一種智能控制無極熒光燈路燈

李維德，張秋玲，劉 洋，陳大華

(1．上海宏源照明電器有限公司;2．復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)和人口的增長(zhǎng)，人類對(duì)能源的需求大幅增加，許多有識(shí)之士已經(jīng)開始思考如何應(yīng)對(duì)未來可能出現(xiàn)的全球能源危機(jī)。電氣照明是能耗大戶，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在努力提高照明的效率，節(jié)約能源。一方面，諸如陶瓷金鹵燈、LED等的節(jié)能光源走入人們的視野;另一方面，人們也開始嘗試采用新的控制策略。由于上述努力，現(xiàn)有的電氣照明能耗比過去有了明顯降低，其中一個(gè)明顯的例子，就是道路照明。

道路照明的目的是為行人和車輛在夜間提供足夠的照明，以確保交通安全。目前，道路照明中應(yīng)用最為廣泛的光源是高壓鈉燈，其光色為黃色，功率在100 W～1 000 W之間。為了節(jié)約能源，人們開始嘗試在道路照明中采用一些新的光源，如金鹵燈、LED、無極熒光燈等。同時(shí)，也開始嘗試一些新的控制方式，以降低非高峰時(shí)段的照明能耗。文中將介紹一種采用環(huán)形無極熒光燈的智能控制路燈，無論是光源還是控制策略，該路燈都比傳統(tǒng)的高壓鈉燈有了顯著改進(jìn)，因而可以很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1 光源及反射器

高壓鈉燈光效很高，約為120 lm/W，這是因?yàn)槿搜矍『脤?duì)鈉燈發(fā)出的黃光非常敏感。但視覺科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，如果外界光環(huán)境發(fā)生變化，人眼對(duì)光的感受也會(huì)發(fā)生變化。圖1所示為人眼在明視覺和暗視覺條件下的歸一化靈敏度曲線。從圖1中可以看出，在暗視覺條件下，人眼對(duì)短波長(zhǎng)的光更為敏感。即相比黃光，人眼此時(shí)對(duì)綠色光更為敏感。明視覺靈敏度曲線對(duì)應(yīng)的峰值為683 lm/W，而暗視覺曲線的峰值為1 700 lm/W。因此，如果燈的輻射光與人眼的靈敏度相匹配，則可以較少的能耗實(shí)現(xiàn)同樣的照明。為描述這一效應(yīng)，研究人員引入了S/P值的概念。如光源出射光中短波成分較多，則其S/P值就高。表1給出了常見光源的S/P值。從表中不難看出，高壓鈉燈的S/P值明顯低于熒光燈、金鹵燈和LED。因此，如果采用高S/P值的光源，就可以較低能耗實(shí)現(xiàn)與高壓鈉燈照明同樣的效果。

圖1 明視覺和暗視覺條件下人眼的靈敏度曲線，左邊為暗視覺對(duì)應(yīng)的曲線，右邊為明視覺對(duì)應(yīng)的曲線

表1 不同光源的S/P值

道路照明中，常用金鹵燈和LED代替高壓鈉燈，而熒光燈極少采用。這是因?yàn)槠胀晒鉄舻墓β拭芏容^低，如需要高功率(比如200 W)，燈的尺寸要相應(yīng)放大，而過大的尺寸會(huì)使熒光燈無法應(yīng)用。無極熒光燈的出現(xiàn)則改變了這一點(diǎn)。無極熒光燈基于電磁感應(yīng)原理，其功率密度比傳統(tǒng)熒光燈大得多，因此，高功率無極熒光燈的尺寸也可以較小，用來替代鈉燈進(jìn)行道路照明。目前市面上的無極燈有兩種結(jié)構(gòu)，一種采用外置磁芯和環(huán)形泡殼(也稱為低頻無極燈);另一種采用內(nèi)置磁芯和帶凹腔的球形泡殼(也稱為高頻無極燈)。文章主要介紹外置磁芯的無極熒光燈。圖2所示為外置磁芯無極熒光燈。此種類型200 W的燈光效約為85 lm/W，顯色指數(shù)約為75，色溫在2 700 K～6 500 K之間，壽命約為30 000 h。

圖2 外置磁芯和環(huán)形泡殼的無極熒光燈

道路照明要求充足的光線被均勻投射到路面上。光的投射依賴于反射器的設(shè)計(jì)。與高壓鈉燈和金鹵燈不同，無極熒光燈不是典型的線光源，因此適用于高壓鈉燈的反射器不適用于無極熒光燈。為了滿足道路照明的需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種配用無極熒光燈的路燈反射器。圖3所示為此種反射器的外觀，圖4所示為樣品燈照片及對(duì)應(yīng)的配光曲線。

圖3 與無極熒光燈路燈配用的反射器外觀

圖4 樣品燈及配光曲線

2 智能控制系統(tǒng)

以前的道路照明控制多采用固定時(shí)間開關(guān)燈的方式。這種方式對(duì)電能浪費(fèi)非常厲害，因?yàn)槲缫挂院舐飞宪嚵髁匡@著減少，但路燈還是在滿負(fù)荷工作。針對(duì)這一弊端，人們提出了新的控制策略:一種是在午夜后關(guān)掉部分路燈，另一種是午夜后將路燈全部調(diào)暗。前一種方法會(huì)在路上形成非常明顯的亮暗區(qū)域，影響照明效果;后一種方法則會(huì)加快燈電極的損耗，從而縮短燈的壽命。由于無極熒光燈沒有電極，所以調(diào)光不會(huì)對(duì)燈的壽命有影響，這使后一種控制策略更加可行。

無極熒光燈由電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)，鎮(zhèn)流器普遍采用開關(guān)電源來產(chǎn)生高頻電壓和電流。我們?cè)阪?zhèn)流器中添加了調(diào)光模塊和電力線載波通信模塊。調(diào)光模塊可以對(duì)燈調(diào)光，而電力線載波通信模塊可以使鎮(zhèn)流器接收外部命令，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖5所示為道路照明智能控制系統(tǒng)的示意圖。管理員通過電腦從控制中心發(fā)出指令，該指令通過無線通信方式(如GPRS)傳輸?shù)桨惭b在道路附近的電力線載波通信終端中。電力線載波通信終端中集成了無線通信模塊，通信終端通過該無線通信模塊撥號(hào)上網(wǎng)，一旦網(wǎng)絡(luò)連接建立，控制中心就會(huì)自動(dòng)為其分配地址。這樣，控制中心可以對(duì)每一個(gè)通信終端進(jìn)行監(jiān)測(cè)和訪問。指令到達(dá)通信終端后，被送往終端系統(tǒng)的微處理器中，微處理器再通過電力線的通信頻道將指令發(fā)送到該線路的每一個(gè)電子鎮(zhèn)流器上，由鎮(zhèn)流器來執(zhí)行相應(yīng)操作。同時(shí)，微處理器還通過電力線通信頻道查詢每一個(gè)鎮(zhèn)流器的狀態(tài)，并將其返回到控制中心。

圖5 智能道路照明控制系統(tǒng)示意圖

此道路照明控制系統(tǒng)采用電力線載波通信實(shí)現(xiàn)對(duì)燈的控制，無需額外架設(shè)通訊線路，這不僅降低了成本，更提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。管理員可以根據(jù)道路狀況設(shè)置不同的照明水平、開關(guān)周期、調(diào)光范圍等。與傳統(tǒng)控制策略相比，此系統(tǒng)可以極大節(jié)省電能消耗。由于控制中心可以查詢和檢測(cè)每個(gè)路燈的實(shí)時(shí)狀態(tài)，一旦某些路燈出現(xiàn)問題，管理員可以在控制中心及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位，從而加快故障處理的速度，降低維護(hù)成本。另外，一旦出現(xiàn)突發(fā)狀況，如突然出現(xiàn)陰雨，管理員可以在控制中心手動(dòng)開啟道路照明，保障交通安全。

3 案例

圖6所示為智能道路照明系統(tǒng)的一個(gè)案例。該案例位于江蘇省鹽城經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的一條主干路上，路全長(zhǎng)11 946．73 m，路兩側(cè)安裝了1 562盞150 W無極熒光燈路燈。所有路燈均可以通過控制室中的電腦軟件進(jìn)行控制。圖6(a)所示為該軟件的界面，圖6(b)為道路照明的實(shí)景圖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果，路面平均照度約為20 lx，照明的平均功率密度約為 0．7 W/m2。

圖6 智能控制道路照明系統(tǒng)案例(江蘇鹽城經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū))

［1］ http:∥de．wikipedia．org/wiki/V-Lambda-Kurve［OL/EB］

［2］ Anne-Mari Ylinen，Leena Tahkamo，Marjukka Puolakka，Liisa Halonen．LEUKOS．2011，8(1):9 ～24

［3］ G G Lister， M Cox． PlasmaSourcesSci． Technol．1992:67～73

［4］ G G Lister，J J Curry，J E Lawler．J．Phys．D:Appl．Phys．2004:3099 ～ 3106