城市道路智能照明系统综合解决方案

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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

在设计LED智能路灯时，我们充分考量了城市道路照明的实际需求，集成单片机技术的应用策略。

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

采用KHZ级脉宽调制技术，便捷地调控LED路灯的亮度占比，从而实现整体光照强度的精细调节。在高频运行条件下，灯具表现出卓越的无频闪性能。通过预先设置，路灯能在交通繁忙时段维持较高的照度，而在深夜车辆行人减少时，自动降低亮度至适宜的照明水平。

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，运用尖端技术以节能和强化路灯智能管控与运维水平，已迫在眉睫，成为城市建设中照明系统亟待关注的重点任务。

2.高效能的智能路灯特性

相较于普遍分布于城市街巷的常规路灯，智能路灯的独特之处在于它不采用传统的钠气照明技术，而是选用发光二极管（LED）作为光源。首先，LED的优势在于其显著的省电特性。其次，LED

灯的寿命比钠汽灯长5倍，这意味着减少

浪费和节省电能，使城市的街道照明成本

直接减少四分之三。智能路灯进一步发挥

LED灯的卓越性能使其能适应150米范围内环境照明。英唐众创研发的雷达芯片独具匠心，能侦测并识别接近的行人或车辆，精确测定其移动速度。在雷达芯片与光源控制器的协同配合下，路灯能在目标接近时自动调整亮度。只有当目标远离时，LED灯才会适度调暗。此外，芯片还能根据天气条件调整光照强度，确保在雨雪天气中提供更为明亮的照明。智能路灯还具备电动汽车充电功能，支持22kW的快速充电，为驾驶员提供便利。更值得一提的是，其配备了车位识别系统，通过云端技术实时通知司机空闲车位信息，既节省时间又缓解驾驶压力。智能路灯的节能装置采用了先进的分时策略，兼顾照明需求与用电低峰期的节能效果。在高效节能和电力资源优化利用的前提下，智能路灯显示出广阔的应用前景，对社会和商业发展具有显著价值。

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。

无需接入常规220V电网，确保了显著的安全优势，太阳能驱动是其核心设计。每个LED照明单元配备专属的太阳能电池板，它专司在日照充足时为内置电池充电。这些灯具适用于诸如门廊、邮箱、柱子等日夜需求高照度照明的户外场所。它们的设计并不依赖直射阳光，只要接收足够的光照，电池即可自主完成充电。一旦夜幕降临，灯光便会自动点亮。此外，这款灯无需维护，电池更换与灯泡更迭一概无需操心。

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

太阳能驱动的LED照明系统：该装置依赖太阳能电池板作为能源获取手段，它摒弃了常规的电网连接，通过捕捉太阳能并将其转化为电能，进而为内置的高性能LED照明设备供电。这种LED照明技术以高效能和节能环保著称，取代了传统的照明灯具。

产品由四大部分组成，即：

1)太阳能的捕获与转化单元：太阳能光伏板

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

工作条件（温度、湿度范围）-20度80度

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

智能路灯控制系统：定时（工作时段4至10小时），光照感应

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

太阳辐射光谱及强度照射在地面太阳能电池阵列上，受多重因素影响：大气层的厚度（大气质量）、地理位置特性、特定地区的气候气象条件，以及地形地貌。这种辐射能量的日际、月度乃至年度波动显著，历年间的年总辐射量差异亦不容忽视。

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、日光强度以及蓄电池电压的动态变化，这些因素一日之间均呈现变异性，因此其光电转化效率表现为变量特性。

工作于浮充电模式的蓄电池组，其电压动态响应于光伏阵列发电量与负荷消耗电量的变化，并且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消耗能量，其元器件的性能与质量直接影响能源消耗，进而对充电效率产生影响。

根据其具体用途，负载的电力消耗特性各异。例如，通信中继站与无人气象站等设施，其设备电力消耗具有稳定性；然而，诸如灯塔、航标灯、民用照明以及生活用电这类设施，其电力需求则呈现出动态变化的特性。

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。

地球上各地区受太阳光照射及辐射能变化的周期为一天24h.处在某一地区的太阳能电池方阵的发电量也有24h的周期性的变化，其规律与太阳照在该地区辐射的变化规律相同。但是天气的变化将影响方阵的发电量如果有几天连续阴雨天，方阵就几乎不能发电，只能靠蓄电池来供电而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好。设计者多数以气象台提供的太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据由于一个地区各年的数据不相同，为可靠起见应取近十年内的最小数据根据负载的耗电情况，在日照和无日照时，均需用蓄电池供电气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量大小是不可缺少的数据。

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系统中主要由蓄电池担当。通常情况下，与太阳能电池阵列协同工作的蓄电池运行于浮充电状态，其电压会随着方阵发电量及负荷消耗电能的波动而相应调整，其容量远大于实际需求。此外，蓄电池的能量输出还会受到环境温度的影响。为了满足与太阳能电池的兼容性，理想的蓄电池应具备长的使用寿命和简便的维护特性。

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连续供电至关重要。月度光伏发电量的波动显著，无法满足电力需求的月份，蓄电池需提供额外电力补充；而在发电过剩的月份，蓄电池则负责存储多余能源。因此，光伏发电的供需不平衡情况，是决定蓄电池容量的一个考量因素。同样，连续阴雨天气期间的电力负荷依赖于蓄电池，这段时间的消耗电量亦是确定蓄电池容量的重要参数。

因此，蓄电池的容量BC计算公式为：

BC=A×QL×NL×TO/CC Ah (1)

公式中：

A为安全系数取1.1~1.4之间；

QL代表的是每日平均能耗电量，即工作电流与日工作时长的乘积。

NL为最长连续阴雨天数；

温度修正系数通常设定如下：当温度高于0℃时，取值为1；在-10℃至0℃范围内，选用1.1；而对于低于-10℃的情况，则采用1.2。

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，太阳能光发电技术通过转换装置实现了太阳辐射能向电能的转化。这一过程主要依赖于光电转换装置，其工作原理基于半导体器件的光伏效应，故亦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：

一个完整的太阳能发电装置主要包括太阳电池板、控制器、逆变器及储能蓄电池。

光伏发电系统的类型：

两种主要的光伏发电系统类型：并网与独立供电

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部分直流电转化为适宜的交流电，直接向电网输入，或者直接驱动交流负载，实现太阳能电力的高效利用。

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

作为半导体基石，多晶硅扮演着至关重要的角色，它是制造单晶硅的首要原料，对于推动人工智能、自动控制、信息处理以及光电转换等领域的核心电子元件——半导体器件的发展，构成了电子信息产业的基石支撑。

在太阳能的应用领域，单晶硅和多晶硅扮演着关键角色。为了在市场上取得广泛接纳并实现商业化，提升太阳能电池的光电转换效率和降低生产成本是至关重要的。观察国际太阳电池技术的演进路径，可以预见其未来发展趋势涵盖了单晶硅、多晶硅、带状硅以及薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物半导体薄膜和染料敏化薄膜）等多元化的解决方案。

随着工业化进程的演进，产业重心逐渐转向多晶硅，其主要原因在于：可供太阳电池使用的头尾料日益稀缺；方形基片对于太阳电池具有成本效益，通过浇铸法和直接凝固法获取的多晶硅可以直接转化为方形硅片；多晶硅的生产工艺持续优化，全自动浇铸炉在50小时周期内能生产超过200公斤的硅锭，晶粒尺寸已提升至厘米级别。近年来，单晶硅工艺的快速发展也影响了多晶硅电池的制造，如采用蚀刻发射结、背表面场处理、绒面腐蚀、表面及体钝化技术，以及运用精细金属栅电极（栅线宽度可达50微米，高度超过15微米），丝网印刷技术显著缩短了热处理时间，单片热工序能在一分钟内完成，使得在100平方厘米多晶硅片上实现的电池转化效率超过14%。据报导，目前在50至60微米的多晶硅基板上，电池效率已突破16%。通过机械刻槽和丝网印刷，100平方厘米多晶硅上的效率可达17%，无需机械刻槽在同一面积下也能达到16%。而采用嵌入式栅结构时，即使在130平方厘米的多晶硅上，电池效率仍能达到15.8%。

单晶硅电池以其卓越的光电转换效率和稳定的性能著称，尽管如此，其制造成本相对较高。这项先进技术早在二十年前便已实现超过20%转化效率的里程碑突破。

尽管多晶硅电池因其成本优势而备受青睐，但其转换效率相较于直拉单晶硅太阳能电池略逊一筹。光电转换率受限于材料特性，如晶界、位错、微缺陷的存在，以及碳和氧等杂质的影响，以及工艺过程中的污染性过渡族金属问题。然而，这一局面在德国弗劳恩霍夫协会科研人员的新技术研发下得到了突破，他们成功引领全球，实现了多晶硅太阳能电池光电转换率的显著提升，达到了20.3%的里程碑。

在固体物理学的视角下，硅作为光伏材料并非最优选择，原因在于它是间接带隙半导体，其光吸收特性相对较弱。因此，探索替代材料的趋势日益显现。其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CIS)被视为极具潜力的选项，尽管它们在研发上已取得部分突破，但要实现大规模商业化生产，并与晶体硅太阳能电池相竞争，仍需付出巨大的努力和进一步的研发工作。

2.3太阳能电池设计

1.太阳能电池组件串联数Ns

太阳能电池组件串联的数量需谨慎设定：1）串联数量过少，将导致串联电压不足以满足蓄电池的浮充电压需求，无法进行有效充电；2）若串联过多，输出电压远超出浮充电压，充电电流的增长并不明显。因此，理想状态下，当太阳能电池组件串联电压恰好匹配适宜的浮充电压时，充电效率才会达到最优状态。

计算方法如下：

Ns与UR/Uoc的关系为：Ns等于总用电需求(Uf+UD+Uc)除以可用容量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:

质量特性Qp由局部坐标系locx下的分量Hx乘以系数Kop并进一步与Cz项相乘得出。(4)

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、灰尘积聚以及充电效率等方面的损耗，通常设定为0.8作为参考值。

(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：

 (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得出。

P=PoxNs×Np W (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 的系数大约为 1.2 倍的 (21/12) 乘以 6、3，再除以 0.75，结果约为 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:

4.05Ah

需补充的蓄电池容量Bcb:

,其中

6=10.5Ah

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，同时推荐配备蓄电池容量为50安时的储能设备。

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

电路结构划分为两个核心组件：太阳能充放电管理单元与LED照明供电路径。太阳能充放电控制器的核心职责在于确保蓄电池的高效安全维护，其基本配置需包含过充防护、欠充保护以及防反向电流机制。

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

在元器件的选择上，我们会选用比较器或单片机，具体取决于实际情况。

5.高6米的路灯灯杆，直径5毫米

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，路灯数量与能耗同步攀升，电力供应面临日益严峻的压力。与此同时，人工控制和路灯巡查等维护工作的复杂性以及高额费用，给城市管理工作带来了显著挑战。为了提升管理效率并推动绿色节能目标，管理部门亟需实施科学的照明管理和节能策略。

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。

据统计，按照《十二五城市绿色照明规纲要》课题组的研究，针对81个涵盖直辖市、省会城市和计划单列市的重点城市，智能监控设备的数量显著增长，总量已突破21,826个点。这些设备分别对应时控、光控和防盗监控，其数量分别是标准配置的300%、680%和920%，显示出高度的智能化和安全保障水平。

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不具备网络化的监控功能。对于照明设备，‘三遥’智能控制系统主要局限于区域层面的远程开关操作，传统的路灯控制方式依赖于各变压器（配电箱）的独立管理，这导致了控制的局限性，难以实现对每一盏路灯的实时监控和单灯调控，亮度调整能力受限，从而未能充分实现节能效益。

当前的城市照明监控与管理模式在精细度和节能效率上略显不足，服务质量有待提升，已无法适应现代都市照明的需求。

图表2：城市照明传统管理模式存在的弊端

针对现有路灯照明设施，我们提出两种节能改造策略：首先，实施灯具头的更换。

现代化城市照明策略的核心在于：首先，实施传统高压钠灯或金卤灯的革新，采用高效能的LED光源替代，这不仅实现了光源的更新换代。其次，对路灯设施进行智能化升级，通过安装物联网技术驱动的单灯控制器，这些控制器具备精细的调光和功率管理功能，支持0-10V及PWM接口，从而实现远程操控与节能运行。这种创新性设计显著提升了城市路灯的智能化水平，同时