Come progettare l'illuminazione stradale solare per le scuole

Questa guida fornisce un quadro dettagliato per la progettazione di sistemi di illuminazione stradale a energia solare per i campus universitari. Basata sui principali standard internazionali come CIE, EN 13201 e ANSI/IES, copre elementi fondamentali tra cui livelli di illuminamento, efficacia degli apparecchi di illuminazione, temperatura del colore, progettazione dei pali, configurazione del sistema e analisi costi-benefici, il tutto adattato alle esigenze uniche di sicurezza ed estetica di un ambiente universitario.

1. Standard di progettazione e prestazioni di illuminazione

1.1 Illuminamento (Lux) e uniformità

Livelli di illuminazione adeguati sono essenziali per la sicurezza dei pedoni e dei veicoli nel campus.

• Strade principali: Un'illuminazione orizzontale media (E_avg) di ≥10 lux è richiesta, con un'uniformità complessiva (Uo = illuminamento minimo / illuminamento medio) di ≥0,4Ciò garantisce un'illuminazione uniforme, prevenendo l'affaticamento visivo e la formazione di punti scuri che rappresentano rischi per la sicurezza.
• Strade secondarie e percorsi pedonali: Un'illuminazione media di ≥5 lux con un'uniformità complessiva (Uo) di ≥0,3 è sufficiente.
• Incroci e scale: Queste aree richiedono un'illuminazione verticale migliorata (consigliata ≥10 lx) per migliorare il riconoscimento facciale e la visibilità degli ostacoli.

1.2 Flusso luminoso (lumen) ed efficacia

• Calcolo del lumen:
  Lumen richiesti per lampada = [Illuminazione target (lx) × Area illuminata (m²)] ÷ [Fattore di utilizzo × Fattore di manutenzione]. I fattori combinati variano in genere da 0,6 a 0,7.
  Esempio: per ottenere 10 lx su un tratto stradale di 30 m x 5 m (150 m²), un apparecchio di illuminazione necessiterebbe di circa (10 × 150) / 0,6 ≈ 2.500 lumen.
• Requisito di efficacia:
  Le lampade solari a LED dovrebbero avere un'efficacia di ≥120 lm/W per massimizzare la conversione dell'energia e ridurre al minimo le dimensioni del sistema.

1.3 Selezione della temperatura colore (CCT)

• Intervallo consigliato: 4000K – 5000K (da bianco neutro a bianco freddo).
• Motivazione: La luce da 4000K offre un equilibrio tra chiarezza visiva e comfort, imitando la luce naturale del giorno. La luce da 5000K offre una luce più nitida, adatta alle aree che richiedono maggiore attenzione, come gli ingressi dei parcheggi.
• Suggerimento cruciale: Evitare CCT superiori a 6000K. L'elevato contenuto di luce blu può causare abbagliamento e affaticamento visivo.

1.4 Indice di resa cromatica (CRI)

• Standard: Un minimo di Ra ≥80 è il requisito di base.
• Raccomandazione: Per le aree vicine a laboratori, edifici artistici o posti di blocco di sicurezza, un CRI più elevato di Ra ≥90 è consigliato per garantire una percezione accurata dei colori di oggetti, segnali e potenziali pericoli.

2. Progettazione strutturale e specifiche

2.1 Altezza e spaziatura dei pali

Punti chiave del design:

• Il rapporto altezza/spaziatura deve essere ≤3,5 per garantire un'adeguata sovrapposizione della luce e soddisfare gli standard di uniformità (ad esempio, un palo da 6 m deve avere una spaziatura di ≤21 m).
• Sulle strade curve, ridurre la spaziatura di ~20% per eliminare le zone d'ombra.

2.2 Materiale del palo

• Scelta primaria: Acciaio zincato a caldo (grado Q235 con spessore della parete ≥3,5 mm). Offre un'eccellente resistenza alla corrosione, può sopportare venti di forza ≥12 e ha una durata di vita prevista di oltre 20 anni.
• Alternative: Lega di alluminio (leggera ed estetica, ma più costosa) o compositi di cemento (durevoli, ma difficili da trasportare e installare).

2.3 Configurazione del pannello fotovoltaico (PV) e della batteria (Sezione corretta)

Questo è il calcolo più critico per un sistema di illuminazione solare affidabile.

• Formula per il dimensionamento dei pannelli fotovoltaici:
  Potenza del pannello fotovoltaico (Wp) ≥ (Consumo energetico giornaliero (Wh) × Fattore di ridondanza) ÷ Ore di sole di punta locali (h)

  Esempio: Per un apparecchio di illuminazione da 60 W con un profilo intelligente (ad esempio, 4 ore a 100% e 6 ore a 30%), l'autonomia equivalente a piena potenza è di 6,8 ore.
  • Consumo giornaliero = 60 W × 6,8 h = 408 Wh.
  • Generazione giornaliera richiesta (con un fattore di ridondanza di 1,5) = 408 Wh × 1,5 = 612 Wh.
  • Supponendo 4,0 ore medie di sole di punta: potenza del pannello fotovoltaico ≥ 612 Wh / 4h = 153 WpSi consiglia un pannello da 160 Wp o 180 Wp.

• Dimensionamento della capacità della batteria:
  Capacità della batteria (Wh) ≥ Consumo energetico giornaliero (Wh) × Giorni di autonomia

  Esempio: Per un consumo giornaliero di 408 Wh e 3 giorni di autonomia (con tempo piovoso/nuvoloso):
  • Capacità della batteria richiesta ≥ 408 Wh × 3 giorni = 1224 Wh.
  • Utilizzando un sistema di batterie LiFePO4 da 12,8 V: Capacità (Ah) = 1224 Wh / 12,8 V ≈ 96 Ah. A 12,8 V/100 Ah il pacco batteria è una scelta adatta.

3. Progettazione del sistema di controllo intelligente

3.1 Strategie di illuminazione automatizzate

• Oscuramento basato sul tempo: Programmare il controller per regolare la luminosità in base all'attività tipica del campus.
  • 18:00 – 22:00 (Orari di punta): Luminosità 100%.
  • 22:00 – 06:00 (Orari fuori punta): Per risparmiare energia, ridurre la luminosità a 30%-50%.
• Rilevamento del movimento: Integra un sensore a microonde o PIR (con un raggio di rilevamento ≥10 m). Quando viene rilevato un pedone o un veicolo durante le ore non di punta, la luce aumenta istantaneamente l'intensità luminosa a 80-100 % e torna alla modalità dimmer dopo un ritardo impostato.

3.2 Monitoraggio remoto dei guasti

Utilizzare la tecnologia IoT (ad esempio, LoRa/NB-IoT) per collegare in rete le luci. Ciò consente a una piattaforma centrale di monitorare dati in tempo reale come tensione, efficienza di carica e stato delle lampade, consentendo la manutenzione proattiva e gli avvisi di guasto.

4. Ottimizzazione del sistema e analisi costi-benefici (Stime riviste)

4.1 Ripartizione dell'investimento iniziale (stima per 100 unità)

4.2 Risparmio sui costi operativi

• Risparmio di elettricità: Una lampada solare sostituisce una lampada HPS convenzionale da 100 W (che consuma circa 120 W con alimentatore). Accendendola per 10 ore al giorno, il risparmio annuo per lampada è di circa 1,2 kWh × 365 giorni × $0,15/kWh = $65.7/annoLe luci solari hanno un costo di elettricità pari a $0.
• Risparmio sulla manutenzione: Senza cavi da ispezionare e con LED a lunga durata (oltre 50.000 ore), la manutenzione è drasticamente ridotta. Rispetto alle frequenti sostituzioni di lampadine/reattori, i costi possono essere abbassato da 50%-70%.

4.3 Stima del ritorno sull'investimento (ROI)

• Risparmio annuo per luce (stimato): $65.7 (Energia) + $35 (Risparmio di manutenzione) ≈ $100.
• Investimento per luce (stimato): $545.
• ROI stimato: ~$100 / $545 ≈ 18,3% all'anno.
• Periodo di ammortamento: Circa da 4 a 6 anni.

4.4 Programma di manutenzione consigliato

• Pulizia dei pannelli fotovoltaici: Ogni 3-6 mesi nelle zone polverose per mantenere l'efficienza di ricarica. In altri climi, la pioggia è spesso sufficiente.
• Controllo dello stato della batteria: Monitoraggio tramite sistema remoto. Si consiglia un controllo fisico a campione ogni 2 anni. Le batterie LiFePO4 hanno in genere una durata di vita prevista di 5-8 anni.

5. Processo di progettazione e raccomandazioni di implementazione

1. Dare priorità alla simulazione dell'illuminazione: Utilizzare software professionali come DIALux durante la fase di progettazione per creare una simulazione. Ciò convalida che il layout proposto soddisfi tutti gli obiettivi di illuminamento e uniformità prima dell'acquisto.
2. Convalidare con un progetto pilota: Installare un numero limitato di unità su un tratto stradale rappresentativo. Testarne le prestazioni reali, in particolare la capacità di funzionare per ≥72 ore consecutive durante giornate nuvolose.
3. Dare priorità alle aree chiave per gli aggiornamenti: Avviare il progetto concentrandosi innanzitutto sulle aree ad alto traffico (ad esempio, percorsi tra dormitori, biblioteche e mense) e sui noti problemi di sicurezza, come curve strette o incroci scarsamente illuminati.

 

Lampione solare ad alta luminosità serie HS – 20000LM

 

 

Lampada solare stradale ad alta luminosità da 60 W, 6000 lumen – LX-LD60W-S3