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    新聞導航

    基于太陽能電源的生態(tài)公路照明光源比選

    來源:www.lrxp78.com 發(fā)布時間:2019-12-25 返回

     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(jié)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(jié)合的產(chǎn)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(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(xiàn)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(xiàn)了公路建設與生態(tài)環(huán)境保護、園林景觀的有效協(xié)調(diào),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(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(jié)約、人與道路、環(huán)境相互協(xié)調(diào)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(diào)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(nèi)結(jié)合環(huán)境、經(jīng)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(jīng)濟使用、維護方便的要求。實際工作中,應根據(jù)項目規(guī)模和經(jīng)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(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(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(jīng)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(zhuǎn)化為電能,可以緩解環(huán)保壓力和實現(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(jié)上,由于P-N結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生了較強的內(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)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴。在內(nèi)建靜電場的作用下, 各向相反方向運動,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(nèi)部形成電路,不和外部電網(wǎng)產(chǎn)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(zhuǎn)換成電能供給負載, 并將多余能量經(jīng)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(jīng)過全橋逆變器后變成SPWM波, 然后再經(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(chǎn)品,節(jié)能方案和道路照明設計呈現(xiàn)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(shù)的比較, 同時考慮生態(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, 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(xiàn)尊重人的感受,強調(diào)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(xiàn), 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(chǎn)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(chǎn)生磁場,再由磁場產(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(xiàn)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(jié)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(jié)合,充分利用兩者的優(yōu)點實現(xiàn)可持續(xù)照明的設計思路是完全可行的。這一結(jié)論在國內(nèi)已有部分工程實例。最早實現(xiàn)這一設計構想的是復旦大學電光源研究所, 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(xiàn)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(chǎn)生因多次燃點造成燈管的發(fā)黑和光衰大的現(xiàn)象。無電極結(jié)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(xiàn)調(diào)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(xiàn)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(xiàn)自我保護。采用了這樣的芯片技術還可以實現(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。通過實現(xiàn)太陽能電池和無極燈的最佳匹配和協(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(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)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??刂齐娐肥窍到y(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(xiàn)蓄電池對負載供電;三是保護功能,實現(xiàn)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(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。

      (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(cè)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(nèi)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(jié)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(jié)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(jīng)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(chǎn)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。