学校用ソーラー街路照明の設計方法

このガイドは、大学キャンパス向けの太陽光発電街路照明システムを設計するための詳細なフレームワークを提供します。 CIE、EN 13201、ANSI/IESこの規格は、照度レベル、照明器具の効率、色温度、ポール設計、システム構成、費用対効果分析などの主要な要素を網羅しており、すべてキャンパス環境の独自の安全性と美観のニーズに合わせて調整されています。

1. 照明性能と設計基準

1.1 照度（ルクス）と均一性

適切な照明レベルは、キャンパス内の歩行者と車両の安全にとって重要です。

• 主要道路: 平均水平照度（E_avg）は 10ルクス以上 全体の均一性（Uo = 最小照度 / 平均照度）が ≥0.4これにより、照明が一定に保たれ、視覚疲労や安全上のリスクとなる暗点の発生を防ぎます。
• 二次道路と歩行者道: 平均照度は ≥5ルクス 全体的な均一性（Uo）は ≥0.3 十分です。
• 交差点と階段: これらのエリアでは、顔認識と障害物の視認性を向上させるために、垂直照度を高める必要があります (10 lx 以上を推奨)。

1.2 光束（ルーメン）と効率

• ルーメン計算:
  ランプ1個あたりの必要ルーメン数 = [目標照度（lx）× 照射面積（m²）] ÷ [利用率×保守率]。これらの係数の合計は通常0.6～0.7の範囲です。
  例: 30m x 5mの道路部分(150㎡)で10lxの明るさを達成するには、照明器具にはおよそ(10×150)/0.6≈2,500ルーメンが必要となります。
• 有効性要件:
  ソーラーLED照明器具の効率は ≥120 lm/W エネルギー変換を最大化し、システムサイズを最小化します。

1.3 色温度（CCT）の選択

• 推奨範囲: 4000K – 5000K (ニュートラルホワイトからクールホワイトへ)。
• 理由: 4000K は、自然光を模倣し、視覚の明瞭さと快適さのバランスを実現します。5000K はより鮮明な光を提供し、駐車場の入り口など、より高い警戒を必要とするエリアに適しています。
• 重要なヒント: CCTが6000Kを超えるものは避けてください。ブルーライト含有量が多いと、ぎらつきや目の疲れを引き起こす可能性があります。

1.4 演色評価数（CRI）

• 標準： 最低限 Ra≥80 は基本要件です。
• おすすめ： 研究室、美術館、セキュリティチェックポイントの近くのエリアでは、CRIが Ra ≥90 物体、標識、潜在的な危険の正確な色認識を確保するために推奨されます。

2. 構造設計と仕様

2.1 ポールの高さと間隔

主な設計ポイント:

• 十分な光の重なりを確保し、均一性の基準を満たすには、高さと間隔の比率は 3.5 以下である必要があります (例: 6 メートルのポールの間隔は 21 メートル以下である必要があります)。
• カーブのある道路では、暗い領域をなくすために間隔を約 20% 減らします。

2.2 ポール材質

• 主な選択肢: 溶融亜鉛メッキ鋼板（Q235グレード、肉厚3.5mm以上）。優れた耐食性を備え、風力12以上に耐え、設計寿命は20年以上です。
• 代替案: アルミニウム合金（軽量で見た目は美しいが高価）またはコンクリート複合材（耐久性はあるが輸送や設置が難しい）。

2.3 太陽光発電（PV）パネルとバッテリーの構成 （訂正箇所）

これは、信頼性の高い太陽光照明システムにとって最も重要な計算です。

• PVパネルのサイズ決定式:
  PVパネル出力（Wp）≥（1日あたりのエネルギー消費量（Wh）×冗長係数）÷地域ピーク日照時間（h）

  例： スマート プロファイルを備えた 60W 照明器具 (例: 100% で 4 時間、30% で 6 時間) の場合、同等のフルパワー実行時間は 6.8 時間になります。
  • 1日の消費量 = 60W × 6.8時間 = 408Wh。
  • 必要な1日あたりの発電量（冗長性係数1.5の場合）= 408 Wh × 1.5 = 612 Wh。
  • 平均ピーク日照時間が4.0時間と仮定: PVパネル電力 ≥ 612 Wh / 4時間 = 153 Wp160Wpまたは180Wpのパネルが推奨されます。

• バッテリー容量のサイズ:
  バッテリー容量（Wh）≥ 1日の消費電力（Wh）× 稼働日数

  例： 1日の消費電力408Wh、稼働時間3日間（雨天/曇天時）の場合：
  • 必要なバッテリー容量 ≥ 408 Wh × 3 日 = 1224 Wh。
  • 12.8V LiFePO4バッテリーシステムを使用する場合：容量（Ah）= 1224 Wh / 12.8V ≈ 96 Ah。 12.8V/100Ah バッテリーパックが適切な選択です。

3. インテリジェント制御システム設計

3.1 自動照明戦略

• 時間ベースの調光: 一般的なキャンパス活動に基づいて明るさを調整するようにコントローラーをプログラムします。
  • 18:00～22:00（ピーク時間） 100%の明るさ。
  • 22:00～06:00（オフピーク時間） エネルギーを節約するために、30% ～ 50% まで暗くします。
• モーションセンサー: マイクロ波センサーまたはPIRセンサー（検知半径10m以上）を内蔵。オフピーク時に歩行者または車両を検知すると、ライトは瞬時に80-100%まで明るくなり、設定された遅延時間後に再び暗くなります。

3.2 リモート障害監視

IoTテクノロジー（例：LoRa/NB-IoT）を活用して照明をネットワーク化します。これにより、中央プラットフォームで電圧、充電効率、ランプの状態などのデータをリアルタイムに監視し、プロアクティブなメンテナンスと障害アラートを有効化できます。

4. システム最適化と費用便益分析 （修正推定値）

4.1 初期投資の内訳（100ユニットあたりの見積り）

4.2 運用コストの削減

• 電気代節約: ソーラーライトは、従来の100W HPSランプ（安定器込みで約120Wの消費電力）の代替となります。1日10時間点灯した場合、1灯あたりの年間節約電力は約1.2 kWh × 365日 × $0.15/kWhとなります。 $65.7/年ソーラーライトの電気代は$0です。
• メンテナンスの節約: ケーブルの点検が不要で、長寿命LED（50,000時間以上）のため、メンテナンスの手間が大幅に軽減されます。電球や安定器の頻繁な交換に比べて、コストを大幅に削減できます。 50%-70% 下げ.

4.3 投資収益率（ROI）の見積もり

• 照明1つあたりの年間節約額（推定）: $65.7 (エネルギー) + $35 (メンテナンス節約) ≈ $100。
• ライトあたりの投資額（推定）: $545.
• 推定ROI: ~$100 / $545 ≈ 年間18.3%.
• 回収期間: 約 4～6歳.

4.4 推奨メンテナンススケジュール

• PVパネルの洗浄: 充電効率を維持するために、埃の多い地域では3～6ヶ月ごとに交換してください。その他の気候では、雨でも十分な場合が多いです。
• バッテリーヘルスチェック: リモートシステムを介して監視します。2年に1回、物理的なスポットチェックを実施することをお勧めします。LiFePO4バッテリーの設計寿命は通常5～8年です。

5. 設計プロセスと実装の推奨事項

1. 照明シミュレーションを優先する: 次のような専門的なソフトウェアを使用してください ディアラックス 設計段階でシミュレーションを作成し、購入前に提案されたレイアウトが照度と均一性の目標をすべて満たしていることを検証します。
2. パイロット プロジェクトで検証する: 代表的な道路区間に少数のユニットを設置し、実使用環境における性能、特に連続曇天時に72時間以上稼働できるかどうかをテストします。
3. アップグレードの主要領域を優先する: まず、交通量の多いエリア（寮、図書館、食堂の間の通路など）や、急カーブや照明の暗い交差点などの既知の安全上の懸念事項に焦点を当ててプロジェクトを展開します。