基于任务驱动的太阳能LED路灯系统匹配设计

周亚东，朱世军

(1.海南职业技术学院，海南海口 570216；2.海南华侨中学，海南海口 570206)



基于任务驱动的太阳能LED路灯系统匹配设计

周亚东1，朱世军2

(1.海南职业技术学院，海南海口 570216；2.海南华侨中学，海南海口 570206)

以实际太阳能路灯建设项目为例，对系统中太阳能组件、光源、蓄电池、灯杆、地脚螺丝以及地基等进行精心设计，使系统之间相互达到最佳匹配，解决了太阳能路灯电气与灯杆基础分割设计的不足，使太阳能路灯系统在2014年17级超强台风“威马逊”肆虐中依然保持系统的稳定运行，验证了系统的整体使用寿命及系统安全，为太阳能路灯工程提供可靠的施工与运营依据。

太阳能技术；系统匹配；照度；抗风；地基强度；扭矩；LED；路灯；设计

引言

太阳能路灯与普通灯相比有节能、安全等独特的优势而得到迅速的普及。但是，太阳能路灯看似简单的系统，如果不能进行良好的匹配与精心的设计，将会影响系统的使用寿命和系统的安全，造成极大的经济损失。如海南2014年“威马逊”超强台风，2015年“苏迪罗”超强台风，中心风力都达到17级，风速60～65 m/s。如果灯杆基础不能精准设计，在这两场台风中就会出现倾覆或折断，造成巨大的经济损失。再如，系统中蓄电池与负载匹配不科学，就会导致蓄电池寿命降低，增加维护成本等等。总之，优秀的系统设计是系统质量的保证。

近年来有不少关于太阳能路灯的设计文献[1-8]，如：文献[1]重点从环境因素来考虑供电系统的匹配，没有涉及到组件受风压对灯标的影响；文献[2]、[3]通过风洞试验，模拟了太阳能电池板在不同安装方式下的抗风性能；文献[4]针对路灯的基础螺杆强度进行了设计；文献[5]强调运用ABAQUS有限元软件对10 m太阳能路灯灯杆在风载、雪载以及自身重力作用下各构件的应力与变形进行了分析，等等。路灯系统包括光源选择、供电系统、灯杆及灯杆基础系统，目前诸多文献研究主要针对灯杆及灯杆基础，对整个路灯系统进行综合设计分析的文献研究较少。本文以海南某校园亮化工程太阳能LED路灯为例，从路灯的光源选择、供电系统的匹配与灯杆基础三方面进行综合分析，使整个路灯系统设计一体化。

1 光源选择与设计

1.1 任务设计要求

2013年该校在校园主干道路安装太阳能LED路灯，道路为双向双车道，路宽8 m，要求根据当时实行的CJJ 45—2006《城市道路照明设计标准》中三级道路亮度与照度标准设计。路灯每天工作10 h以上，自给时间为6天，每天用电时间约10 h以上，灯杆防16级超级台风。

1.2 灯头高度、路灯之间的距离与灯源的亮度关系

校园路灯承载着夜间行车，师生娱乐、休闲等功能，是师生学习、生活基本保障，国外像哈佛大学、耶鲁大学对校园路灯其照度、亮度都有明确规定[9-10]。根据当时实行的CJJ 45—2006《城市道路照明设计标准》，机动车交通道路照明应按快速路与主干路、次干路、支路分为三级，并提出：城市道路照明应满足平均亮度/照度、亮度/照度均匀度、眩光限制和环境比四项评价指标[11]，五级道路亮度与照度标准见表1。

表1 五级道路亮度与照度标准表Table 1 The standard table for intensity of light and illumination on the five-level road

根据表1，学校是主干道可以以次干路要求设计为三级其亮度达1.0 cd/m2，考虑学校夜间人流量大，其照度选择快速道路标准为20 lx。

1.3 路灯布局及灯具高度选择

常规照明有单侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置、横向悬索布置和中心对称布置五种基本布灯方式。

采用常规照明方式时，根据《城市道路照明设计标准》，灯具的配光类型、布灯方式、安装高度和间距应满足表2的规定，灯具的悬挑长度不宜超过安装高度的1/4，灯具的仰角不宜超过15°。

表2 灯具的配光类型、布灯方式与安装高度、间距的关系Table 2 The types for light distribution of lamps , the way of setting lamps and the distance between the lamps

注：Weff为路面有效宽度(m)

根据表2，本项目灯具布置采用双侧对称布置，根据《城市道路照明设计标准》，灯具的类型选择半截光型(最大光强方向在0°～75°,其90°和80°角度方向上的光强最大允许值分别为50 cd/100 lm和100 cd/1 000 lm)，则H≥0.6Weff=4.8 m。考虑校园主干道，可能会有高车辆通过，故H值取6 m。相应地，S≤(3.5H=21 m)，灯杆间距S选择20 m。

1.4 光源功率选择

光源的功率选择，一般情况下可以通过道路平均照度计算公式推算得到，见式(1)。

(1)

式中，φ为光源的总光通量(lm)；Eav为光源平均照度(lx)；U为利用系数；K为维护系数；W为道路宽度；S为路灯安装间距；N为路灯的排列方式，双侧对称排列时N=2。

本项目Eav取20 lx，U为利用系数取0.7，K维护系数取0.7，W道路宽度取10 m，S为路灯安装间距取20 m，N为双侧对称排列取2，代入式(1)得φ=4 081 lm。采用40 W LED暖白大功率光源，其光通量为4 400 lm，大于计算值4 081 lm，符合项目设计要求。

2 供电系统设计

2.1 负载工作电压

根据道路照明中常用的光源及其参数[12]，考虑LED响应速度快、适合调光、节能等特点[10]，选择40 W LED大功率光源，其额定工作电压在36 V,工作电流1.650 A，采用24～36 V(DC)脉冲宽度调制(PWM)恒流控制型电源，以满足光源用电需求。

2.2 光伏组件与蓄电池容量的匹配

光伏组件与蓄电池容量的匹配，可以从负载每天工作总功率与太阳能组件的每天发电量保持相等来考虑。

太阳能路灯光伏组件功率(P)计算公式为[14-15]

(2)

式中P光源为光源功率，t为每天工作时间，t1为峰值日照时数，为蓄电池库仑效应，ξ为其他综合损耗。式(2)中1.43是太阳能电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值；海口峰值日照时数为4.43 h，蓄电池库仑效应及其他综合损耗这里全部取0.85，代入式(2),得太阳能路灯组件功率为178 W。

这里选择90 W，组件面积为0.985 m×0.665 m，重量为7.7 kg，最佳工作电压16.5 V，工作电流为5 A两块单晶组件串联方式，其串联后工作电压为33 V，满足对24 V蓄电池充电要求，工作电流为5 A。要注意的是，市场上160 W单晶组件种类比较多，在选择的时候一定要注意其工作电压能满足项目蓄电池充电要求。如果选择160 W，工作电压为18.2 V，工作电流为8.79 A组件时，就应该考虑将两组件串联，这样串联后的组件电压为36.4 V，电流为8.79 A，这也能满足系统需求。

2.3 蓄电池容量与负载的匹配

蓄电池容量与负载的匹配可以从负载在规定时间内用电总容量等于蓄电池所应该存储的电量来考虑，放电深度参考文献[16]。

蓄电池容量(C)计算公式如下：

(3)

选用两组12V/150 Ah或一组24V/150 Ah蓄电池串联，串联后蓄电池工作电压为24 V，总容量为150 Ah，能满足系统正常工作。项目使用免维护24 V/150 Ah蓄电池，产品尺寸长宽高厚为484 mm×171 mm×241 mm×241 mm，蓄电池使用防水地埋箱，安装于四周砌砖的蓄电池室内，蓄电池室是紧挨灯标侧，埋于300 mm地下且长宽高约为700 mm×500 mm×400 mm的长方体。

3 灯杆基础设计

我国南方沿海台风偏多，太阳能路灯灯杆至少应能抗12级以上台风，文中根据2014年肆虐海南的超强台风“威马逊”，中心风力达16级，风速达61 m/s标准设计要求，依据灯杆标准参数，考虑抗风需要，将灯杆设计为杆锥度为10，灯杆材质为优质低硅碳钢Q235A钢材[9]标准，其屈服强度为，灯标上底直径d为0.080 m，下底直径D为0.180 m，灯杆厚δ为0.004 m,组件采用U形抱窟和螺纹紧固连接，倾角根据海口地区最佳倾角15°安装；灯臂选择长为1.20 m，直径为0.006 m钢材；灯头选择长0.60 m，宽0.22 m飞鱼型灯具。法兰盘尺寸为0.30 m×0.30 m×0.014 m，孔距为0.20 m,混凝土基础为0.80 m×0.80 m×0.80 m。

3.1 系统抗风分析

3.1.1 基本风压计算

风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出的风压关系，风的动压为

(4)

其中WP为风压(kN/m2),R0为空气密度(kg/m3),V为风速(m/s)。空气密度(R0)和重力(r)的关系为r=R0g，因此有R0=r/g。代入公式(4)得

(5)

式(5)为标准风压公式。在标准状态下气压为1 013 hPa, 温度为15 ℃, 空气重度=0.012 25 kN/m3。重力加速度g=9.8 m/s2，则

太阳能电池组件支架的抗风设计依据电池组件厂家的技术参数资料,太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2 400 Pa。根据1 kN/m2=1 kpa换算，可知组件本身是完全可以承受61 m/s的风速而不至于损坏。

3.1.2 系统迎风面积计算

两块太阳板面积为

S组件=sin15°×0.985×0.665×2=0.34 m2

灯杆为锥体近似梯形，其面积计算为

S灯杆=(d+D)/2=0.564 m2

灯头面积为

S灯头=0.60×0.22=0.132 m2

灯臂面积为

S灯臂=0.06×1.20=0.072 m2

则系统总迎风面积为

S总=S组件+S灯杆+S灯头+S灯臂=1.108 m2

3.2 系统各部分对灯杆底部产生的扭矩

为了分析路灯系统抗风情况，从灯杆受力情况可以知道，对于灯杆来说，其底部受压应该是最大的，同时要考虑圆形灯杆本身破坏面上的抵抗矩情况。

灯杆为圆锥梯形，其几何重心高度计算为

(6)

式中Yc为几何重心高度(m)；d为上底高(m);D为下底高(m);h为灯杆高(m)，则Yc=2.09 m。

灯杆对杆底扭矩为

M灯杆=S灯杆Yc=2 734.9 N

组件对杆底扭矩为

M组件=S组件h=4 731.2 N

灯具灯臂对杆底的扭矩为

M灯具=(S灯头+S灯臂)h=2 845.8 N

则系统总扭矩为

M总=M灯杆+M组件+M灯具=10 312 N

3.3 圆形灯杆破坏面的抵抗矩分析

根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩为[18]

W=π×(3r2δ+3rδ2+δ3)

(7)

式中r是圆环内半径(m)，δ是圆环宽度(m)。

灯杆底部圆形破坏面抵抗矩为

W=π×(3r2δ+3rδ2+δ3)=π×(3×852×4+3×85×42+43)=9.084 4×10-5m3

风荷载在破坏面上作用矩引起的应力为

M总/W=113.5 MPa

因为113.5 MPa<235 MPa，所以灯杆的抗风设计是没有问题的。

4 路灯基础设计

海南地区基础地基的承载能力为115 kN/m3[19]，混凝土采用标号为C20，其比重2 356 kg/m3, 采用基础长B、宽L、高H分别为0.80 m、0.80 m、1.00 m。根据GB J7—89各建筑设计基础规范第5.1.1条规定，基础的平均压强P≤F，且Pmax≤1.2F的要求进行设计。

1)基础底部混泥土浇层的抵抗矩为

W基础底=BL2/6=1×12/6=0.167 m2

(8)

式中B表示底部的宽度，L为底部的长度。

基础地基上总的压强P，应该等于系统总重量/基础表面积，即

P=G总/S表面积

(9)

其中G总=G灯杆+G组件+G混凝土基础+G灯臂+G灯具，因为(G灯臂+G灯具)相对于整个系统来说可以忽略不计,则

P=(G灯杆+G组件+G混凝土基础)/S表面积=2.2 kN/m2

2)基础边缘产生的最大压强为

Pmax=P+M总/W基础底=74.9 kN//m2

通过计算设计可以验证，基础的平均压强P≤F，且Pmax≤1.2F，符合设计标准。

3)地脚螺栓强度设计分析。

依据美国规范ACI318M-05进行锚固设计和计算[20]。地脚螺栓设计主要考虑其地脚螺杆共同作用产生的拉力应绝对大于灯杆根部受到的最大风弯矩，即在风载荷的作用下，通过法兰盘传递给地脚螺栓(共4根)，法兰盘为300 mm×300 mm×14 mm，孔距为210 mm，如图1所示。当风向为螺栓的对角线时，螺栓的拉力最大。假设最大风力由螺栓1向螺栓3方向，则螺栓1所受的最大风弯矩应该是最大的。

图1 灯杆地脚螺栓及其力臂示意图Fig.1 Diagram for anchor bolt of light pole and its arm

根螺栓均匀分布，相邻两个螺栓中心所对的圆周心角为90°，根据三角函数关系可知L1=0.297 m，路灯杆经受最大风荷载作用力M总，为使高杆灯保持总体平衡，杆根部必然产生一个抵抗弯矩ZM，且量值上ZM>M总。此时整体灯杆所受的风荷载作用力，底板紧固螺栓共同产生的拉力、灯杆的重力，基础的支承力等作用力的合力应该为O。而底板紧固螺栓能产生拉力的分别是螺栓1到螺栓4共4只，它们分别产生的拉力设为NL1、NL2、……,其中NL1应该最大，如果有多个螺栓则会产生N2N个力矩，其力臂长分别为L1、L2、……和L2′、……、LN′(其中L2′=L2，……，LN=LN′)，3个力臂的量度也体现了螺栓的拉力N的大小[21-23]，则力臂总长为

LN=L1+L2+L2′+……=0.717 m

因此，NL1=14.4 kN，即螺栓有可能受到的最大轴向拉力为14.4 kN。考虑到安全，取安全系数为1.5，则最大轴向拉力为21.6 kN。对照地脚螺栓弯钩锚栓数据表，可选择螺栓直径为M16，Q235钢，其抗拉承压力为22.6 kN，能满足灯杆设计要求。

5 系统应用与测试分析

该项目于2013年8月完工，同年12月通过验收，2013年7月18日超级台风“威马逊”肆虐海南，然而所设计安装的62盏LED路灯全部经受住了考验。台风过后对全部路灯进行系统的检查，灯杆基础混凝土、法兰螺栓、灯杆等没有出现任何变形、弯曲等情况，供电系统全部正常工作。2016年1月，系统经过两年半运行后，我们进行了如下测试。

1)供电系统测试。2016年1月19日至1月28日海口连续10天的阴雨天气，经过记录，其62盏LED路灯工作情况如表3所示。

表3 连续阴雨天路灯工作情况统计Table 3 The statistics for performance of road lamp during continuous rainy days

从表3可以看出，项目工程所有LED路灯工作正常，供电系统能满足所设计的自给时间，从第7天开始，有3%的路灯已经不能保证正常照明；第7天，因为天气有所回升，但依然不能满足路灯的通宵照明，这完全符合设计要求。

2)路面照度测试。选取学校主干道两侧6盏双侧对称布置LED路灯，根据图2测试点进行地面照度测试，测试数值单位为lx。

图2 地面照度测试点选择图Fig.2 The selection chart for the ground illumination test point

从地面照度测试点测试数据可知，系统基本符合道路路面设计值为20 lx的设计要求。

6 结束语

任务驱动下的太阳能LED路灯系统的匹配设计，其光源选择、供电系统匹配及灯杆与灯杆基础等系统各组成部分环环相扣的设计，关系到整个系统的正常运行与安全保障。不同地区太阳能路灯设计方法及思考的问题有所不同，但其研究设计的基本思路应该是相同的。太阳能LED路灯实际施工过程中一定要注意其施工标准，以保证其质量符合要求。

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国际照明标准技术研讨会在杭州举办

2017年5月26-27日， 由浙江省照明学会主办，横店集团得邦照明股份有限公司承办的“国际照明标准技术研讨会”在杭州成功举办。

中国照明学会理事长邴树奎，中国照明电器协会理事长陈燕生，国家电光源质量监督检验中心(北京)主任华树明，国家半导体照明工程研发及产业联盟常务副秘书长阮军，浙江省照明学会理事长潘建根，浙江省照明学会名誉理事长陈哲艮，澳大利亚照明学会主席、CIE D2秘书长Tony Bergen，浙江省照明电器协会理事长凌应明，江苏省照明学会、江苏省照明电器协会副理事长严慈，上海市照明学会副理事长张善端，中国质量认证中心新能源认证部副经理陈松，杭州滨江(高新)区副区长郑迪，TÜV南德意志集团EMC首席工程师Miiler Dan等来自照明相关的企事业单位、政府机构共计200余人参加了会议。

System Matching Design of Solar-powered LED Road Lamp Based on Task-driven

ZHOU Yadong1， ZHU Shijun2

(1.Hainan College of Vocation and Technique, Haikou 570216, China;2.Hainan Overseas Chinese Middle School, Haikou 570206, China)

An actual construction project of solar-powered street lamp is to be taken as an example to make a meticulous design on the solar panels, light source, light battery, light pole, anchor bolts and foundation etc. in the system. By the design, the best matching between the systems is achieved so as to solve the problem of the inefficiency between the electricity for solar-powered street lamp and light pole segmentation design. With the design, the solar street light system has been still working steadily when the 12-scale typhoon Rammasun was drenching the island Hainan in 2014, which verifies the service life of solar-powered street lamp and security of the system.The research provides the reliable guidance for constructing and operating the project of the solar-powered street lamps.

solar technology; system matching; illumination; wind resistance; ground strength; torque; LED;road lamp; design

TM615;TU998.9

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.016