針對公路建設的環(huán)境問題， 人們一直在探索如何在可持續(xù)發(fā)展理論的指導下使公路建設與環(huán)境保護相結合， 于是提出了生態(tài)公路的理念。生態(tài)公路是生態(tài)學與公路建設相結合的產物，其發(fā)展應遵循自然生態(tài)規(guī)律與區(qū)域公路的發(fā)展要求，生態(tài)公路照明理所當然也要符合生態(tài)環(huán)保和節(jié)能低碳的建設要求[1]。
1 項目背景
1.1 工程概況
項目位于中國北方某資源型城市市區(qū)南部， 該地區(qū)原為采煤塌陷區(qū)，屬次生下沉式濕地，總面積達2000公頃，過去曾經滿目狼藉，環(huán)境惡劣，經過多年綜合治理，現在已經建成獨具北方園林景觀特色的城市中央生態(tài)公園。該項目名稱是生態(tài)公園環(huán)湖生態(tài)景觀公路，工程穿行于湖區(qū)大小水體周邊，成為該市發(fā)展?jié)竦厣鷳B(tài)旅游的重要基礎性工程。
工程包括環(huán)湖主線和各支線、連接線工程，總長33.7km，總投資2.3億元。為了保護濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整，建設者對該項目表現出了超常的環(huán)境關注， 項目通過采用先進的設計施工和生態(tài)環(huán)保技術，處處追求環(huán)保節(jié)能的目標，實現了公路建設與生態(tài)環(huán)境保護、園林景觀的有效協(xié)調，既達到了“景中有路、路即是景、渾然一體”的建設定位，又達到了工程造價、工期、質量、安全等方面的嚴格要求，項目的成功建設極大地補充和豐富了生態(tài)公路設計理念，成為環(huán)境友好、資源節(jié)約、人與道路、環(huán)境相互協(xié)調的典范。該工程項目建議書榮獲“2009年度河北省優(yōu)秀工程咨詢成果三等獎”，施工圖設計榮獲“2009年河北省優(yōu)秀工程勘察設計一等獎”。
1.2 生態(tài)公路照明要求
眾所周知， 生態(tài)公路是建立在交通發(fā)展與環(huán)境相互協(xié)調的基礎上，以生態(tài)系統(tǒng)自然的良性循環(huán)為基本原則，綜合考慮決策、設計、施工、運營、管理的全過程，在一定區(qū)域范圍內結合環(huán)境、經濟和社會發(fā)展狀況而建立起來的公路系統(tǒng)。為了給游人創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，保障交通安全， 該項目全線設置功能照明。
首先，生態(tài)公路照明要滿足功能要求。各種照明設備、節(jié)能措施必須達到安全可靠、科學合理、經濟使用、維護方便的要求。實際工作中，應根據項目規(guī)模和經濟實力，嚴格按標準設計、按規(guī)劃建設，既要保證照明系統(tǒng)功能達到各項技術指標和節(jié)能效果，又要防止以犧牲照明效果單純追求節(jié)能[2]。
其次，生態(tài)公路照明要追求生態(tài)節(jié)能目標。當前，建設節(jié)約型社會和低碳經濟已成為我國的一項重要國策， 建設部頒發(fā)的《“十一五”城市綠色照明工程規(guī)劃綱要》對道路照明要求年節(jié)電目標達5%，2006～2010年累計節(jié)電要達到25%， 因此節(jié)電已成為道路照明的一項重要指標。
再次，道路照明節(jié)能已經不單純是節(jié)電問題，同時要運用價值工程手段，考慮投資成本、運行維護、設備管理以及道路的照明功能技術指標等問題， 在制定節(jié)電方案和進行照明設計時予以解決。
2 太陽能光伏發(fā)電技術
在資源日益缺乏的今天，太陽能是新世紀最理想的清潔能源、綠色能源，利用光伏發(fā)電技術將太陽能轉化為電能，可以緩解環(huán)保壓力和實現可持續(xù)發(fā)展， 這也正符合生態(tài)公路的環(huán)保節(jié)能要求， 因此該項目的功能照明電源選擇太陽能光伏發(fā)電。
2.1 發(fā)電原理
太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件， 利用半導體材料的電子學特性，當太陽光照射在半導體PN結上，由于P－N結勢壘區(qū)產生了較強的內建靜電場， 因而產生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴， 或者產生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴。在內建靜電場的作用下， 各向相反方向運動，離開勢壘區(qū)，結果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，從而在外電路中產生電壓和電流，將光能轉化成電能。
2.2 太陽能獨立式發(fā)電系統(tǒng)
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類， 一類是并網發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網通過標準接口相連接，像一個小型的發(fā)電廠；另一類是獨立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內部形成電路，不和外部電網產生關系[3]。
獨立式發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列首先會將接收來的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載， 并將多余能量經過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池中。在日照不足時，儲存在蓄電池中的能量經過全橋逆變器后變成SPWM波， 然后再經過濾波和工頻變壓器升壓后變成交流220V、50Hz的正弦電壓供給交流負載使用。
3 光源匹配比選
目前道路照明節(jié)能多以應用新技術為主，推廣和應用高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈、熒光燈、LED燈、無極燈等新光源，逐步淘汰了白熾燈、汞燈等低效照明產品，節(jié)能方案和道路照明設計呈現出百家齊放的局面。該生態(tài)公路照明項目基于太陽能電源，選用匹配光源并優(yōu)化節(jié)能方案成為重要工作。
3.1 光源分析
通過對目前使用的各種光源性能參數的比較， 同時考慮生態(tài)公路照明的要求，研究發(fā)現自鎮(zhèn)流高壓汞燈、白熾燈的光效過低， 造成能源浪費， 路面照明水平也很難達到標準的要求，已經屬于淘汰光源。
高壓鈉燈具有光效高、壽命長的特點，顯色性也符合一般道路照明要求，所以它可在各類道路上使用。如果從光源發(fā)光效率的角度來看，低壓鈉燈是目前光效最高的光源，但它的顯色性不好，而且高壓鈉燈的光效仍在不斷地提高，比較而言，低壓鈉燈已無優(yōu)勢。
金屬鹵化物燈、細管徑熒光燈、緊湊型熒光燈等光源的顯色性好，發(fā)光效率也比較高，適合在居住區(qū)環(huán)境使用，可實現尊重人的感受，強調以人為本的理念。
LED燈是固體發(fā)光二極管點光源，每粒功率為0.5～1W，大功率應用場合需要多粒集中在一起才可以實現， 多用于顯示照明、交通信號燈、汽車尾燈、公路誘導照明等，目前也有用于道路照明的實例。但是由于功率小、光效低、光衰大、發(fā)熱量高，導致節(jié)能效果差；由于具有刺眼眩光和閃爍，光污染嚴重；由于采用半導體技術，生產過程的能耗高；道路照明中由于要上百粒LED集中在一塊很大的線路板上， 燈具反光器設計困難，推廣應用難度大。無極燈（電磁感應燈）采用電磁感應原理，先由電產生磁場，再由磁場產生感應電流，應用藕合震蕩原理將產生的高頻電壓注入到真空的玻殼或玻管里， 與三基色熒光粉及惰性氣體作用發(fā)光。無極燈的優(yōu)點是顯而易見的，與其它光源相比，具有長壽命、高效節(jié)能、高顯色性、高功率、無頻閃、低眩光、綠色環(huán)保、免維護的特點。無極燈還具有更可靠的瞬間啟動性能， 同時低熱量輸出， 具有更可靠的抵抗電壓劇烈波動的能力。無極燈的暖白光接近于陽光的表現效果，可視性更好，比黃色的鈉燈更合適應用于道路照明。不僅如此，暖白光的核心優(yōu)勢還在于它的照明效率更高，耗電量更少，更符合環(huán)保照明和綠色照明的要求， 在能源危機和溫室效應日趨嚴重的今天是有巨大推廣普及潛力的。
3.2 太陽能與無極燈結合理論研究
針對太陽能光伏發(fā)電的技術特點和無極燈的電磁感應原理，將太陽能技術和電磁感應技術相結合，充分利用兩者的優(yōu)點實現可持續(xù)照明的設計思路是完全可行的。這一結論在國內已有部分工程實例。最早實現這一設計構想的是復旦大學電光源研究所， 它與生產廠家合作研究提出了太陽能電磁感應燈道路照明系統(tǒng)概念， 這一節(jié)能解決方案充分利用了雙方的優(yōu)點，在照明領域應用不僅節(jié)約了電能，而且能大大簡化煩瑣的照明布線問題，每一個光源都是一個獨立的工作系統(tǒng)，從而實現節(jié)能環(huán)保[4]。
由于無極燈沒有電極， 因此在燃點過程中受供電電壓不穩(wěn)定的影響很小，在太陽能照明使用中光源的性能保持穩(wěn)定。與傳統(tǒng)光源相比， 不會產生因多次燃點造成燈管的發(fā)黑和光衰大的現象。無電極結構和感應放電可以使光源的壽命和性能得到很好的保證。為了降低照明系統(tǒng)的成本和提高能源利用效率，無極燈設計了直流工作的高頻發(fā)生器。太陽能系統(tǒng)的蓄電池提供的低壓直流直接升壓為逆變需要的高壓。通過功率因子校正后，直流作為逆變電路的輸入。逆變電路在自行設計的集成電路芯片的控制下工作， 得到的高頻交流電能作為耦合線圈的輸入。集成芯片還可以實現調光的功能，同時可以作為系統(tǒng)的保護控制， 當工作電路出現短路或者斷路等異常情況時，芯片會自動切斷輸出信號，以實現自我保護。采用了這樣的芯片技術還可以實現對無極燈的調頻調光， 由于燈的感抗是正比于通過它的電流的頻率的，燈的工作頻率升高，就意味著增大感抗，于是流過燈的電流下降，燈功率隨之下降。通過實現太陽能電池和無極燈的最佳匹配和協(xié)調控制， 可以保證太陽電池發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池的合理利用， 并利用智能控制延長蓄電池壽命，達到最大限度環(huán)保。
3.3 在生態(tài)公路照明中的應用實踐
?。?）系統(tǒng)組成
該環(huán)湖生態(tài)景觀公路進行了試驗段實踐， 太陽能電源與無極燈光源匹配照明取得了預期效果。方案設計主要由四個模塊構成。第一部分是太陽能電池模塊，用以實現太陽能向電能的轉變，實際上因為太陽能是不斷變化的，太陽能電池不具備提供恒定電壓的能力， 所以所有的太陽能供電系統(tǒng)都配合有蓄電池一起工作。第二部分是蓄電池，太陽能電池必須把電能存儲在蓄電池中，不能直接對負載供電，同時需保證太陽能電池和蓄電池之間的充電是單向的。第三部分是控制電路。控制電路是系統(tǒng)工作的核心，它的主要功能：一是控制太陽能電池與蓄電池之間的充放電；二是定時工作，實現蓄電池對負載供電；三是保護功能，實現系統(tǒng)安全工作的保護控制。第四部分是無極燈光源，蓄電池電能經過升壓后對無極燈供電，因無極燈的高頻發(fā)生器內部本身具備boost升壓電路，所以它對蓄電池的供電電壓的要求大大降低了。
（2）方案設計和實施
圖1是該項目工程試驗路段，路面寬度5m。系統(tǒng)采用的太陽能板功率為330W，45度的傾斜角，12V 的工作電壓；蓄電池采用400Ah； 照明光源采用了兩個40W的無極燈，寬電壓設計。燈具的安裝高度10m， 安裝間距15m，單側布置。照明控制系統(tǒng)采用時控方式，每天18：00時開始工作，24：00時關閉其中一個光源， 第二天6：00時關閉另一個光源。實踐證明，無極燈輸入電壓在9.5V~16V范圍內均能夠啟動；負載的總功耗為85W，工作正常，可以得到15Lx的平均照度，滿足道路照明的要求[5]。
4 結束語
太陽能是取之不盡的清潔能源，無極燈是長壽命、高光效的綠色光源，將太陽能技術和無極燈技術結合在一起，充分利用了雙方的優(yōu)點，形成一種節(jié)能環(huán)保的道路照明新方案，已經在生態(tài)旅游公路等低等級道路上應用成功。隨著各方面技術水平的不斷提高，產品的性能的不斷完善，這種照明節(jié)能技術解決方案一定會在高等級道路方面得到更廣泛的應用。
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