路灯照明设计方法是什么?

项目背景    沧江路位于佛山市高明区荷城街道，地处广东省中部，高明区下辖一街三镇，分别为荷城街道、明城镇、杨和镇和更和镇。荷城街道位于高明的东部，是高明区委、区政府驻地，全区的政治、经济、文化、金融、信息和科技中心。沧江路东西贯穿整个荷城街道，成为地区内最重要交通干道之一。        为了配合经济及商业、文化等各项事业发展的需求，加快荷城街道乃至整个高明区城市建设的推进，改善荷城街道城市环境和面貌，提升城市形象，荷城街道迫切需要根据规划路网完善道路交通网络，为城市的发展建设铺好基础，改造好荷城街道区内的城市建设基础设施，向着城市建设总体规划的宏伟目标迈进。    项目主要针对沧江路（高明大道～沿江路）的行改造工程，重新架构沧江路的路灯照明系统，为全新的沧江路融入时尚现代的元素。          项目分析    沧江路由西向东贯穿佛山市高明区荷城街道中心城区，西接“产业轴线”高明大道，东联“西江轴线”沿江路，沿途与大德路、中山路、泰和路、荷香路、文明路、文昌路、竹园路、建设路、府前路等南北向道路及多条生活性街巷相交，是荷城街道东西向的交通动脉，交通流量较大，交通十分繁忙。    图一图二              
道路照明设计标准：    城市快速路和城市主干道：EAV=20-30Lux  照明均度EMiN  /  EAV=0.4                            眩光最大限制初始值TI=10%，  环境比最小值SR=0.5    与主干道交汇区照明标准：EAV=30-50Lux  EMiN  /  EAV=0.4    与次干道交汇区照明标准：EAV=20-30Lux  EMiN  /  EAV=0.4    与支路交汇区照明标准：  EAV=15-20Lux  EMiN  /  EAV=0.4          项目具体设计方案    结合沧江路的项目改造设计及两侧建筑物情况，从改善道路的照明功能、提高行车的舒适性、安全性及美化道路沿线及周边环境等方面入手，经过反复研究论证，提出以下改造方案：          高明大道至中山路段：    这路段为双向八车道，采用10米双头路灯杆投射两侧各宽15米的机动车道。路灯杆之间间距40米，安装在3米宽的绿化分隔带的中线上。悬臂长度1.5米。选用182W的LED光源，有效照射范围为10M×40M,平均照度在21LUX以上，超过国家一级道路照明标准。两侧人行道与机动车道之间的  绿化带上安装4米单头式路灯杆，安装间隔为20米，平均照度在16LUX以上。          
        中山路至荷香路段    这路段仍为双向八车道，采用10米双头路灯杆投射两侧宽15米与6米的机动车道。路灯杆之间间距40米，安装在第二条（平面图由上往下）绿化分隔带的中线上。悬臂长度1.5米。10米灯头安装182的WLED光源，有效照射范围为10M×40M,平均照度在21LUX以上，另一边灯头距地面6米，有效照射范围为6M×21M，选用70W的LED光源，平均照度达到23LUX，超过国家一级道路照明标准。人行道与机动车道之间的  绿化带上安装4米单头与双头式路灯杆，安装间隔为20米，平均照度在16LUX以上，在为人行道照明的同时还可以为机动车道补光。                  荷香路至沿江路段    这路段仍为双向六车道，采用10米双头路灯杆投射两侧宽15米与6米的机动车道。路灯杆之间间距40米，安装在第二条（平面图由上往下）绿化分隔带的中线上。悬臂长度1.5米。10米灯头安装182的WLED光源，有效照射范围为10M×40M,平均照度在21LUX以上，另一边灯头距地面6米，选用70W的LED光源，有效照射范围为6M×21M，平均照度达到23LUX，超过国家一级道路照明标准。人行道与机动车道之间的  绿化带上安装4米单头与双头式路灯杆，安装间隔为20米，平均照度在16LUX以上，在为人行道照明的同时还可以为机动车道补光。        
          十字路口照明    十字路口的灯位布置具有更高的要求，在主干道与次干道的交汇区，采用10米双头路灯杆分别安装在四个路口转弯处，与绿化分隔带的中线上。路灯悬臂长度1.5米。10米灯头安装192W的LED光源，有效照射范围为10M×40M,平均照度在30LUX以上，超过国家一级道路照明标准。              人行道照明    将4米中杆灯安装在人行道与机动车道之间，这样不但能够满足人行道的照明，而且还可以为机动车道补充照度，而路边的建筑物也可为人行道补充一定的照度，如此设计可以避免光源浪费，实现合理的光源分配使整个路面实现均匀照明。    
      
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推荐一种方法，设计上，这个一般选用200KVA的变电站，它是根据经济电流密度、有效控制半径、城市景观中长期规划等综合因素考虑的。与实际使用功率关系不大。  实际上，施工中使用100KVA的变电站，能够满足最近10年的实际需求。  现代的箱式变，分路采用了智能型真空开关、专业PLC编程控制器，应用十分方便和灵活，能够调整相序和时间，实现全自动无人值守。

1.1  系统基本组成简介  
系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱  （内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W白光LED和1W黄光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。  
控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。  
1.2  工作原理介绍  
系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。  
2、系统设计思想  
太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。下面将以香港真明丽集团有限公司的这款太阳能LED大功率路灯为例，分几个方面做分析。  
2.1  太阳能电池组件选型  
设计要求：广州地区，负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。  
⑴  广州地区近二十年年均辐射量107.7Kcal/cm2，经简单计算广州地区峰值日照时数约为3.424h；  
⑵  负载日耗电量  =  =  12.2AH  
⑶  所需太阳能组件的总充电电流=  1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A  
在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。  
⑷  太阳能组件的最少总功率数  =  17.2×5.9  =  102W  
选用峰值输出功率110Wp、单块55Wp的标准电池组件，应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。  
2.2  蓄电池选型  
蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。  
根据上面的计算知道，负载日耗电量12.2AH。在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量：  
12.2×（7+1）  =  97.6  （AH），选用2台12V100AH的蓄电池就可以满足要求了。  
2.3  太阳能电池组件支架  
2.3.1  倾角设计  
为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。  
关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为广州地区，依据本次设计参考相关文献中的资料[1]，选定太阳能电池组件支架倾角为16o。  
2.3.2  抗风设计  
在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。  
⑴  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2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。  
在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。  
⑵  路灯灯杆的抗风设计  
路灯的参数如下：  
电池板倾角A  =  16o  灯杆高度  =  5m  
设计选取灯杆底部焊缝宽度δ  =  4mm  灯杆底部外径  =  168mm  
如图3，焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩W  的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ  =  [5000+（168+6）/tan16o]×  Sin16o  =  1545mm  =1.545m。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M  =  F×1.545。  
根据27m/s的设计最大允许风速，2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑1.3的安全系数，F  =  1.3×730  =  949N。  
所以，M  =  F×1.545  =  949×1.545  =  1466N.m。  
根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W  =  π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。  
上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。  
破坏面抵抗矩W  =  π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）  
=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）=  88768mm3  
=88.768×10－6  m3  
风荷载在破坏面上作用矩引起的应力  =  M/W  
=  1466/（88.768×10－6）  =16.5×106pa  =16.5  Mpa＜＜215Mpa  
其中，215  Mpa是Q235钢的抗弯强度。  
所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。  
2.4  控制器  
太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。  
蓄电池防过充、过放保护电压一般参数如表1，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。  
在选用器件上，目前有采用单片机的，也有采用比较器的，方案较多，各有特点和优点，应该根据客户群的需求特点选定相应的方案，在此不一一详述。  
2.5  表面处理  
该系列产品采用静电涂装新技术，以FP专业建材涂料为主，可以满足客户对产品表面色彩及环境协调一致的要求，同时产品自洁性高、抗蚀性强，耐老化，适用于任何气候环境。加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装，使产品性能大大提高，达到了最严格的AAMA2605.2005的要求，其它指标均已达到或超过GB的相关要求。  
3、结束语  
整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；表面处理采用了目前最先进的技术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。  
目前，太阳能LED照明的初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED光效在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。  
户用光伏电源产品的质量直接关系到用户的利益。目前我们国家有标准；GBT19064～2003家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法对户用光伏电源产品(以下简称产品)进行评价。该标准产品部件提出了相关的技术要求，对组装成一体的产品整体性没有评价标准。  
2004年10月，lEC颁布了国际标准IEC62124独立光伏系统一设计验证(PhotovOItaic(PV1standa10nesystems—Des_gnvermcation)，该标准制定了对独立光伏系统设计进行验证试验的程序，以及系统设计验证的技术要求，从而可以对系统整体性能进行评估。  
标准的范围和目的  
IEC62124标准所包括的技术性能测试方法和程序适用于独立光伏发电系统。独立光伏系统由多个部件组成，即使部件符合技术和安全标准，整个系统的技术指标是否满足设计要求，仍需进一步验证。该标准验证了系统的设计和性能，并对系统性能进行评估。  
系统性能试验要求和抽样  
系统应依据本标准的试验程序进行性能试验。在试验进行中，测试者应严格遵守制造商的操作、安装和连接指示。性能试验可以进行室外试验，也可以进行室内试验。如果试验现场的室外测试条件和标准中的模拟室外条件相似，可以进行室外试验。如果差别很大，则建议做室内试验。试验条件能够覆盖系统被设计和使用的主要气候区。试验需要同一型号的系统抽取两个样品，如果有一个系统在任何一种试验中不合格，那么另一满足标准要求的系统将重新接受整个相关试验。如果这一系统也不合格那么该设计将被认为达不到验证要求。  
系统性能试验系统性能试验共分为三个阶段：预处理、性能试验、最大电压时负载运行的适用性。