基于太阳能的生态公路照明光源分析

　　通过对我国生态公路照明现状的分析以及存在问题的思考，说明道路照明节能的必要性，并从道路节能设计方面来探讨节能途径，包括道路照明水平的确定，新型节能光源灯具的选择，及道路供电系统的优化等多个方面来研究道路照明节能设计。

　　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年度河北省工程咨询成果三等奖",施工图设计荣获"2009年河北省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

　　光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。

　　在资源日益缺乏的今天，太阳能是新世纪理想的清洁能源、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。

　　是太阳电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。晶体硅电池效率在16-18%左右。由一个或多个太阳电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。2002年太阳电池和光伏组件产量约600MW,其中日本占45%,美国25%,欧洲约22%.日本是光伏产业发展快的因家，在不到10年的时间里超过了美国，2001年世界10大太阳电池生产厂，日本就有4家，分别是夏普、京都陶瓷、三洋和三菱。欧美发达国家大都制订了"阳光计划",并采取措施鼓励居民安装太阳能发电系统，比如部分赠款、无息贷款和"种子基金"等，并以高出普通电价几倍的价格购买居民家中多余的太阳能电量。

　　2.1 发电原理

　　太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

　　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。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。

　　LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。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。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，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。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。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。控制电路是系统工作的，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。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

　　太阳能能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、等也都是由太阳能转换来的。地球本身蕴藏的能量 通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。 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。