太阳能LED路灯在市政工程中的应用

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　　 【摘要】介绍了太阳能LED路灯的组成，分析了各部分的工作原理、工作特点，阐述了大功率LED太阳能路灯在市政工程中的应用及太阳能LED 灯具目前存在的问题。
　　【关键词】太阳能路灯、LED光源、蓄电池
　　一、前言
　　随着经济的快速发展，对能源的需求日益扩大，能源紧缺问题已成为制约经济发展的瓶颈，同时地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，环境保护浪潮的兴起，让节约能源、保护环境逐渐成为全人类的共识。太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。近些年来，随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能发电技术日趋成熟，应用规模越来越大，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋成熟。
　　二、太阳能LED灯具的特性
　　(1) 低成本：高亮度、低功耗，所需太阳能电池及蓄电池组配置较低、成本下降。
　　(2) 寿命长: 单晶硅或多晶硅太阳能组件的质量保证期为20年，20年后电池组件可继续使用，但发电量略有下降。超高亮白光LED使用寿命可达10万小时，智能控制器静态功耗低、使用寿命长。
　　(3) 施工便捷: 在道路照明工程中只需进行灯杆灯具安装，不用架设输电线路或挖沟铺设电力线路及安装电源变配电设备。
　　(4) 节约能源: 不用电网的电能，采用光伏技术将太阳的辐射能转换为电能，在蓄电池中存储起来，在夜间给路灯供电。
　　(5) 低维护成本：以目前的技术水平和测试结果推算，大功率LED光源可以正常使用10年不用更换，而传统高压钠灯平均1年半就要更换一次，使用半导体光源可以大大降低维护成本。
　　
　　
　　
　　(6) 无人值守: 运行中无需管理人员，完美的智能控制系统给用户足够的放心。
　　三、太阳能LED灯具的工作原理
　　
　　
　　
　　(1) 太阳能路灯的组成：太阳能路灯由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制器、蓄电池和灯杆几部分构成。
　　太阳能电池组件：太阳能电池组是太阳能路灯中的核心部分，其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池三种。
　　太阳能控制器：为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。
　　蓄电池：由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。
　　LED灯头：LED灯采用高亮度白色发光二极管作为发光源，寿命长，可达50000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效高、耗电少，易控制，免维护，显色指数高，安全环保，是新一代固体冷光源。随着技术进步，LED的性能将进一步提高。LED作为路灯的光源将是一种趋势。
　　灯杆：灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距，道路的照度标准确定。
　　(2) 工作原理：白天通过太阳能电池组件将把光能转换为电能，并储存到蓄电池组内；夜晚则反方向输送，通过智能控制器开启控制装置，向LED提供电能，促使LED发光源发出足够的亮度用于照明。
　　四、太阳能LED 灯具在城市照明中的应用
　　(1) 主要技术改进
　　由于传统LED光源发光角小，点面积亮度高，光的散射具有极强的方向性。从而使光源形成光点，而光均匀度不好，束缚了其在照明灯具领域的应用。 通过将圆头外型改成平头外型的新型LED结构设计方案，使LED发出光的结构得到了全面改善，发光角度由过去的5°提升到了180°以上，光源总亮度得到了提升，均匀度得到提高，消除了圆头LED组合光源有光点，点亮度高而总面积内亮度低的难点，完成了超高亮白光LED在实际照明课题领域的应用。
　　目前在路灯领域中使用十字型和矩型组合发光源，在超高亮白光LED使用上采取平头和圆头LED合理比例搭配。克服了平头LED点面积亮度不如圆头LED，而圆头LED光均匀度不如平头LED的缺点，充分发挥平头LED发光角度大光均匀度好，圆头LED点面积亮度高的优点，使两者互相取长补短，发挥最大的光效，同时合理控制圆头LED的安装倾斜角度，使LED光源均匀分布于各个照明面上，在组合使用中，通过找到每个LED之间的最佳排列间隙，使组合发光源既有光源亮度，也保证了光源的均匀度，并提高了LED的使用寿命。
　　在控制器方面，采用智能比较技术，使控制器的自身功耗降到4mA左右，使之更适合于太阳能控制系统，并且合理地设置蓄电池组的过充和过放电压点，延长了蓄电池的使用寿命。
　　
　　
　　
　　(2) 道路照度与适用范围
　　根据《城市道路照明设计标准》的规定：快速路、主干路平均照度20～30lx，均匀度0.4，次干路平均照度10～15lx，均匀度0.35，支路平均照度8～10lx，均匀度0.3。现投入使用的LED路灯，由于技术条件，LED功率偏小30～120w，光效50～80lx/w，道路照度较低，经测试，杆高8.5米，间距30米，光源2×50wLED灯，灯下照度19lx，两灯之间11lx，最暗处3.5lx。
　　以上数值为新安装灯具的初始照度值，故其照度是不能满足快速路与主干路。太阳能路灯目前宜在次干路、支路上使用。
　　五、太阳能LED 灯具目前存在的问题
　　(1) 目前，太阳能LED 灯具的主要问题是散热问题解决不好，如基于金属壳体的整体化设计、风扇及热管等辅助散热装置、有效防尘(尘土将极大妨碍散热)等，导致发光效率下降，而且光衰问题较严重，甚至失效。
　　(2) LED在照明应用中，本质上也属于点光源，其光学设计，包括初级透镜或反光装置的设计和二次光学的设计等是一大应用难点。
　　(3) LED光源本身发光光效偏低，目前行业内高功率LED光效的顶级水平在80lm/W，低于目前应用广泛的高压钠灯光效。
　　(4) LED所特需的恒流驱动电源，是保证其正常工作的一大基石，简单开关电源的方案常会带来LED器件的损伤。因此，LED路灯的进一步推广，有赖于光、热、电等方面整体解决方案的日益成熟。
　　(5) 单灯造价偏高，一颗进口的1W-3W LED大都要3美元左右,国产的也要10多块(质量差,无知识产权)，一个90颗LED左右的灯具加上太阳能电池组件、控制器、蓄电池和灯杆，造价远高于现在的普通高压钠路灯，使得太阳能LED路灯难以推广普及。
　　(6) 蓄电池寿命过短，太阳能板的使用寿命在25年以上，但普通蓄电池的使用寿命在2-3年，所以蓄电池是太阳能电力系统中最薄弱的环节。储能电容可以在一定程度上解决这个问题，但是昂贵的价格限制了它的应用，目前仅仅应用在部分交通信号灯和装饰灯上。随着技术水平的提高，产品价格的下降，它将是一种最有希望成为和太阳能电池配套的理想储能元件。
　　六、结论
　　随着人们对太阳能LED灯具的认知度越来越高，太阳能LED灯具及太阳能产品的普及率也会越来越高，市场越来越广阔。同时也随着太阳能LED灯具技术的不断进步，成本的不断降低，太阳能产品会进入更广阔的领域走进千家万户，实现“太阳能的绿色照明工程”，成为城市照明的一道闪亮风景。
　　
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