太阳能LED路灯在市政照明中的应用

太阳能是 21 世纪的主要能源，是地球上最直接、最清洁的可再生能源。每天辐射到地球表面的太阳能中的能量相当于 2.5 亿万桶石油的能量。随着全球资源的减少，基础能源投资成本的增加，各种安全和污染问题增加。太阳能是一种取之不尽，用之不竭的安全环保新能源，受到能源企业的广泛关注，研究人员开始对太阳能进行深入研究。在太阳能热水器普及后，太阳能照明产品也开始走进大众视野。目前，道路照明主要使用高效电光源和智能控制系统、高效电子设备和动力系统。道路照明需要消耗城市能源，如果在道路照明中使用太阳能，而不再消耗当地政府电网提供的电力，将会大大减少城市的电能消耗。应用太阳能 LED 路灯可节约投资，并且太阳能是一种绿色无污染的照明能源[2]。1  太阳能 LED 路灯概述1.1 太阳能 LED 路灯的结构太阳能 LED 路灯主要由太阳能电池组件、组件支架、光源和电控箱（内控）灯柱（含灯头）等结构组成。太阳能 LED 路灯白天通过太阳能光伏电池的光电反应太阳能将转换为电能，并储存在蓄电池中，夜晚蓄电池可以通过电控箱驱动光源。太阳能 LED 路灯采用自动控制系统，只需设置系统的运行模式，太阳能 LED路灯就会自动工作。1.2 太阳能 LED 路灯的特点太阳能 LED 路灯不需要采用大体积的供电电池，也不需要铺设复杂昂贵的管道，可灵活布置，拥有广阔的应用空间，在我国很多城市都得到应用。在经济发达地区，太阳能 LED 路灯的建设与城市建设逐渐一体化，其先应用在公益建筑，后来逐渐推广到其他场所。现今，在高速公路、公园、车站等公共场都可以见到太阳能 LED 路灯的身影。太阳能 LED 路灯基本上利用太阳光照明，不受区域资源限制。太阳能路灯具有安全性和环保性[3]。2  普通照明路灯与太阳能 LED 路灯的对比

2.1 安装施工

普通照明路灯安装程序复杂。首先需要安装电缆，然后进行大量基础施工，如挖坑，建设暗管、内部线路和凹槽。一旦在安装、调试、布线等环节出现问题，就需要进行大面积的重新施工。而且普通照明路灯对地形等的要求非常严格，人工和辅助材料成本高。相比之下，太阳能 LED 路灯可以轻松安装，安装太阳能路灯时，无须使用普通照明路灯复杂的安装工艺，只需要铺设水泥底座，然后用不锈钢螺栓固定[4]。

2.2 保养维护作者简介： 杨柏旺，男，硕士，工程师，研究方向为市政电气工程。普通照明路灯通常需要进行保养和维护，  照明工程

保养和维护费用会逐年增加。太阳能 LED 路灯只能一次性使用 3 年，之后需要更换新路灯，省下的 3 年的投资、维护费用可用于抵消更换新路灯的费用。从长远来看，太阳能 LED 路灯可以节约投资成本和维护费用，带来长期利润。

2.3 能源消耗

城区对照明亮度要求高，一般采用 250 W 钠灯或 400 W 钠灯，而使用 112 W 或 180 W 的太阳能 LED路灯也能满足实际需要。相比普通照明路灯，太阳能LED 路灯耗电更少、成本更低、亮度适中，在城市建设中越来越普及，深受人们的欢迎[5]

。

3  太阳能 LED 路灯的使用限制

3.1 不适合密集城区

城市中有许多摩天大楼，它们会覆盖太阳能电池，减少到达太阳能电池的光照。同时，城市的光照时间太短，难以控制聚光强度。城市中有很多车辆，而且楼体存在亮化，环境中光线过足，这会影响路灯控制器的调节。

3.2 不适合北方地区

冬天，北方地区大雪纷飞，积雪很厚，极容易覆盖太阳能电池板，影响光电转换率。如果雪很大，很容易损坏太阳能电池板。有以下两种方法可以克服在北方地区使用太阳能 LED 路灯的限制[6]。（1）在太阳能 LED 路灯安装发电机，在下雪天气太阳能 LED 路灯可以利用发电机发电。这种方法成本高，初期投资高于普通照明路灯和太阳能 LED 路灯。（2）太阳能 LED 路灯可以利用风能补偿太阳能。路灯可以同时使用风能和太阳能发电，二者可以在自然条件变化时相互补充。风能发电的工作原理是用风力带动发电机转动，将风能转化为电能，可以给电池充电。太阳能发电的工作原理是利用光电效应将太阳能直接转化为直流电，然后储存在电池中备用。只要有风或太阳，太阳能 LED 路灯就可以继续使用[7]。

3.3 路灯寿命有限

元件损耗、控制器损耗、逆变器损耗、电池损耗、线路损耗和季节性负荷损失会影响太阳能 LED 路灯的工作效率。其中，太阳能电池的状况会随昼夜、气候变化而变化，并且太阳能电池表面的灰尘会影响其电能生产力。据估计，受到影响后，太阳能 LED 路灯的工作效率仅为之前的 30%。太阳能 LED 路灯的组成部分一旦受到雨、热、紫外线等的伤害，或者污垢、灰尘等的影响，其使用寿命会缩短。需要随时清洁太阳能 LED 路灯，避免太阳能电池板因过热而损坏。

4  太阳能 LED 路灯的应用建议

4.1 加强整体规划

从性能上看，太阳能 LED 路灯不能满足高速公路主干道的照明需求，这是因为城市主干道空间大，应用太阳能 LED 路灯会导致照明能量损失变高。因此，在城市建设的照明设计和规划阶段，需要从整体上控制能源消耗。节能减排是重中之重，需要将节能减排贯穿于整个明设计和规划阶段，全面落实绿色环保理念和相关政策、标准，打造高效城市夜环境。在总体规划中，需要控制路灯数量和位置，考虑政策、城市照明规划，进行实地考察和规划布局等[8]。

4.2 合理选用 LED 光源

目前，照明市场有高、中、低功率的 LED 灯具。功率和输出比越高，LED 越亮，越适合用于路灯。LED 的功率和工作电流越大，产热量越大，必须解决大功率 LED 的散热问题，否则会降低太阳能 LED 路灯的工作效率，缩短太阳能 LED 路灯的使用寿命。在设计 LED 光源时，应选择散热系数较高的光源。使用LED 时，需要使用串联方式，因为选择并联方式会产生大电流，功率增大，LED 驱动器的成本会大幅增加。

4.3 合理设计充电方式

白天，太阳能 LED 路灯的充电方式主要有高速电压充电和恒压充电两种，路灯控制系统切换到充电模式，根据每次充电前的电压水平选择合适的充电方式。晚上，LED 路灯控制器切换到自动供电模式。需要及时检测电池的存储容量，防止电力损耗加大，导致电池损坏。电池监控主要采用电流发射方式，通过监控电流中载流子的变化来监控电流的变化。

4.4 使用智能管理系统

智能管理系统可以对太阳能 LED 路灯进行统一管理，使用计算机对城市照明和交通网络信号进行信息化管理、维护、运营。智能管理系统可以用于城市道路电网系统管理，包括城市照明、交通、城市信号设施和城市交通设施管理，是全市照明的管理系统。在太阳能 LED 路灯的前期项目规划阶段，需要针对路灯位置等建设适当的数据库，然后利用智能管理系统管理和优化照明设施，这可以大大降低隐性成本。太阳能 LED 路灯智能管理系统的结构如图 1 所示。 照明工程   2023 年  第 2 期  总第 177 期  光源与照明

5  应用效益

太阳能 LED 路灯的成本通常为 1 000 元 /m，初期投资比较大，但不需要提供任何动力。传统路灯通常是高压钠灯，采用高压钠灯进行道路照明，初期投资较小，但城市流量大，需要维护设备，并由市电网提供电力，后期维修成本较高。高压钠灯的使用寿命为 1 000h，太阳能 LED 路灯的使用寿命为 7 000 h，按每天 10 h 计算，太阳能 LED路灯可以使用 20 年，其使用寿命是传统高压钠灯的 7 倍。用太阳能 LED 路灯时，需要更换电池 5 次（平均每 4 年 1 次），每 1 次的更换费用为 680 元，而高压钠灯需要更换电池 7 次，每 1 次的更换费用为 200 元。按每年 365 d 计算，相比高压钠灯，太阳能 LED路灯在 20 年内可节约 2 124 300 kW·h 的电力能源。

5.1 经济效益

经计算，相比高压钠灯，太阳能 LED 路灯可节省电费 0.9 元 /（kW·h），1 年可节省电费 9.56 万元，因此利用太阳能 LED 路灯可以提升经济效益。如果考虑20 年的电价涨幅，以电价的平均涨幅计算，预计未来20 年的电价为 1.65 元 /（kW·h），利用太阳能 LED

路灯预计可节省电费约 3 551 万元。如果不算太阳能LED 路灯的电池更换成本，太阳能 LED 路灯的投资成本为 206 000 万元，仅需 1.18 年就可以与高压钠灯的投资成本持平。当路灯造价为 8 044 万元时，不算投资成本（电池升级等费用），扣除手续费，使用 20 年

将实际节省 2 707 亿元。

5.2 社会效益

节电量计算以煤为参考，据统计，每节省 1 kW·h 电，即可节约 0.36 kg 标准煤，同时可减少排放 272 kg碳尘、0.997 kg 二氧化碳、0.037 kg 二硫化物和 0.01 kg氮氧化物。以 20 年为参考，因节省 2 124 300 kW·h 电，计算得出，可节省 767.75 t 标准煤，减少排放 577.81 t碳尘、2 117.93 t 二氧化碳、63.73 t 二氧化硫和 31.86 t氮氧化物。

6  结束语

在绿色环保、节能减排、可持续发展等基本方针的引导下，绿色、环保、低碳的太阳能 LED 照明产业发展迅速。随着太阳能 LED 路灯的运营经验的积累和相关技术的不断完善，传统照明方式逐渐被淘汰，太阳能 LED 路灯的应用可以大大减少能量损失，保护环境。太阳能 LED 路灯的应用可以取得一定的社会效益和经济效益。可持续发展的清洁可再生能源对于世界各国都越来越重要，常规清洁能源逐渐向可再生能源过渡。新型可再生能源，如风能和太阳能等的使用不会造成燃油、烟雾、灰烬等污染。特别是太阳能电池组件，使用寿命达 20 年以上，性能稳定、维护成本低，在未来的能源领域大有发展空间。

参 考 文 献

[1]   方敏, 成迪. 太阳能LED路灯在老旧小区改造中的设计及应用[J]. 

照明工程学报, 2022, 33 (6) : 203-207.

[2]   张艳红, 修强, 李强, 等. 基于物联网的太阳能LED路灯智能照明

云控制系统的设计与研究[J]. 太阳能, 2022 (8) : 55-63.

[3]   李明霞, 段景曦. 太阳能LED路灯在城市道路照明中的应用研究

[J]. 光源与照明, 2021 (2) : 12-13.

[4]   彭建军. 太阳能LED路灯系统的设计与应用[J]. 智能建筑与智慧

城市, 2021 (1) : 68-69, 80.

[5]   王颖. 太阳能LED路灯控制器设计[D]. 北京: 北京工业大学, 2019.

[6]   刘彬. LED路灯及其在市政道路照明中的应用与发展[J]. 光源与

照明, 2022 (1) : 29-31.

[7]   王婷, 薛河, 尹振坤, 等. 太阳能路灯结构系统的静应力和模态分

析[J]. 中国科技论文, 2018, 13 (16) : 1921-1925.

[8]   代春燕, 袁建华, 张方虎, 等. 集中储能式太阳能LED路灯系统设

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