4)連續(xù)陰雨天裕量系數(shù)F、光伏系統(tǒng)綜合效率系數(shù)K、標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度Es

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

工程設(shè)計(jì)：F=1.2，Es=1 kW/m2，K=0.8。

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

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

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

工程設(shè)計(jì)：綜合考慮小區(qū)照明的負(fù)荷等級(jí)，選定U=0.8，F(xiàn)c=1.05，Ka=0.8。

3.3 太陽(yáng)能組件的選擇

(1)光伏方陣容量計(jì)算[5]

(3)

其中，P為光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量，Wp；P0為負(fù)載平均容量，W；Dt為負(fù)載日用電時(shí)數(shù)，h；F為考慮連續(xù)陰雨天數(shù)的裕量系數(shù)，可取1.2～2.0；Es為標(biāo)準(zhǔn)條件下輻照度(常數(shù))，1kW/m2；HA為太陽(yáng)輻射最差月份日均水平面太陽(yáng)總輻照量，kWh/m2/day；K為光伏系統(tǒng)綜合效率系數(shù)。

(2)光伏組件串聯(lián)數(shù)Ns[5]

光伏組串峰值工作電壓應(yīng)滿足儲(chǔ)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(lián)數(shù)，塊；Vsc為儲(chǔ)能電池組浮充電壓，V；Vm為所選組件峰值工作電壓，V。區(qū)Ns=1塊。

(3)太陽(yáng)能光伏組件平均日發(fā)電量Ep

Ep=Im×HA×K=12.15 Ah

(5)

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

(4)負(fù)載日耗電量Ec

(6)

其中，Ec為負(fù)載日耗電量，Ah；P0為負(fù)載平均容量，W；Vs為系統(tǒng)電壓，V。

(5)兩段連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)需要補(bǔ)充的蓄電池容量Cc1[5]

Cc1=41.26 Ah

(7)

其中，Cc1為補(bǔ)充的蓄電池容量，Ah；K1為安全系數(shù)，取1.2；Ec為負(fù)載日耗電量，Ah；d1為連續(xù)陰雨天數(shù)。

(6)光伏組件并聯(lián)數(shù)Np

根據(jù)15D202[5]，當(dāng)不考慮間隔天數(shù)時(shí)：

(8)

考慮間隔天數(shù)時(shí)

(9)

其中，Np為光伏組件并聯(lián)數(shù)；Cc1為補(bǔ)充的蓄電池容量，Ah；Ec為負(fù)載日耗電量，Ah；d2為兩個(gè)連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)；Ep為太陽(yáng)能光伏組件平均日發(fā)電量，Ah。

綜合考慮，取Np=1。

工程設(shè)計(jì)：選用峰值功率為75 W的太陽(yáng)能電池組件1塊。

3.4 儲(chǔ)能電池總?cè)萘坑?jì)算[5]

(10)

其中，Cc為儲(chǔ)能電池總?cè)萘浚珹h；Dt為負(fù)載日用電時(shí)數(shù)，h；d1為連續(xù)陰雨天數(shù)；P0為負(fù)載平均容量，W；Fc為放電效率修正系數(shù)；U為放電深度；Ka為放電效率；Vs為系統(tǒng)電壓，V。

工程設(shè)計(jì)：選擇全密封免維護(hù)膠體蓄電池，總?cè)萘繛?5 Ah。

3.5 太陽(yáng)能電池板角度的選擇

太陽(yáng)能電板的發(fā)電效率與太陽(yáng)能電板的安裝傾斜角有非常密切的關(guān)系。在太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了提高太陽(yáng)能電板的發(fā)電效率，太陽(yáng)能燈電板的傾斜角度應(yīng)根據(jù)安裝位置的緯度確定，以保證太陽(yáng)能電池的發(fā)電量最大。相關(guān)文獻(xiàn)[5，6]中給出了太陽(yáng)能板安裝角度的建議：

1)緯度為0°～25°時(shí)，傾斜角等于緯度；

2)緯度為26°～40°時(shí)，傾斜角等于緯度加上5°～10°；

3)緯度為41°～55°時(shí)，傾斜角等于緯度加上10°～15°；

4)緯度為55°以上時(shí)，傾斜角等于緯度加上15°～20°；

工程設(shè)計(jì)：本工程位于南昌，緯度為28.67°，根據(jù)GB 50797—2012附錄B[7]，太陽(yáng)能燈電板的傾斜角度為30.67°。

3.6 防雷接地

太陽(yáng)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(hù)接地。但為了保證太陽(yáng)能路燈的安全運(yùn)行，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行防雷接地設(shè)計(jì)。太陽(yáng)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(chǔ)鋼筋做接地體，接地電阻不應(yīng)大于10 Ω。

4 工程案例

在某老舊小區(qū)改造實(shí)際案例中，采用傳統(tǒng)照明方案與太陽(yáng)能方案對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 老舊小區(qū)改造中傳統(tǒng)照明方案與太陽(yáng)能方案的比較

圖2是某小區(qū)的太陽(yáng)能路燈在連續(xù)4天的陰雨天后的應(yīng)用實(shí)例。由于太陽(yáng)能控制器內(nèi)部集成了高精度LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片，采用智能數(shù)字化調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行恒流輸出，且光通量與路燈電流成正比關(guān)系，因此，當(dāng)恒流輸出時(shí)保證了LED路燈的光通量不會(huì)改變。在設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理地選擇技術(shù)參數(shù)，在放電深度允許范圍之內(nèi)，LED太陽(yáng)能路燈在連續(xù)陰雨天之后依然能夠提供有效的照明保證。

該老舊小區(qū)采用了太陽(yáng)能路燈照明方案后，整體投資節(jié)約了70%，還解決了該小區(qū)因電費(fèi)原因而無(wú)法取得市電電源的問(wèn)題，同時(shí)太陽(yáng)能路燈采用恒流輸出的方案，光通量的輸出不會(huì)受蓄電池容量減少的影響，同樣能穩(wěn)定保持路面照度。

圖2 某小區(qū)的太陽(yáng)能路燈在連續(xù)4天的陰雨天后的應(yīng)用實(shí)例Fig.2 Application example of solar street lamp in a residential area after 4 consecutive days of rain

5 結(jié)束語(yǔ)

考慮老舊小區(qū)樓房普遍不高，遮光現(xiàn)象不嚴(yán)重，有利于太陽(yáng)能的收集；另外小區(qū)照明對(duì)照明時(shí)間、有效范圍的要求不高。因此，在老舊小區(qū)照明難以取得市電電源的情況下，響應(yīng)國(guó)家對(duì)老舊小區(qū)改造及雙碳目標(biāo)的政策號(hào)召，通過(guò)科學(xué)合理地設(shè)計(jì)太陽(yáng)能LED路燈，為提高居民生活水平發(fā)揮積極作用。