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1.1 任務(wù)設(shè)計(jì)要求
2013年該校在校園主干道路安裝太陽(yáng)能LED路燈,道路為雙向雙車道,路寬8 m,要求根據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)行的CJJ 45—2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中三級(jí)道路亮度與照度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。路燈每天工作10 h以上,自給時(shí)間為6天,每天用電時(shí)間約10 h以上,燈桿防16級(jí)超級(jí)臺(tái)風(fēng)。
1.2 燈頭高度、路燈之間的距離與燈源的亮度關(guān)系
校園路燈承載著夜間行車,師生娛樂(lè)、休閑等功能,是師生學(xué)習(xí)、生活基本保障,國(guó)外像哈佛大學(xué)、耶魯大學(xué)對(duì)校園路燈其照度、亮度都有明確規(guī)定。根據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)行的CJJ 45—2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,機(jī)動(dòng)車交通道路照明應(yīng)按快速路與主干路、次干路、支路分為三級(jí),并提出:城市道路照明應(yīng)滿足平均亮度/照度、亮度/照度均勻度、眩光限制和環(huán)境比四項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),五級(jí)道路亮度與照度標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。
表1 五級(jí)道路亮度與照度標(biāo)準(zhǔn)表
Table 1 The standard table for intensity of light and illumination on the five-level road
根據(jù)表1,學(xué)校是主干道可以以次干路要求設(shè)計(jì)為三級(jí)其亮度達(dá)1.0 cd/m2,考慮學(xué)校夜間人流量大,其照度選擇快速道路標(biāo)準(zhǔn)為20 lx。
1.3 路燈布局及燈具高度選擇
常規(guī)照明有單側(cè)布置、雙側(cè)交錯(cuò)布置、雙側(cè)對(duì)稱布置、橫向懸索布置和中心對(duì)稱布置五種基本布燈方式。
采用常規(guī)照明方式時(shí),根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,燈具的配光類型、布燈方式、安裝高度和間距應(yīng)滿足表2的規(guī)定,燈具的懸挑長(zhǎng)度不宜超過(guò)安裝高度的1/4,燈具的仰角不宜超過(guò)15°。
表2 燈具的配光類型、布燈方式與安裝高度、間距的關(guān)系
Table 2 The types for light distribution of lamps , the way of setting lamps and the distance between the lamps
注:Weff為路面有效寬度(m)
根據(jù)表2,本項(xiàng)目燈具布置采用雙側(cè)對(duì)稱布置,根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,燈具的類型選擇半截光型(最大光強(qiáng)方向在0°~75°,其90°和80°角度方向上的光強(qiáng)最大允許值分別為50 cd/100 lm和100 cd/1 000 lm),則H≥0.6Weff=4.8 m?紤]校園主干道,可能會(huì)有高車輛通過(guò),故H值取6 m。相應(yīng)地,S≤(3.5H=21 m),燈桿間距S選擇20 m。
1.4 光源功率選擇
光源的功率選擇,一般情況下可以通過(guò)道路平均照度計(jì)算公式推算得到,見(jiàn)式(1)。
φ=
(1)
式中,φ為光源的總光通量(lm);Eav為光源平均照度(lx); U為利用系數(shù);K為維護(hù)系數(shù);W為道路寬度;S為路燈安裝間距;N為路燈的排列方式,雙側(cè)對(duì)稱排列時(shí)N=2。
本項(xiàng)目Eav取20 lx,U為利用系數(shù)取0.7,K維護(hù)系數(shù)取0.7,W道路寬度取10 m,S為路燈安裝間距取20 m,N為雙側(cè)對(duì)稱排列取2,代入式(1)得φ=4 081 lm。采用40 W LED暖白大功率光源,其光通量為4 400 lm,大于計(jì)算值4 081 lm,符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。
2.1 負(fù)載工作電壓
根據(jù)道路照明中常用的光源及其參數(shù),考慮LED響應(yīng)速度快、適合調(diào)光、節(jié)能等特點(diǎn),選擇40 W LED大功率光源,其額定工作電壓在36 V,工作電流1.650 A,采用24~36 V(DC)脈沖寬度調(diào)制(PWM)恒流控制型電源,以滿足光源用電需求。
2.2 光伏組件與蓄電池容量的匹配
光伏組件與蓄電池容量的匹配,可以從負(fù)載每天工作總功率與太陽(yáng)能組件的每天發(fā)電量保持相等來(lái)考慮。
太陽(yáng)能路燈光伏組件功率(P)計(jì)算公式為
P=
(2)
式中P光源為光源功率,t為每天工作時(shí)間,t1為峰值日照時(shí)數(shù),為蓄電池庫(kù)侖效應(yīng),ξ為其他綜合損耗。式(2)中1.43是太陽(yáng)能電池組件峰值工作電壓與系統(tǒng)工作電壓的比值;?诜逯等照諘r(shí)數(shù)為4.43 h,蓄電池庫(kù)侖效應(yīng)及其他綜合損耗這里全部取0.85,代入式(2),得太陽(yáng)能路燈組件功率為178 W。
這里選擇90 W,組件面積為0.985 m×0.665 m,重量為7.7 kg,最佳工作電壓16.5 V,工作電流為5 A兩塊單晶組件串聯(lián)方式,其串聯(lián)后工作電壓為33 V,滿足對(duì)24 V蓄電池充電要求,工作電流為5 A。要注意的是,市場(chǎng)上160 W單晶組件種類比較多,在選擇的時(shí)候一定要注意其工作電壓能滿足項(xiàng)目蓄電池充電要求。如果選擇160 W,工作電壓為18.2 V,工作電流為8.79 A組件時(shí),就應(yīng)該考慮將兩組件串聯(lián),這樣串聯(lián)后的組件電壓為36.4 V,電流為8.79 A,這也能滿足系統(tǒng)需求。
2.3 蓄電池容量與負(fù)載的匹配
蓄電池容量與負(fù)載的匹配可以從負(fù)載在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用電總?cè)萘康扔谛铍姵厮鶓?yīng)該存儲(chǔ)的電量來(lái)考慮,放電深度參考文獻(xiàn)[16]。
蓄電池容量(C)計(jì)算公式如下:
C==142 Ah
(3)
選用兩組12V/150 Ah或一組24V/150 Ah蓄電池串聯(lián),串聯(lián)后蓄電池工作電壓為24 V,總?cè)萘繛?50 Ah,能滿足系統(tǒng)正常工作。項(xiàng)目使用免維護(hù)24 V/150 Ah蓄電池,產(chǎn)品尺寸長(zhǎng)寬高厚為484 mm×171 mm×241 mm×241 mm,蓄電池使用防水地埋箱,安裝于四周砌磚的蓄電池室內(nèi),蓄電池室是緊挨燈標(biāo)側(cè),埋于300 mm地下且長(zhǎng)寬高約為700 mm×500 mm×400 mm的長(zhǎng)方體。
我國(guó)南方沿海臺(tái)風(fēng)偏多,太陽(yáng)能路燈燈桿至少應(yīng)能抗12級(jí)以上臺(tái)風(fēng),文中根據(jù)2014年肆虐海南的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”,中心風(fēng)力達(dá)16級(jí),風(fēng)速達(dá)61 m/s標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求,依據(jù)燈桿標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),考慮抗風(fēng)需要,將燈桿設(shè)計(jì)為桿錐度為10,燈桿材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)低硅碳鋼Q235A鋼材[9]標(biāo)準(zhǔn),其屈服強(qiáng)度為,燈標(biāo)上底直徑d為0.080 m,下底直徑D為0.180 m,燈桿厚δ為0.004 m,組件采用U形抱窟和螺紋緊固連接,傾角根據(jù)?诘貐^(qū)最佳傾角15°安裝;燈臂選擇長(zhǎng)為1.20 m,直徑為0.006 m鋼材;燈頭選擇長(zhǎng)0.60 m,寬0.22 m飛魚(yú)型燈具。法蘭盤(pán)尺寸為0.30 m×0.30 m×0.014 m,孔距為0.20 m,混凝土基礎(chǔ)為0.80 m×0.80 m×0.80 m。
3.1 系統(tǒng)抗風(fēng)分析
3.1.1 基本風(fēng)壓計(jì)算
風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)壓關(guān)系,風(fēng)的動(dòng)壓為
WP=R0V2
(4)
其中WP為風(fēng)壓(kN/m2),R0為空氣密度(kg/m3),V為風(fēng)速(m/s)?諝饷芏(R0)和重力(r)的關(guān)系為r=R0g,因此有R0=r/g。代入公式(4)得
WP=rV2/g
(5)
式(5)為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣壓為1 013 hPa, 溫度為15 ℃, 空氣重度=0.012 25 kN/m3。重力加速度g=9.8 m/s2,則
WP=rV2/g=2 325.63 N/m2
太陽(yáng)能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)依據(jù)電池組件廠家的技術(shù)參數(shù)資料,太陽(yáng)能電池組件可以承受的迎風(fēng)壓強(qiáng)為2 400 Pa。根據(jù)1 kN/m2=1 kpa換算,可知組件本身是完全可以承受61 m/s的風(fēng)速而不至于損壞。
3.1.2 系統(tǒng)迎風(fēng)面積計(jì)算
兩塊太陽(yáng)板面積為
S組件=sin15°×0.985×0.665×2=0.34 m2
燈桿為錐體近似梯形,其面積計(jì)算為
S燈桿=(d+D)/2=0.564 m2
燈頭面積為
S燈頭=0.60×0.22=0.132 m2
燈臂面積為
S燈臂=0.06×1.20=0.072 m2
則系統(tǒng)總迎風(fēng)面積為
S總=S組件+S燈桿+S燈頭+S燈臂=1.108 m2
3.2 系統(tǒng)各部分對(duì)燈桿底部產(chǎn)生的扭矩
為了分析路燈系統(tǒng)抗風(fēng)情況,從燈桿受力情況可以知道,對(duì)于燈桿來(lái)說(shuō),其底部受壓應(yīng)該是最大的,同時(shí)要考慮圓形燈桿本身破壞面上的抵抗矩情況。
燈桿為圓錐梯形,其幾何重心高度計(jì)算為
Yc=
(6)
式中Yc 為幾何重心高度(m);d 為上底高(m);D為下底高(m);h為燈桿高(m),則Yc=2.09 m。
燈桿對(duì)桿底扭矩為
M燈桿=S燈桿Yc=2 734.9 N
組件對(duì)桿底扭矩為
M組件=S組件h=4 731.2 N
燈具燈臂對(duì)桿底的扭矩為
M燈具=(S燈頭+S燈臂)h=2 845.8 N
則系統(tǒng)總扭矩為
M總=M燈桿+ M組件+M燈具=10 312 N
3.3 圓形燈桿破壞面的抵抗矩分析
根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo),圓環(huán)形破壞面的抵抗矩為
W =π×(3r2δ+3rδ2+δ3)
(7)
式中r是圓環(huán)內(nèi)半徑(m),δ是圓環(huán)寬度(m)。
燈桿底部圓形破壞面抵抗矩為
W =π×(3r2δ+3rδ2+δ3)=π×(3×852×4+3×85×42+43)=9.084 4×10-5 m3
風(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應(yīng)力為
M總/W=113.5 MPa
因?yàn)?13.5 MPa<235 MPa,所以燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是沒(méi)有問(wèn)題的。
海南地區(qū)基礎(chǔ)地基的承載能力為115 kN/m3,混凝土采用標(biāo)號(hào)為C20,其比重2 356 kg/m3, 采用基礎(chǔ)長(zhǎng)B、寬L、高H分別為0.80 m、0.80 m、1.00 m。根據(jù)GB J7—89各建筑設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)范第5.1.1條規(guī)定,基礎(chǔ)的平均壓強(qiáng)P≤F,且Pmax≤1.2F的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1)基礎(chǔ)底部混泥土澆層的抵抗矩為
W基礎(chǔ)底 =BL2/6=1×12/6=0.167 m2
(8)
式中B表示底部的寬度,L為底部的長(zhǎng)度。
基礎(chǔ)地基上總的壓強(qiáng)P,應(yīng)該等于系統(tǒng)總重量/基礎(chǔ)表面積,即
P=G總/S表面積
(9)
其中G總=G燈桿+G組件+G混凝土基礎(chǔ)+G燈臂+G燈具,因?yàn)?G燈臂+G燈具)相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì),則
P=(G燈桿+G組件+G混凝土基礎(chǔ))/S表面積=2.2 kN/m2
2)基礎(chǔ)邊緣產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)為
Pmax=P+M總/W基礎(chǔ)底=74.9 kN//m2
通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)可以驗(yàn)證,基礎(chǔ)的平均壓強(qiáng)P≤F,且Pmax≤1.2F,符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
3)地腳螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析。
依據(jù)美國(guó)規(guī)范ACI318M-05進(jìn)行錨固設(shè)計(jì)和計(jì)算。地腳螺栓設(shè)計(jì)主要考慮其地腳螺桿共同作用產(chǎn)生的拉力應(yīng)絕對(duì)大于燈桿根部受到的最大風(fēng)彎矩,即在風(fēng)載荷的作用下,通過(guò)法蘭盤(pán)傳遞給地腳螺栓(共4根),法蘭盤(pán)為300 mm×300 mm×14 mm,孔距為210 mm,如圖1所示。當(dāng)風(fēng)向?yàn)槁菟ǖ膶?duì)角線時(shí),螺栓的拉力最大。假設(shè)最大風(fēng)力由螺栓1向螺栓3方向,則螺栓1所受的最大風(fēng)彎矩應(yīng)該是最大的。
圖1 燈桿地腳螺栓及其力臂示意圖
Fig.1 Diagram for anchor bolt of light pole and its arm
根螺栓均勻分布,相鄰兩個(gè)螺栓中心所對(duì)的圓周心角為90°,根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可知L1=0.297 m,路燈桿經(jīng)受最大風(fēng)荷載作用力M總,為使高桿燈保持總體平衡,桿根部必然產(chǎn)生一個(gè)抵抗彎矩Z M,且量值上ZM>M總。此時(shí)整體燈桿所受的風(fēng)荷載作用力,底板緊固螺栓共同產(chǎn)生的拉力、燈桿的重力,基礎(chǔ)的支承力等作用力的合力應(yīng)該為O。而底板緊固螺栓能產(chǎn)生拉力的分別是螺栓1到螺栓4共4只,它們分別產(chǎn)生的拉力設(shè)為NL1、NL2、……,其中NL1應(yīng)該最大,如果有多個(gè)螺栓則會(huì)產(chǎn)生N2N個(gè)力矩,其力臂長(zhǎng)分別為L1、L2、……和L2′、……、LN′(其中L2′=L2,……,LN=LN′),3個(gè)力臂的量度也體現(xiàn)了螺栓的拉力N的大小,則力臂總長(zhǎng)為
LN=L1+L2+L2′+……=0.717 m
因此,NL1=14.4 kN,即螺栓有可能受到的最大軸向拉力為14.4 kN?紤]到安全,取安全系數(shù)為1.5,則最大軸向拉力為21.6 kN。對(duì)照地腳螺栓彎鉤錨栓數(shù)據(jù)表,可選擇螺栓直徑為M16,Q235鋼,其抗拉承壓力為22.6 kN,能滿足燈桿設(shè)計(jì)要求。
該項(xiàng)目于2013年8月完工,同年12月通過(guò)驗(yàn)收,2013年7月18日超級(jí)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”肆虐海南,然而所設(shè)計(jì)安裝的62盞LED路燈全部經(jīng)受住了考驗(yàn)。臺(tái)風(fēng)過(guò)后對(duì)全部路燈進(jìn)行系統(tǒng)的檢查,燈桿基礎(chǔ)混凝土、法蘭螺栓、燈桿等沒(méi)有出現(xiàn)任何變形、彎曲等情況,供電系統(tǒng)全部正常工作。2016年1月,系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩年半運(yùn)行后,我們進(jìn)行了如下測(cè)試。
1)供電系統(tǒng)測(cè)試。2016年1月19日至1月28日海口連續(xù)10天的陰雨天氣,經(jīng)過(guò)記錄,其62盞LED路燈工作情況如表3所示。
表3 連續(xù)陰雨天路燈工作情況統(tǒng)計(jì)
Table 3 The statistics for performance of road lamp during continuous rainy days
從表3可以看出,項(xiàng)目工程所有LED路燈工作正常,供電系統(tǒng)能滿足所設(shè)計(jì)的自給時(shí)間,從第7天開(kāi)始,有3%的路燈已經(jīng)不能保證正常照明;第7天,因?yàn)樘鞖庥兴厣,但依然不能滿足路燈的通宵照明,這完全符合設(shè)計(jì)要求。
2)路面照度測(cè)試。選取學(xué)校主干道兩側(cè)6盞雙側(cè)對(duì)稱布置LED路燈,根據(jù)圖2測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行地面照度測(cè)試,測(cè)試數(shù)值單位為lx。
圖2 地面照度測(cè)試點(diǎn)選擇圖
Fig.2 The selection chart for the ground illumination test point
從地面照度測(cè)試點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)可知,系統(tǒng)基本符合道路路面設(shè)計(jì)值為20 lx的設(shè)計(jì)要求。
任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì),其光源選擇、供電系統(tǒng)匹配及燈桿與燈桿基礎(chǔ)等系統(tǒng)各組成部分環(huán)環(huán)相扣的設(shè)計(jì),關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行與安全保障。不同地區(qū)太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)方法及思考的問(wèn)題有所不同,但其研究設(shè)計(jì)的基本思路應(yīng)該是相同的。太陽(yáng)能LED路燈實(shí)際施工過(guò)程中一定要注意其施工標(biāo)準(zhǔn),以保證其質(zhì)量符合要求。
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