針對公路建設的環境問題， 人們一直在探索如何在可持續發展理論的指導下使公路建設與環境保護相結合， 于是提出了生態公路的理念。生態公路是生態學與公路建設相結合的產物，其發展應遵循自然生態規律與區域公路的發展要求，生態公路照明理所當然也要符合生態環保和節能低碳的建設要求[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南部， 該地區原為采煤塌陷區，屬次生下沉式濕地，總面積達2000公頃，過去曾經滿目狼藉，環境惡劣，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公園。該項目名稱是生態公園環湖生態景觀公路，工程穿行于湖區大小水體周邊，成為該市發展濕地生態旅游的重要基礎性工程。
工程包括環湖主線和各支線、連接線工程，總長33.7km，總投資2.3億元。為了保護濕地生態系統的完整，建設者對該項目表現出了超常的環境關注， 項目通過采用先進的設計施工和生態環保技術，處處追求環保節能的目標，實現了公路建設與生態環境保護、園林景觀的有效協調，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公路設計理念，成為環境友好、資源節約、人與道路、環境相互協調的典范。該工程項目建議書榮獲“2009年度河北省優秀工程咨詢成果三等獎”，施工圖設計榮獲“2009年河北省優秀工程勘察設計一等獎”。
1.2 生態公路照明要求
眾所周知， 生態公路是建立在交通發展與環境相互協調的基礎上，以生態系統自然的良性循環為基本原則，綜合考慮決策、設計、施工、運營、管理的全過程，在一定區域范圍內結合環境、經濟和社會發展狀況而建立起來的公路系統。為了給游人創造良好的視覺環境，保障交通安全， 該項目全線設置功能照明。
首先，生態公路照明要滿足功能要求。各種照明設備、節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，應根據項目規模和經濟實力，嚴格按標準設計、按規劃建設，既要保證照明系統功能達到各項技術指標和節能效果，又要防止以犧牲照明效果單純追求節能[2]。
其次，生態公路照明要追求生態節能目標。當前，建設節約型社會和低碳經濟已成為我國的一項重要國策， 建設部頒發的《“十一五”城市綠色照明工程規劃綱要》對道路照明要求年節電目標達5%，2006～2010年累計節電要達到25%， 因此節電已成為道路照明的一項重要指標。
再次，道路照明節能已經不單純是節電問題，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， 在制定節電方案和進行照明設計時予以解決。
2 太陽能光伏發電技術
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，利用光伏發電技術將太陽能轉化為電能，可以緩解環保壓力和實現可持續發展， 這也正符合生態公路的環保節能要求， 因此該項目的功能照明電源選擇太陽能光伏發電。
2.1 發電原理
太陽能光伏發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結勢壘區產生了較強的內建靜電場， 因而產生在勢壘區中的非平衡電子和空穴， 或者產生在勢壘區外但擴散進勢壘區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，結果使P區電勢升高，N區電勢降低，從而在外電路中產生電壓和電流，將光能轉化成電能。
2.2 太陽能獨立式發電系統
太陽能光伏發電系統大體上可以分為兩類， 一類是并網發電系統，即和公用電網通過標準接口相連接，像一個小型的發電廠；另一類是獨立式發電系統，即在自己的閉路系統內部形成電路，不和外部電網產生關系[3]。
獨立式發電系統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，節能方案和道路照明設計呈現出百家齊放的局面。該生態公路照明項目基于太陽能電源，選用匹配光源并優化節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， 同時考慮生態公路照明的要求，研究發現自鎮流高壓汞燈、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，發光效率也比較高，適合在居住區環境使用，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、發熱量高，導致節能效果差；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光。無極燈的優點是顯而易見的，與其它光源相比，具有長壽命、高效節能、高顯色性、高功率、無頻閃、低眩光、綠色環保、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，暖白光的核心優勢還在于它的照明效率更高，耗電量更少，更符合環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，充分利用兩者的優點實現可持續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概念， 這一節能解決方案充分利用了雙方的優點，在照明領域應用不僅節約了電能，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，從而實現節能環保[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定的影響很小，在太陽能照明使用中光源的性能保持穩定。與傳統光源相比， 不會產生因多次燃點造成燈管的發黑和光衰大的現象。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生器。太陽能系統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調控制， 可以保證太陽電池發電系統中的蓄電池的合理利用， 并利用智能控制延長蓄電池壽命，達到最大限度環保。
3.3 在生態公路照明中的應用實踐
（1）系統組成
該環湖生態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點，形成一種節能環保的道路照明新方案，已經在生態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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