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BOB半岛今年诺贝尔物理学奖授予“高效蓝色发光二极管”的发明者。颁奖词介绍道“通过蓝色LED技术的应用BOB半岛,人类可以使用一种全新的手段产生白色光源。相比旧式的灯具,LED灯具有更加持久且高效的优点。高效的蓝色发光二极管的发明,让明亮且节能的白色光源成为可能。如果说白炽灯照亮了整个20世纪,那么21世纪将是LED灯的时代。”
灯具 “能分配、透出或转变一个或多个灯发出光线的一种器具,并包括支承、固定和保护灯必需的所有部件(但不包括灯本身),以及必需的电路辅助装置和将它们与电源连接的装置。”[1]
自2008年起,LED灯具在我市的实际应用已经长达六年,最早的LED路灯是由生产企业在花园路试装的32套LED灯具(已更换11套),2009年起通过工程招投标方式建设了一批新建道路的LED路灯。截至2013年底LED路灯盏数达到5577余盏,占全市路灯的22%。从使用效果来看,早期安装LED路灯的道路照度明显偏低,灯具品质普遍不高。
分析其原因有:1、早期LED技术水平不高;2、部分企业为了追求节能效果,片面夸大LED 的节能效果,在实际工程实践中以牺牲照度来换取节能。3、2009年后由于采用低价中标,采购的LED灯具品质不高。这些LED灯具的应用给道路照明工作者带来一些困惑。
困惑一:花大价钱买来的LED路灯却比高压钠灯暗。(实际测量的路面照度偏低)困惑二:宣传LED灯具长寿命低维护成本,但驱动电源故障率较高,且维修成本较高。困惑三:LED产品缺乏统一的标准,各元器件交互性差,无法在现场进行快速更换维修。路灯亮灯率难以保证。
LED在路灯上的优势在那里?我们按照现行标准规范将LED灯具与道路照明上应用最多的高压钠灯进行比对。
(1)LED灯具的光效定义:在灯具的声称使用条件下,灯具发出的总光通量与其所耗的电功率之比。注:不可更换光源的灯具使用灯具的光效来表示灯具的出光效率,例如,不能更换光源的LED路灯。[2]
(2)LED灯具目前厂家宣称的光效可达到110lm/w,整灯光效100 lm/w。到底有多少,大家心里还是有些怀疑。在这里我们参考美国能源署2013在市场上对LED PAR 38灯随机抽样检测的数据。多数产品因为近期的产品都未达到123 lm/w要求。。
(3)道路照明灯具性能等级的相应要求提出的“不能更换光源的LED灯具的光效90lm/W” [2]
(2)高压钠灯能效限定值及能效等级明确400W高压钠灯光效为120 lm/w[3];高压钠灯整灯光效0.75*120=90lm/w
推进高效照明节能产品的应用。城市照明高光效、长寿命光源的应用率不低于90%。在满足配光要求的前提下,高压钠灯和金属卤化物灯光源的道路照明灯具的效率不低于75%,半导体路灯灯具的系统效能不低于90lm/W。[4]
灯具的寿命应立足于整灯各部件寿命综合考虑。高压钠灯寿命最短的灯泡使用寿命约3~4年。LED灯具驱动电路(以电子元器件为主)的寿命也是3年左右。所以整灯来看,LED灯具的使用寿命与高压钠灯相当。
一款LED路灯目前价格在7000元~9000元,高压钠灯价格约4000元~5000元,就现状而言,LED路灯明显高于高压钠灯。
电源更换成本高达600元/套。整流器和灯泡全套仅120元/套,维修费用明显偏高。
初步结论:从光源的效率来看,大功率高压钠灯灯具和LED灯具光效来相当,小功率LED灯具光效高于高压钠灯;二者使用寿命相当、LED灯具建设成本和维修成本略高于钠灯灯具。随着LED技术的发展其光效提升空间很大,工程造价也在不断下降。现阶段我们仍需以科学的眼光分析,寻找最能发挥LED灯具优势的领域。个人认为有以下方面。
循序渐进,首先在城市次干道、支路和小区道路上应用。城市支路的路灯功率一般为100w或150w高压钠灯其光效93lm/w和103lm/w [3] ,灯具效率75%[2],整灯光效为70 lm/w和77 lm/w。小功率LED灯具由于散热要求低,光效达到90lm/w以上是可以保证。相对高压可实现22%~14%的节能。
充分利用LED灯的定向投光优势,通过调整芯片光源的排列位置、角度,可以快速低成本地提高光的利用率。由于景观要求,每个城市都安装了非截光型球形灯罩的中华灯、庭院灯和花灯。
今年我们结合我市太白大道中华灯改造,对原有65w节能灯进行LED节能改造(30W),由于市场上的LED玉米灯均为直型,光线大部分射到天上去了,实际照到路面上的光不到30%。我们进行了简单的角度优化(增加倾角)可大幅提高光的利用率,提高路面照度,降低光源功率。
由于高压钠灯产品规格是固定为1000w、400w、250w、150w、100w、70w等,在设备选择上没有LED灯具灵活,例如:
以一条双向6车道道路为例,道路单侧宽12米,设计杆高12米,杆距36米,对应的面积为12*36=432(平方米)。道路照度要求20LX,LPD功率密度为0.7(W/m2),432*0.7=302W计算功率为302w,由于高压钠灯没有300w规格,若采用200+100或150+150等双光源不仅光效大幅下降,且不便维护。多数设计均选用400w钠灯进行高配,不仅过度消耗的能源,也造成道路照度偏高的弊端
LED灯具是由一定数量的光珠组成,单颗粒功率为1或1.2W左右,可根据要求进行任意组合。可实现25%的节能。
LED产业的高速发展以及照明市场的无序竞争迫切需要建立一套完整产品标准。
LED灯具缺少统一的技术标准,每个厂家按自己的标准生产产品,配件的交互性差。一旦出现损坏无法进行现场维修,同时配件的价格偏高,无法保证亮灯率。
参照美国能源之星逐步建立LED灯具的质量认证体系,帮助优质产品优先进入应用市场。
LED路灯应用在我国大力推广并且速度加快,但LED路灯技术上产生的争辩却一直在持续着。如何尽量规避不成熟LED路灯技术的应用,使更多城市的道路照明成为靓丽风景而不是失败的“试验作品”?作为业界首家倡导并坚持标准化模组技术路线的LED路灯领军企业,上海度肯光电有限公司(以下简称“度肯光电”)近日了以模组化技术为核心的晶龙百变路灯。
标准化的高科技模组加上百变路灯外壳,能否帮助众多传统路灯企业实现LED的成功转型?能否为我国的道路照明行业带来更多变革?近日,我们专门到访度肯光电让其专业人士为我们分享LED模组技术的魅力。
“模组化是一个趋势,LED行业最终会走上模组化、标准化。”董事长任卫东表示,最初对LED路灯模组化的研究在度肯光电创始技术团队中就已经进行,因此度肯光电成立时就拥有了模组化的产品。
据介绍,度肯光电定位于向社会提供高效的LED节能照明解决方案。在会上,度肯光电重磅推出了第三代专利技术打造的路灯模组和近百款款式新颖的LED路灯新产品,意在以“晶龙百变路灯”系列产品为中国LED路灯应用带来全新变革。
任卫东说,如果将整个LED技术分散掉,最后的结果是每个企业都不会很强,对行业的发展也是不利的。度肯光电的想法是:将自身最核心技术做好,进而与其它企业合作,这样实现双赢与共同发展。任卫东认为,专业人就该做好专业事。
不同的对象需求的是什么样的灯呢?对政府来说,要求节能、绿色、低碳,整个城市的面貌是政府所关心的;对维护人员来说,要安装方便;对企业来说,更加注重有售前、中、后的好服务和高品质的产品。只有模组化才能实现这些要求,因此这个发展趋势是肯定的。
任卫东说到,所谓模组化就是将产品光源化。模组化并不会影响传统技术的升级。一个产业的升级方式包括转型与技术进步,从这两个方面来说,光源的替代,它就是一种技术进步,所以与传统升级是不会矛盾的。
任卫东认为,度肯光电现在要做的是将自身最核心的东西与行业未来的标准靠拢。度肯光电希望整个行业都在模组化、标准化方面坚持下去,只有逐渐规范化、标准化,整个行业才会有一个有序健康的发展。
度肯光电的标准化模组,除自主研发二次光学配光透镜的技术优势外,关键在于坚持单位功率模组体积重量最小化,从而达到“模组百变,替代无限”的产品诉求。
另外,度肯光电拥有专利的标准模组设计,改善了散热、克服了大散热体中心温度高的缺陷,可以组合成多种规格、多种造型的灯具,降低了模具等制造成本,有利于合作厂家二次设计和组装;有利于标准化作业及品质控制,同时方便12V、24V太阳能路灯等产品的设计。
据悉,度肯光电推出的晶龙百变模组选用CREE新一代原装灯珠,沿用度肯拥有国家发明专利的“非对称蝙蝠翼形配光透镜”技术,双等度配光,采用透镜阵列面盖,防护等级达IP67,最大出光效率达93%,模组散热结构更合理,提升热交换效率5%,可完美匹配传统路灯灯壳,符合客户长期形成的路灯造型审美观,实现名符其实的“百变”。
副总经理张国华表示,度肯光电针对“百变”路灯还创新提出“一路一景”的全新理念,通过不断革新路灯外观,融入当地城市的历史文化,来实现“变换的脸不变的芯”。
他说,公司拥有专利的标准模组设计,改善了散热、克服了大散热体中心温度高的缺陷,可以组合成多种规格、多种造型的灯具,降低了模具等制造成本,有利于合作厂家二次设计和组装;有利于标准化作业及品质控制,同时方便12V、24V太阳能路灯等产品的设计。路灯的外观创意来源于中国国粹京剧脸谱的多样性表现形式,“源于生活更融合了各种文化底蕴”,可以充分满足人们长期形成的对传统路灯外观的审美需求和对城市文化的内在期望,一定程度上实现“一路一景”的城市靓化功能。
对度肯光电未来的产品规划,张国华表示,LED智能化将是未来的主要发展方向。
根据我国路灯照明现状,小城市在晚上9点后,大中城市在凌晨2点以后,道路上行人、车辆已逐渐稀少。从这一时段直至清晨6点,在如此低交通流量的道路上仍然保持较高照度显然没有必要。据了解,城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例,约439亿kWh,以平均电价0.65元/kWh计算,一年开支285亿元。在市政开支极度紧张的今天,国内绝大部分的城市和地区几乎不约而同地采用了的路灯隔盏关灯的省钱方法,不仅导致了路面照度分布不均,给治安及交通安全埋下了隐患,而且后半夜电网电压升高对路灯寿命造成损害,每年需更换大量灯具,因此不能称作是真正意义上的节能。
LED智能化路灯充分考虑了城市道路照明的实际状况,采用单片机控制技术对路灯照度进行动态智能化管理,实现路灯人性化。由于LED路灯具有其它路灯所没有的瞬态响应极快的特性,电路上极易实现对LED路灯的亮灭进行占空比调节。工作于如此高的频率下不会存在频闪现象。
通过对灯具设定,可在繁忙的时段使路灯保持较强的照度,在后半夜车稀人少时开始自动调光,使路灯保持较低照度的照明。还可通过内在编程器根据不同城市繁华度、照明实况、车流量情况人为强制性设定照度等级、设定强弱照度时间长度比控制,以后路灯便可按照新设定周期性地执行的程序。即实现了地方道路照明个性化。
在LED照明中推广智能控制,最主要优点就是大幅降低了耗电,据测算,使用智能化的LED照明替代传统照明,节约耗电可达40%以上,还能配合照明实际情况有效进行光能利用,同时还避免了隔盏关灯所带来的其他隐患,这对于我国节约照明用电具有极其深远的意义。
当然,相对于LED产品的标准化和模组化,目前我国对LED智能化的技术研究还有待加强,真正实现产品化还有一段相当长的路要走。
最后,张总总结道,提供高品质的优秀产品才是度肯要做的,未来在户外及室内产品方面,度肯光电将致力于打造LED精品,以创新的姿态,成为中国LED路灯发展史上的技术变革者,把绿色照明带入生活的方方面面BOB半岛。
我国是能源短缺的国家,但能源浪费却很严重。无论是供配电系统或用电设备,都存在着节能的巨大潜力。节能工作的重点是: 建立和健全节能管理机制,正确设计供配电系统,改革高耗能工艺,选用节能产品,更换改造低效设备,通过科学管理和合理组织生产,实现供配电及用电设备的经济运行。
1、产品的选择。工程设计中,在对电气产品的设计进行选择时,应采用国家认证机构确认的标准产品,并优先选择高效、节能、环保的电气产品和设备,绝不采用国家明令禁止的、淘汰的和高耗能产品。
2、变压器的选择。变压器的损耗包括有功功率损耗和无功功率损耗两部分。变压器节能设计中主要考虑的是减少其有功损耗,提高运行的效率。变压器的有功损耗包括空载损耗和负载损耗,变压器的空载损耗又称为铁损,它是由铁芯的涡流损耗和漏磁损耗组成,其值与铁芯的材质等有关,而与负荷大小无关,是基本不变的; 而铜损与负荷电流平方成正比,负载电流为额定值时的铜损又称短路损失。降低空载损耗和负载损耗的途径有:1) 采用优质硅钢片,改进铁芯结构,降低空载损耗。2) 改进绝缘结构,适当减小电流密度,降低负载损耗。因此,在变压器设计中应优先选用 S9-S11 或 SC9-SC11 等低损耗节能变压器。近年来,非晶合金铁芯变压器由于其噪声小、低损耗的特点在市场上得到了很好的使用,它的空载损耗只有传统钢材铁芯变压器的 1/10。
3、供配电系统的节能措施。具体节能措施为: 根据工程性质、规模、负荷容量、防火分区及业主要求等因素综合考虑,合理选择变电所、配电小间的位置,配电小间的设置一般以 800 m2~ 1 000 m2左右设一个为宜,末端配电箱的供电半径宜为 30 m ~50 m,同时配电线路敷设时尽可能走直线,少走弯路,不走或少走回头路,避免出现“支线沿着干线倒送电”的现象,以减少来回线、无功功率的合理补偿。无功补偿时首先应减少用电设备的无功消耗,提高自然功率因数,具体措施:1) 正确选择变压器的容量和台数,以便可以切除季节性负荷专用的变压器。2) 荧光灯、气体放电灯灯具功率因数小于 0. 9 时应做单灯电容补偿。3) 减少供配电线路的感抗,采用正确的电线、电缆的敷设方式及采用同心结构的电缆等措施。4) 正确选择电动机的容量。当采用提高自然功率因数的措施后,仍达不到供电部门及节能要求时,在变、配电室内集中进行电容补偿,对容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备宜单独就地补偿。
1) 合理选择和确定照度标准值。GB 50034-2004 建筑照明设计标准规定了各类场所的照度标准值,实际设计中执行的照度值可能提高或降低一级。在一般情况下设计照度值与照度标准值相比较,可有 ± 10% 的误差,使照度标准值的选择具有一定的灵活性。对于规范条文规定的房间或场所,在选定的相关参数条件下,须达到规定的照度值并确保LPD 值不超标,该比值的量纲是 Lm /W,表示投入的光通量相对于输入功率的比值,可作为照明设计参考的能效指标,规范条文规定的照度标准值与对应的照明功率密度值之比作为能效指标下限。
2) 应用高光效照明光源。照明光源的节电指标是发光效率,它是指每瓦所产生流明数的大小,数值越大表示发光效率越高,越节省电能,荧光灯的发光效率比白炽灯高得多。使用直管荧光灯的场所,应选用细管径( 即 T8 或 T5 型) 、稀土三基色直管荧光灯,不应使用卤磷酸钙荧光粉制的荧光灯,这样提高光效、显色指数,而且使用寿命更长,节能效果好。在办公、教室、商场和工业厂房一般功能性照明场所,使用直管荧光灯满足照度均匀度要求条件下,应选用功率较大的灯具( T8 不小于36 W,T5 不小于 28 W) ,可提高能效约 30% ~ 40% 。旅馆客房、会议室应用直管荧光灯或紧凑型荧光灯,应尽量不用或少用白炽灯,紧凑型荧光灯具有光效较高、寿命长、显色性较好,用它取代白炽灯可节约电能,其他场所应严格限制白炽灯的应用。积极推广应用高光效、长寿命的金属卤化物灯和高压钠灯。商场营业厅、展览厅、候机厅等中等高度( 如灯具安装高度 4 m ~6 m 左右) 的公共建筑显色要求高的宜采用较小功率的陶瓷金卤灯,其光效更高; 大件仓库、锻工车间、炼铁车间显色性要求不高的场所以及道路照明,应采用光效更高的高压钠灯; 高大的工业厂房采用金属卤化物灯。对设计选用的灯具( 直管荧光灯、单端荧光灯、自镇流荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯等光源) 应选择其光效符合“节能评价值”的产品,以满足节能的要求。
3) 选用高效的灯具: 灯具发出的总光通量占灯具内光源发出的光通量的百分比为灯具的效率,它说明了灯具对光源光通的利用程度。影响灯具效率的主要因素有: 反射器和保护罩的材料。目前这些材料很多,一般地对反射器而言经镀铝处理的反射镜其反射率达 80%以上,保护罩以透明玻璃的透过率为最高,其次为棱镜塑料。因此,在灯具选型时,应优先选用高效的节能灯具,实现设计时阶段的节能。
4) 照明控制: 光源的选择可以达到照明节能,照明控制是关系运行中节能的重要因素。公共建筑和工业建筑的公共场所,宜采用集中控制,为了节能,宜按建筑使用条件和天然光状况分区、分组控制; 体育馆、影剧院、候机厅、报告厅等公共场所应采用集中控制,并按需要采取调光或降低照度的控制措施。每个照明开关所控灯数不宜太多。每个房间的灯开关数不宜小于 2 个。房间或场所装设两列或多列灯具时,所控灯列与侧窗平行;生产场所按车间、工段或工序分组; 电化教室、会议厅、多功能厅等场所按靠近或远离讲台分组。
5) 合理利用自然光节能降耗: 充分利用天然光,把照明和天然采光相结合。建筑物的照明设计应充分利用自然光节能降耗。在进行照明设计时,应尽量利用自然光,白天少开灯。室内墙壁以洁白干净为准,可提高光的反射率,增加亮度。
6) 严格执行照明功率密度( LPD) 限值: 照明设计中应按选用的光源、灯具及布置计算照度,在符合 GB 50034-2004 建筑照明设计标准规定的照度标准值后,再验算实际的 LPD 值,以不超过标准规定的 LPD 限值为合格,低于 LPD 限值更为节能。不能用规定的 LPD 限值作为单位面积功率去计算照度。
节能降耗是国家的基本国策,我们在设计时应大力推广和实施国家的节能方针,精心考虑各种可行技术措施,合理配置各种电气设备,并对其进行有效、科学的控制和管理,减少能源消耗,提高能源利用率,为国家节能方针贡献一份自己的力量。
近年来,道路照明设施随着各地经济和交通的发展,其规模及数量越来越大,道路照明耗电在迅速上升。
照明节能,尤其是城市道路的照明节能,因其用电量大而成为相当重要的突破口。目前,政府部门通过听取专家意见、具体测试,已将路灯节能工作提到政府议事日程点,取得成功经验后稳妥推进。
其实,路灯照明节能技术与方案,在全国还没有大家一致认可的成功案例和经验。路灯节能工作在政治和商业两大良好环境下,似乎形势一片大好,但对熟悉照明节能技术与电力技术的工程技术人员来说,却深感忧虑。
本文站在技术角度,分别从路灯布置方式、配电系统、灯具配件等方面,就如何以科学、合理的方式,实现道路照明系统节能,阐述个人的一点体会。
合适的照度,是我们在道路照明节电工作中首先需要重视的问题。它包括两个方面。其一是为所设计的道路选择合适的照度标准;其次,是采用适当的计算及设计方式,实现合适的照度。我们不难观察到,国内不少城市道路照度偏高,既增加了路灯照明的耗电,也削弱了道路两侧景观照明的效果。
我们必须根据现行有效的标准《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006)来进行照度的设计,不应过分的选择较大的照度造成能源的浪费和光污染。根据《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006)以及我们工程中的实践,推荐按(表1)和(表2)的标准选择照度。具体工程中,可视乎道路所在城市的性质和规模、交通信号的完善程度、道路与周边环境分隔状况在表中高档值与低挡值之间选取照度。
照度标准确定后,如何进行照度计算,是设计师们头疼的问题。常规的利用系数法计算粗糙,且无法确定均匀度。手工逐点计算法计算精度虽高,但需要收集大量的灯具资料,计算工作量也很大。以上两种计算方式在工程实践中均不适用。笔者建议,目前已有多家国内外灯具厂家编制了照明计算软件,计算中虽然只能对相对应厂家生产的灯具进行照度计算,但对于路灯系统设计还是有相当的参考意义。建议在设计中选择一到两家的软件对照度进行计算,从而快速方便地确定灯具布置形式、杆高、路灯间距、光源容量,实现合适的照度,避免或减少路灯系统设计的盲目性。
路灯采用的光源,基本是气体放电灯,其功率因数相当低,一般在0.45以下,从而使回路电流大,在线路上产生的损耗相当可观。《城市道路照明设计标准》中,要求气体放电灯应加电容补偿,补偿后功率因数应不小于0.8。但标准中并没有明确是在路灯电源处集中补偿,还是在灯具处分散补偿。目前国内城市路灯系统采用的电容补偿方式两种均有。笔者认为,由于路灯设施是均匀分布在道路纵向两侧,由路灯电源至路灯灯具的低压配线较长,道路照明系统产生的损耗主要发生在这一段。采用路灯电源处集中补偿方式,并不能减少低压配线的耗电。而采用单灯分散补偿,无疑减少了路灯电源至路灯灯具这一段线路上产生的损耗,将起到较好的节电效果。电容量与路灯常用光源---高压钠灯的配套建议(按表3)选择,补偿后单灯功率因数将不小于0.85。
显然,关闭半数光源的方式节电效果直接而且显著,节电运行时段节电达50%,总体约在25%左右。在电力紧张的背景下,政府出台了一些文件,要求在后半夜,采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施,关闭部分光源。笔者认为,这只能作为缓解电力紧张局面的权宜之计。因为,“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度,同时区别于不同的灯杆布置方式,照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降,对交通、行人安全、对维护社会治安产生不利影响。七十年代的世界性能源危机中,日本曾在道路上进行间隔点灯的试验,结果导致治安、道路交通事故的大幅上升。另外,这种方式由于需要在同一路径上敷设两根路灯供电电缆,也增加了建设投资。
常规灯杆布灯时,往往采用车道侧单光源灯具。灯杆布置有单侧布置、交错布置、对称布置。
单侧布置时,若选用这一方式,则后半夜车道明暗悬殊,照度均匀度远低于道路照明设计标准的要求。如某单侧布灯的工程,前半夜全亮时均匀度高达0.53,采用“亮一隔一”后均匀度则下降至0.07。我们不应顾此失彼,单侧布灯时,不宜推广关闭半数光源的方式。
交错布置、对称布置时,采用这一方式,虽然均匀度稍差,但若选择配光合适的灯具,均匀度还是可以达到或略低于道路照明设计标准的要求。工程实践中,可根据车道宽度、道路交通量、周边人流量等,有选择性的使用这种方式。
在照度要求高、机动车道较宽的快速路、主干路上,常规灯杆布灯时,可考虑采用车道侧同杆双光源灯具方案,两个光源可等功率或不等功率。采用这种布灯方案时,上半夜两个光源全亮,后半夜关闭其中一个光源。这种方式,对照度均匀度基本没有影响,单侧布置、交错布置、对称布置时,均可采用这一方案。
采用气体放电灯的路灯照明系统中,除光源自身的功耗外,与气体放电灯配套的电感镇流器也要消耗一部分电能。电感镇流器的工作效率高低、节能与否,对路灯照明系统的电力消耗有一定的影响。相对于传统的电感镇流器而言,环形电感镇流器,由于其采用圆环形铁芯和线圈,使环形铁芯卷片的几何形状与磁力线回路和曲线更加适应,磁路分布更趋合理,进一步改善了磁通,降低了铁损,减少了总的电力消耗。可广泛适用于高压钠灯、汞灯和金属卤化物灯。需要注意的是,这种方式仅仅是减少了镇流器的损耗,对路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗并没有减少。钠灯用环形电感镇流器与传统型电感镇流器电能损耗比较详见(表4)。
智能光源降压—稳压—调光技术,是将装置安装在路灯配电回路的起端,在前半夜控制路灯回路为全压,接近午夜时分,开始降低回路电压,在后半夜车稀人少时,进一步降低电压。它的节电原理有二,其一是高压钠灯的亮灯维持电压低于220V,因此,降低回路电压光源不会熄灭;其二是由于后半夜电网用户少,负荷低,电网电压高于220V,而过压将额外消耗部分电能,采用该装置则避免了这部分的浪费。根据工程实践,它的节电效果在15%左右。采用这种装置,不仅节约了电能,不影响照度均匀度,而且能够避免光源过压运行,延长了路灯寿命。需要注意的是,这种方式是对配电回路降压,回路内所有灯具都将在低电压运行,对下述问题应予注意:①,随着使用时间的增加,光源端电压及电流等电气参数发生变化,同时光源本身质量上又具有离散性,降电压运行时就可能出现同一回路中一些灯具灭灯的现象;②路灯配电回路供电半径较大时,随灯具与供电端距离的增加,电压逐渐下降,若线路设计不当,有可能出现远端电压不能满足光源所需正常维持电压;③路灯系统中往往会外接公交站台广告灯箱BOB半岛、电话亭照明,而这些照明由于功率小,一般采用直管型荧光灯、紧凑型荧光灯,低于正常工频电压时,这些光源不能正常工作。④回路中接有电动升降式高杆灯时,由于电动装置为感性起动特性,起动电流大,与这种装置过载电气特性不匹配。
可变功率镇流器,利用气体放电灯在工作电流适当减少时,仍能正常运行的原理,通过后半夜增加镇流器电抗,从而降低光源电流,减少路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗,达到路灯系统整体节能的目的。
图右边的虚线框为标准的路灯设备电路图,左边虚线框为节能型单灯控制器框图。其中电子开关用来控制路灯降功率投入。其工作过程如下:1)正常情况下,LCU控制电路控制电子开关闭合(短路),外部电压直接通过电子开关加到路灯电路上,使路灯工作在额定功率状态。 2)降功率控制情况下,控制电路控制电子开关打开(开路),控制外部电压只能通过降功率电感加到路灯电路上。此时,路灯电路感性负载增加,路灯工作电流降低,从而使路灯功率下降,耗能降低,达到节能的效果。3)当电网电压偏低或光源状况不佳,降功率运行将可能出线闪烁时,即使在降功率运行时间段,控制电路也将自动控制电子开关在闭合状态,避免路灯熄灭。
不同的节能控制程序会产生不同的节能控制效果,按每天照明11小时,前5小时处于正常照明状态,后6小时处于节能照明状态。各功率光源节电效果如(表5)。
这种方式由于是在灯具处安装,因此,适用于各种路灯布置方式和光源组合方式。
对于原有道路照明工程,可采用附加型变功率镇流器进行改造,其特点是,对原灯具配套的镇流器不予更换,既方便改造施工,又降低系统改造造价。
可变功率镇流器方式,具有智能光源降压一稳压一调光技术的优点,也避免了智能光源降压一稳压一调光技术的缺点,值得推广。
清华大学深圳研究生院 半导体照明实验室,深圳 518055)清华大学电子工程系 集成光电子学国家重点实验室,北京 100084)东莞勤上半导体照明技术研究院 摘 要: 由于白光LED 具有很多显著的优点,将其应用于公共城市照明设施地替代光源有着许多的优点。然而要真正充分发挥半导体光源的长处,二次光学系统的设计至关重要。本文介绍了一种独特的适用于城市道路照明二次光学系统,他能较好的满足城市道路照明的家路相关标准,并可以灵活地适用于不同的道路情况。 论文关键词:半导体照明;功率型LED;二次光学设计 1 引 言 公共城市照明在照明市场上占有庞大的份额,根据统计,城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例,约439 亿kwh,以平均电价0.65 元/kwh 计算,一年开支285 亿元。目前,广泛应用于城市公共照明的是高压钠灯,特别是在主干道上,高压钠灯可以提供100lm/W 以上的发光效率。但其本身的缺憾也很明显: 光源的光谱成分偏黄,显色指数极低; 灯具的寿命短,更换工作量大; 不便于对于灯的功率进行调节; 随着20 世纪90 年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现,近10 年来LED 技术取得了突飞猛进的发展。白光LED 的出现,以其特有的低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长(达2 万小时以上)、耐振动、不易损坏、符合环保要求等优势,使半导体光源将成为城市道路照明理想的节能光源。其显著的优点为:光效高。 目前商业化的白光LED 光效已达到90-100lm/W 左右,预计2 年内能达到150lm/W 以上,而这并非LED光效的上限,各国的专家都把光效地目标定在200lm/W 左右。 寿命长。 理想的目标是10 万小时,而目前商业化的白光LED 寿命可到5 万小时,比传统光源寿命要长10 一20倍。做成城市道路照明光源,则可以10 年不换光源,大大节省了日常的维护费用。便于对于灯的功率进行智能调节;可以附加二次光学系统,最大限度地利用LED 的光能,满足各种应用场合特定的照度与光强分布。近年来, 常规化石能源日趋紧张,石油、煤等常规能源价格不断攀升,特别国际油价更达到历史高位,造成了能源供应的形势愈加严峻。由于LED 的这些显著优点和白光LED 技术的日臻成熟,开发高效、长寿、绿色环保的半导体光源城市道路照明系统,具有十分重要的意义。 2 二次光学系统的设计 道路照明系统不同于一般的照明灯具,其被照明的场是一矩形区域。表1-1 和表1-2 为国家路灯标准。根据国家公路照明标准,主干道的平均照度是15lx,均匀性为30%;次干道的平均照度是8lx,均匀性为30% ,其中均匀性为照射路面的最低照度/平均照度。 由于高压钠灯为全角360 度发光,通常在光源背面加上一个反光装置使发出的光照射到路面上以提高能量利用。但是由于高压钠灯光源庞大,缺乏有效的光学装置,高压钠灯在路面上形成的光斑通常是一个不均匀的圆斑:中心处很亮,而在径向衰减很快。如图(1)所示。 为了达到国家照明标准的均匀性要求,通常不得不提高输出功率使得周围暗斑的照度主干道不小于5 lx,次干道不小于2.4 lx,然而大量的能量则浪费在路灯的正下方中心处和道路的外侧,从而降低了总的能量利用率。
随着经济的发展和社会的进步,城市照明设施越来越引起人们的高度重视和社会各方面的关注。因为它在提高城市形象、改善城市环境同时,不可避免的带来用电费用的大幅增加,增加了各地政府的负担。因此,在不降低照明标准、满足更高的照明质量和视觉环境的前提下,城市照明的节能是必要的。
本文结合笔者自身工作实践,谈谈城市路灯照明和节能,希望能收到一些社会效益。
(1)式中,EPi为灯具i对路面上P点的照度值;Iγβ为对P点的垂直角γ和水平角β在灯具样本的配光曲线或光强中对应得值;γ为灯具i的光轴与P点光线的夹角;β为P点与光源在水平面内对应的夹角;H为灯具i的安装高度;照度计算如图1。
一般在道路中,对应于一个点,同时有若干个点光源在该点投有光通量,而在道路设计照明计算时,一般只要求计算该点附近3~4盏灯具的光照叠加值,将叠加后的照度值作为该点的亮度值,如式(2):
按灯杆宽度和路面宽度选择若干个有代表性的点,求出其中的照度值。其中必然会出现极大、极小值。利用式(3)~式(5)可计算平均照度Eav、均匀度E0和纵向均匀度E1:
式中,n为所取采样点的个数;Emin为所取得采样点中照度最小的值;Emax为所取得采样点中照度最大的值。采样点取得越多,计算值精度就越高。
式中,Q0为路面的亮度系数;P0为路面照度换算系数;L为路面某单元的亮度值;E为路面某单元的照度值。
亮度系数决定于路面的材料性质、光源、光环境和观察者相对于观察单元的位置。我国公路行业对水泥混凝土和沥青路面的P0值取为15和21;在隧道内则改取为13和22。
照度标准是为各类场所制定的人工电气照明照度水平值,其数值一般指水平照度。多少年积累照度标准的研究,都是依据视角的研究来确定的。我国建国以来照度标准曾修订过数次,其中一项是1991年的《城市道路照明设计标准》(GJJ45-91)。
衡量照度的指标:照度的好坏除能否看清物体外,还有看清物体的难易程度,心里感觉舒适性等,衡量照度水平要综合考虑视角功能、舒适感、经络性、节能等因素。不同的社会条件,不同的地区照度水平可能存在较大的差别。如深圳地区常规做法是将设计照度标准比现行城市道路照明标准高一至两个等级要求。
照度标准是有分级的,照度级差大体为1.5倍的系数,我国的照度标准的分级如下:0.5、1、2、3、5、10、15、20、30、50~3000Lx。在城市道路照明设计时,可以选用其中的部分标准。新标准的特点:过去以工作面上最低照度为标准,现在改为工作面上平均照度为标准;过去标准是单值,新标准改为照度范围,更适合实际情况,有利于灵活运用。例如某一级照度标准为75-100-150Lx,其中值100Lx是推荐值,采用75Lx和150Lx均可。照度标准是设计时重要技术参数之一,必须贯彻执行。
主车道照明有杆柱式、高杆式、悬索式和高栏式等几种,通过它们的优缺点对比,采用其中的杆柱式作主车道照明比较合理。而且在实际主车道照明工程中,已被广泛采用。因为其优点颇多,在杆柱的顶端安装照明器,杆柱沿道路配置,其特点式照明器可以沿线形任意布置,并能有效地照到路面,也就是说用小光通量的光源就能满足要求,经络性、诱导性均比较好。随着灯具安装高度的增加,眩光越来越少,整个照明的舒适性相应增加,同时亮度分布面积扩大,得到同样均匀度所需灯具数量减少。根据以往的经验,气体放电灯的杆高,在10~15m是经济的。照明器的眩光和人眼的位置有关,并与照明器的垂直照度成比例,除限制照明水平方向发光强度外,灯具的安装高度也有很大影响,当安装较高时,杆的间距变大,视野内的灯数减少,产生眩光亮度的视角减少,从而使眩光减弱,为了限制眩光,表1给出了按光源光通安装灯具的最小允许高度值。可作参考。
用于主车道照明的杆柱式结构,包括杆柱、悬臂长度和悬臂仰角(即灯具安装仰角),杆柱的悬臂有单边和双边两种,一般单边悬臂杆柱安装在车道边,悬臂伸向车道,双边悬臂杆柱一般安装在车道中央绿化带,两悬臂分别伸向来往车道,有些也安装在车道边,一悬臂伸向人行道,一悬臂伸向车道。为了获得主车道合理照度和抑制眩光,保证照明质量,除优选杆柱尺寸外,对悬臂优化尺寸选定同样重要,一般悬臂外伸的长度是按灯具发光部门长度(即沿道路横断方向发光部分的长度)来决定的,CIE建议悬臂长度不能超过杆柱高度1/4,比较具体要求见表2。
悬臂倾斜角度(即灯具安装倾角)选择,应当重视车道和人行道照明器的光通分配,必须使车道和人行道有相同的宽度,因而照明器尽量采用水平安装。因为倾角较大时,会增加眩光,慢车道和人行道的亮度降低。实践证明,悬臂倾角可以作成5°或15°,一般选在5°以下合理。倾角过大,虽然车道侧的照明利用率增加,但人行道的照明利用率则下降。
城市路灯照明节能的渠道方法很多,综合起来节电效果较好的有光源合理选择、先进的设计、控制系统合理、提高功率因数和定期维护等几项,分述如下:
选用节约电能的光源和灯具,是节电的重要 内容,所以要选择经济性好,消耗电能和投资、维护费用低、发光效率高、寿命长、光色和显色性好、光通量高、气体放电等配套的镇流器,启动设备等性能要好的光源。如表3可以参考:
光源的发展大约分为三代:白炽灯为第一代,荧光灯和高压汞灯为第二代,高压钠灯为第三代。从4可见,高压钠灯的发光效率和寿命最高,效率是高压汞灯的2~2.3倍,寿命是4~4.8倍,效率是白炽灯5.6~11倍,寿命是16~24倍。用高压的钠灯取代白炽灯,可节约电能80%以上,代替高压汞灯可节电60%。同时高压钠灯还具有结构牢固、抗绣蚀能力强,技术性能稳定、光通维持性好,维护系数高、透光性强等优点。所以高压钠灯已成为被广泛采用的光源,城市路灯照明已大量采用。
道路照明设计应遵循国家的规范和标准,设计前要做好调研工作,调研道路的种类、路线形式、道路平剖面、路面反射率和交通情况,区别主干及分支道路、管理形式,推算交通量与行车速度。特别要注意重要交叉点,人行横道的附近情况,其次调查道路周围有关情况、气象条件、供电电源等。重视影响道路照明设计质量的主要因素:①路面的平均亮度;②路面亮度分布的均匀程度;③采用照明器的技术指标与眩光抑制程度;④道路照明器布置的诱导性等。合理的道路照明设计十分重要,如果图纸有缺陷或设备选择不当,都会造成损失,损失就造成浪费。
控制路灯的开关,要控制方便、准确和安全,不管采用人工、时钟自控、光电自控或微机控制的启闭时间都要准确,这是可以节电的一个方面。以某市为例,装灯容量从97年底统计为700kW,如果控制路灯启闭时间不精确,提前亮灯或延迟熄灯都会浪费电能。以每天少亮灯5min计算,每年可以节电2180kWh;采用自动时间控制开关控半夜灯和长夜灯,当夜深行人、车辆少时,自动控制路灯熄灭一半(照度是适当降低些,但不影响道路照明正常使用),亦可以节约电能;在老的路灯照明线路上,因历史原因,当初可能未考虑节能或考虑得不全面,可以在原来的线路加装节能装置,据测试可以节电20%左右;在某些电压波动较大的线路,当用电设备少时,电压升高,不利节能,可以考虑增加稳压器控制电源电压达到稳定,同样可以收到节能效果。控制路灯节能例子很多,难于尽举。
现在随着供电质量不断提高,电网电压日趋稳定正常,而到下半夜当用电明显减少时,供电电压升高较多,则照明用电量的功耗也随之上升。这样不但缩短了光源的寿命,也增加了不必要的能量消耗。现在有关单位研制了一种节能器,安装在照明线路内,能按照用户设置的电压值自动投入运行,当电网电压低于设置电压时,负载电压直接由电网供电,节能器不参加工作,当电网电压高于设置电压时,节能器自动投入工作,电网电压经节能器降压供给负载,使照明设备始终在额定电压下运行。而且,节能器本身功率损耗极小,这也节省了照明设备的电能消耗。
灯具的造形、结构形式是由使用场合决定的,为提高灯具的发光效率,很多灯具在制造时都增装了反光板。在灯具使用过程中,反光板会锈蚀减少反射率,降低亮度;灯具玻璃会粘上粉尘、油污等,降低玻璃的透明度。所以对灯具要定期检修,力求保持正常发光效率。灯具能发挥其照明作用,就是把光源产生的光通量透过玻璃灯罩,照射到需要的地方,灯具发光效率就光源光通量的利用率,任何灯具的光源的光通量及反射光板的反射效果,其总发光效率总是小于1,如果同一种功率的光源,一种使用在高效灯具上,光通量利用可达70~80%;另一种使用在低效率的灯具上,光通量只能利用40~50%。那么使用在低效率灯具就浪费电能。所以说明选用高效灯具,定期检修路灯系统,是节能和保证城市道路照明质量有效措施。
前言:当前,在道路照明中所被大范围使用的高压钠灯,其综合效率较低,约有70%左右的利用率,并且显色指数较低,使得在夜间时光线昏暗,对于汽车驾驶人员以及行人行走时对障碍物的辨别都非常的不利,因此对道路交通安全带来了一定的影响。作为一种新型光源,LED由于其光效高、无污染、寿命长、耗电少,且色彩比较丰富、能够进行调光,以及耐气候性等各种优点的存在,在各种照明场所已经占据了前所未有的优势。随着照明技术的快速发展,LED在道路照明的应用也越来越受到重视,不仅在城市道路照明系统中被广泛应用,并且在乡镇级别相对较小的道路,以及自行车道、人行道上都开始显出其优势,成为了传统HID光源的最佳接力棒。
在国家大力倡导减少能源使用,推行绿色经济的今天,LED灯以其节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等特点得以在我国以极快的速度发展。早在2008年,国家就提出了十城万盏的道路照明示范工程项目,该工程项目极大地推动了LED路灯的研发与生产。
由于LED光源的光效在持续增加,所以LED路灯也随之在性能上有了质的飞跃,市面上也出现了数量众多的各种类型的LED路灯,这些LED路灯有相当一部分具有较高的道路照明使用价值,故高功率LED路灯有逐渐代替传统的高压钠灯的趋势而成为道路照明的主力军。
根据相关认证单位对近年来送检的LED路灯所测量得到的光照数据可以知道,LED路灯在光通量输出这个指标上获得较为显著的改进。与传统的用于道路照明的功率为100W左右的高压钠灯比较,在初始光通量这个指标上LED路灯要领先于高压钠灯,因此,它完全具备了应用于城市道路照明的实践条件,鉴于目前LED路灯技术的研发力度与速度,它有望成为新一代城市道路照明的核心灯具。
2.1节能。LED的节能潜力上非常巨大。在理论上,和传统的光源比较,它的发光效率超过2001m/w,LED日光灯的耗电量还不足传统日光灯的1/3。作为一种冷光源LED,尤其是白光LED的节能潜力,越来越引起照明产业中那些照明节能设计者的关注,都开始举出节能的牌子。在很多公共的场所,例如政府机关、商户中都被使用的越来越多。
2.2寿命长。LED的寿命相当的长,作为一种半导体二极管,当其光通量减弱到80%左右时,它的寿命可以达到50000小时。
2.3绿色环保。LED光源中没有有害的金属汞,因此和高压钠灯以及金属卤化物灯不同,在报废时,LED对环境不会造成危害,非常环保。
2.4与高压钠灯相比,光色较好。与高压钠灯显光指数只有23左右相比,LED路灯的光显色性明显高出很多,可以达到75以上。并且从视觉和心理角度来看,LED路灯,其平均光照度也能够比高压钠灯减少20%以上。
2.5可控性较强。对LED发光光谱进行控制就可以根据需求调制出不同的色光,从而满足了不同的需求。并且,因为LED的光源单位很小,因此能够比较灵活的对灯的位置进行布置,尤其是在夜景照明中能够实现特殊光线以及局部照明,容易达到不见光源只见灯光的特殊效果。与此同时,LED发光的方向性也很强,因此能够通过控制光线的方向从而提升照明效率。
2.6不易破碎,便于运输。由于LED灯体所使用的不是传统的玻璃,而是环氧树脂,因此抗冲击性能和抗震性都比较好,不易破碎。所以即使在运输的过程中受到比较大的颠簸,也不会轻易的损坏,运输起来非常的安全便利。
3.1技术发展不均衡。对于LED产品国家还没有明确标准要求,这就造成各厂家没统一标准,都按自己标准生产产品,灯型不能通用,质量也相差甚远,这就给后期管理维护造成很烦,维护与更换只能找对应的生产厂家,管理单位不能自行处理。虽然目前LED路灯处于普及推广阶段,但南北方对其技术掌握程度相差很大,其核心技术仍被南方几个大型LED厂家掌控,北方厂家只能完成组装任务。
3.2价格成本和后期维护成本。LED路灯工程造价要高于高压钠灯价格4倍以上,虽然比较节能但成本悬殊还是比较大的。通过实例计算可以看出:采用130W的LED路灯与250W的高压钠灯在使用2年后成本与用电基本持平,但在理论上LED路灯光效高,寿命长的特点若能够充分发挥,其节约电费及后期维护费可弥补成本差价。由此可见,其后期使用成本会远远低于高压钠灯。可是根据实际工程使用情况,如某县城一主干道安装太阳能风光互补LED路灯,如今出现个别灯不亮,联系厂家,总因各种原因无法得到处理,以致影响整个路灯亮化效果LED路灯后期维护成本高,这是路灯建设管理单位最害怕的事情,正由于LED路灯是现代高科技产品,普通路灯管理单位暂时无法完成这一维护工作,保修期内还可以请生产厂家维修,更换灯头或其他,但过了保修期,那该怎么办?这就成了问题。LED路灯有着众多优点,但很多地方为何不大力推广发展?我想这是后期维修管理问题的考虑吧,这是制约LED路灯发展的又一障碍LED路灯在特殊天气效果不理想。虽然LED路灯比传统高压钠灯更节能环保,但在雨雾等特殊天气中的穿透力并没有高压钠灯效果好。我们常见的LED路灯多为蓝色和白色等冷光源,在照明效果上路面亮度比较低,实际光穿透力要低于传统高压钠灯,由此可见按它还是适合给亮化工程做点缀。对于我们夜晚出行的人来说,道路的路灯亮度是我们关心的。而节不节能那不是我们关心的,但对于路灯建设管理单位来说,减少节能与提高照明亮度就是他们目前面临的难题。
由于我国经济发展迅猛,因此照明业也发展迅速,照明的承载能力也越来越强。作为新兴的光源,LED路灯的一些产品已经能够应用到实际生活中去,展示出来显著的优势。但是,从当前应用的角度来看,钠灯在很多方面比LED路灯更加的实际,也更加的适合。最关键的是,我国关于照明的标准液是针对钠灯的。在满足照明质量的前提下,LED路灯性能稳定问题、节能和寿命问题、产品的质量统一问题、价格昂贵问题、维修成本较高问题等等都需要解决。尽管当前这些问题的存在制约了LED路灯的应用,但是随着我国节约型社会的构建,以及LED路灯技术的不断改进,LED路灯定会迎来引领照明业的新的高峰。
综上所述,LED路灯替代了传统的路灯,在建设费用中,LED路灯也可以把光源成本节省了,所节省的电费就是收益,道路越长,路灯节省费用也就越大,因此,LED路灯在市政道路照明中有着很大的推广应用。
[1]夏清博,牛越,王康,等.LED城市路灯的发展现状及展望[J].灯与照明,2011(2):191.
[2]苏春生.LED路灯工程后期管理的分析探讨[J].科技与企业,2013(15):245.
现代化城市室外照明不仅仅是传统概念上对道路、广场功能性照明,还包括室外的纪念物、招牌广告、自然景点、建筑物、园林小品等的亮化、美化的景观照明。功能性照明是为了满足夜间视觉辨识的生理、心里需要及环境安全性提供的环境照明;景观照明则是运用灯光创造以观赏为主的艺术景观,是自然科学和美学相结合而形成的艺术化照明。
在目前全球能源警长的大环境下,我国照明用电量已占总用电量的10%-20%。按照我国提出的“中国绿色照明工程”,照明节电已成为节能的重要方面。尤其是城市室外照明已经成为现代文明的重要标志,作为城市基础设施设计的重要组成部分,在照明功能的体现之外它注重的是灯光亮度、色彩对比、表达的是景观环境,产生的是社会和经济的价值而不是照明的本身。科学节能的城市室外照明将是一个地区文化、科技水平和经济实力的综合体现。
电磁感应灯又叫无极灯,其中可分为高频无极灯和低频无极灯,且低频无极灯各项指标更优。顾名思义,无极灯就是没有灯芯的灯,大家都知道普通的白炽灯是依靠灯芯(电极)的燃烧来提供照明的,包括道路照明上用的比较多的高压钠灯、汞灯等都是有灯芯的,无极灯没有灯芯,靠什么来照明呢?靠的就是电磁感应原理。在环状的灯管外套着一对铁芯,铁芯上包着绕组,当绕组通交流电后,根据电磁感应原理,铁芯周围就产生了交变的磁场,变化的磁场产生感应电流,再利用耦合震荡原理将产生的高频电压注入到真空的玻壳或玻管里,使低压汞和惰性气体的混合蒸汽产生放电,辐射出紫外线,再通过三基色荧光粉转化为可见光。正是基于法拉第电磁感应定律的工作原理,电磁感应灯才有了诸多的优点:
(1)长寿命。由于电磁感应灯没有电极,从而有效的避免了电极燃烧的损耗,寿命一般可达到6万小时以上,比普通的白炽灯长100倍,即使对比寿命超长的美国GE的高压钠灯,也要高出一倍以上(GE的高压钠灯一般标称寿命为2.8万小时)。
(2)节能。电磁感应灯的功率因数很高,一般都在0.98左右,而高压钠灯即使在加装电容补偿后,功率因数也只能达到0.85左右,因此,电磁感应灯的节能效果是毋庸置疑的。另外,电磁感应灯的发光效率达到了80-85ImW,属于高光效,虽然比金卤灯和高压钠灯稍低,但是用于室外照明也已足够。
(3)高显色性。电磁感应灯采用三基色荧光粉,显色指数Ra>
80,在夜晚色彩还原性好,可以有效的帮助司机和行人分辨各类物体,增加道路交通的安全。色温范围较广,从2700K~6400K,而且有红、绿、兰、白、黄等多种颜色可选。
(4)无眩光、无闪烁。电磁感应灯的光源多采用高频(210-230kHz)电子镇流器来驱动,无闪烁。
(5)灯功率及电源电压的范围宽。电磁感应灯的功率现在可以做到20W~250W,无论在民用还是在工业用途中,它的适用范围都可以满足要求。另外,电磁感应灯的适用电压范围极广,从85V~277V,有着较好的通用性和稳定性。
谈到绿色照明,首先要理解它的含义,绿色照明的科学定义是:绿色照明是指通过科学的照明设计,采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品(电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材,以及调光控制调和控光器件),改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量,从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。
绿色照明在我国并不是一个新鲜的课题,早在1998年1月1日,我国就颁布了《节能法》,在“十一五”规划中,绿色照明更是十大重点节能工程之一。我国的人均资源,特别是电力资源还是比较匮乏的,目前,我国照明耗电占全国总发电量的10-20%,相当于二个三峡发电站的发电量,因此绿色照明工程的节能意义就显得非常重大。
根据绿色照明的含义,除了科学的设计外,采用什么样的照明电器产品在绿色照明中有着举足轻重的作用,光源是能量转换成光的器件,是实施绿色照明的核心。对照“效率高、寿命长、安全和性能稳定”的要求,我们可以发现,无论在光效、寿命和安全稳定性方面,电磁感应灯都具有良好的表现,是绿色照明光源的绝佳选择。
电磁感应灯既然有如此众多的好处,那么为什么不大力推广加以使用呢?我分析原因有以下几点:
(1)电磁感应灯的推出时间不长,还没有被广大的使用者所了解。电磁感应灯目前还仅仅只是在专业的使用者中得闻其名,至于众多的使用者,根本是闻所未闻。
(2)电磁感应灯的价格不菲,目前还处在一个比较高的地位,和自镇流式的节能灯及路灯所用的高压钠灯相比,虽然有着众多的优点,不过短时间内还难以被广泛使用。
(3)电磁感应灯的质量还有待提高,国家标准亟待出台。目前,国家对于电磁感应灯还没有出台相应的标准,电磁感应灯的生产厂家良莠不齐,标准不一,导致用户对电磁感应灯的信任度不够,没有推而广之的积极性。
(4)电磁感应灯的灯具和安装方式和现有的路灯灯具不统一,不利于旧灯改造。
电磁感应灯要发展,可以采用试点工程的方式加以推广。在新建道路的路灯安装中,可以整条道路使用电磁感应灯,这样,即能够达到整条道路的和谐统一,也可以方便统计数据,查看节能效果,使广大使用者和人民群众能够了解电磁感应灯的节能功效,无形之中宣传了电磁感应灯的良好效果,配合完成了国家有关绿色照明示范岗工程的要求,达到一举多得的效果。
(1)加大宣传力度,提高全社会绿色照明意识。要广泛深入持久开展绿色照明的宣传,提高全民的资源忧患意识和节约意识,增强全社会的照明节能意识和可持续发展意识。要充分利用新闻媒体和各种宣传手段大力宣传节约资源和保护环境是基本国策,大力宣传实施城市绿色照明工程的意义和目标任务,大力宣传绿色照明示范工程的成效和经验。通过各种生动活泼的宣传教育,吸引全社会广泛参与,使绿色照明工程逐步成为全社会的共同意识。
(2)坚持技术创新,推广普及绿色照明工程,要在满足城市照明的功能需要的基础上,坚持科技创新,加大设施投入和新技术、新光源的推广应用,做到安全可靠、科学合理、经济实用、维护方便,提高城市绿色照明的效率。在新建和改造过程中严禁和杜绝使用高耗能、低寿命、光污染严重的灯具和光源。推广使用高光效、高寿命、节能环保(如:无极灯)等的应用,保证城市照明功效达到节能效果。
(3)建设一批绿色照明示范工程,提升城市照明品位,全面推行具有环保、节能和人文特性的绿色照明工程。
国家建设部、发改委于2004年,在《城市道路照明设施管理规定》的基础上经过修改,发出《关于加强城市照明管理促进节约用电工作的意见》的通知。文中指出“大力推广节能技术,提高电能利用效率;严格按照照明设计标准规范进行照明设施的建设,不得超标准建设;新建、改建照明项目必须采用科学的照明设计方法,推广采用高效照明电器产品和节能控制技术。”等以上规则。随着我国经济建设的高速发展,社会城市化建设突飞猛进,因此,与之相匹配的城市道路照明的改造和新建工程也急剧骤增。但是伴随而来的是能耗的大幅度提高,特别是近年来能源价格大幅度提升,使电力耗费成为负担。因此,路灯的节能必然成为一种趋势。
城市道路照明的目的是为驾驶员和行人创造一个良好的视看环境,使人们安全、迅速、舒适地到达目的地;以及为了减少对人身及财产的犯罪行为发生。城市的人行道上一般是行人较多,所以城市主要道路照明不但要照亮车行道路面,而且还要适当照亮人行道,而且使半柱面照度达到标准要求,这样有利于迅速发现人或动物横穿道路等潜在的不安全因素。
设计是节能的源头。城市照明工程设计应由专业设计人员进行,在设计时应严格遵循道路的性质、功能对照相应的照度和能耗密度标准,确定最节能的布灯间距、光源、供电路线、控制系统等等。这就要求道路照明工程师不但有良好的职业责任感,较全面的技术素质,能掌握科学的照明设计方法。设计人员在进行道路照明设计时,在保证照明的效果,达到城市道路照明的目的前提下,做到最大限度地节能和节省投资,并降低运行维护费用。
路灯的布灯间距是否适当直接关系到照明的效果。安装间距对节能尤为重要,尽可能加大安装间距。
如采用双侧对称布置,间距30米时,每公里66个灯,如250w,按每亮灯10小时,每公里耗电量为66*250*0.001*365*10=60225kwh(不计镇流器损耗);若间距为40米时,每公里50个灯,耗电量为50*250*0.001*365*10=45625kwh,每公里就节约14600度电,假设全国以每年新增城市道路 2.5万公里计算,就可节省电力3.65亿KWh,并可节省灯具杆投资 20亿元(每杆以5000元计),相当可观。当然,这是经计算满足标准的前提下并未考虑道路交叉口和隔离带分段而影响间距布置。从上可看出,在满足标准的前提下,布灯间距对节能非常大的意义。
目前,路灯照明所采用光源的主要类型有:金属卤化物灯、高压钠灯、白炽灯、紧凑性荧光灯等。在相同的电功率下,高压钠灯光能量比金卤灯高40%左右,且钠灯的透雾性能比较好;按照同样照度标准的道路照明要求,金卤灯光源的电耗多于高压钠灯。因此高压钠灯在城市道路照明工程中使用非常广泛。
随着科学的发展,LED光源的技术成熟,LED光源在许多大中城市大力推广应用。LED光源的特点是长寿命、高效、节能、安全、绿色环保。据专家介绍,和高压钠灯相比,新型大功率LED路灯可节约80%的电能,在照明效果上基本也可以取代路灯普遍所采用的高压钠灯。
高压钠灯更换成本和维护费用是LED路灯5倍。可见LED路灯不但能比高压钠灯节能,且更换成本和维护费用节省的多。所以,LED光源在城市道路照明方面的广泛应用,必将是大势所趋。
路灯工程的特点是线路较长,线路上的电流不一定很大。路灯配电回路供电半径长一般达800米,随灯具与供电端距离的增加,电压逐渐下降,若线路设计不当,有可能出现远端电压不能满足光源所需正常维持电压;解决线路压降问题的方法就是安装补偿电容。
目前国内城市道路照明工程设计中采用的电容补偿方式有两种:一是在路灯电源处集中补偿,二是在灯具处分散补偿。采用路灯电源处集中补偿方式,并不能减少低压配线的耗电;采用单灯分散补偿,无疑减少了路灯电源至路灯灯具这一段线路上产生的损耗,将起到较好的节电效果。
路灯采用的光源,基本是气体放电灯,其功率因数相当低,一般在0.40~0.6,从而使回路电流大,在线路上产生的损耗相当可观。电容补偿后单灯功率因数不小于0.80。据测算,对一条道路上安装的100 盏 250W 高压钠灯进行电容器无功补偿,将功率因数由0.44提高至0.80,结果供电电流由补偿前的300A降低至141A,工作电流下降了大约一半,表明该照明系统通过无功补偿为供电电源系统腾出了一半的容量空间,使电源设备能够再发挥相当数量的供电潜能。
另一方面,由于照明系统供电线路上减少了一百多安培电流的徒劳往返,必将大幅减少线路上的电压损耗和功率损耗,同时也降低了线缆的温升,可谓一举多得。
多年以来,我国路灯的管理和控制手段主要采取以下手段:开关灯采取时控方式;故障巡检依靠人工巡查的方式。随着城市的扩大,路灯数量的迅速增长,这种控制方式在故障实时监控处理、按需控制、节能等方面已越来越不能适合城市发展。
无线监控路灯控制系统应用计算机网络、超短波通讯、数据传递、大屏幕投影等技术,组成具有无线遥控、遥测、遥讯和数据信息处理等功能。它实现了在总控制室和各道路分控制站之间,用数据的形式通过无线电的方式,对各路灯控制箱进行监视、测量和控制,实现路灯监控的智能化管理。可对大中城市城区路灯进行准确的遥控开关灯BOB半岛,避免因早开或晚关造成的能源浪费。
该控制系统操作回路一般2~3 回,分别用作上半夜路灯、下半夜路灯和其他路灯,每一操作回路可以有多个出线空气断路器。电缆出线采用道路单侧单独供电(即单回路供电) 的方式,但在接线方式上采用单侧单条电缆出线的异型接线方式。即其灯杆电缆的接线方式按照正常的ABC 排序,但在控制箱内将供给道路两侧的电缆(分别为上下半夜的电缆) 的同一相(如:C 相) 电缆芯对换接线,使之在上半夜灯全部亮,下半夜是一边亮2P3 (即1 # 、2 # 、4 # 、5 #……亮灯) ,而另一边亮1P3 (即3# 、6 # 、9 #……亮灯) ,这样在下半夜变压器仍能三相平衡供电,其照度也基本均匀,因下半夜车辆和行人稀少,能满足行走安全的要求。比如我市的路灯电费每年大约500万元,若采用全夜灯及半夜灯分时段节能控制方式,也就是在晚上12点以后,关闭一半的灯具,每年就可节约电费125万元左右。
城市道路照明是城市夜景照明的一个重要组成部分,并且作为城市最基本的构成要素之一,是展示城市形象的最直观的场所。城市道路照明工程的节能设计,对提高能源利用效率,减少不必要的能源浪费,有很重大的意义。
随着能源危机的加剧,节能减排成为共识。我国也把控制温室气体排放作为积极应对全球气候变化的重要任务,国家“十二五”规划明确提出了“到2015年单位国内生产总值能源消耗降低16%,单位国内生产总值二氧化碳排放降低17%”的约束性指标。目前我国照明用电占全社会用电量的12%左右,因此在照明行业推广使用高效节能的照明产品,对于节能减排和照明产业转型升级具有重要意义。有数据统计,地级以上城市,每年路灯耗电量达1000万度以上,电费支出超800万元,二氧化碳排放量达7000吨。因此,为积极贯彻和落实国家“节能减排”的方针政策,实施城市路灯节电改造是城市节能减排的一项重要措施,也是用实际行动建设低碳生活的重要举措。
同时,国家发展改革委办公厅已《关于开展碳排放权交易试点工作的通知》,批准北京、天津、深圳等 7省市为试点开展碳排放权交易工作,计划于“十二五”期间逐步建立庞大的国内碳排放交易市场,但由于国内碳交易市场处于刚刚建立和起步阶段,如何科学有效地计量某些项目层面碳减排量或减排潜能仍然是一个技术难题,而各个行业作为碳交易的重要参与方,也必然需要尽快的建立相应的行业规范、科学适用的温室气体核算体系,以使各行业完成的减排量具有公信力和可交易性。
LED路灯(Light Emitting Diode,发光二级管)即半导体照明灯。它是一种基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源。LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是,大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管,具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点BOB半岛,可广泛应用于城市道路照明。
LED节能灯性能优越,是引领全球低碳和负碳经济社会发展的一个突破口。推广使用LED节能灯可以大大减少电力消耗,从而减少能耗和碳排放量,虽然对于节能灯一类的低碳产品的推广使用而言,每一个低碳产品所产生的减排量是很微小的,但当推广使用数量累计到一定量的后,其整体减排收益则非常巨大。
据有关方面统计,中国现有路灯总数大约在一亿盏以上,并以每年20%的速度增长。如果将这一亿盏路灯折合成6000万盏250瓦的路灯进行对比,假定每盏路灯每天工作10小时,现在普遍的使用的高压钠灯每年将会产生将近1100千克的二氧化碳,若全部改造成LED路灯,那么总共可以节约1300万千瓦的功率,在1年内将节约597亿度电,从而也大大减少了二氧化碳的排放量。
我国目前的碳排放量计算方法主要是参考《京东议定书》中的清洁发展机制(CDM)基于项目的核算体系。其中与照明领域节能灯相关的CDM方法学主要有: AMS-II-C需求方采用特定技术提高能效的小型方法学;AMS-II-J高效照明技术的需求侧应用活动;AMS-II-N需求侧再建筑安装节能灯及节能控制装置的能效提高方法学等,本文主要参考LED灯相关的碳减排量核算方法,对LED灯道路照明节能改造项目的碳减排计算方法进行了探索,并应用于具体产业化实例中,试图对该类项目的碳减排量计算方法提供借鉴意义。
本项目计划将某城镇道路原有的钠灯及汞灯全部更换为LED节能路灯;同时,城镇道路新安装路灯也将全部采用LED节能路灯。项目改造及新安装路灯总里长数为463.65公里,改造及新安装路灯总数25,253盏。具体方案如下:
根据项目特点,替换或新建LED路灯,是通过替代传统的高压钠灯减少了电力消耗,从而减少碳排放量。年碳减排量可由年节省的电量与相应的电网二氧化碳排放因子相乘得到,能耗由照明系统的功率与运行时间相乘得到。
根据项目特点,该项目边界包括所有改造及新安装路灯消耗的电力及电力生产所涉及的华中区域电网。
现以该城区路灯改造项目中某具体乡镇安阳乡改造为例,即用300盏56W的LED节能路灯改造功率150W的钠灯,并新建200盏56w节能路灯,计算碳减排量如下:
本文简要介绍了LED照明路灯的节能减排潜力,并通过项目案例,借鉴现有温室气体排放核算方法,对具体LED照明路灯改造项目碳减排量进行了简化核算,可以得出结论, LED路灯作为低碳产品当推广使用达到一定数量后,将会产生较大的减碳效益。中国的路灯总数很庞大,且以较快的速度继续增长,且LED路灯的技术也日趋成熟,未来凭借其绿色环保、高效节能的优势,必将作为节能先锋普遍应用于路灯的节能改造中,从对照明领域的节能减排做出重大贡献。
[1]国家发改委,2013年区域电网基准线]节能灯技术与低碳照明[M].河北科技出版社,2011
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