城市道路智能照明系统方案

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第一章高效节能的LED路灯解决方案

一、项目需求理解

LED智能路灯充分考虑了城市道路照明的实际状况，采用单片机控制技术对路灯照度进行动态智能化管理，实现路灯人性化。              由于路灯灯杆方案开发LED路灯具有其它路灯所没有的瞬态响应极快的              特性，电路上极易实现使用KHZ级的脉宽调制方式对              LED能方案开发一站式服务路灯的亮灭进行占空比调节，即调节了整体灯具              电PCBAAPP开              亮度。工作于如此高的频率下不会存在频闪现象。通过对灯具设定，可在繁忙的时段使路灯保持较强的照度，在后半夜车稀人少时开始自动调光，使路灯保持较低照度的照明。

1.智能化照明系统介绍概述

随着我国经济的稳步提升，能源开发与利用面临着日益增长的压力。伴随城市道路交通网络的持续扩展，路灯数量急剧攀升，从而对电力节省及路灯的精细化管理提出了更高的期望。当前，运用尖端技术以实现能源节约并提升路灯的智能控制与管理水平，已刻不容缓，成为城市照明体系建设的首要任务。

2.高效能的智能路灯特性

智能路灯革新了传统照明系统：不再依赖于钠气灯，而是选用高效能的发光二极管（LED）。其首要优点在于显著降低能耗，且LED的使用寿命是钠气灯的五倍，从而实现显著节省电力并降低城市智慧照明基础设施的维护成本，直接减少了四分之三的路灯维护支出。智能路灯设计巧妙地利用LED的优势，使其照明范围涵盖150米内的区域，同时集成智能服务，通过英唐众创研发的集成PCBAAPP，提供了一站式的解决方案。该方案中的雷达芯片技术尤为关键，它能精准地侦测目标，例如行人或车辆，甚至能分析其移动速度，进一步提升了路灯的智能化水平与服务功能。

光源控制器的协同作用下，路灯可以在目标接近时照亮。仅在目标远离路灯时，LED灯才会变暗。同时，芯片还能调节灯光，使之适应主导天气条件。在下雪或下雨天，LED灯的亮度明显高于黄昏时分。智能路灯的另一项功能是面向电动汽车的充电模块。一旦电动汽车的电池电量耗完，司机可以利用22kW的功率输出为电池充电。智能路灯还特别贴心，它能够识别免费停车位，通过“云”连接将相关信息传递给司机。不但帮助节约能源、节省时间，还可缓和司机的紧张情绪呢。智能路灯节能装置采用分时换挡方法，在保证照明的情况下兼顾到了用电低谷期节能效果。在节约能源、电力资源合理利用的前提下，智能路灯有着十分广阔的社会和商业前景。

3.深入解析智能路灯的功能机制

智能路灯又叫智能化路灯，或者智慧路灯、智慧照明，是采用物联网和云计算技术，对城市公共照明管理系统进行升级，实现路灯集中管控、运维信息化、照明智能化。智能路灯是应用先进、可靠的电力线载波和无线通信技术等，实现对路灯的远程集中控制与管理。该系统具有根据车流量自动调节亮度、远程照明控制、无线网络覆盖、故障主动警报、灯具线缆防盗、远程抄表等功能，能够大幅节省电力资源，提升公共照明管理水平。

二、详细功能评估

LED太阳能灯，具有节能、环保、寿命长，免维护等优点，光源可以采用几百颗高亮度LED组成，内置路灯控制器（光控、时控）及LED恒流驱动器，用户只需要连接灯杆、蓄电池，就可以完成太阳能路灯的组装生产。产品适用于小区道路、庭院、工业园区及新农村亮化工程的照明。

太阳能LED灯不需要外接220V电源，提高安全性。采用太阳能作为驱动。每个LED灯组都配置一个单独的太阳能电池板，该电池板能够使电池在阳光充足的条件下充电。可以将它们放置在家门口，信箱上，柱子等白天或者夜晚需要高亮度照明的地方。灯的电池不需要直接的太阳光，仅仅需要对着天空即可。只要有太阳光，灯的电池就可以自动充电，同时，日落之后灯就会自动发亮。不需要保养，不需要更换电池，不需要更换灯泡。

灯的特点：

1.采用太阳能驱动，不需要电力

2.采用LED为光源，不需要更换灯泡

3.电池在充足电之后可以维持发光

4.灯可以自动启动和关闭

5.具备良好的防水和耐环境侵蚀的性能

1.构成与组成部分

作为绿色能源解决方案，太阳能LED灯运用太阳能电池板作为其核心能源获取装置，它摒弃了传统的电网连接，通过捕捉太阳光能并转化为电能，储存在专用的蓄电池中。在夜间照明需求出现时，这种高效能的LED灯具则承担起照明任务，取代了传统的灯具，展现出显著的节能优势和现代科技特性。

产品由四大部分组成，即：

1)太阳能采集和转换部分——太阳能板；

2) 电能存储部分——蓄电池；

3) 照明部分——高亮度LED灯

4) 控制电路；

5) 其它——如支撑部件，控制箱灯。

图1太阳能路灯实物图  图2 太阳能LED路灯结构示意图

图3系统电气连接示意图

表1、部件功能

2.部件性能与规格

1、太阳能电池板指标：

·材料（单晶硅，多晶硅，非晶体）；非晶硅

●光电效率；

·价位；30元/W

峰值电压；17.5

接口；

工作寿命

工作电流

太阳能板的面积、重量

工作环境气候参数：-20℃至80℃

组件采用单晶与多晶高效电池片，功率范围广泛，涵盖1瓦至190瓦。电池片的厚度控制在200至350微米，选用了高透光的钢化玻璃和TPT材料，确保组件在严苛环境条件下依然保持卓越性能。组件搭载电镀铝型材框架，既便于安装移动，又考虑到轻便性；电池片与边框间适度间距的设计，旨在抵消气候影响，同时优化了组件的经济尺寸设计。

2、 电池指标：

●过充电压14.4V+-0.2V

容量50AH

无电时的电压

接口（连线标准）

控制策略：太阳能电池的充放电与待机状态切换

·电池的品种 免维护铅酸电池

价位

工作寿命

工作条件

3、LED灯：

·实现方式

色彩

●价位 17元/W

●功耗

电路形式

4、控制电路：

以下是太阳能LED系统所必需的四大控制电路功能：

·充放电控制功能

·路灯控制功能：时控、光控

●LED驱动

其他辅助功能。

另外，还需要有以下的特别功能：

1:采用创新的无忧设计，集成太阳能板与高效蓄电池，确保电路安全，无需依赖传统烧保险丝的防护措施。

2:该智能电子保险丝设计具备了包括过流保护在内的多重功能，尤为显著的是其额外搭载的过温保护特性。

3:大过流率TVS雷击保护

以上三项保护措施，可以使产品更可靠。

具体技术数据有：

12V,24V

防蓄电池反接

防太阳能板反接

防负载反接

蓄电池过充保护

蓄电池过放保护

LED灯恒流驱动

负载短路保护

智能充电算法

温度补偿（选件）

系统状态指示

内置微控制器

路灯控制系统支持时段控制（设定为4至10小时），并具备光照感应功能。

3.实现功能详解

1、类似产品资料收集，市场分析；

2、产品分析，原理分析；

3、电路设计；

4、试验；

5、BOM表，询价，试生产

三、创新设计策略

地面太阳能电池阵列接收的来自太阳的辐射光谱与强度，受多重因素影响，包括大气层的厚度（即大气质量）、地理位置特性、当地的气候气象条件以及地形地貌。这种辐射能量的日际、月度乃至年度变化显著，且不同年份间的年总辐射量存在明显差异。

太阳能电池阵列的光电转化效率受制于电池自身的温度波动、日光辐射强度以及蓄电池电压的动态变化，这些因素一日之间皆呈变动，因此光电转化效率被视为一个变数。

工作在浮充电模式下的蓄电池组，其电压会随着光伏阵列发电量及负载消耗电量的动态变化而相应调整。同时，蓄电池的能量输出也受到周围环境温度的显著影响。

电子元器件构成的太阳能电池充放电控制器在运行过程中自然消耗能量，其元器件的性能与品质直接关乎能耗水平，进而对充电效率产生影响。

根据用途的不同，负载的电力消耗特性各异。例如，通信中继站和无人气象站的电力需求相对固定，主要消耗在各类设备上。然而，诸如灯塔、航标灯、民用照明以及生活用电这类设施，其电力消耗则呈现出动态变化的特点。

在设计太阳能电源系统时，需关注的众多且复杂的因素主要包括：依赖于先前的统计数据，对各项数据的测量精度和选取至关重要。

设计者需针对太阳能电池阵列所处的环境要素（包括地理位置、太阳辐射量、气候、气象条件、地形特性和周边环境）进行考量，旨在设计出兼顾经济效益与系统高度可靠性的太阳能电池阵列及蓄电池电源系统。

设计太阳能电池阵列所需的数据来源于气象台提供的特定地点长期累积的太阳辐射能量资料，通常包括数年乃至数十年的平均值信息。

太阳能辐射与地球表面接收的光照周期同步，每日24小时更替。太阳能电池阵列的发电量随之呈现昼夜周期性波动，其规律遵循当地太阳辐射的时空分布，然而，天气条件显著影响发电效率。遇到连续阴雨天，电池阵列的发电能力受限，此时储能系统——蓄电池成为主要能源来源。设计时，设计师通常依据气象站提供的年度平均太阳辐射总量或日照时数，优先选择近十年内最低的数据以确保系统的可靠性。考虑到负载在无论日照还是阴天的用电需求，都依赖于蓄电池的稳定供电，因此，太阳能总辐射量或总日照时数是确定蓄电池容量至关重要的参数。

在太阳能电池阵列的设计中，负载需涵盖整个系统的电力消耗，这包括除用电设备之外的所有元件，如蓄电池、线路以及控制器等。

输出功率的配置取决于组件的串联与并联组合策略：串联旨在获取所需的电压，而并联则致力于获取所需的电流。通过适当地安排组件的串联与并联，得以构建出满足需求的太阳能电池阵列。

1.高效能电池组容量规划

1.1蓄电池种类

后备式蓄电池通常用在系统中，他不适合长期充放电，但是，他可以极大程度的极限放电，比如在短电后，为了保持输出供应，在全速维持着系统运转，他绝对不允许蓄电池中途没电了或者放不光，否则柴油引擎等还没有来得及启动可能电力就中断了，这种事对于数据中心等场合，造成的后果可能是整个国家甚至全世界的网络瘫痪。

动力型蓄电池，如应用于电动汽车的此类电池，特别适用于频繁的充放电过程，其显著的特点在于强大的放电性能和能承受持续大电流的释放能力。

1. 启动型蓄电池，常见于如汽车的应用，其低温性能卓越，能迅速提供大电流以启动引擎。然而，连续启动后需适当等待其恢复，否则可能导致电量耗尽。实际上，除了上述类型，市面上还有诸如通信设备专用的蓄电池和储能用缓冲蓄电池等多种选择。

1.2蓄电池组容量设计

储能系统在太阳能电池电源体系中扮演关键角色，主要由与太阳能电池方阵协同工作的蓄电池构成。这些蓄电池通常处于浮充状态，其电压随着方阵发电量和负载消耗的电力动态调整。其储能容量远超负载需求，且受到环境温度显著影响。为了与太阳能电池高效配合，所选蓄电池需具备较长的使用寿命和便捷的维护特性。

1.蓄电池的选用

能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池因为其固有的“免维护特性及对环境较少污染的特点很适合用于性能可靠的太阳能电源系统特别是无人值守的工作站普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大所以主要适于有维护能力或低档场合使用碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。

2.蓄电池组容量的计算

蓄电池的容量对于确保不间断供电至关重要。其容量的选择需考虑以下因素：一年中，光伏阵列的月发电量存在显著波动。在电力需求无法得到满足的月份，蓄电池承担了电力补充的任务；而在电力过剩的月份，蓄电池则负责存储多余的能源。因此，光伏阵列发电量的供需不平衡是决定蓄电池容量的重要依据。此外，连续阴雨天气期间的电力负荷主要依赖于蓄电池，此时的能耗消耗也是确定蓄电池容量的关键因素。

因此蓄电池的容量BC计算公式为：

公式解析如下： BC 由乘积 A 与 QL、NL 和 TO 的乘积相除，再除以 CC，即： BC = (A × QL × NL × TO) / CC

A为安全系数，取1.1~1.4之间；

QL代表的是日平均能耗，它是工作电流与日工作时间的乘积。

NL为最长连续阴雨天数；

温度修正系数(TO)的选取通常依据环境温度：在0℃以上，系数设为1；当气温回升至-10℃以上，采用1.1；而对于低于-10℃的情况，建议选用1.2作为标准值。

通常情况下，铅酸蓄电池的放电深度CC推荐设置为0.75，而对于碱性镍镉蓄电池，建议的放电深度为0.85。

2.高效太阳能电池技术探讨

2.1原理

作为可再生能源的核心基础，太阳能光发电技术依赖于转化装置，它将太阳辐射能转化为电能。这种转化主要借助半导体器件的光伏效应，因此这一领域通常被称为太阳能光伏技术。

光伏电池的工作原理（见图形1）

当太阳光照射至太阳能电池板表面，部分光子的能量被捕获于硅质材料，促使硅原子发生电子跃迁。这些释放的电子在P-N结两侧积聚，形成电势差。当外部电路连通，受到该电压驱动，电流得以通过，从而产生可观的输出功率。这一系列过程的核心在于：将光子能有效转化为电能的机制。

光伏发电系统的构成：

一个基础的太阳能电力生成装置主要包括太阳电池组件、控制器、逆变器以及储能电池。系统种类划分如下：

两种主要的光伏发电系统类型：并网模式与独立运行

并网发电系统（见图形2）

交流电网接收由太阳能电池阵列产生的电能，随后并网逆变器将这种直流电能直接转换并输送到电网，或者直接驱动交流负载，实现太阳能电力的利用。

独立发电系统（见图形3）

电力源自独立的太阳能电池阵列，其产生的直流电通过蓄电池充电后，再经由逆变器转化为可用的交流电供应系统。

2.2太阳能电池材料

多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。被称为“微电子大厦的基石”。

在太阳能的应用领域，单晶硅和多晶硅扮演着关键角色。为了实现太阳能发电的市场广泛接纳并推动其商业化，提升太阳电池的光电转换效率与降低成本至关重要。根据国际太阳电池技术的演进历程，当前的发展趋势涵盖了单晶硅、多晶硅，以及带状硅等多种形式，同时薄膜材料（包括微晶硅基、化合物基以及染料薄膜）也日益受到关注。

随着工业化进程的演进，产业重心转向了多晶硅，主要原因如下：  1. 可供太阳电池使用的头尾料资源日益稀缺； 2. 对于太阳电池而言，方形基片具有经济优势，通过浇铸法和直接凝固法生产的多晶硅可以直接转化为方形硅片； 3. 多晶硅的生产工艺不断创新，全自动浇铸炉实现每周期（50小时）生产200公斤以上硅锭，晶粒尺寸可达厘米级别； 4. 十年来，单晶硅工艺的快速发展也影响了多晶硅电池，如采用蚀刻发射结、背表面场处理、绒面腐蚀、表面和体钝化技术，以及运用丝网印刷技术将栅电极宽度减小至50微米，高度提升至15微米以上。快速热退火技术的应用显著缩短了生产周期，单片热工序时间可缩短至一分钟内，且在此基础上，100平方厘米多晶硅片的电池转化效率已超过14%。  据统计，当前在50至60微米多晶硅基板上制造的电池效率已超过16%。借助机械刻槽和丝网印刷技术，100平方厘米多晶硅的效率提升至超过17%，无机械刻槽条件下相同面积下的效率维持在16%。采用嵌入式栅格结构，即使在130平方厘米的多晶硅上，通过机械刻槽也能实现15.8%的电池效率。

高效稳定的单晶硅电池虽然展现出卓越的性能，主要体现在其高转化效率和优异的稳定性，但相对较高的制造成本不容忽视。早在二十年前，单晶硅电池的技术革新便已实现光电转换率超过20%的重大突破。

多晶硅电池成本低，转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20%的关口。德国弗劳恩霍夫协会科研人员采用新技术，在世界上率先使多晶硅太阳能电池的光电转换率达到20.3%。

从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势。其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒被认识是两种非常有前途的光伏材料，而且目前已经取得一定的进展，但是距离大规模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡需要大量的工作去做。

2.3太阳能电池设计

1.太阳能电池组件串联数Ns

为了获取所需的工作电压，太阳能电池组件需按适宜数量串联。首先，串联数量过少将导致串联电压低于蓄电池的浮充电压，此时太阳能电池阵列无法对蓄电池进行充电。其次，若串联过多，输出电压远超浮充电压，充电电流的增长并不显著。因此，唯有当太阳能电池组件串联电压恰好匹配合适的浮充电压时，才能实现最优的充电状态。

计算方法如下：

Ns与输入能量比(U/R)等于总输入能(Uf+UD+Uc)与输出能量(Uoc)之比，即： Ns/Uoc = (Uf + UD + Uc) / Uoc

(2)式中：

UR为太阳能电池方阵输出最小电压；

Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；

Uf为蓄电池浮充电压；

UD为二极管压降，一般取0.7V;

UC为其它因数引起的压降。

浮充电压的选择与所选蓄电池的规格紧密相关，应等于串联电池中单体在最低温度下的额定工作电压之和。

2.太阳能电池组件并联数Np

我们首先设定相关量的计算方法，随后确定NP。

(1)将安装于太阳能电池阵列站点的日辐射总量Ht，换算为在标准光照条件下的平均每日辐射时数H。

(3) 

式中：

为将日辐射量换算为标准光强(1000W/m2)下的平均日辐射时数的系数。

(2)太阳能电池组件日发电量Qp:

质量流量Qp等于位置locx与高度H的乘积，进一步乘以系数Kop和Cz。

式中

loc为太阳能电池组件最佳工作电流；

Kop为斜面修正系数；

修正系数Cz主要考虑了组合效应、衰减影响、尘埃作用以及充电效率等方面的损耗，通常取值为0.8。

(3)本设计的独特性体现在两组最长连续阴雨天气之间的最短间隔天数Nw，这一参数对于确保在所需时间范围内，即Nw天内能够充分充电，补足亏损的蓄电池电量至关重要。相应的，所需的蓄电池容量Bcb计算如下：

Bcb=A×QL×NL Ah  (5)

(4)计算太阳能电池组件的串联数Np的方法如下：

Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw)  (6)

公式(6)的含义阐述为：要求并联的太阳能电池阵列数量，其在两段连续阴雨天气之间的最短时间内产生的电力，不仅要满足负载的消耗，还需足够补偿在最长连绵阴雨期间蓄电池的电量损耗。

3.太阳能电池方阵的功率计算

太阳能电池方阵的功率P可以通过计算电池组件的串联或并联数量来确定。

P=PoxNsxNpW (7)

式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。

本次设计光源电压12V,功率为21W,每天工作6h,最长连续阴雨天为3d,两最长连续阴雨天最短间隔天数为15d,太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的WBG40(P)型组件，组件标准功率为40W,工作电压17.2V,工作电流2.32A,蓄电池采用铅酸免维护蓄电池，浮充电压为.其水平面太阳辐射数据参照表，成都地区其水平面的年平均日辐射量为10392(k/m2),Kop值为0.7553，计算太阳能电池方阵功率及蓄电池容量。

1.蓄电池容量Bc:

电池容量（Bc）可以通过以下公式计算：Bc = A × QL × NL × To / CC，其中 CC 的修正系数为 1.2。具体换算如下：1.2 倍的 (21 个月/12) 的电池寿命 NL，乘以 6 个单体电池的数量，再除以效率系数 0.75，最终结果为 50Ah。

2.太阳能电池方阵功率P:

太阳能电池组件串联数Ns:

Ns的比值等于UR相对于Uoc的比率，即(Nf+UD+UC)除以Uoc，计算结果为(14+0.7+)除以17.1，约为0.88，接近于1。

太阳能电池组件日发电量Qp:

电池容量计算公式为：Qp = loc × H × Kop × Cz，其中的计算结果大约为 4.05Ah，具体为 2.32乘以10的39.2次方，再乘以2.778分之10000，然后乘以0.7553和0.8的乘积。

需补充的蓄电池容量Bcb:

,其中太阳能电池组件并联数Np:

故太阳能电池方阵功率为：

3.根据计算得出，该地面卫星接收站所需的太阳能电池方阵功率为120瓦特，同时推荐配置的蓄电池容量为50安时。

上述设计所需：

50Ah蓄电池：

NS=1,NP=3,功能为120W太阳能电池：

3.高效节能的LED照明解决方案

照明组件采用1瓦白色LED灯，每串包含3颗，通过串联构成7组，总计27颗均匀分布在散热板上作为平面光源。

4.电路控制系统

电路体系划分为两大支柱：太阳能充放电管理系统与LED照明供电路径。太阳能充放电控制器的核心职能在于保障蓄电池的健康，其基础配置须包括过充防护、欠充保护以及防反接机制。

其LED灯供电电路则需具备光感应与时间控制的双重功能。

如表1所示，通常的蓄电池过充、过放保护电压控制参数，其工作原理在于当电池电压达到预设阈值时，电路状态随之进行相应的调整。

表1蓄电池充放电保护

元器件的选择上，我们会依据具体情况选用比较器或单片机。

5.高效节能路灯系统解决方案

路灯灯杆高6M,厚度为5MM

第二章高效能智慧路灯云管理解决方案

一、智能城市道路照明系统

1.创新的智能路灯升级策略势在必行迫在眉睫

城市道路照明作为公共基础设施的核心内容，伴随城镇化进程的加速，路灯数量剧增，能耗也随之攀升，电力供应面临日益严峻的压力。同时，人工控制和路灯巡检等维护任务导致的高昂成本，对城市管理构成显著挑战。为优化城市管理并推动绿色节能，管理部门亟需实施高效管理和节能策略，以实现城市照明的科学化与资源节约。

据统计，截至目前，全国811个城市的道路照明管理中，已有263座城市成功实施了基于无线三遥（远程控制、通信及监测）技术的智能化控制系统。

根据二五”城市绿色照明规纲要》课题组对包括所有直辖市、省会城市、计划单列市在内的81个重点城市的统计，智能监控仪的总数最多，已达21826点，分别为时控、光控和防盗监控点的3倍、6.8倍和9.2倍。

图表1：道路照明控制系统情况

当前，我国城市道路照明管理系统普遍未实现网络化监控，主要依赖于区域性的‘三遥’智能化控制系统，仅能对路灯进行远程开关操作。大部分城市的路灯控制权分散在各变压器（配电箱），导致控制手段缺乏灵活性，难以实现对每盏路灯的实时监控和个体亮度调控，从而制约了节能效率的提升。

当前的城市照明监控与管理模式在精细度和节能效率上显得较为基础，已无法适应现代都市对照明服务品质及节能减排的高要求。

图表2：城市照明传统管理模式存在的弊端

路灯节能改造策略主要包括两种途径： 1. 灯具替换策略：首先，对现有的路灯灯具进行现代化升级，将老旧的高压钠灯或金卤灯等光源替换为高效能的LED光源，这一步旨在直接提升能源利用效率。 2. 现有设施智能化改造：其次，通过在原有路灯上安装物联网技术驱动的单灯控制器，这种创新设备允许对每一盏路灯实施精确控制，如支持0-10V或PWM接口进行调光和功率管理，以实现智能化调控。这