基于太阳能电源的生态公路照明光源比选

　　1、项目背景

　　1.1 工程概况

　　项目位于中国北方某资源型城市市区南部， 该地区原为采煤塌陷区，属次生下沉式湿地，总面积达2000公顷，过去曾经满目狼藉，环境恶劣，经过多年综合治理，现在已经建成独具北方园林景观特色的城市中央生态公园。该项目名称是生态公园环湖生态景观公路，工程穿行于湖区大小水体周边，成为该市发展湿地生态旅游的重要基础性工程。

　　工程包括环湖主线和各支线、连接线工程，总长33.7km，总投资2.3亿元。为了保护湿地生态系统的完整，建设者对该项目表现出了超常的环境关注， 项目通过采用先进的设计施工和生态环保技术，处处追求环保节能的目标，实现了公路建设与生态环境保护、园林景观的有效协调，既达到了“景中有路、路即是景、浑然一体”的建设定位，又达到了工程造价、工期、质量、安全等方面的严格要求，项目的成功建设极大地补充和丰富了生态公路设计理念，成为环境友好、资源节约、人与道路、环境相互协调的典范。该工程项目建议书荣获“2009年度河北省优秀工程咨询成果三等奖”，施工图设计荣获“2009年河北省优秀工程勘察设计一等奖”。

　　1.2 生态公路照明要求

　　众所周知， 生态公路是建立在交通发展与环境相互协调的基础上，以生态系统自然的良性循环为基本原则，综合考虑决策、设计、施工、运营、管理的全过程，在一定区域范围内结合环境、经济和社会发展状况而建立起来的公路系统。为了给游人创造良好的视觉环境，保障交通安全， 该项目全线设置功能照明。

　　首先，生态公路照明要满足功能要求。各种照明设备、节能措施必须达到安全可靠、科学合理、经济使用、维护方便的要求。实际工作中，应根据项目规模和经济实力，严格按标准设计、按规划建设，既要保证照明系统功能达到各项技术指标和节能效果，又要防止以牺牲照明效果单纯追求节能。

针对公路建设的环境问题， 人们一直在探索如何在可持续发展理论的指导下使公路建设与环境保护相结合， 于是提出了生态公路的理念。生态公路是生态学与公路建设相结合的产物，其发展应遵循自然生态规律与区域公路的发展要求，生态公路照明理所当然也要符合生态环保和节能低碳的建设要求。

　　1、项目背景

　　1.1 工程概况

　　项目位于中国北方某资源型城市市区南部， 该地区原为采煤塌陷区，属次生下沉式湿地，总面积达2000公顷，过去曾经满目狼藉，环境恶劣，经过多年综合治理，现在已经建成独具北方园林景观特色的城市中央生态公园。该项目名称是生态公园环湖生态景观公路，工程穿行于湖区大小水体周边，成为该市发展湿地生态旅游的重要基础性工程。

　　工程包括环湖主线和各支线、连接线工程，总长33.7km，总投资2.3亿元。为了保护湿地生态系统的完整，建设者对该项目表现出了超常的环境关注， 项目通过采用先进的设计施工和生态环保技术，处处追求环保节能的目标，实现了公路建设与生态环境保护、园林景观的有效协调，既达到了“景中有路、路即是景、浑然一体”的建设定位，又达到了工程造价、工期、质量、安全等方面的严格要求，项目的成功建设极大地补充和丰富了生态公路设计理念，成为环境友好、资源节约、人与道路、环境相互协调的典范。该工程项目建议书荣获“2009年度河北省优秀工程咨询成果三等奖”，施工图设计荣获“2009年河北省优秀工程勘察设计一等奖”。

　　1.2 生态公路照明要求

　　众所周知， 生态公路是建立在交通发展与环境相互协调的基础上，以生态系统自然的良性循环为基本原则，综合考虑决策、设计、施工、运营、管理的全过程，在一定区域范围内结合环境、经济和社会发展状况而建立起来的公路系统。为了给游人创造良好的视觉环境，保障交通安全， 该项目全线设置功能照明。

　　首先，生态公路照明要满足功能要求。各种照明设备、节能措施必须达到安全可靠、科学合理、经济使用、维护方便的要求。实际工作中，应根据项目规模和经济实力，严格按标准设计、按规划建设，既要保证照明系统功能达到各项技术指标和节能效果，又要防止以牺牲照明效果单纯追求节能。

　　其次，生态公路照明要追求生态节能目标。当前，建设节约型社会和低碳经济已成为我国的一项重要国策， 建设部颁发的《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》对道路照明要求年节电目标达5%，2006～2010年累计节电要达到25%， 因此节电已成为道路照明的一项重要指标。

　　再次，道路照明节能已经不单纯是节电问题，同时要运用价值工程手段，考虑投资成本、运行维护、设备管理以及道路的照明功能技术指标等问题， 在制定节电方案和进行照明设计时予以解决。

　　2、太阳能光伏发电技术

　　在资源日益缺乏的今天，太阳能是新世纪最理想的清洁能源、绿色能源，利用光伏发电技术将太阳能转化为电能，可以缓解环保压力和实现可持续发展， 这也正符合生态公路的环保节能要求， 因此该项目的功能照明电源选择太阳能光伏发电。

　　2.1 发电原理

　　太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件， 利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P－N结势垒区产生了较强的内建静电场， 因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴， 或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴。在内建静电场的作用下， 各向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。

　　2.2 太阳能独立式发电系统

　　太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类， 一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，不和外部电网产生关系。

　　独立式发电系统光伏阵列首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载， 并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。在日照不足时，储存在蓄电池中的能量经过全桥逆变器后变成SPWM波， 然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流220V、50Hz的正弦电压供给交流负载使用。

3、光源匹配比选

　　目前道路照明节能多以应用新技术为主，推广和应用高压钠灯、陶瓷金卤灯、荧光灯、LED灯、无极灯等新光源，逐步淘汰了白炽灯、汞灯等低效照明产品，节能方案和道路照明设计呈现出百家齐放的局面。该生态公路照明项目基于太阳能电源，选用匹配光源并优化节能方案成为重要工作。

　　3.1 光源分析

　　通过对目前使用的各种光源性能参数的比较， 同时考虑生态公路照明的要求，研究发现自镇流高压汞灯、白炽灯的光效过低， 造成能源浪费， 路面照明水平也很难达到标准的要求，已经属于淘汰光源。

　　高压钠灯具有光效高、寿命长的特点，显色性也符合一般道路照明要求，所以它可在各类道路上使用。如果从光源发光效率的角度来看，低压钠灯是目前光效最高的光源，但它的显色性不好，而且高压钠灯的光效仍在不断地提高，比较而言，低压钠灯已无优势。

　　金属卤化物灯、细管径荧光灯、紧凑型荧光灯等光源的显色性好，发光效率也比较高，适合在居住区环境使用，可实现尊重人的感受，强调以人为本的理念。

　　LED灯是固体发光二极管点光源，每粒功率为0.5～1W，大功率应用场合需要多粒集中在一起才可以实现， 多用于显示照明、交通信号灯、汽车尾灯、公路诱导照明等，目前也有用于道路照明的实例。但是由于功率小、光效低、光衰大、发热量高，导致节能效果差；由于具有刺眼眩光和闪烁，光污染严重；由于采用半导体技术，生产过程的能耗高；道路照明中由于要上百粒LED集中在一块很大的线路板上， 灯具反光器设计困难，推广应用难度大。无极灯（电磁感应灯）采用电磁感应原理，先由电产生磁场，再由磁场产生感应电流，应用藕合震荡原理将产生的高频电压注入到真空的玻壳或玻管里， 与三基色荧光粉及惰性气体作用发光。无极灯的优点是显而易见的，与其它光源相比，具有长寿命、高效节能、高显色性、高功率、无频闪、低眩光、绿色环保、免维护的特点。无极灯还具有更可靠的瞬间启动性能， 同时低热量输出， 具有更可靠的抵抗电压剧烈波动的能力。无极灯的暖白光接近于阳光的表现效果，可视性更好，比黄色的钠灯更合适应用于道路照明。不仅如此，暖白光的核心优势还在于它的照明效率更高，耗电量更少，更符合环保照明和绿色照明的要求， 在能源危机和温室效应日趋严重的今天是有巨大推广普及潜力的。

　　3.2 太阳能与无极灯结合理论研究

　　针对太阳能光伏发电的技术特点和无极灯的电磁感应原理，将太阳能技术和电磁感应技术相结合，充分利用两者的优点实现可持续照明的设计思路是完全可行的。这一结论在国内已有部分工程实例。最早实现这一设计构想的是复旦大学电光源研究所， 它与生产厂家合作研究提出了太阳能电磁感应灯道路照明系统概念， 这一节能解决方案充分利用了双方的优点，在照明领域应用不仅节约了电能，而且能大大简化烦琐的照明布线问题，每一个光源都是一个独立的工作系统，从而实现节能环保。

　　由于无极灯没有电极， 因此在燃点过程中受供电电压不稳定的影响很小，在太阳能照明使用中光源的性能保持稳定。与传统光源相比， 不会产生因多次燃点造成灯管的发黑和光衰大的现象。无电极结构和感应放电可以使光源的寿命和性能得到很好的保证。为了降低照明系统的成本和提高能源利用效率，无极灯设计了直流工作的高频发生器。太阳能系统的蓄电池提供的低压直流直接升压为逆变需要的高压。通过功率因子校正后，直流作为逆变电路的输入。逆变电路在自行设计的集成电路芯片的控制下工作， 得到的高频交流电能作为耦合线圈的输入。集成芯片还可以实现调光的功能，同时可以作为系统的保护控制， 当工作电路出现短路或者断路等异常情况时，芯片会自动切断输出信号，以实现自我保护。采用了这样的芯片技术还可以实现对无极灯的调频调光， 由于灯的感抗是正比于通过它的电流的频率的，灯的工作频率升高，就意味着增大感抗，于是流过灯的电流下降，灯功率随之下降。通过实现太阳能电池和无极灯的最佳匹配和协调控制， 可以保证太阳电池发电系统中的蓄电池的合理利用， 并利用智能控制延长蓄电池寿命，达到最大限度环保。

3.3 在生态公路照明中的应用实践

　　（1）系统组成

　　该环湖生态景观公路进行了试验段实践， 太阳能电源与无极灯光源匹配照明取得了预期效果。方案设计主要由四个模块构成。第一部分是太阳能电池模块，用以实现太阳能向电能的转变，实际上因为太阳能是不断变化的，太阳能电池不具备提供恒定电压的能力， 所以所有的太阳能供电系统都配合有蓄电池一起工作。第二部分是蓄电池，太阳能电池必须把电能存储在蓄电池中，不能直接对负载供电，同时需保证太阳能电池和蓄电池之间的充电是单向的。第三部分是控制电路。控制电路是系统工作的核心，它的主要功能：一是控制太阳能电池与蓄电池之间的充放电；二是定时工作，实现蓄电池对负载供电；三是保护功能，实现系统安全工作的保护控制。第四部分是无极灯光源，蓄电池电能经过升压后对无极灯供电，因无极灯的高频发生器内部本身具备boost升压电路，所以它对蓄电池的供电电压的要求大大降低了。

　　（2）方案设计和实施

　　图1是该项目工程试验路段，路面宽度5m。系统采用的太阳能板功率为330W，45度的倾斜角，12V 的工作电压；蓄电池采用400Ah； 照明光源采用了两个40W的无极灯，宽电压设计。灯具的安装高度10m， 安装间距15m，单侧布置。照明控制系统采用时控方式，每天18：00时开始工作，24：00时关闭其中一个光源， 第二天6：00时关闭另一个光源。实践证明，无极灯输入电压在9.5V~16V范围内均能够启动；负载的总功耗为85W，工作正常，可以得到15Lx的平均照度，满足道路照明的要求。

　　4 、结束语

　　太阳能是取之不尽的清洁能源，无极灯是长寿命、高光效的绿色光源，将太阳能技术和无极灯技术结合在一起，充分利用了双方的优点，形成一种节能环保的道路照明新方案，已经在生态旅游公路等低等级道路上应用成功。随着各方面技术水平的不断提高，产品的性能的不断完善，这种照明节能技术解决方案一定会在高等级道路方面得到更广泛的应用。