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　針對公路建設的環(huán)境問(wèn)題， 人們一直在探索如何在可持續發(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(xué)與公路建設相結合的產(chǎn)物，其發(fā)展應遵循自然生態(tài)規律與區域公路的發(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(guò)去曾經(jīng)滿(mǎn)目狼藉，環(huán)境惡劣，經(jīng)過(guò)多年綜合治理，現在已經(jīng)建成獨具北方園林景觀(guān)特色的城市中央生態(tài)公園。該項目名稱(chēng)是生態(tài)公園環(huán)湖生態(tài)景觀(guān)公路，工程穿行于湖區大小水體周邊，成為該市發(fā)展濕地生態(tài)旅游的重要基礎性工程。

　　工程包括環(huán)湖主線(xiàn)和各支線(xiàn)、連接線(xiàn)工程，總長(cháng)33.7km，總投資2.3億元。為了保護濕地生態(tài)系統的完整，建設者對該項目表現出了超常的環(huán)境關(guān)注， 項目通過(guò)采用先進(jìn)的設計施工和生態(tài)環(huán)保技術(shù)，處處追求環(huán)保節能的目標，實(shí)現了公路建設與生態(tài)環(huán)境保護、園林景觀(guān)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(jià)、工期、質(zhì)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、資源節約、人與道路、環(huán)境相互協(xié)調的典范。該工程項目建議書(shū)榮獲“2009年度河北省優(yōu)秀工程咨詢(xún)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(yíng)、管理的全過(guò)程，在一定區域范圍內結合環(huán)境、經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展狀況而建立起來(lái)的公路系統。為了給游人創(chuàng )造良好的視覺(jué)環(huán)境，保障交通安全， 該項目全線(xiàn)設置功能照明。

　　首先，生態(tài)公路照明要滿(mǎn)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(xué)合理、經(jīng)濟使用、維護方便的要求。實(shí)際工作中，應根據項目規模和經(jīng)濟實(shí)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(shù)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(tài)公路照明要追求生態(tài)節能目標。當前，建設節約型社會(huì )和低碳經(jīng)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(jīng)不單純是節電問(wèn)題，同時(shí)要運用價(jià)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(shù)指標等問(wèn)題， 在制定節電方案和進(jìn)行照明設計時(shí)予以解決。

　　2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)

　　在資源日益缺乏的今天，太陽(yáng)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(shù)將太陽(yáng)能轉化為電能，可以緩解環(huán)保壓力和實(shí)現可持續發(fā)展， 這也正符合生態(tài)公路的環(huán)保節能要求， 因此該項目的功能照明電源選擇太陽(yáng)能光伏發(fā)電。

　　2.1 發(fā)電原理

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電是依靠太陽(yáng)能電池組件， 利用半導體材料的電子學(xué)特性，當太陽(yáng)光照射在半導體PN結上，由于P－N結勢壘區產(chǎn)生了較強的內建靜電場(chǎng)， 因而產(chǎn)生在勢壘區中的非平衡電子和空穴， 或者產(chǎn)生在勢壘區外但擴散進(jìn)勢壘區的非平衡電子和空穴。在內建靜電場(chǎng)的作用下， 各向相反方向運動(dòng)，離開(kāi)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(chǎn)生電壓和電流，將光能轉化成電能。

　　2.2 太陽(yáng)能獨立式發(fā)電系統

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統大體上可以分為兩類(lèi)， 一類(lèi)是并網(wǎng)發(fā)電系統，即和公用電網(wǎng)通過(guò)標準接口相連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠(chǎng)；另一類(lèi)是獨立式發(fā)電系統，即在自己的閉路系統內部形成電路，不和外部電網(wǎng)產(chǎn)生關(guān)系[3]。

　　獨立式發(fā)電系統光伏陣列首先會(huì )將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量直接轉換成電能供給負載， 并將多余能量經(jīng)過(guò)充電控制器后以化學(xué)能的形式儲存在蓄電池中。在日照不足時(shí)，儲存在蓄電池中的能量經(jīng)過(guò)全橋逆變器后變成SPWM波， 然后再經(jīng)過(guò)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(shù)為主，推廣和應用高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈、熒光燈、LED燈、無(wú)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(yáng)能電源，選用匹配光源并優(yōu)化節能方案成為重要工作。

　　3.1 光源分析

　　通過(guò)對目前使用的各種光源性能參數的比較， 同時(shí)考慮生態(tài)公路照明的要求，研究發(fā)現自鎮流高壓汞燈、白熾燈的光效過(guò)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(jīng)屬于淘汰光源。

　　高壓鈉燈具有光效高、壽命長(cháng)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(lèi)道路上使用。如果從光源發(fā)光效率的角度來(lái)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(wú)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，適合在居住區環(huán)境使用，可實(shí)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(diǎn)光源，每粒功率為0.5～1W，大功率應用場(chǎng)合需要多粒集中在一起才可以實(shí)現， 多用于顯示照明、交通信號燈、汽車(chē)尾燈、公路誘導照明等，目前也有用于道路照明的實(shí)例。但是由于功率小、光效低、光衰大、發(fā)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(shù)，生產(chǎn)過(guò)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(xiàn)路板上， 燈具反光器設計困難，推廣應用難度大。無(wú)極燈（電磁感應燈）采用電磁感應原理，先由電產(chǎn)生磁場(chǎng)，再由磁場(chǎng)產(chǎn)生感應電流，應用藕合震蕩原理將產(chǎn)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(wú)極燈的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，與其它光源相比，具有長(cháng)壽命、高效節能、高顯色性、高功率、無(wú)頻閃、低眩光、綠色環(huán)保、免維護的特點(diǎn)。無(wú)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(wú)極燈的暖白光接近于陽(yáng)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(yáng)能與無(wú)極燈結合理論研究

　　針對太陽(yáng)能光伏發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)和無(wú)極燈的電磁感應原理，將太陽(yáng)能技術(shù)和電磁感應技術(shù)相結合，充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)實(shí)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(shí)例。最早實(shí)現這一設計構想的是復旦大學(xué)電光源研究所， 它與生產(chǎn)廠(chǎng)家合作研究提出了太陽(yáng)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(yōu)點(diǎn)，在照明領(lǐng)域應用不僅節約了電能，而且能大大簡(jiǎn)化煩瑣的照明布線(xiàn)問(wèn)題，每一個(gè)光源都是一個(gè)獨立的工作系統，從而實(shí)現節能環(huán)保[4]。

　　由于無(wú)極燈沒(méi)有電極， 因此在燃點(diǎn)過(guò)程中受供電電壓不穩定的影響很小，在太陽(yáng)能照明使用中光源的性能保持穩定。與傳統光源相比， 不會(huì )產(chǎn)生因多次燃點(diǎn)造成燈管的發(fā)黑和光衰大的現象。無(wú)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(wú)極燈設計了直流工作的高頻發(fā)生器。太陽(yáng)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(guò)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(xiàn)圈的輸入。集成芯片還可以實(shí)現調光的功能，同時(shí)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(shí)，芯片會(huì )自動(dòng)切斷輸出信號，以實(shí)現自我保護。采用了這樣的芯片技術(shù)還可以實(shí)現對無(wú)極燈的調頻調光， 由于燈的感抗是正比于通過(guò)它的電流的頻率的，燈的工作頻率升高，就意味著(zhù)增大感抗，于是流過(guò)燈的電流下降，燈功率隨之下降。通過(guò)實(shí)現太陽(yáng)能電池和無(wú)極燈的最佳匹配和協(xié)調控制， 可以保證太陽(yáng)電池發(fā)電系統中的蓄電池的合理利用， 并利用智能控制延長(cháng)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(shí)踐

　?。?）系統組成

　　該環(huán)湖生態(tài)景觀(guān)公路進(jìn)行了試驗段實(shí)踐， 太陽(yáng)能電源與無(wú)極燈光源匹配照明取得了預期效果。方案設計主要由四個(gè)模塊構成。第一部分是太陽(yáng)能電池模塊，用以實(shí)現太陽(yáng)能向電能的轉變，實(shí)際上因為太陽(yáng)能是不斷變化的，太陽(yáng)能電池不具備提供恒定電壓的能力， 所以所有的太陽(yáng)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(yáng)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(shí)需保證太陽(yáng)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?？刂齐娐肥窍到y工作的核心，它的主要功能：一是控制太陽(yáng)能電池與蓄電池之間的充放電；二是定時(shí)工作，實(shí)現蓄電池對負載供電；三是保護功能，實(shí)現系統安全工作的保護控制。第四部分是無(wú)極燈光源，蓄電池電能經(jīng)過(guò)升壓后對無(wú)極燈供電，因無(wú)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(shí)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(yáng)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(wú)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(shí)控方式，每天18：00時(shí)開(kāi)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(wú)極燈輸入電壓在9.5V~16V范圍內均能夠啟動(dòng)；負載的總功耗為85W，工作正常，可以得到15Lx的平均照度，滿(mǎn)足道路照明的要求[5]。

　　4 結束語(yǔ)

　　太陽(yáng)能是取之不盡的清潔能源，無(wú)極燈是長(cháng)壽命、高光效的綠色光源，將太陽(yáng)能技術(shù)和無(wú)極燈技術(shù)結合在一起，充分利用了雙方的優(yōu)點(diǎn)，形成一種節能環(huán)保的道路照明新方案，已經(jīng)在生態(tài)旅游公路等低等級道路上應用成功。隨著(zhù)各方面技術(shù)水平的不斷提高，產(chǎn)品的性能的不斷完善，這種照明節能技術(shù)解決方案一定會(huì )在高等級道路方面得到更廣泛的應用。