通過對我國生態(tài)公路照明現(xiàn)狀的分析以及存在問題的思考，說明道路照明節(jié)能的必要性，并從道路節(jié)能設(shè)計(jì)方面來探討節(jié)能途徑，包括道路照明水平的確定，新型節(jié)能光源燈具的選擇，及道路供電系統(tǒng)的優(yōu)化等多個(gè)方面來研究道路照明節(jié)能設(shè)計(jì)。

　　1、項(xiàng)目背景

　　1.1 工程概況

　　項(xiàng)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(dá)2000公頃，過去曾經(jīng)滿目狼藉，環(huán)境惡劣，經(jīng)過多年綜合治理，現(xiàn)在已經(jīng)建成獨(dú)具北方園林景觀特色的城市中央生態(tài)公園。該項(xiàng)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(chǔ)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(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整，建設(shè)者對該項(xiàng)目表現(xiàn)出了超常的環(huán)境關(guān)注， 項(xiàng)目通過采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)施工和生態(tài)環(huán)保技術(shù)，處處追求環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了公路建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)、園林景觀的有效協(xié)調(diào)，既達(dá)到了"景中有路、路即是景、渾然一體"的建設(shè)定位，又達(dá)到了工程造價(jià)、工期、質(zhì)量、安全等方面的嚴(yán)格要求，項(xiàng)目的成功建設(shè)極大地補(bǔ)充和豐富了生態(tài)公路設(shè)計(jì)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(diào)的典范。該工程項(xiàng)目建議書榮獲"2009年度河北省工程咨詢成果三等獎(jiǎng)",施工圖設(shè)計(jì)榮獲"2009年河北省工程勘察設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)".

　　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(diào)的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、管理的全過程，在一定區(qū)域范圍內(nèi)結(jié)合環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r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(xiàng)目全線設(shè)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(shè)備、節(jié)能措施必須達(dá)到安全可靠、科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)使用、維護(hù)方便的要求。實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、按規(guī)劃建設(shè)，既要保證照明系統(tǒng)功能達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和節(jié)能效果，又要防止以犧牲照明效果單純追求節(jié)能。

　　其次，生態(tài)公路照明要追求生態(tài)節(jié)能目標(biāo)。當(dāng)前，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和低碳經(jīng)濟(jì)已成為我國的一項(xiàng)重要國策， 建設(shè)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(biāo)達(dá)5%,2006~2010年累計(jì)節(jié)電要達(dá)到25%, 因此節(jié)電已成為道路照明的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

　　再次，道路照明節(jié)能已經(jīng)不單純是節(jié)電問題，同時(shí)要運(yùn)用價(jià)值工程手段，考慮投資成本、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備管理以及道路的照明功能技術(shù)指標(biāo)等問題， 在制定節(jié)電方案和進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時(shí)予以解決。

　　2、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

　　光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源可以無處不在。

　　在資源日益缺乏的今天，太陽能是新世紀(jì)理想的清潔能源、綠色能源，利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可以緩解環(huán)保壓力和實(shí)現(xiàn)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(xiàng)目的功能照明電源選擇太陽能光伏發(fā)電。

　　是太陽電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。目前，單晶和多晶電池用量，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計(jì)算器輔助電源等。晶體硅電池效率在16-18%左右。由一個(gè)或多個(gè)太陽電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件。2002年太陽電池和光伏組件產(chǎn)量約600MW,其中日本占45%,美國25%,歐洲約22%.日本是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展快的因家，在不到10年的時(shí)間里超過了美國，2001年世界10大太陽電池生產(chǎn)廠，日本就有4家，分別是夏普、京都陶瓷、三洋和三菱。歐美發(fā)達(dá)國家大都制訂了"陽光計(jì)劃",并采取措施鼓勵(lì)居民安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，比如部分贈(zèng)款、無息貸款和"種子基金"等，并以高出普通電價(jià)幾倍的價(jià)格購買居民家中多余的太陽能電量。

　　2.1 發(fā)電原理

　　太陽能電池是一對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體硅為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結(jié)。當(dāng)光線照射太陽能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

　　太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件， 利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，由于P-N結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場， 因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴， 或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴。在內(nèi)建靜電場的作用下， 各向相反方向運(yùn)動(dòng)，離開勢壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。

　　2.2 太陽能獨(dú)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠；另一類是獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路，不和外部電網(wǎng)產(chǎn)生關(guān)系。

　　獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列首先會(huì)將接收來的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載， 并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在蓄電池中。經(jīng)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(fù)載使用。

　　3、光源匹配比選

　　目前道路照明節(jié)能多以應(yīng)用新技術(shù)為主，推廣和應(yīng)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(chǎn)品，節(jié)能方案和道路照明設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出百家齊放的局面。該生態(tài)公路照明項(xiàng)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(shù)的比較， 同時(shí)考慮生態(tài)公路照明的要求，研究發(fā)現(xiàn)自鎮(zhèn)流高壓汞燈、白熾燈的光效過低， 造成能源浪費(fèi)， 路面照明水平也很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，已經(jīng)屬于淘汰光源。

　　高壓鈉燈具有光效高、壽命長的特點(diǎn)，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。

　　LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。無極燈的優(yōu)點(diǎn)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(hù)的特點(diǎn)。無極燈還具有更可靠的瞬間啟動(dòng)性能， 同時(shí)低熱量輸出， 具有更可靠的抵抗電壓劇烈波動(dòng)的能力。無極燈的暖白光接近于陽光的表現(xiàn)效果，可視性更好，比黃色的鈉燈更合適應(yīng)用于道路照明。不僅如此，暖白光的優(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(jī)和溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)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(jié)合理論研究

　　針對太陽能光伏發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)和無極燈的電磁感應(yīng)原理，將太陽能技術(shù)和電磁感應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)照明的設(shè)計(jì)思路是完全可行的。這一結(jié)論在國內(nèi)已有部分工程實(shí)例。早實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)構(gòu)想的是復(fù)旦大學(xué)電光源研究所， 它與生產(chǎn)廠家合作研究提出了太陽能電磁感應(yīng)燈道路照明系統(tǒng)概念，在照明領(lǐng)域應(yīng)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(gè)光源都是一個(gè)獨(dú)立的工作系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

　　由于無極燈沒有電極， 因此在燃點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生因多次燃點(diǎn)造成燈管的發(fā)黑和光衰大的現(xiàn)象。無電極結(jié)構(gòu)和感應(yīng)放電可以使光源的壽命和性能得到很好的保證。集成芯片還可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光的功能，同時(shí)可以作為系統(tǒng)的保護(hù)控制，當(dāng)工作電路出現(xiàn)短路或者斷路等異常情況時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)切斷輸出信號，以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。采用了這樣的芯片技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對無極燈的調(diào)頻調(diào)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(shí)現(xiàn)太陽能電池和無極燈的匹配和協(xié)調(diào)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(dá)到限度環(huán)保。

　　3.3 在生態(tài)公路照明中的應(yīng)用實(shí)踐

　?。?）系統(tǒng)組成

　　該環(huán)湖生態(tài)景觀公路進(jìn)行了試驗(yàn)段實(shí)踐， 太陽能電源與無極燈光源匹配照明取得了預(yù)期效果。方案設(shè)計(jì)主要由四個(gè)模塊構(gòu)成。部分是太陽能電池模塊，用以實(shí)現(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)變，實(shí)際上因?yàn)樘柲苁遣粩嘧兓模柲茈姵夭痪邆涮峁┖愣妷旱哪芰??？刂齐娐肥窍到y(tǒng)工作的，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(shí)工作，實(shí)現(xiàn)蓄電池對負(fù)載供電；三是保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全工作的保護(hù)控制。第四部分是無極燈光源，蓄電池電能經(jīng)過升壓后對無極燈供電，因無極燈的高頻發(fā)生器內(nèi)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。

　?。?）方案設(shè)計(jì)和實(shí)施

　　圖1是該項(xiàng)目工程試驗(yàn)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(gè)40W的無極燈，寬電壓設(shè)計(jì)。照明控制系統(tǒng)采用時(shí)控方式，每天18:00時(shí)開始工作，24:00時(shí)關(guān)閉其中一個(gè)光源， 第二天6:00時(shí)關(guān)閉另一個(gè)光源。實(shí)踐證明，無極燈輸入電壓在9.5V~16V范圍內(nèi)均能夠啟動(dòng)；負(fù)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。

　　4 、結(jié)束語

　　太陽能能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽能）人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。正是各種植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的。它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風(fēng)能、等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。地球本身蘊(yùn)藏的能量 通常指與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源和與原子核反應(yīng)有關(guān)的能源。 這種照明節(jié)能技術(shù)解決方案一定會(huì)在高等級道路方面得到更廣泛的應(yīng)用。